Трековые детекторы (в ядерной физике) - приборы для регистрации частиц. Их действие основано на явлениях, возникающих при прохождении заряженных частиц через вещество (ионизация и возбуждение атомов среды, излучение Вавилова-Черенкова). Взаимодействие с материалом детектора чаще всего сводится к процессу ионизации – отрыву электронов от некоторых атомов материала детектора, в результате чего они приобретают электрический заряд. Регистрируется либо непосредственно ионизация, либо связанные с ней явления – испускание света, а также фазовые или химические превращения.

Проходя сквозь вещество, частица сталкивается с атомами этого вещества. Число столкновений зависит в основном от электрического заряда и скорости частицы. Масса частицы и природа самого вещества играют лишь второстепенную роль. При каждом столкновении существует некоторая вероятность того, что атом потеряет электрон и превратится в положительно заряженный ион. Поэтому частица, движущаяся в веществе, оставляет за собой след из электронов и положительных ионов. Например, очень быстрый протон (скорость которого близка к скорости света) при движении в воде оставляет на каждом сантиметре пути примерно 70 000 пар электронов и положительных ионов. Одновременно с ионизацией атомы при столкновении могут излучать свет или приобретать импульс, что ведет к нагреву вещества и возникновению в нем разного рода дефектов. Любое из этих явлений может использоваться в детекторе частиц.

Нейтроны и γ-кванты регистрируются по образующимся при взаимодействии их со средой вторичным заряженными частицам (для нейтронов-протонов или ядра отдачи, для  γ– квантов-электроны).

Для регистрации частиц и измерения их энергий применяют ионизационные камеры, пропорциональные счётчики, гейгеровские счётчики, сцинтилляционные счётчики, полупроводниковые детекторы и др. Для наблюдения и фотографирования следов (треков) частиц в различных средах служат координатные детекторы: ядерная фотоэмульсия, пузырьковая камера, искровая камера и др.

Трековые детекторы обладают высоким пространственным разрешением. Временное же разрешение их либо не очень высоко, либо практически отсутствует. Этот недостаток они компенсируют чрезвычайно полной и детальной картиной «события», которое может быть элементарным актом взаимодействия частицы с веществом, распадом частицы и т.д.

Простейшими трековыми детекторами являются ядерные фотографические эмульсии. Прохождение заряженной частицы в эмульсии вызывает ионизацию, приводящую к образованию центров скрытого изображения. После проявления следы заряженных частиц предстают в виде цепочки зерен металлического серебра - треки (рис.1). Благодаря малому размеру зерен можно получить высокое пространственное разрешение, а детальное изучение структуры следа позволяет изучить массу, заряд и энергию частиц, так как он повторяет траекторию пролетевшей частицы. По трекам иногда можно восстановить всю историю частиц от их «рождения» до распада, акта взаимодействия или остановки. В эмульсии были изучены и открыты многие элементарные частицы. Главные недостатки: сложность процедуры поиска и обмера событий, ограниченный набор ядер – мишеней, с которыми взаимодействуют изучаемые частицы, трудности при обработке треков частиц высоких энергий.

Классическим трековым детектором, который сыграл большую роль в изучении радиоактивности и космических лучей, является камера Вильсона и ее разновидность – диффузионная камера. След ионизирующей частицы, попавшую в камеру, наполненную газом и пересыщенными парами спирта или воды, становится видимым благодаря возникновению вокруг образованных ею ионов капелек конденсированного пара. Для регистрации треков камеру Вильсона в нужный момент освещают импульсным источником света и фотографируют (стереоскопически). Помещая камеру Вильсона в магнитное поле, можно по кривизне треков определит импульс частицы и знак ее электрического заряда. Впоследствие камеры Вильсона в экспериментах были вытеснены пузырьковыми и искровыми камерами.

 Трековые детекторы сыграли выдающуюся роль в силу наглядности и возможности получения исчерпывающей пространственной картины изучаемого процесса. Благодаря этим детекторам были открыты ядерные распады и реакции, частицы (позитрон, мюон, заряженные пионы, странные и очарованные частицы). В трековых детекторах след частицы визуально наблюдаем. В то же время есть группа детекторов (многопроволочная пропорциональная камера, дрейфовая камера, полупроводниковый микростриповый детектор и некоторые другие), в которых треки частиц ненаблюдаемы, но с высокой точностью фиксируются их пространственные координаты. Детекторы такого типа мы будем называть координатными.

