РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Если органы чувств не могут зарегистрировать наличие радиоактивных излучений, то это могут сделать приборы, изобретенные человеком в помощь. Такие приборы получили название детекторов (счетчиков, датчиков).

Детектор (от лат. detector – обнаруживатель или восприниматель) – элемент прибора, в котором происходит взаимодействие излучения с веществом и преобразование излучения в другой вид удобный для регистрации.

Детекторы можно разделить на две основные группы: трековые и диск-ретные. Трековые детекторы позволяют наблюдать и регистрировать треки (следы) частиц. К ним относятся камера Вильсона, пузырьковая камера, толсто-слойные фотоэмульсии и др. Дискретные детекторы регистрируют отдельные частицы, а также их энергию. К ним относятся газоразрядные и сцинтилля-ционные счетчики.

По принципу работы различают электрические, люминесцентные, химии-ческие, калориметрические, фотографические, биологические и другие детекто-ры. В основу их работы положены эффекты взаимодействия радиоактивных (ионизирующих) излучений с веществом. Поэтому методы обнаружения и регистрации ионизирующих излучений получили название: ионизационный, сцинтилляционный, химический, калориметрический, фотографический, биоло-гический и др. В зависимости от эффектов, которые вызывают ионизирующие излучения при их поглощении в веществе, все методы разделили на две группы: первичные и вторичные. На первичных эффектах (ионизации и возбуждении атомов) основан ионизационный и частично сцинтилляционный (базируется на возбуждении атомов и фотоэлектрическом эффекте) методы. Остальные методы основаны на регистрации только косвенных (вторичных) эффектов.

Ионизационный метод. К ионизационным детекторам обнаружения излучения относятся ионизационные камеры и газоразрядные счетчики: про-порциональные счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера, искровые и коронные счетчики. По сути, это электрические детекторы. Они улавливают энергию ионизации среды, вызванной ионизирующим излучением, и выдают ее преоб-разованной в электрические сигналы на регистратор. Ионизационные детекто-ры излучения представляют собой поме­щенный в герметичную камеру (емкость), заполненную воздухом или газом, заряженный электрический конденсатор (электроды) для создания в ней соответствующего электрического поля. Заряженные альфа- и бета-частицы, попавшие в камеру детектора, произ-водят в ней непосредственно первичную ионизацию газовой среды, гамма-кванты в стенке детектора сначала образуют быстрые электроны (фотоэлектро­ны, комптонэлектроны и электронно-позитронные пары), которые затем вызы-вают ионизацию газовой среды в ка­мере.

Сухой газ (воздух) – хороший электроизолятор (диэлектрик), так как электри­чески нейтральные молекулы, из которых он состоит, не перемеща­ют электрических зарядов. Положение изменяется, если в газовую среду попадают заряженные частицы. Они образуют ионные пары, и газ (воздух) становится проводником электрического тока.

При отсутствии напряжения на электродах все ионы, созданные началь-ной ионизацией, полностью рекомбинируют в нейтральные молекулы. При возрастании на­пряжения ионы под действием электрического поля обретают направленное движение: поло­жительные ионы собираются на катоде, а электро-ны – на аноде. В цепи возникает ионизационный ток, который может быть зарегистрирован прибором. Сила ионизационного тока служит мерой ко­личест-ва излучения.

С увеличением напряжения вероятность рекомбинации ионов умень­ша-ется, и следовательно, возрастает сила ионизационного тока. Начиная с некото-рого напряжения,наступает момент, когда все ионы, образованные излучением, достигают электродов и при увеличении напряжения ионизационный ток не возрастает. Область,в которой сила ионизацион­ного тока остается постоянной, называется областью тока насыще­ния. В этом режиме работают ионизационные камеры. Сила иони­зационного тока в области тока насыщения зависит от вели-чины первичной ионизации, т. е. от числа первичных пар ионов, создава­емых ядерным излучением в камере детектора. Наиболее высокая сила тока от альфа-частиц, так как плотность иони­зации у альфа-излучения очень высокая и выше намного, чем у бета-частиц и гамма-квантов. Сила иони­зационного тока от гамма-излучения меньше, чем от бета-частиц.

