Презентация на тему: Введение в курс «Измерение характеристик ИИ»

Введение в курс «Измерение характеристик ИИ»
История развития
История развития
История развития
Ядерные фотоэмульсии
Ядерные фотоэмульсии
Камера Вильсона
Диффузионная камера
Диффузионная камера
Пузырьковая камера
Пузырьковая камера
Стримерная камера
Калориметры
Электромагнитные ливни
Гомогенные калориметры
Гомогенные калориметры
Гетерогенные калориметры
Гетерогенные калориметры
Адронные ливни и адронные калориметры
Адронные калориметры
Детекторы на большом адронном коллайдере
Детекторы на большом адронном коллайдере
Детекторы на большом адронном коллайдере
Детектор ALICE
Детектор ALICE
Моделирование результата столкновения двух ядер свинца в детекторе ALICE
Введение в курс «Измерение характеристик ИИ»
1/27
Средняя оценка: 4.4/5 (всего оценок: 22)
Код скопирован в буфер обмена
Скачать (1344 Кб)
1

Первый слайд презентации: Введение в курс «Измерение характеристик ИИ»

Автор презентации: старший преподаватель, Богачёва Е.С. Введение в курс «Измерение характеристик ИИ»

Изображение слайда
2

Слайд 2: История развития

Понятие спектрометрия появилось еще в 17 веке, когда начались исследования оптических спектров в видимой области; к концу 17 века исследования распространились также на ультрафиолетовую и инфракрасную области; В 1860 году Кирхгофом и Бунзеном было установлено, что каждому элементу соответствует свой спектр; В 1914 году Резерфорд и Андраде использовали кристалл для анализа гамма-излучения; Начиная с 40-х годов 20 века характеристики спектрометров были значительно улучшены.

Изображение слайда
3

Слайд 3: История развития

Начало газовым ионизационным методам спектрометрии было положено Резерфордом, который в 1930 г. Впервые применил ионизационную камеру для определения спектра альфа-частиц; Сцинтилляционный метод начал свое развитие со сцинтарископа Крукса (1903 г.) – экрана из ZnS, на котором наблюдались через микроскоп сцинтилляции от альфа-частиц; Однако широкое развитие он получил лишь после изобретения фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) в 1944 г. Керраном и Бейкером, а затем и Кубецким, и особенно после открытия возможностей неорганических кристаллов в гамма-спектрометрии;

Изображение слайда
4

Слайд 4: История развития

Новым этапом в развитии ядерной спектрометрии явилось создание в начале 60-х годов полупроводниковых детекторов (ППД), изготовленных из кремния и германия. Мак-Кей в 1949 году установил, что достигнутые к тому времени чистота и совершенство структуры кремния и германия позволяют использовать их в качестве детекторов ионизирующего излучения; источники появились с созданием в 1932 Кокрофтом и Уолтоном установки для ускорения протонов, открытием в 1944 г. Векслером, а в 1945 Мак- Милланом принципа автофазировки и быстрым совершенствованием ускорительной техники.

Изображение слайда
5

Слайд 5: Ядерные фотоэмульсии

Впервые с возможностью регистрации ядерных излучений фотографическим методом столкнулся  А. Беккерель, открывший в 1896 г. с помощью фотопластинок радиоактивность урана. Но по настоящему в практику субатомных исследований этот метод вошёл в конце сороковых годов прошлого века после создания  С. Пауэллом специальных фотопластинок с толстым эмульсионным слоем. Ядерные эмульсии, как и обычные светочувствительные, состоят из желатина и взвешенных частиц кристаллического бромистого серебра ( AgBr ) размером до 0.3 мкм, но в отличие от последних имеют существенно бóльшую толщину - до нескольких сотен микрон (толщина обычных эмульсий 10 мкм).

Изображение слайда
6

Слайд 6: Ядерные фотоэмульсии

Совмещенные в одном масштабе фотографии взаимодействия релятивистского ядра серы в ядерной эмульсии и человеческого волоса толщиной 60 мкм. полученные с помощью микроскопа и цифровой фотокамеры.

