§ 261. Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц

Практически все методы наблюдения и ре­гистрации радиоактивных излучений (a, b, g) и частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Заряженные частицы вы­зывают эти процессы непосредственно, а g-кванты и нейтроны обнаруживаются по ионизации, вызываемой возникающими в результате их взаимодействия с электро­нами и ядрами атомов среды быстрыми заряженными частицами. Вторичные эф­фекты, сопровождающие рассмотренные процессы, такие, как вспышка света, элек­трический ток, потемнение фотопластинки, позволяют регистрировать пролетающие частицы, считать их, отличать друг от друга и измерять их энергию.

Приборы, применяемые для регистра­ции радиоактивных излучений и частиц, делятся на две группы:

1) приборы, позволяющие регистриро­вать прохождение частицы через опреде­ленный участок пространства и в некото­рых случаях определять ее характеристи­ки, например энергию (сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, импульс­ная ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик);

2) приборы, позволяющие наблюдать, например фотографировать, следы (тре­ки) частиц в веществе (камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая каме­ра, ядерные фотоэмульсии).

1. Сцинтилляционный счетчик. Наблю­дение сцинтилляций — вспышек света при попадании быстрых частиц на флуоресци­рующий экран — первый метод, позволив­ший У. Круксу и Э. Резерфорду на заре ядерной физики (1903) визуально ре­гистрировать a-частицы. Сцинтилляцион­ный счетчик — детектор ядерных частиц, основными элементами которого явля­ются сцинтиллятор (кристаллофосфор) (см. § 245) и фотоэлектронный умножи­тель (см. § 105), позволяющий преобразо­вывать слабые световые вспышки в элек­трические импульсы, регистрируемые электронной аппаратурой. Обычно в ка­честве сцинтилляторов используют кристаллы некоторых неорганических (ZnS для a-частиц; NaI-Tl, CsI-Tl — для b-частиц и g-квантов) или органиче­ских (антрацен, пластмассы — для g-квантов) веществ.

Сцянтилляционные счетчики обладают высоким разрешением по времени (10^-10—10^-5 с), определяемым родом ре­гистрируемых частиц, сцинтиллятором и разрешающим временем используемой электронной аппаратуры (оно доведено сейчас до 10^-9—10^-10с). Для этого типа счетчиков эффективность регистрации — отношение числа зарегистрированных частиц к полному числу частиц, пролетев­ших в счетчике, примерно 100 % для за­ряженных частиц и 30 % для g-квантов. Так как для многих сцинтилляторов (NaI-Tl, CsI-Tl, антрацен, стильбен)

 

422

интенсивность световой вспышки в широ­ком интервале энергий пропорциональна энергии первичной частицы, то счетчики на данных сцинтилляторах применяются для измерения энергии регистрируемых частиц.

2. Черенковский счетчик. Принцип его работы и свойства излучения Вавилова — Черенкова, лежащие в основе работы счетчика, рассмотрены в § 189. Назначение черенковских счетчиков — это измерение энергии частиц, движущихся в веществе со скоростью, превышающей фазовую ско­рость света в данной среде, и разделение этих частиц по массам. Зная угол испуска­ния излучения (см. (189.1)), можно опре­делить скорость частицы, что при извест­ной массе частицы равносильно определе­нию ее энергии. С другой стороны, если масса частицы не известна, то она может быть определена по независимому измере­нию энергии частицы. Кроме того, при наличии двух пучков частиц с разными скоростями будут различными и углы ис­пускания излучений, по которым можно искомые частицы определить. Для черенковских счетчиков разрешение по скоро­стям (иными словами, по энергиям) со­ставляет 10^-3—10^-5. Это позволяет от­делять элементарные частицы друг от друга при энергиях порядка 10 ГэВ, когда углы испускания излучения различаются очень мало. Время разрешения счетчиков достигает 10^-9 с. Счетчики Черенкова устанавливаются на космических кораб­лях для исследования космического излу­чения.

