Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 61. Методи реєстрації йонізуючого випромінювання

Принцип дії приладів для реєстрації йонізуючого випромінювання. Арсеналом ядерної фізики є реєструвальні пристрої, які дають потрібну інформацію про події в мікросвіті. Частинки для досліджень випромінюються під час радіоактивних перетворень, входять до складу космічних променів або створюються на спеціальних потужних прискорювачах. Розміри частинок настільки малі, що спостерігати їх не можна навіть за допомогою електронного мікроскопа. Однак фізики сконструювали прилади, які дають можливість реєструвати частинки, спостерігати їх траєкторії, вимірювати енергії та швидкості руху.

Оскільки заряджені частинки здатні йонізувати атоми речовини, впливати на фотопластинки, викликати свічення деяких речовин, то ці властивості використовують у конструкції відповідного типу реєструвального пристрою.

Лічильники йонізуючих частинок. Лічильники йонізуючих частинок за принципом своєї дії здебільшого фіксують факт проходження частинки. До них відносять: лічильник Гейгера — Мюллера, сімейство сцинтиляційних лічильників, напівпровідникові лічильники та інші.

Одним з перших лічильників є лічильник Гейгера — Мюллера, який понад півстоліття використовується в ядерних дослідженнях.

Мал. 247 Зовнішній вигляд та схема лічильника Гейгера — Мюллера

Зовнішній вигляд і схема цього лічильника показані на малюнку 247. У скляну трубку вміщено два електроди: анод (тонка металева нитка) та циліндричний катод, до яких прикладається постійна (декілька сотень вольт) напруга. Скляна трубка заповнена інертним газом під зниженим тиском (для збільшення довжини вільного пробігу й полегшення ударної йонізації). Заряджена частинка, потрапляючи в трубку, йонізує газ. Утворені електрони та йони, рухаючись прискорено до електродів, здійснюють вторинну йонізацію, яка веде до пробивання газу, — відбувається електричний розряд, і сила струму через лічильник різко зростає. Поки триває розряд, лічильник не може реєструвати наступну частинку, тому в коло лічильника вмикають резистор з великим опором R. Імпульс напруги з навантаження R подається в реєструючий пристрій (підсилювач і лічильний механізм).

Лічильник Гейгера — Мюллера застосовують не лише для реєстрації частинок, за його допомогою можна визначати проникну здатність йонізуючого випромінювання (поміщаючи перед ним різні екрани). Використовуючи послідовне з’єднання лічильників, можна визначити напрямок руху частинок.

Принцип дії сцинтиляційних (від лат. «сцинтиляціо» — блискання, спалах) лічильників полягає у виникненні спалаху на екрані, покритому люмінесцентною речовиною за потрапляння на нього частинки з досить високою енергією. Подібний пристрій використав Резерфорд у дослідах із розсіювання α-частинок.

Мал. 248. Схема сцинтиляційного лічильника

На малюнку 248 показано схему більш сучасного сцинтиляційного лічильника. Заряджена частинка зумовлює спалах люмінофору. Оскільки спалах може бути дуже слабким, його варто підсилити. Для цього спалах через світловод передається на фотокатод. Фотони спалаху вибивають із фотокатоду електрони, які спрямовуються на перший електрод помножувача (перший динод). Матеріал диноду має малу роботу виходу, тому електрони вибивають із нього новий потік електронів, які потрапляють на другий динод. Таких динодів може бути від 10 до 20, що дає змогу підсилити сигнал до 108 разів.

Мал. 249. Схема напівпровідникового лічильника

Напівпровідниковий лічильник — це плоский напівпровідниковий діод (мал. 249), ввімкнений у непропускному режимі. Якщо через р-n-перехід пролітає заряджена частинка, то вона утворює додаткові пари електрон-дірка, які під дією електричного поля рухаються до електродів, створюючи імпульс струму. Напівпровідникові лічильники за чутливістю перевищують сцинтиляційні, в яких отриманий спалах ще необхідно підсилювати. Кристали германію, активовані літієм, дозволяють вимірювати енергії частинок з точністю до 0,1 %.

Різновидом напівпровідникових лічильників є стрипові детектори, у яких напівпровідникові кремнієві смужки розташовані взаємно перпендикулярно. Це дозволяє вимірювати координати частинки. Таким чином напівпровідникові лічильники дають змогу не просто фіксувати йонізуючу частинку, а й досліджувати її.