При дальнейшем увеличении напряжениясила ионизационного тока вновь начинает возрастать, поскольку ионы, образованные излучением, а осо-бенно электроны, приобре­тают при движении к электродам ускорения, доста-точные для того, чтобы самим производить ионизацию вследствие соударений с ато­мами и молекулами газовой среды детектора (газовое усиление). Этот процесс называют ударной (вторичной) ионизацией. Чем больше напряжение, тем большую энергию приобретают ионы и, следова­тельно, тем больше пар ионов они создают в процессе ударной иони­зации. В этой области напряжений существует строгая пропорцио­нальность между числом первично образованных ионов и общей суммой ионов, участвующих в создании ионизационного тока. Эту область напряжений называют областью пропорциональности. В этой области и в этом режиме работают пропорциональные счетчики.

Отношение общей суммы ионов п, участвующих в создании иони­зацион-ного тока, к числу первично образованных ионов п₀ называ­ют коэффициентом газового усиления: К_гу = п/п₀..

Коэффициент газового усиления в режиме пропорциональ­ности может достигать 10³-10⁴.

При дальнейшем увеличении напряжения про­порциональность между числом первично образованных ионов и силой ионизационного тока наруша-ется. Поэтому данная область получила название область ограниченной пропор-циональности (не используется для детектирования).

При еще больших значениях напряжения сила ионизационного тока уже не зависит от числа первично образованных ионов. Газо­вое усиление резко возрастает (К_гу составляет10⁸-10¹⁰), и при появле­нии в камере детектора хотя бы одной любой ядерной частицы лю­бой энергии происходит вспышка самостоятельного газового раз­ряда, который охватывает всю камеру детектора. Область напряже­ний, при которых в детекторе возникает самостоятельный разряд, называют областью Гейгера. В этом режиме работают счет­чики Гейгера-Мюллера.

Если продолжать увеличивать напряжение выше области Гейгера, то детектор перейдет в область постоянного коронного разряда (непрерывного разряда, который не прекращается при удалении ис­точника ионизирующего излучения). В этом режиме детектор выхо­дит из строя.

Ионизационная камера. Ионизационные камеры применяют для измере-ния всех типов ядерных излучений.

В простейшем случае ионизационная камера состоит из двух металли-ческих пластин – электродов (конденсатор), пространство между которыми заполнено воздухом. К электродам от источника тока подводится постоянное напряжение + (к аноду) и – (к катоду). Наиболее часто стенки камеры выпол-нены из алюминия или воздухоэквивалентного материала (чаще пластмассы), 1 г которого поглощает такую же энергию, как и 1 г воздуха при одинаковых условиях облучения. Толщина стенок ионизационной камеры обычно состав-ляет 2-4 мм. Ионизационные камеры по конструкции и объему имеют большое многообразие. Они могут быть плоские, цилинд­рические и сферические с объемом воздуха 0,5-5 л. Есть миниатюрные ионизационные камеры – наперст-ковые, смонтированные в футляре, по форме похожие на авторучку (ДК-0,2). Объем такой камеры составляет менее 1 см³. Их используют в инди­видуальных дозиметрах КИД-1, КИД-2, КИД-6, КИД-10, ДП-22В, ДП-24 и др. Объем такой камеры составляет менее 1 см³.

Камеры с большим объемом более чувствительны, поэтому для из­мерения малых доз излучения используют камеры с большим объемом, а больших доз – с меньшим объемом. В плоской ионизационной камере электро-ды имеют вид пластин. Они заключены в корпус и разделены газовым слоем. Цилиндричес­кая ионизационная камера состоит из полого цилиндра, по оси ко­торого расположен металлический стержень (собирающий элект­род). Высокое напряжение подводят к собирающему электроду, а цилиндрический корпус заземляют. Собирающий электрод всегда хорошо изолирован и обычно снабжа-ется заземленным охранным кольцом, препятствующим проникновению токов утечки от высо­ковольтного электрода. Охранное кольцо в значительной степе-ни снижает требования к материалам электроизоляции и повышает точ­ность измерения.

