Методы наблюдения и регистрации частиц

Практически все методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и элементарных частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов вещества.

Сцинтилляционный счётчик. Принцип действия сцинтилляционного счетчика основан на процессе преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы при попадании на флуоресцирующий экран в энергию световой вспышки (сцинтилляции), преобразуемой фотоэлектронным умножителем в электрический сигнал.

Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера был изобретен немецким физиком Г. Гейгером в 1908 году, а затем усовершенствован совместно с В. Мюллером. Принцип действия счетчика основан на ударной ионизации газа заряженной частицей (электроном, α-частицей и др.).

Счётчик представляет собой цилиндрическую запаянную стеклянную трубку, заполненную аргоном с примесью паров метилового спирта при давлении 0,1 атм. Изнутри трубка покрыта металлическим слоем, который служит катодом. На оси трубки натянута тонкая проволочная нить, которая служит анодом. Нить и корпус трубки разделены изолятором. Между катодом и анодом прикладывается высокое постоянное напряжение. Быстрая заряженная частица, пролетающая через газ, производит на своём пути ионизацию. Под действием электрического поля большой напряженности электроны ускоряются и производят вторичную ионизацию, в результате образуется лавина ионов. В счётчике возникает коронный разряд (разрядный ток), который через короткий промежуток времени прекращается. Импульс напряжения с включённого последовательно со счётчиком резистора подаётся на регистрирующее устройство.

Счетчики Гейгера применяются в основном для регистрации электронов, поскольку альфа-частицы сильно поглощаются стеклянными стенками счетчика.

Для регистрации гамма-излучения внутреннюю стенку трубки счетчика Гейгера покрывают веществом, из которого гамма-кванты выбивают электроны.

Камера Вильсона (разработана в 1913 г.) В основу принципа действия камеры положена способность ионов служить центрами конденсации.

В камере Вильсона находится насыщенный пар воды или спирта. При быстром увеличении объема камеры за счет движения поршня пар адиабатически расширяется, и его температура опускается ниже точки росы. В результате образуется пересыщенный пар. Если через камеру Вильсона пролетают α- или β-частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, то они образуют на своем пути цепочку ионов. Если частица попадает в камеру непосредственно перед расширением пара или сразу же после его расширения, то на этих ионах начинается конденсация влаги. Таким образом возникает трек частиц, который можно фотографировать. Затем поршень возвращается в исходное состояние, а ионы удаляются электрическим полем.

Обработка трека частиц проводится по двум параметрам: длина трека позволяет определить энергию регистрируемой частицы (чем длиннее трек частицы, тем больше ее скорость), а по числу капелек на единицу длины определить скорость частицы (чем больше капелек воды на единицу длины, тем меньше скорость частицы).

Если камеру Вильсона поместить в однородное магнитное поле, то под действием силы Лоренца заряженная частица будет двигаться по дуге окружности. Радиус этой дуги пропорционален отношению заряда частицы к ее массе. Измеряя радиус кривизны дуги, можно, по известному заряду частицы найти ее массу.

Пузырьковая камера была изобретена американским физиком Д. Глейзером в 1952 г. (Нобелевская премия, 1954 г.). В исходном состоянии пузырьковая камера заполнена жидким водородом или жидким пропаном (используются также другие жидкости). Высокое давление в камере не дает жидкости закипеть. При резком уменьшении давления жидкость оказывается перегретой, и в течение небольшого времени она может находиться в этом неустойчивом метастабильном состоянии. Ионы, возникающие вдоль траектории пролетающей частицы, служат центрами парообразования. В результате траектория частицы (трек) становится видна в виде множества пузырьков. Пузырьки пара позволяют сфотографировать трек частицы. С помощью пузырьковой камеры можно изучать движение частиц, движущихся со скоростями, близкими скорости света. В газах такие частицы образуют очень мало ионов, и их трек не виден в камере Вильсона. А в более плотных жидкостях число ионов достаточно для наблюдения треков.

Метод толстослойной фотоэмульсии. В толстослойных фотоэмульсиях быстрые заряженные частицы, пронизывая кристаллики бромида серебра, отрывают электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро. В результате на образовавшемся негативе виден трек частицы. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.

Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются короткими, но их можно увеличить фотографическими методами или рассмотреть в микроскопе.