4.8.5 Экспериментальные методы ядерной физики. Методы регистрации частиц

Счетчик Гейгера-Мюллера. Для регистрации отдельных частиц и гамма-квантов широко применяются газоразрядные счетчики. На рисунке 4.8.5 приведена схема одной из конструкций счетчика Гейгера—Мюллера. Тонкостенный алюминиевый цилиндр 1 имеет утолщенные концы 2 и 3. На них с помощью вакуумной замазки укрепляются изоляторы 5 и 6, в которых монтируется тонкая металлическая нить 7. Воздух из счетчика откачивается, и он наполняется водородом или благородными газами. Между цилиндром 1 и нитью 7 прикладывается высокое напряжение от источника V.

Счетчики Гейгера - Мюллера работают в режиме самостоятельного разряда с гашением. Для регистрации ионизирующих частиц на электроды счетчика подается высокое постоянное напряжение. Величина рабочего напряжения для различных типов счетчиков может лежать в пределах от 300—400 в до 1500—2000 в. Частица, подлежащая регистрации, производит на своем пути ионизацию и возбуждение атомов газа-наполнителя. При дальнейшем увеличении напряжения между стенками цилиндра и нитью счётчика, частица вызывает самостоятельный разряд в газе и большие импульсы разрядного тока, которые удается регистрировать при помощи измерительных приборов.

Наибольшее число частиц, которое способен зарегистрировать счетчик в единицу времени, называется разрешающей способностью счетчика, определяемой продолжительностью физических процессов, возникающих в учетчике при попадании в него заряженной частицы. Для различных счетчиков разрешающая способность имеет значение от 103 до 1010 частиц в секунду.

Важной технической характеристикой счетчика Гейгера — Мюллера является счетная характеристика, т. е. зависимость числа отсчетов от напряжения на счетчике. Эта характеристика имеет вид кривой с очень широким почти горизонтальным участком, называемым плато (рисунок - 4.86). Обычно счетчики работают в режиме, лежащем на середине «плато».

Счетчики Гейгера — Мюллера работают в режиме самостоятельного разряда с гашением. В этих счетчиках импульс очень велик (0,2-40 В) и не зависит от энергии регистрируемой частицы. Поэтому счетчики Гейгера — Мюллера только регистрируют частицу, без измерения ее энергии.

Сцинтилляционный метод. Сцинтилляции представляют собой световые вспышки, возникающие при ударе частиц высокой энергии о некоторые вещества, способные люминесцировать под действием таких ударов. К числу таких веществ принадлежит в первую очередь сернистый цинк. При ударе быстрой частицы, например α-частицы, возникает точечная световая вспышка, настолько интенсивная, что

Рисунок - 4.85	Рисунок - 4.86

она может быть воспринята непосредственно глазом. Вследствие этого становится возможным подсчитывать число частиц, попавших на экран, покрытый сернистым цинком и облучаемый потоком быстрых частиц.

На рисунке 4.8.7 дано схематическое изображение спинтарископа Крукса. На подставку С кладется пластинка D с люминофором L (сернистый цинк, или виллемит). Люминофор можно рассматривать через лупу О, укрепленную в трубке В, которая в свою очередь для фокусировки изображения может перемещаться внутри трубки А. Препарат радия в ничтожном количестве наносится на острие иглы S. В таком простом виде прибор применяется для качественных наблюдений. Метод сцинтилляций в настоящее время применяется редко, так как для счета частиц (сцинтилляций) разработаны более совершенные устройства — счетчики частиц.

В сцинтилляционных счетчиках вместо регистрации оптического излучения глазом применяются фотоэлектронные приборы весьма высокой чувствительности - фотоумножители. Они представляют собой сочетание фотоэлемента (с внешним фотоэффектом) со специальным многокаскадным электронным усилителем (умножителем). Эти умножители основаны на том, что быстрые электроны, ударяясь о поверхность металла, выбивают из него большое число электронов. Выбитые электроны ускоряются электрическим полем и направляются на следующий электрод, из которого каждый электрон вновь выбивает несколько электронов. Принципиальная схема фотоумножителя приведена на рисунке 4.88. Свет падает на фотокатод Ф_К и вырывает электроны, которые направляются к первому ускоряющему электроду умножителя 1. Электроды умножителя 1, 2, 3, 4, получили название диноды. Между каждой парой динодов 1, 2, 3, 4, . накладывается разность потенциалов порядка 100— 200 в, ускоряющая выбиваемые электроны. Эти электроны, будучи ускорены, выбивают из второго динода еще больше электронов. Из последнего динода благодаря такому умножению уже идет на коллектор К целая лавина электронов, которая дает во внешней цепи фотоумножителя большой импульс тока, который легко может быть зарегистрирован с помощью электронной аппаратуры.

Рисунок - 4.87	Рисунок - 4.88

Сцинтилляционные счетчики обладают огромной разрешающей способностью. Они могут отличать друг от друга частицы, приходящие в сцинтиллятор с разницей во времени порядка 10~8 сек.

Пропорциональные счетчики. Эти счетчики работают в области пропорционального счета, в которой выходной импульс пропорционален энергии регистрируемой частицы. Поэтому пропорциональный счетчик не только регистрирует частицу, но и измеряет ее энергию.

Если ионизационная камера работает в режиме тока насыщения, то ее чувствительность к регистрации отдельных частиц невысока. Чувствительность значительно повышается, если ионизационная камера работаете области газового усиления. В области больших напряжений, в результате ударной ионизации, происходит лавинное умножение числа нар ионов и первоначально созданные ионизирующей заряженной частицей п0 пар ионов превращаются в kn0 пар ионов. Величина k — коэффициент газового усиления. С возрастанием напряжения между электродами происходит увеличение коэффициента газового усиления.

