Детекторы

Детекторы предназначены для обнаружения ("детектирования") микроскопического объекта в определенной точке пространства — в той, в которой помещен сам детектор. (В действительности речь идет не о математической точке, а о некоторой области пространства, занимаемой рабочим элементом детектора.) Любой объект, так или иначе, взаимодействует с окружающими телами. Например, представим себе движущийся электрон. Очевидно, что электрон будет оказывать на нас некоторое влияние посредством электромагнитных взаимодействий с атомами нашего тела. Мы, конечно, не сможем обнаружить электрон, поскольку интенсивность взаимодействий чрезвычайно низка. Можно, однако, попытаться усилить эффект этих взаимодействий до необходимой интенсивности. Для этого необходимо специальное устройство — усилитель,который в данном случае может представлять собой заряженный электрический конденсатор, помещенный в газовую среду:

В обычном состоянии вольтметр показывает постоянное значение напряжения между электродами. При попадании электрона внутрь прибора может произойти следующее: электрон, столкнувшись с молекулой газа, вызовет ее ионизацию. Образовавшийся молекулярный ион начнет разгоняться под действием электрического поля и в итоге вызовет появление новых молекулярных ионов. Когда таких ионов станет достаточно много, произойдет пробой слоя диэлектрика и конденсатор разрядится. Это событие можно легко зафиксировать, наблюдая за колебаниями стрелки вольтметра. Если вместо вольтметра в цепь включить динамик, то в момент пробоя раздастся резкий щелчок.

Таким образом, наш прибор позволяет усилить эффект микроскопического события — столкновения электрона с молекулой газа — до макроскопических масштабов, доступных нашим органам чувств. Усиление, очевидно, осуществляется за счет использования электрической энергии, которая была потрачена ранее на приведение прибора в работоспособное состояние.

Отметим характерную особенность произведенного опыта: его результат имеет чисто качественныйхарактер — щелчок, колебание стрелки и т.д. Величина этого эффекта совершенно не зависит от свойств электрона, а определяется устройством прибора — напряжением, расстоянием между электродами, химической природой газа и др. Поэтому единственный вывод, который может быть в итоге сделан, сводится к следующему: раз детектор сработал (последовал щелчок), то в нем находилась некоторая частица, инициировавшая ионизацию молекул газа. Таким образом, подобные устройства позволяют обнаруживать микрочастицы за счет усиления чрезвычайно слабых взаимодействий, которые имеют место между микрочастицей и окружающей средой.

Таких устройств-усилителей, которые могут использоваться в качестве детекторов микрочастиц, известно достаточно много. В качестве конкретных примеров можно привести: описанные выше разрядные детекторы (счетчики Гейгера), фотоэмульсии, люминесцентные экраны, пузырьковые камеры, искровые камеры, фотоумножители и т.д.

Дискриминаторы

Сам принцип действия детекторов таков, что они способны лишь фиксировать наличие микрочастицы в определенном месте пространства (или подсчитывать число таких частиц, попадающих в данное место за определенный промежуток времени), но не могут измерять числовые значения наблюдаемых для этих микрочастиц. Поэтому детекторы всегда снабжаются дополнительным устройством — дискриминатором. Это устройство предназначено для сортировки частиц (независимо от их размеров) по их свойствам.

Пусть имеется несколько ионов, отличающихся по величине заряда. Разгоним эти ионы электрическим полем и пропустим полученный ионный пучок через конденсатор. Проходя через электрическое поле, ионы будут подвергаться действию электрических сил. Принципиально важно то, что одинаковые ионы будут вести себя одинаково, а разные — по-разному. Например, катионы будут отклоняться к катоду, а анионы — к аноду, двухзарядные катионы будут отклоняться сильнее, чем однозарядные и т.д. В результате, вместо одного пучка частиц на входе получим несколько вторичных пучков на выходе из нашего прибора.

Очевидно, что все частицы, попавшие в один вторичный пучок, в определенном отношении одинаковы (например, по величине своего электрического заряда). Напротив, если две частицы оказались в разных пучках, то их свойства (электрические заряды) различны.

Таким образом, в результате действия нашего прибора:

1) частицы оказались рассортированы по величине определенной наблюдаемой — электрического заряда,

2) частицы с разными величинами заряда оказались разделенными пространственно.

Поставив на пути выходных пучков детекторы, можно легко установить число частиц каждого сорта, имевшихся в нашей исходной системе.

Остается решить еще одну проблему — "прокалибровать" прибор, т.е. установить, какое именно значение заряда соответствует каждому конкретному выходному пучку. Это можно сделать на основании известных законов электромагнетизма, которые были установлены в результате экспериментального исследования макроскопических объектов. Таким образом, в микромеханике принимается важное предположение: некоторые законы физики в равной степени справедливы для объектов любого пространственного масштаба. Эта гипотеза является необходимой платой за возможность применения механического способа описания к микрообъектам.

Таким образом, спектральный анализатор — прибор, позволяющий измерять значения наблюдаемых у микрообъектов косвенным образом:

1) с помощью дискриминатора объекты сортируют по величине интересующей наблюдаемой на отдельные, пространственно разделенные группы,

2) по сигналам детекторов определяют, в какие именно вторичные пучки попали частицы,

3) на основании сделанной заранее калибровки частицам приписываются определенные числовые значения наблюдаемой.

Такие приборы пригодны и для выполнения измерений над отдельными частицами. Например, мы хотим измерить электрический заряд некоторой частицы. Мы должны взять описанный выше прибор, приготовить частицу (т.е. извлечь ее из образца вещества и разогнать электрическим полем), пропустить ее через дискриминатор и посмотреть, который именно из расположенных на выходе детекторов сработал. Соответственно, частице приписывается то значение заряда, которое написано на сработавшем детекторе.

Необходимо подчеркнуть, что функционирование спектрального анализатора обеспечивается его надлежащим устройством, конструкцией. Другими словами, каждый спектральный анализатор предназначен для измерения только одной наблюдаемой.