10. Пропорциональный счетчик. Принцип работы
Пропорциональный счётчик, газоразрядный прибор для регистрации ионизирующих излучении, создающий сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии регистрируемой частицы, теряемой в его объеме на ионизацию. Заряженная частица, проходя через газ, наполняющий П. с., создаёт на своём пути пары ион — электрон, число которых зависит от энергии, терямой частицей в газе. При полном торможении частицы в П. с. импульс пропорционален энергии частицы. Как и в ионизационной камере, под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы — к катоду. В отличие от ионизационной камеры вблизи анода П. с. поле столь велико, что электроны приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. В результате вместо каждого первичного электрона на анод приходит лавина электронов и полное число электронов, собранных на аноде П. с., во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного числа собранных электронов к первоначальному количеству называется коэффициентом газового усиления (в формировании импульса участвуют также и ионы). В П. с. обычно катодом служит цилиндр, а анодом — тонкая (10—100 мкм) металлическая нить, натянутая по оси цилиндра (см. рис.). Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь электроны дрейфуют под действием поля без «размножения». П. с. заполняют инертными газами (рабочий газ не должен поглощать дрейфующие электроны) с добавлением небольшого количества многоатомных газов, которые поглощают фотоны, образующиеся в лавинах.
Типичные характеристики П. с.: коэффициент газового усиления ~ 103—104 (но может достигать 106 и больше); амплитуда импульса ~ 10-2 впри ёмкости П. с. около 20 пкф; развитие лавины происходит за время ~ 10-9—10-8 сек, однако момент появления сигнала на выходе П. с. зависит от места прохождения ионизующей частицы, т. е. от времени дрейфа электронов до нити. При радиусе ~ 1 см и давлении ~ 1 атмвремя запаздывания сигнала относительно пролёта частицы ~ 10-6 сек. По энергетическому разрешению П. с. превосходит сцинтилляционный счётчик, но уступает полупроводниковому детектору. Однако П. с. позволяют работать в области энергий < 1 кэв, где полупроводниковые детекторы неприменимы.
П. с. используются для регистрации всех видов ионизирующих излучений. Существуют П. с. для регистрации a-частиц, электронов, осколков деления ядер и т. д., а также для нейтронов, гамма - и рентгеновских квантов. В последнем случае используются процессы взаимодействия нейтронов, g- и рентгеновских квантов с наполняющим счётчик газом, в результате которых образуются регистрируемые П. с. вторичные заряженные частицы. П. с. сыграл важную роль в ядерной физике 30—40-х гг. 20 в., являясь наряду с ионизационной камерой практически единственным спектрометрическим детектором.
11. Мягкая и жесткая компоненты космических лучей
Космические лучи - это поток частиц, приходящих на Землю из межзвездного пространства. Первичные космические лучи состоят главным образом из протонов (∼ 90%), α-частиц и более тяжелых ядер. Основная доля первичных космических лучей имеет энергию 109 – 1010 эВ, но встречаются также частицы со значительно большей энергией (до 1019 эВ). Частицы с энергиями менее 109 эВ отклоняются магнитным полем Земли и не попадают на нее. Поток протонной компоненты с энергией выше 2·109 эВ составляет примерно один протон на 1 см2/с. В результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атмосферы появляются новые (вторичные) частицы - мюоны различных сортов, распад которых приводит к появлению электронов, позитронов и фотонов большой энергии. Таким образом, вторичные космические лучи, наблюдаемые на высоте до 10 км, совершенно не похожи по своему составу на первичные космические лучи. Космическое излучение, приходящее в нижние слои атмосферы, принято делить на мягкую и жесткую компоненты. Мягкая компонента состоит из электронов, позитронов и γ- квантов, которые сильно поглощаются в веществе. Поглощение частиц мягкой компоненты существенным образом зависит от по- рядкового номера Z вещества поглотителя. Частицы мягкой компоненты почти целиком поглощаются десятисантиметровым слоем свинца. Жесткая компонента состоит из мюонов, которые слабо поглощаются веществом, притом приблизительно одинаково веществами с разными Z.
Столь большое различие проникающей способности частиц обеих компонент связано с тем, что электроны и позитроны мягкой компоненты при взаимодействии с веществом тратят большую часть своей энергии на излучение, а потери мюонов на излучение сравнительно малы. Это объясняется тем, что количество излученной энергии пропорционально квадрату заряда и обратно пропорционально квадрату массы частицы, а мю-мюон примерно в 207 раз тяжелее электрона. Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов вещества для электронов и мюонов космических лучей на уровне моря при- мерно одинаковы и сравнительно малы. Особенностью мюонов является их распад на электроны, нейтрино и антинейтрино: µ ± → e ± + ν + ν- , τ = 2,2 · 10−6 с. В плотной среде поглощение мюонов обусловлено потерей энергии на ионизацию атомов среды. В газообразной среде пробег мюонов велик и нужно учитывать их выбывание из потока космических лучей за счет спонтанного распада. Можно считать, что основная часть мюонов рождается в верхних слоях атмосферы и имеет энергию 1 — 10 ГэВ. Мюоны, входящие в состав жесткой компоненты, возникают в результате распада пионов — продуктов ядерного взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атмосферы: π ± → µ ± + ν, τ± = 2,6 · 10−8 с, π 0 → γ + γ, τ0 = 8,3 · 10−17 с. Следовательно, мюоны проходят почти весь слой атмосферы (∼ 900 г/см2 ). При этом они частично поглощаются, частично распадаются.