По своей конструкции счетчик обычно представляет металлический или стеклянный баллон цилиндрической формы диаметром в, несколько сантиметров с тонкой металлической, нитью по оси. Диаметр нити, как правило, не превышает 1 мм. Нить оголена, но в местах ввода тщательно изолирована от стенок цилиндра от стенок цилиндра и заземлена через сопротивление. Цилиндрическая трубка наполняется газом (или смесью газов), под определенным давлением. Между нитью (анод счетчика) и стенками цилиндра (катод счетчика) подается разность потенциалов 102÷103 В. Вблизи нити возникает область сильного электрического поля, в этой области и происходит газовое усиление. Коэффициент газового усиления обычно не превышает 10⁴.

Процесс разряда в пропорциональных счетчиках является несамостоятельным, и он оканчивается, когда все электроны и ионы, возникшие при газовом усилении, достигают соответствующих электродов. Продолжительность процесса определяется скоростью перемещения медленных ионов, размерами цилиндра и составляет, обычно, 10^-4 сек.

Пропорциональные счетчики обладают практически стопроцентной эффективностью по отношению к заряженным частицам. Пропорциональные счетчики дешевы, просты в обращении. Однако область их применимости ограничивается назваными техническими условиями, а также тем, что треки длиннопробежных частиц не уменьшаются в счетчике, что препятствует измерению энергии этих частиц. Поэтому пропорциональные счетчики применяются только для регистрации частиц низких энергий.

Камера Вильсона. Типичная схема камеры Вильсона изображена на рисунке 4.89. Стеклянный цилиндр 1 наполнен нейтральным газом, обычно гелием или аргоном, в который добавлено необходимое

Рисунок - 4.89.

количество паров воды. Снизу в цилиндр вставлен поршень 3, которым меняют давление в камере. В рабочем объеме создают довольно сильное (десятки В/см) постоянное электрическое поле, отсасывающее случайно возникающие (за счет космических лучей и др.) ионы. Сбоку камера подсвечивается интенсивным импульсным осветителем 5. Сверху располагается фотокамера 4.

В камере происходят следующие процессы. До включения рабочего цикла давление в камере таково, что пар не пересыщен, но близок к насыщению. Камера непрерывно очищается от случайных ионов отсасывающим полем. Рабочий цикл начинается быстрым

адиабатическим расширением газа примерно на 20% .Пар становится пересыщенным. На траекториях частиц, прошедших через камеру после снятия очищающего поля, образуются треки из тумана. Треки освещаются и фотографируются. Камера возвращается в исходное состояние.

Пузырьковая камера.: Так как плотность газа, наполняющего рабочий объем камеры Вильсона или конвекционной камеры, довольно мала, большинство заряженных частиц пролетает через него, не испытав ни одного ядерного -взаимодействия. Поэтому эти приборы оказываются малоэффективными при исследованиях ядерных взаимодействий и свойств элементарных частиц. Одним из приборов для таких исследований является пузырьковая камера.

Действие этого прибора основано на том, что заряженные частицы высокой энергии при движений через жидкость создают вдоль своей траектории центры парообразования. Если жидкость достаточно перегрета, то на этих центрах парообразования начнут образовываться пузырьки пара, которые могут наблюдаться визуально или быть сфотографированы. Рабочими жидкостями в таких камерах являются водород, азот, эфир, ксенон, пропан, пентан и т. п. Значительное распространение получила пропановая пузырьковая камера. Рабочая температура ее составляет 65°С, давление 35—40 ат. В ряде случаев пользуются смесью газа и жидкости, что приводит к снижению рабочей температуры и давления.

Фотоэмульсионный метод. Сущность этого метода сводится к тому, что специально приготовленная фотоэмульсия способна зарегистрировать путь заряженной частицы. Этот метод позволяет установить направление движения частицы, оценить величину ее энергии, зафиксировать место возникновения частицы, определить природу (вид) частицы и т. д.

Светочувствительная пластинка, пленка или бумага представляют собой слой суспензии микрокристаллов бромистого серебра AgBr в растворе желатины. Обычные фотопластинки, предназначенные для фотографирования в оптических лучах, мало пригодны для регистрации ионизирующих частиц.

Для регистрации ядерных частиц разработаны и применяются особые фотопластинки (ядерные фотоэмульсии), которые существенно отличаются от обычных оптических фотопластинок. Чувствительность ядерных фотоэмульсий делается значительно выше чувствительности оптических фотоэмульсий. Это достигается путем увеличения числа зерен (микрокристаллов) бромистого серебра и соответствующим выбором размера зерна. Ядерные фотоэмульсии имеют значительно большую толщину. В настоящее время имеются фотоэмульсии толщиной 600, 1000 и 1200 мкм. Снятые с фотопластинок эмульсионные слои накладываются стопкой непосредственно друг на друга или на пластинки из исследуемых материалов. Стопки нужной толщины помещаются в светонепроницаемую камеру, подвергаются облучению частицами и последующему проявлению. Из полученных микрофотографий отдельных участков фотоэмульсии составляются «мозаики», дающие изображение следа частицы на всем ее пути.

Явление радиоактивности было открыто Беккерелем с помощью этого метода. Способность ядерных излучений создавать скрытое изображение в фотоэмульсии широко используется в ядерной физике и в настоящее время. Ядерные фотоэмульсии особенно успешно применяются при исследованиях в области физики элементарных частиц и космических лучей.