3.3 Способы наблюдения быстрых заряженных частиц

Наблюдение частиц возможно лишь в том случае, если они заряжены и имеют достаточно большую скорость. Нейтральные частицы — фотоны и нейтроны — можно наблюдать, когда они в результате взаимодействия с веществом образуют заряженные частицы.

В настоящее время пользуются следующими методами наблюдения частиц: 1) метод камер, 2) метод толстослойных фотографических пластинок, 3) ионизационные счетчики всех систем, 4) сцинтилляционные счетчики, 5) черенковские счетчики, 6) полупроводниковые детекторы.

1. а) Метод камеры Вильсона основан на том, что в пересыщенном паре ионы являются центрами конденсации. Если при этом в камеру попадает заряженная частица, то при движении она создает цепочку ионов, присутствие которых обнаруживается по образованию вокруг них капелек. Освещая камеру после расширения, можно наблюдать и фотографировать треки отдельных частиц. В сильном магнитном поле каждый трек будет изогнутым; это позволяет по радиусу кривизны определять заряд, массу и скорость частицы.

б) Пузырьковая камера. Действие пузырьковой камеры основано на том, что заряженные частицы при своем движении создают вдоль траектории в жидкости (пропаном, пентаном, фреоном и др) при давлении, превышающем давление ее насыщенного пара, центры парообразования в виде пузырьков, которые можно наблюдать или фотографировать.

2. Метод толстослойных фотографических пластинок основан на том, что в фотоэмульсии (из бромистого серебра), через которую проходит заряженная частица, получается изображение траектории частицы. Этот метод оказался особенно плодотворным при изучении космических лучей и взаимодействия быстрых заряженных частиц с ядрами вещества.

3. Ионизационные счетчики основаны на возникновении газового разряда вследствие ионизации газа, вызванного заряженной частицей. Эти счетчики можно разделить на ионизационные камеры и счетчики с самостоятельным разрядом (газовые счетчики).

При движении в камере заряженной частицы образуются ионы и возникает кратковременный ток в виде импульса, который можно усилить и зарегистрировать каждое прохождение заряженной частицы. Наиболее совершенные камеры позволяют регистрировать до 10⁷—10⁸ частиц в секунду. Если же источник заряженных частиц слишком интенсивен, то вместо отдельных импульсов регистрируется слабый ток.

Действие счетчиков с самостоятельным разрядом основано на возникновении в газе самостоятельного разряда при попадании в него заряженной частицы. Примером является газовый счетчик Гейгера — Мюллера. Он состоит из цилиндрической камеры, наполненной газом при давлении в несколько сантиметров ртутного столба. По оси камеры на изоляторах натянута тонкая, диаметром 0,075— 0,25 мм, металлическая нить. Между нитью (+) и стенкой (—) наложена разность потенциалов, немного меньшая той, при которой начинается самостоятельный разряд в газе. В цепь введено большое (порядка 10⁹ Ом) сопротивление. Попадание быстрой заряженной частицы в камеру вызывает лавинный разряд. Возникающий при этом ток, проходя через сопротивление, вызывает на нем падение напряжения, на величину которого уменьшается разность потенциалов между нитью и стенкой счетчика. Разряд при этом обрывается, а через некоторый промежуток времени разность потенциалов на счетчике вновь достигает прежней величины. При появлении новой заряженной частицы вновь возникает разряд и т.д. Таким образом, счетчик Гейгера — Мюллера позволяет обнаруживать прохождение ионизирующей частицы в его объеме, но он в отличие от ионизационной камеры не дает представления о величине ионизирующей способности частицы, так как величина импульса тока в счетчике связана не со степенью ионизации, а с лавинным разрядом. Важной особенностью счетчиков Гейгера — Мюллера и вообще счетчиков с самостоятельным разрядом является зависимость скорости счета за секунду N от напряжения на счетчике U.

4. Сцинтилляционные счетчики основаны на явлении люминесценции вещества под влиянием ударов заряженных частиц или фотонов.

Сцинтилляционные счетчики отличаются высокой чувствительностью и большой разрешающей способностью во времени, т.е. могут регистрировать большое число частиц в единицу времени. Они пригодны для регистрации и нейтральных частиц — нейтронов и фотонов—по вторичным электронам, которые они создают в веществе сцинтиллятора.

5. Черенковские счетчики основаны на открытом С. И. Вавиловым и П. А. Черенковым излучении, которое вызывается электронами, когда они движутся в чистой жидкости или твердом диэлектрике со скоростью, большей, чем фазовая скорость света в этих средах.

Свечение Вавилова - Черенкова

Свечение Вавилова — Черенкова направлено вперед в сторону движения электронов (рис.), и максимум интенсивности его наблюдается в тонком коническом слое, образующем с направлением движения электрона острый угол, равный θ (cos θ = c/υn, где с — скорость света в вакууме, υ — скорость электрона; n — показатель преломления диэлектрика).

Так как с/n меньше скорости света в вакууме, то движение электрона со скоростью υ > с/n (но меньше, чем с) возможно и не противоречит теории относительности.

Приборы, использующие черенковское свечение для регистрации

заряженных частиц, называются черенковскими счетчиками. Эти счетчики отличаются исключительной быстротой счета, они позволяют не только регистрировать частицы, но и определять их скорость с точностью до 0,1%.

6. Полупроводниковые детекторы основаны на свойстве полупроводников изменять свою электропроводность под действием облучения нейтронами или γ-лучами, для регистрации которых они и применяются.