8.3. Приборы для регистрации заряженных частиц

Приборы для регистрации заряженных частиц работают по принципу перехода системы из менее устойчивого состояния в более устойчивое, подобно ружью, курок которого – заряженная частица.

8.3.1. Газоразрядный счётчик Гейгера

Первый счётчик заряженных частиц зобретён в 1908 г. Гансом Гейгером (1882–1945, Германия) и состоит из стеклянной трубки 1, изнутри покрытой слоем металла (катод), и заполненной аргоном. Вдоль оси трубки проходит металлическая нить 2 (анод). К электродам приложено напряжение в несколько тысяч вольт. Сквозь стекло заряженная частица (например, электрон) влетает в баллон, разбивая его молекулы на ионы и свободные электроны, которые ускоряются в электрическом поле и разбивают другие молекулы – происходит лавинообразная ударная ионизация; через резистор R протекает ток, создавая падение напряжения IR, подаваемое на регистратор. Таким образом, отмечается каждая попавшая в счётчик частица.

Импульс падения напряжения регистрации IR достаточно велик, напряжение между электродами (U – IR) резко падает, разряд прекращается и счётчик переходит в исходное состояние.

8.3.2. Камера Вильсона

Счётчик Гейгера позволяет лишь регистрировать факт попадания заряженных частиц, тогда как камера, изобретённая в 1912 г. Чарльзом Вильсоном (1869–1959, Англия), позволяет «заглянуть» в микромир и увидеть траектории их движения (треки).

Камера Вильсона состоит из герметичного сосуда 1 (с поршнем 2), заполненного парами 3 спирта или воды, близкими к насыщению, кварцевого окошка 4 и вентиля 5.

При открывании вентиля и резкой откачке паров поршень быстро опускается, и газ в камере адиабатически расширяется. При этом пар переходит в перенасыщенное состояние, т.к. его температура резко падает. Частицы, входящие в камеру через окошко 4 непосредственно перед расширением или сразу после него, ионизируют молекулы пара, которые становятся центрами конденсации, образуя капельки жидкости, по которым виден трек частицы. Треки можно фотографировать и анализировать. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека – оценить её скорость (чем больше скорость, тем реже идут капельки). Чем больше заряд частицы, тем толще линия трека. Если поместить камеру в магнитное поле, то на частицу будет действовать сила Лоренца, трек будет искривляться, по его кривизне можно определить частицы (п.8.1) и получить о ней дополнительную информацию.

После регистрации трека ионы удаляют электрическим полем и переводят камеру в исходное состояние.

8.3.3. Пузырьковая камера

В 1952 г. Дональд Глейзер (1926 г.р., США) модифицировал камеру Вильсона, устранив два крупных её недостатка – малое время готовности к работе ( 0,1 с после расширения) и необходимость очистки от ионов после каждого цикла наблюдений. Он предложил использовать для обнаружения треков перегретую жидкость, в которой на ионах, образующихся при столкновении частиц с её молекулами, образуются пузырьки пара. В пузырьковой камере Глейзера перегретая жидкость находится под повышенным давлением, предохраняющем её от закипания. При резком понижении давления жидкость некоторое время находится в неустойчивом состоянии, создавая пузырьки вдоль треков заряженных частиц. Т.к. плотность вещества в пузырьковой камере выше, чем в камере Вильсона, пробеги частиц в ней значительно короче, что позволяет наблюдать частицы больших энергий и их последовательные превращения при столкновениях.