Искровая, стримерная и широкозазорная искровые, пропорциональная камеры
Общим для счетчика любого вида преимуществом является немедленность регистрации, т.е. отсутствие последующей обработки. С другой стороны, общим преимуществом всех следовых регистраторов является полнота информации о траекториях заряженных частиц. Оба эти преимущества объединены в искровой камере. Схема обычной искровой камеры приведена на рис. 5.5.
Ее главная часть похожа на многослойный плоский конденсатор. Она состоит из набора близких (несколько мм друг от друга) плоскопараллельных электродов площадью до 1 м2, соединенных через один. Половина электродов заземлена, а на другую половину в момент прохождения частицы подается короткий высоковольтный импульс величиной порядка десятков кВ/см. При этом между электродами в местах пролета ионизующей частицы возникают искровые разряды. Искры можно не только фотографировать, но и регистрировать двумя (для стереоскопичности) ультразвуковыми детекторами, сигналы с которых подаются на вход вычислительной машины, запрограммированной на отбор нужных событий с последующим расчетом всех необходимых характеристик исследуемых реакций. Это дает возможность не тратить времени на обработку фотографий. Это позволяет работать с очень интенсивными пучками частиц.
Искровые камеры обладают и рядом других ценных качеств. Их эффективный объем ничем не ограничен. Рабочий объем камеры складывается из отдельных «кирпичей», каждый из которых представляет собой небольшую камеру. Количество же «кирпичей» может быть любым. У искровых камер очень быстрый рабочий цикл, примерно 10-2 с, так что камера может совершать сотни циклов в секунду. В отличие от пузырьковой камеры, искровая камера управляема, т.е. может включаться внешними счетчиками. Недостатком искровой камеры является значительно меньшая точность, чем у пузырьковой, поскольку трек частицы создается отдельными искрами, число которых равно числу пересекаемых частицей пластин, т.е. невелико. Кроме того, и сами искры сравнительно толстые. Электроды искровой камеры могут состоять из проволочек. В этом случае искровые разряды идут на отдельные проволочки, что существенно облегчает бесфильмовый съем информации. Подобно пузырьковым камерам большие искровые камеры очень дороги. Они используются в физике высоких энергий для изучения сложных многокаскадных процессов и для регистрации редких событий.
Рис. 5.5. Схема искровой камеры
Наряду с обычными искровыми камерами в физике высоких энергий широко применяются стримерные и широкозазорные искровые камеры. Обе камеры по своей конструкции напоминают плоский конденсатор с расстоянием между электродами порядка десятков сантиметров. Различаются камеры главным образом длительностью высоковольтного импульса. В широкозазорной искровой камере искровой разряд происходит вдоль трека ионизирующей частицы. Это замечательное свойство искрового разряда имеет место, однако, в том случае, если направление движения частицы составляет с направлением электрического поля угол не более 40…50°. При больших углах происходят множественные искровые разряды из точек трека на электроды, что не позволяет получить полную информацию о траектории.
В стримерной камере импульс напряжения является столь коротким (~ 20 нс – 20·10-9 с), что за время его действия в окрестности трека частицы успевают возникнуть только зародыши искры – стримеры. В результате трек частицы оказывается светящимся, но намного слабее, чем в широкозазорной искровой камере. Преимущество стримерной камеры состоит в 4π-геометрии – в возможности получения светящихся треков частиц, влетающих в камеру под любыми углами. Это особенно важно при регистрации последовательности распадов, а также при измерении импульсов частиц (камера помещается в магнитное поле). Широкозазорные камеры – искровые и стримерные – в иностранной литературе часто называют «русскими» камерами, поскольку они были разработаны в нашей стране (А. И. Алиханян, Т. Л. Асатиани, Б. А. Долгошеин, Б. И. Лучков, В. Н. Ройнишвили, Г. Е. Чиковани; 1970 г.).
За последнее десятилетие в физике высоких энергий широкое распространение получили пропорциональные камеры. С точки зрения принципов работы пропорциональная камера представляет собой систему параллельно расположенных независимых пропорциональных счетчиков (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Схема пропорциональной камеры: 1 – измерительные проволочки, 2 – катод.
Конструктивно плоская пропорциональная камера в большинстве случаев состоит из двух плоскостей (фольговых или проволочных), между которыми расположены параллельные проволочки, называемые измерительными. На каждую из этих проволочек подается высокое (положительное по отношению к плоскостям) напряжение. Величина напряжения подбирается такой, чтобы в окрестности проволочки мог развиваться несамостоятельный газовый разряд с газовым усилением 104… 106.
При прохождении ионизирующей частицы через плоскость измерительных проволочек в окрестности проволочки, ближайшей к треку частицы, развивается лавинообразный процесс размножения электронов. В результате на этой проволочке возникает импульс напряжения. По положению проволочки, на которой возник импульс напряжения, можно судить о месте прохождения частицы, по величине импульса – о произведенной частицей ионизации. Пропорциональные камеры могут быть разными по форме (например, цилиндрической) и размерам. Например, в Международном Физическом Центре (ЦЕРН) в Швейцарии установлена плоская камера площадью 17 м2, состоящая из 1414 позолоченных вольфрамовых проволочек диаметром 20 мкм, находящихся на расстоянии 3 мм друг от друга. Размещая несколько плоских пропорциональных – камер одну за другой с взаимно перпендикулярными направлениями проволочек, можно получать информацию о траектории пролетевшей через камеру частицы. К очень важным достоинствам пропорциональных камер следует отнести относительно малое разрешающее время (~10-5…10-6 с) и, следовательно, высокое быстродействие, а также возможность измерения производимой частицей ионизации. Пропорциональная камера является сложным и дорогим сооружением. Высокая стоимость камеры обусловлена в основном тем, что для каждой проволочки необходим свой усилитель импульса напряжения, поскольку сигнал с проволочки относительно невелик (≈10‑2 В).