Изображение слайда
7

Слайд 7: Камера Вильсона

Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена  Ч. Вильсоном  в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.). С помощью камеры Вильсона в 1932 г.  К. Андерсон  обнаружил в космических лучах позитрон.

Изображение слайда
8

Слайд 8: Диффузионная камера

Перенасыщение пара можно создать не только расширением объёма газовой среды, но и диффузией пара из нагретой области в холодную. Этот принцип используется в  диффузионной камере. В диффузионных камерах обычно используются пары спиртов, а для охлаждения - сухой лед. Диффузионные камеры часто помещают в магнитное поле. Диффузионная камера была изобретена в 1936 г.

Изображение слайда
9

Слайд 9: Диффузионная камера

Диффузионная камера: 1 - фотоаппарат; 2 - стеклянная крышка; 3 - лоток, наполненный спиртом; 4 - стеклянный цилиндр; 5 - металлическая пластина; 6 - сухой лед.

Изображение слайда
10

Слайд 10: Пузырьковая камера

Пузырьковая камера  – трековый детектор элемен -тарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. Изобретена А.  Глэзером  в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.).

Изображение слайда
11

Слайд 11: Пузырьковая камера

Пузырьковая камера: а - внешний вид, б – фото-графия события в камере, в - расшифровка события.

Изображение слайда
12

Слайд 12: Стримерная камера

Искровая камера  – трековый детектор заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка искровых электри-ческих разрядов вдоль траектории её движения. а. - к принципу работы искровой камеры. Управляющие счётчики включены в схему совпадений,  б. - внешний вид двухсекционной искровой камеры, в. - распад пиона в искровой камере

Изображение слайда
13

Слайд 13: Калориметры

Калориметры предназначены главным образом для измерения полной энергии высокоэнергичных (в том числе и нейтральных) частиц. Попав в вещество калориметра частица рождает ливень вторичных частиц, передавая им свою энергию. Ливень поглощается в объеме калориметра и его энергия измеряется.       Преимущества калориметров. Калориметры позволяют измерять энергии частиц в диапазоне от нескольких МэВ до максимально достижимой. Калориметры чувствительны как к заряженным, так и к нейтральным частицам. При сегментации калориметра можно получить информацию о координатах частиц и струй. Точность измерения координат оси ливня частиц повышается с ростом энергии и может быть лучше, чем 1мм. Возможно измерение как продольной, так и поперечной составляющих импульсов частиц. Калориметры также можно использовать как триггеры для селективного отбора событий Калориметры позволяют идентифицировать частицы. Например, различать электроны и фотоны от пионов и мюонов.

Изображение слайда
14

Слайд 14: Электромагнитные ливни

Монте-Карло симулирование электронного ливня в кристалле. Кристалл PbW0 4  с вакуумным фототриодом.

Изображение слайда
15

Слайд 15: Гомогенные калориметры

В гомогенных калориметрах поглощающий  материал одновременно является и детектирующим.     Основное преимущество гомогенных детекторов – хорошее энергетическое разрешение, что связано с тем, что вся энергия падающей частицы поглощается в активной (детектирующей) среде. С другой стороны, гомогенные калориметры труднее сегментировать в поперечном и продольном направлениях, что является недостатком, когда требуется координатная информация. Кроме того, толщины, необходимые для поглощения ливней от высокоэнергетичных частиц, могут превосходить разумные пределы. С другой стороны, они используются в нейтринных экспериментах, в которых для обнаружения редких событий необходимы большие объемы и используются недорогие материалы, например, вода или воздух