3. Импульсная ионизационная каме­ра — это детектор частиц, действие кото­рого основано на способности заряженных частиц вызывать ионизацию газа. Иониза­ционная камера представляет собой элек­трический конденсатор, заполненный га­зом, к электродам которого подается по­стоянное напряжение. Регистрируемая частица, попадая в пространство между электродами, ионизует газ. Напряжение подбирается так, чтобы все образовавшие­ся ионы, с одной стороны, доходили до электродов, не успев рекомбинировать, а с другой — не разгонялись настолько

сильно, чтобы производить вторичную ионизацию. Следовательно, в ионизацион­ной камере на ее электродах непосред­ственно собираются ионы, возникшие под действием заряженных частиц. Ионизаци­онные камеры бывают двух типов: интег­рирующие (в них измеряется суммарный ионизационный ток) и импульсные, являю­щиеся, по существу, счетчиками (в них регистрируется прохождение одиночной частицы и измеряется ее энергия, правда, с довольно низкой точностью, обусловлен­ной малостью выходного импульса).

4. Газоразрядный счетчик. Газораз­рядный счетчик обычно выполняется в ви­де наполненного газом металлического ци­линдра (катод) с тонкой проволокой (анод), натянутой по его оси. Хотя газо­разрядные счетчики конструктивно похо­жи на ионизационную камеру, однако в них основную роль играет вторичная ионизация, обусловленная столкновения­ми первичных ионов с атомами и молеку­лами газа и стенок. Можно говорить о двух типах газоразрядных счетчиков: пропорциональных (в них газовый разряд несамостоятельный (см. §106), т.е. гас­нет при прекращении действия внешнего ионизатора) и счетчиках Гейгера — Мюл­лера (в них разряд самостоятельный (см. §107), т.е. поддерживается после прекращения действия внешнего иониза­тора).

В пропорциональных счетчиках рабо­чее напряжение выбирается так, чтобы они работали в области вольт-амперной характеристики, соответствующей несамо­стоятельному разряду, в которой выход­ной импульс пропорционален первичной ионизации, т. е. энергии влетевшей в счет­чик частицы. Поэтому они не только ре­гистрируют частицу, но и измеряют ее энергию. В пропорциональных счетчиках импульсы, вызываемые отдельными части­цами, усиливаются в 10³—10⁴ раз (иногда и в !0⁶раз).

Счетчик Гейгера — Мюллера по кон­струкции и принципу действия существен-

 

423

но не отличается от пропорционального счетчика, но работает в области вольт-амперной характеристики, соответствую­щей самостоятельному разряду (см. § 107), когда выходной импульс не зависит от первичной ионизации. Счетчики Гейгера — Мюллера регистрируют части­цу без измерения ее энергии. Коэффици­ент усиления этих счетчиков составля­ет 10⁸. Для регистрации раздельных им­пульсов возникший разряд следует гасить. Для этого, например, последовательно с нитью включается такое сопротивление, чтобы возникший в счетчике разряд вы­зывал на сопротивлении падение напряже­ния, достаточное для прерывания разряда. Временное разрешение счетчиков Гейге­ра— Мюллера составляет 10^-3—10^-7с. Для газоразрядных счетчиков эффектив­ность регистрации равна примерно 100 % для заряженных частиц и примерно 5 % для g-квантов.

5. Полупроводниковый счетчик — это детектор частиц, основным элементом ко­торого является полупроводниковый диод (см. §250). Время разрешения составляет примерно 10^-9с. Полупроводниковые счетчики обладают высокой надежностью, могут работать в магнитных полях. Малая толщина рабочей области (порядка сотни микрометров) полупроводниковых счетчи­ков не позволяет применять их для изме­рения высокоэнергетических частиц.

6. Камера Вильсона (1912) —это старейший и на протяжении многих деся­тилетий (вплоть до 50—60-х годов) един­ственный тип трекового детектора. Выпол­няется обычно в виде стеклянного цилинд­ра с плотно прилегающим поршнем. Цилиндр наполняется нейтральным газом (обычно гелием или аргоном), насыщен­ным парами воды или спирта. При резком, т. е. адиабатическом, расширении газа пар становится пересыщенным и на траектори­ях частиц, пролетевших через камеру, об­разуются треки из тумана. Образовавшие­ся треки для воспроизводства их про­странственного расположения фотографируются стереоскопически, т. е. под разны­ми углами. По характеру и геометрии треков можно судить о типе прошедших через камеру частиц (например, a-частица оставляет сплошной жирный след, b-частица— тонкий), об энергии частиц (по величине пробега), о плотности иони­зации (по количеству капель на единицу длины трека), о количестве участвующих в реакции частиц.