На особливу увагу заслуговують так звані черенковські лічильники, названі на честь Павла Олексійовича Черенкова. У 1934 р. Черенков відкрив явище випромінювання світла електронами, які рухаються в середовищі зі швидкістю, більшою за швидкість світла в цьому середовищі. Такі лічильники дають змогу досліджувати не лише заряджені частинки, а й нейтральні. На малюнку 250 наведено фотографію нейтринного детектора.

Мал. 250. Нейтринний детектор

У цю ємність заливають 167 тонн мінерального масла з домішками сцинтилятору. При взаємодії нейтрино з атомами речовини утворюються електрони високої енергії, швидкість руху яких більша за швидкість світла в цьому середовищі. Рух таких електронів супроводжується свіченням у вигляді конуса, яке фіксують 1220 помножувачів, що розташовані на стінках посудини.

Камери для дослідження частинок. Камери (трекові детектори) — це пристрої для спостереження траєкторії (треку) зарядженої частинки.

Першим трековим детектором була камера Вільсона (туманна камера). Цю камеру побудував у 1912 р. англійський учений Чарльз Вільсон. Принцип її дії ґрунтується на конденсації перенасиченої пари на йонах, що утворюються в робочому об’ємі камери вздовж траєкторії руху зарядженої частинки.

На малюнку 251 показано схему та зовнішній вигляд лабораторної камери Вільсона.

Мал. 251. Схема та зовнішній вигляд камери Вільсона

Циліндрична посудина з поршнем заповнена сумішшю повітря з парою води або спирту, у стані, близькому до насичення. Якщо різко опускати поршень, то пара в камері адіабатно розширяється. Від цього вона охолоджується і стає перенасиченою. Якщо в цей час крізь камеру пролітає заряджена частинка, вона йонізує молекули повітря. Утворенні йони стають центрами конденсації, і на них утворюються крапельки, які роблять «видимою» траєкторію руху частинки. Цю картину можна спостерігати безпосередньо через віконце або фотографувати.

Щоб підготувати камеру до подальшого використання, всередині неї створюють електричне поле, яке притягує йони до електродів, де вони нейтралізуються.

Фотографії треків, отримані за допомогою камери Вільсона, дають повнішу інформацію про характер частинки. За довжиною треку можна визначити її енергію, швидкість. Якщо камеру помістити в магнітне поле, то на частинку діятиме сила Лоренца, яка викривлятиме її траєкторію. За радіусом кривизни траєкторії можна визначити відношення заряду частинки до її маси.

Пізніше (у 1952 р.) американський учений Дональд Глазер запропонував для спостереження треків частинок використовувати перегріту рідину. У такій рідині на йонах, що утворюються під час руху заряджених частинок, виникають бульбашки пари, які дають видимий трек. Камери цього типу дістали назву бульбашкових (мал. 252, а). Перевага бульбашкової камери порівняно з камерою Вільсона зумовлюється більшою густиною робочої речовини. Унаслідок цього пробіги частинок короткі, й частинки навіть високих енергій застряють у камері. Це дає змогу спостерігати та фотографувати (мал. 252, б) серію послідовних перетворень частинки тих реакцій, які вона спричинює.

Мал. 252. а — бульбашкова камера; б — фотографії треків

Для реєстрації частинок застосовують також товстошарові фотоемульсії. Заряджена частинка, рухаючись у фотоемульсії, руйнує молекули бромистого срібла на своєму шляху.

Головна частина іскрової (стрімерної) камери нагадує багатошаровий конденсатор, пластини якого розміщено на відстані кількох міліметрів одна від одної (мал. 253).

Мал. 253. Схема іскрової камери

У момент проходження через камеру частинки на пластини подається імпульс високої напруги. У місцях руху частинки виникають іскри (стрімери), які можна фотографувати.

Розглянуті нами пристрої не вичерпують усієї їх множини. Сучасні установки для дослідження елементарних частинок використовують у колайдерах.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Яку властивість заряджених частинок покладено в основу дії реєструючих пристроїв? 2. У чому відмінність між лічильниками й камерами реєстрації йонізуючого випромінювання? 3. Опишіть будову та принцип дії одного з пристроїв для реєстрації йонізуючого випромінювання.