Изображение слайда
16

Слайд 16: Гомогенные калориметры

Гомогенные калориметры  могут быть разделены на четыре класса: полупроводниковые калориметры, черенковские калориметры, сцинтилляционные калориметры, калориметры с жидкими благородными газами. У полупроводниковых ( Si, Ge ) калориметров прекрасное энергетическое разрешение. В качестве радиаторов в черенковских калориметрах обычно используются свинцовые стекла и свинцовые фториды. Органические сцинтилляторы обладают хорошими временными характеристиками, но имеют малый световыход. У кристаллических сцинтилляторов (BGO, CsI и PbWO4) бóльший световыход, хорошая линейность, но они медленные. Калориметры жидкими благородными газами ( Ar, Кг, Хе ) работают при криогенных температурах. Когда заряженная частица попадает в жидкий благородный газ, приблизительно половина ее энергии уходит на ионизацию, а половина на сцинтилляцию.

Изображение слайда
17

Слайд 17: Гетерогенные калориметры

В гетерогенных калориметрах функции поглощения и детектирования разделены. Это позволяет оптимальным образом выбрать поглотитель. Гетерогенные калориметры обычно имеет структуру сэндвичей – слои поглотителя чередуются с детектирующими слоями. Они также могут представлять собой сцинтилляционные волокна, включенные в свинцовую матрицу. Раздельное считывание отдельных сцинтилляционных волокон обеспечивает прекрасное пространственное разрешение.  Такие сцинтилляционные волоконные калориметры могут рассматриваться как трековые детекторы. В гетерогенных калориметрах детектируется только часть энергии ливня.

Изображение слайда
18

Слайд 18: Гетерогенные калориметры

Гетерогенные калориметры могут быть классифицированы в зависимости от типа активной среды: сцинтилляционные калориметры, газовые калориметры, твердотельные калориметры, жидкостные калориметры. В первом случае собирается световой сигнал, в трех других случаях – электрический заряд. В качестве поглотителей часто используют свинец, железо, медь, уран. В гетерогенных калориметрах часто используются органические сцинтилляторы, которые формируются в виде волокон или пластин. Однако они страдают от радиационных повреждений и старения. Газовые калориметры широко применялись до последнего времени, в основном из-за их низкой стоимости и гибкости сегментации. Тем не менее, они не очень хорошо подходят для современных экспериментов из-за их скромного энергетического разрешения. В большинстве случаев детектирующей средой твердотельных гетерогенных калориметров является кремний. Криогенные жидкостные гетерогенные калориметры до сих пор широко используются в экспериментах физики высоких энергий, В качестве детектирующей среды в основном используется аргон. Плотность жидкости достаточна, чтобы работать в режиме ионизационной камеры Они обеспечивают хорошее энергетическое разрешение и стабильность во времени. У них хорошая радиационная стойкость. Другая трудность при использовании жидкостных гетерогенных калориметров связана с их относительно невысокими временными характеристиками

Изображение слайда
19

Слайд 19: Адронные ливни и адронные калориметры

В результате реакций частиц ливня с ядрами вещества вылетают нуклоны. При этом часть энергии ливня тратится на энергию связи нуклонов (~8 МэВ). Эти потери вносят вклад в так называемую невидимую энергию. Это часть энергии ливня, которая не фиксируется калориметром.     Кроме того в калориметре не фиксируется энергия нейтрино и бóльшая часть энергии мюонов. Некоторые из частиц (например, π 0 ), произведенные в этом каскадном процессе, распадаются с помощью электромагнитного взаимодействия. Таким образом, в адронном ливне обычно есть примесь электромагнитного ливня.

Изображение слайда
20

Слайд 20: Адронные калориметры

Так для поглощения 95% ливня, вызванного π - -мезоном с энергией 300 ГэВ в уране, требуется около 80 см, в то время как для электрона той же энергии 10 см будет достаточно. Так же, как для электромагнитного калориметра, толщина адронного калориметра, необходимая для поглощения адронного ливня приблизительно логарифмически растет с увеличением энергии. Из-за больших флуктуации в развитии ливня, последствия утечки по-прежнему могут играть важную роль.