Микростриповые детекторы, а также прецизионные многослойные пропорциональные камеры и дрейфовые камеры часто используют в качестве центральных (или вершинных) детекторов, непосредственно окружающих мишень (или место столкновения пучков в коллайдерах). Центральные детекторы играют важную роль в современных экспериментах на ускорителях высоких энергий. Они фиксируют с почти 100%-ной вероятностью продукты взаимодействия пучка с мишенью практически в точке их зарождения и определяют направление их вылета. Более габаритные детекторы, окружающие центральный детектор, предназначены для идентификации этих родившихся и вторичных частиц и определения их характеристик (координат, импульсов, энергий и др.).

Пузырьковая камера – один из основных трековых детекторов в экспериментах на ускорителях. Если перевести жидкость в перегретое состояние, то она некоторое время не вскипает. Когда через такую перегретую жидкость пролетает ионизирующая частица, то начинается вскипание. Пока пузырьки пара не успели вырасти до больших размеров, их можно осветить и сфотографировать. Измерение кривизны треков заряженных частиц в магнитном поле, как и в камерах Вильсона, позволяет измерить импульс и знак заряда частицы. Главные достоинства: высокая эффективность при регистрации практически любого числа заряженных частиц, появляющихся в одном акте взаимодействия, высокая точность при измерении углов и импульсов частиц, а для камер с тяжелыми жидкостями – высокая конверсионная способность к γ-квантам. Недостаток – ограниченное число исследуемых частиц, которые одновременно можно пропустить через камеру, т.к. при большом их числе на одной фотографии возникают сложности обработки каждого отдельного события.

 Пузырьковая камера была изобретена Доналдом Глазером (США) в 1952 году. За своё открытие Глазер получил Нобелевскую премию в 1960 году. Луис Уолтер Альварес усовершенствовал пузырьковую камеру Глазера, использовав в качестве перегретой жидкости водород. А также для анализа сотен тысяч фотографий, получаемых при исследованиях с помощью пузырьковой камеры, Альварес впервые применил компьютерную программу, позволявшую анализировать данные с очень большой скоростью.

Пузырьковая камера позволила зафиксировать поведение многих ионизирующих частиц, не поддававшихся ранее наблюдению, и получить о них в тысячи раз большую информацию.

Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии близком к вскипанию. При резком уменьшении давления жидкость становится перегретой. Если в данном состоянии в камеру попадёт ионизирующая частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирована.

В качестве рабочей жидкости наиболее часто применяют жидкие водород и дейтерий (криогенные пузырьковые камеры), а также пропан, различные фреоны, ксенон, смесь ксенона с пропаном (тяжеложидкостные пузырьковые камеры).

Перегрев жидкости достигается за счет быстрого понижения давления до значения при котором температура жидкости оказывается выше температуры кипения (при текущем давлении).

Понижение давления осуществляется за время ~ 5—15 мсек перемещением поршня (в жидководородных камерах) либо сбросом внешнего давления из объёма, ограниченного гибкой мембраной (в тяжеложидкостных камерах).

Частицы впускаются в камеру в момент её максимальной чувствительности. Спустя некоторое время, необходимое для достижения пузырьками достаточно больших размеров, камера освещается и следы фотографируются (стереофотосъёмка с помощью 2—4 объективов). После фотографирования давление поднимается до прежней величины, пузырьки исчезают, и камера снова оказывается готовой к действию. Весь цикл работы составляет величину менее 1 сек, время чувствительности ~ 10—40 мсек.

Пузырьковые камеры (кроме ксеноновых) размещаются в сильных магнитных полях. Это позволяет определить импульсы заряженных частиц по измерению радиусов кривизны их траекторий.

Пузырьковые камеры, как правило, используются для регистрации актов взаимодействия частиц высоких энергий с ядрами рабочей жидкости или актов распада частиц. В первом случае рабочая жидкость исполняет роли и регистрирующей среды, и среды-мишени.

Эффективность регистрации пузырьковой камеры различных процессов взаимодействия или распада определяется в основном её размерами. Наиболее типичный объём — сотни литров, но существуют камеры гораздо большего размера, например водородная камера «Мирабель» на ускорителе Института физики высоких энергий РАН имеет объём 10 м³; водородная камера на ускорителе Национальной ускорительной лаборатории США — объём 25 м³.

Основное преимущество пузырьковой камеры — изотропная пространственная чувствительность к регистрации частиц и высокая точность измерения их импульсов.

Недостаток пузырьковой камеры — слабая управляемость, необходимая для отбора нужных актов взаимодействия частиц или их распада.