Совпадений метод в ядерной физике
Метод совпадений (или метод совпадающих событий) представляет собой важнейший инструмент в экспериментальной ядерной физике для изучения коррелированных процессов, таких как последовательные распады, каскадные γ-переходы, а также для точной локализации времени и углов излучения частиц.
Суть метода заключается в регистрации двух (или более) физических событий, происходящих одновременно или с очень малым временным интервалом, при помощи независимых детекторов. Если два события регистрируются в пределах заданного временного окна, они считаются совпавшими, или когерентными, что указывает на их физическую взаимосвязь.
1. Временные совпадения Временное совпадение — это обнаружение двух сигналов, поступающих в течение заданного интервала времени. Для этого применяются электронные схемы, реализующие окно совпадений. Типичный временной интервал — от наносекунд до микросекунд, в зависимости от используемой аппаратуры и природы изучаемых явлений.
2. Энергетические совпадения В энергетическом методе совпадения отбираются события, в которых энергия зарегистрированных частиц удовлетворяет определённым условиям. Это особенно эффективно в γ-спектроскопии при изучении каскадных переходов.
3. Пространственные совпадения Пространственное совпадение предполагает, что события происходят в определённой геометрической конфигурации, например, на заданных углах между направлениями регистрации γ-квантов в экспериментах по измерению угловых корреляций.
Совпадения реализуются при помощи специальных электронных схем — анализаторов совпадений. Базовый блок состоит из:
Когда сигналы от двух независимых каналов приходят в пределах этого окна, генерируется выходной импульс, свидетельствующий о совпадении. Эти сигналы далее обрабатываются счетчиками, многоканальными анализаторами и другими устройствами.
Критически важной характеристикой метода является ширина временного окна Δt, в пределах которого два события считаются совпадающими. Эта величина должна быть:
Обычно ширина окна определяется временным разрешением детекторов и быстродействием электронных схем. Современные установки могут достигать временного разрешения на уровне десятков пикосекунд.
Истинные совпадения — это события, которые физически связаны между собой (например, последовательные распады одного ядра). Случайные совпадения — это независимые события, происходящие в пределах одного и того же временного окна, но не имеющие физической связи.
Для выделения истинных совпадений необходимо:
1. Гамма-гамма совпадения (γ-γ совпадения) Широко применяются в γ-спектроскопии для изучения каскадных переходов между уровнями возбуждённого ядра. Совпадения позволяют восстановить схему уровней, определить их спины и парности.
2. Бета-гамма совпадения (β-γ совпадения) Используются при изучении β-распадов с последующим γ-излучением. Это позволяет установить связи между β-распадом и возбуждёнными состояниями дочернего ядра.
3. Альфа-гамма совпадения (α-γ совпадения) Применимы для уточнения структуры ядер, распадающихся с испусканием α-частиц, а затем γ-квантов. Часто используется при изучении актинодов и трансактинодов.
4. Нейтрон-гамма совпадения (n-γ совпадения) Актуальны в исследованиях, связанных с нейтронной активацией и резонансными структурами уровней ядер.
5. Совпадения с ионами отдачи Методика регистрации γ-квантов в совпадении с детекторами ядер отдачи (recoil) позволяет исключить вклад фоновых процессов и увеличить точность определения энергии γ-квантов, а также наблюдать эффекты типа Доплеровского уширения.
При радиоактивном распаде ядра могут испускаться последовательные γ-кванты, характеризующиеся каскадным переходом между возбужденными уровнями. Если регистрировать такие γ-кванты в двух детекторах, размещённых под определённым углом, и измерять:
то можно:
Такой подход применяется, например, в экспериментах с использованием массивов HPGe-детекторов (типа Gammasphere или EUROBALL).
Метод совпадений особенно эффективен в сочетании с анализом угловых корреляций между излучёнными частицами. Угловая корреляция γ-γ-квантов, испускаемых в каскадном переходе, зависит от мультиполярностей и спинов уровней. Измеряя распределения по углам между детекторами, можно:
1. Синхронизация детекторов Для обеспечения высокого качества данных необходимо точно синхронизировать все каналы регистрации. Это достигается калибровкой временных задержек, компенсацией различий в кабелях и настройкой триггерной логики.
2. Энергетическая калибровка Используются стандартные γ-источники (например, Co-60, Cs-137, Eu-152), для определения шкалы энергии в детекторах.
3. Фоновая оценка Регистрируется спектр без совпадений или с использованием сдвинутого окна, позволяющий оценить вклад случайных совпадений в общую статистику.
Преимущества:
Ограничения:
Современные методы совпадений становятся всё более точными благодаря внедрению цифровой обработки сигналов, быстрой электроники на базе FPGA и систем сбора данных с высокой пропускной способностью. Развитие массивов детекторов, таких как AGATA и GRETA, использующих метод γ-трекинга, позволяет ещё глубже проникнуть в структуру ядра и исследовать ранее недоступные возбуждённые состояния.