Изображение слайда
21

Слайд 21: Детекторы на большом адронном коллайдере

На Большом адронном коллайдере работают два крупных (ATLAS и CMS) и два средних (ALICE и LHCb ) эксперимента, а также несколько экспериментов небольшого масштаба. ATLAS  и  CMS  — два главных эксперимента на Большом адронном коллайдере. Это самые крупные и самые сложные из когда-либо построенных детекторов для коллайдерных экспериментов. По своему устройству эти детекторы следуют  классической схеме  — в центре расположены трековые детекторы для измерения траекторий частиц, затем — калориметры для измерения их энергий, а снаружи — специальные детекторы для регистрации мюонов. Всё это погружено в сильное магнитное поле, направленное вдоль оси пучков, которое искривляет траектории частиц и позволяет по этому искривлению измерить их импульс.

Изображение слайда
22

Слайд 22: Детекторы на большом адронном коллайдере

И ATLAS, и CMS являются  многоцелевыми детекторами  — они «заточены» под изучение любых процессов с высокоэнергетическими частицами. Однако их дизайн существенно различается. Детектор ATLAS имеет беспрецедентно большие размеры при умеренно сильном магнитном поле, в то время как детектор CMS создает очень сильное магнитное поле при умеренно больших размерах. В обоих случаях траектории частиц успевают искривиться примерно на одинаковую величину, поэтому и эффективность их измерения должна быть примерно одинаковой в обоих экспериментах.

Изображение слайда
23

Слайд 23: Детекторы на большом адронном коллайдере

Детектор  ALICE  «заточен» под изучение столкновений тяжелых ядер, в которых рождаются уже не сотни, а десятки тысяч отдельных адронов, поэтому критическим для него становится умение различать треки отдельных частиц. Кроме того, специальные детекторы отслеживают «осколки» ядер, которые не поучаствовали в столкновении, а просто пролетели мимо. Детектор  LHCb  предназначен для изучения свойств «прелестных» адронов (то есть адронов, содержащих b-кварк). Такие адроны успевают отлететь от оси пучка на доли миллиметра, поэтому ключевым элементом LHCb является вершинный детектор, который может заметить такое смещение. В обоих детекторах важнейшую роль играют системы идентификации частиц.

Изображение слайда
24

Слайд 24: Детектор ALICE

Изображение слайда
25

Слайд 25: Детектор ALICE

Идентификация частиц Идентификация частиц  осуществляется в детекторе ALICE комбинированным способом. Информация о том, какой именно частице отвечает тот или иной трек, извлекается из плотности ионизационного следа внутри время-проекционной камеры, а также по отклику двух специальных детекторов:  детектора переходного излучения  и  времяпролетной камеры. Первый из них хорошо опознает электроны, а времяпролетная камера способна очень точно засечь время прохода частиц, а значит, и их скорость, что вместе со знанием импульса позволит вычислить массу частиц. Такая схема особенно хорошо работает для адронов (пионов, каонов и протонов) небольшой энергии, в районе нескольких ГэВ, которые как раз будут рождаться при разлете облачка кварк- глюонной плазмы. Калориметрия Внешние слои детектора состоят, как правило, из  калориметров  и  мюонных систем. Детектор ALICE тут не исключение, однако калориметрия у него специфическая. Главным ее компонентом является  фотонный спектрометр  — электромагнитный калориметр, сделанный из 18 тысяч тяжелых сцинтилляционных кристаллов вольфрамата свинца. Его задача — аккуратно измерить энергию фотонов, поскольку именно фотоны служат прекрасным индикатором тех условий, которые сопровождают образование кварк- глюонной плазмы (маленького облачка материи с температурой порядка триллиона градусов).

Изображение слайда
26

Слайд 26: Моделирование результата столкновения двух ядер свинца в детекторе ALICE

Изображение слайда
27

Последний слайд презентации: Введение в курс «Измерение характеристик ИИ»

Изображение слайда