Советский ученый Д. В. Скобельцын (1892—1988) значительно расширил воз­можности камеры Вильсона, поместив ее в сильное магнитное поле (1927). По искривлению траектории заряженных частиц в магнитном поле, т. е. по кривизне трека, можно судить о знаке заряда, а ес­ли известен тип частицы (ее заряд и мас­са), то по радиусу кривизны трека можно определить энергию и массу частицы даже в том случае, если весь трек в камере не умещается (для реакций при высоких энер­гиях вплоть до сотен мегаэлектрон-вольт). Недостаток камеры Вильсона — ее малое рабочее время, составляющее пример­но 1 % от времени, затрачиваемого для подготовки камеры к последующему рас­ширению (выравнивание температуры и давления, рассасывание остатков тре­ков, насыщение паров), а также трудо­емкость обработки результатов.

7. Диффузионная камера (1936) — это разновидность камеры Вильсона. В ней рабочим веществом также является пере­сыщенный пар, но состояние пересыщения создается диффузией паров спирта от на­гретой (до 10 °С) крышки ко дну, охлаж­даемому (до -60 °С) твердой углекисло­той. Вблизи дна возникает слой пересы­щенного пара толщиной примерно 5 см, в котором проходящие заряженные части­цы создают треки. В отличие от вильсоновской диффузионная камера работает непрерывно. Кроме того, из-за отсутствия поршня в ней могут создаваться давления до 4 МПа, что значительно увеличивает ее эффективный объем.

8. Пузырьковая камера (1952; амери­канский физик Д. Глезер (р. 1926)). В пу­зырьковой камере рабочим веществом яв­ляется перегретая (находящаяся под дав­лением) прозрачная жидкость (жидкие

 

424

водород, пропан, ксенон). Запускается ка­мера, так же как и камера Вильсона, резким сбросом давления, переводящим жидкость в неустойчивое перегретое со­стояние. Пролетающая в это время через камеру заряженная частица вызывает рез­кое вскипание жидкости, и траектория частицы оказывается обозначенной цепоч­кой пузырьков пара — образуется трек, который, как и в камере Вильсона, фото­графируется. Пузырьковая камера рабо­тает циклами. Размеры пузырьковых ка­мер примерно такие же, как камеры Виль­сона (от десятков сантиметров до 2 м), но их эффективный объем на 2—3 порядка больше, так как жидкости гораздо плотнее газов. Это позволяет использовать пу­зырьковые камеры для исследования длинных цепей рождений и распадов частиц высоких энергий.

9. Ядерные фотоэмульсии (1927; со­ветский физик Л. В. Мысовский (1888— 1939)) — это простейший трековый детек­тор заряженных частиц. Прохождение за­ряженной частицы в эмульсии вызывает ионизацию, приводящую к образованию центров скрытого изображения. После проявления следы заряженных частиц об­наруживаются в виде цепочки зерен ме­таллического серебра. Так как эмуль­сия — среда более плотная, чем газ или жидкость, используемые в вильсоновской и пузырьковой камерах, то при прочих равных условиях длина трека в эмульсии более короткая. Так, трек длиной 0,05 см в эмульсии эквивалентен треку в 1 м в ка­мере Вильсона. Поэтому фотоэмульсии применяются для изучения реакций, вы­зываемых частицами в ускорителях сверх­высоких энергий и в космических лучах. В практике исследований высокоэнергети­ческих частиц используются также так называемые стопы — большое число мар­кированных фотоэмульсионных пластинок, помещаемых на пути частиц и после про­явления промеряемых под микроскопом.

В настоящее время методы наблюде­ния и регистрации заряженных частиц и излучений настолько разнообразны, что их детальное описание просто невозможно.

Большое значение начинают играть сравнительно новые (1957) приборы—

искровые камеры, использующие преиму­щества счетчиков (быстрота регистрации) и трековых детекторов (полнота информа­ции о треках). Говоря образно, искровая камера — это набор большого числа очень мелких счетчиков. Поэтому она близка к счетчикам, так как информация в ней выдается немедленно, без последующей обработки, и в то же время обладает свой­ствами трекового детектора, так как по действию многих счетчиков можно устано­вить треки частиц.