Радиоактивное излучение, взаимодействуя с атомами и молекулами сухо-го воздуха (диэлектрик), заполняющего объем камеры, производит их иониза-цию. Если разность потенциалов между электродами в камере отсутствует (электрическая цепь не замкнута), то ионы в воздушном пространстве камеры находятся в состоянии хаотического движения и быстро рекомбинируют. Если между электродами камеры создать разность потенциалов (обычно 150-300 вольт), то образовавшиеся под действием радиоактивного излучения в воздухе отрицательные ионы приобретут целенаправленное движение к аноду (поло-жительному электроду), а положительные ионы – к катоду (отрицательному электроду). Это приведет к замыканию цепи и появлению электрического тока во внешней цепи, который может быть зарегистрирован с помощью ампермет-ра (редко для этой цели используют вольтметр). Тем самым будет зарегист-рировано радиоактивное излучение (доза или мощность дозы). Ионизационные камеры работают в режиме «области тока насыщения», когда все ионы, образованные излучением, доходят до электродов и при увеличении напряже-ния ионизационный ток не возрастает. Сила тока насыщения достигается при на­пряжении 150-300 В.

Ионизационные камеры в зависимости от назначения и конст­рукции могут работать в импульсном и токовом (интегральном) ре­жимах. Импульсные камеры используют для регистрации отдельных тяжелых заряженных частиц (альфа-частиц, протонов и др.). Удель­ная ионизация легких частиц (электронов и позитронов) сравнитель­но мала, поэтому регистрация их в импульсном режи-ме неэффек­тивна. Токовые камеры применяют для измерения интенсивности всех типов излучения, которые пропорциональны средней силе тока, проходя-щего через камеру. Поскольку сила ионизационного тока пропорциональна энергии излучения, следовательно, ионизационные камеры измеряют силу тока насыщения в единицу времени, т. е. мощность дозы данного излучения.

Таким образом, ионизационные камеры могут быть использованы для из-

мерения не только дозы излучения, но и ее мощности.

Газоразрядные счетчики. Газоразрядные счетчики по сравнению с иони-зационными камерами обладают большей чувствительностью (в 10000 раз могут измерять меньшую интенсивность излучения), малыми габаритами, более удобны в эксплуатации и др. Принципиальное отличие газоразрядного счетчика от ионизационной камеры состоит в том, что в газоразрядном счетчике исполь-зуется усиление ионизационного тока за счет явления ударной ионизации.

По конструкции они могут быть изготовлены торцовыми и горизонталь-ными, и обычно представляют газонаполненную камеру цилиндрической фор-мы, по центру имеют нить из стали, или вольфрама диаметром 0,02-0,03 мм. Стенки счетчика (цилиндра) могут быть изготовлены из алюминия, других металлов, стекла. В торцовых счетчиках торец представлен тонкой слюдой (4-10 мкм).

Пропорциональные счетчики. Пропорциональные счетчики по конструк-ции изготавливают цилиндрического и торцового вида. Делают их в виде ци-линдра, вдоль оси которого натягивают металлическую нить (анод). Про­водя-щее покрытие внутренней поверхности цилиндра служит като­дом. При таком устройстве все электрическое поле сосредоточива­ется около нити и его макси-мальное значение оказывается тем выше, чем меньше радиус нити.

Пропорциональные счетчики заполнены смесью инертных газов (неона и аргона) почти до уровня атмосферного давления. Имеются счет­чики открытые, рабочая полость которых сообщается с внешним воздухом. Такие счетчики работают при атмосферном давлении, они допускают непрерывное протекание или циркуляцию наполняюще­го их газа, и поэтому их часто используют для регистрации активно­сти газовых проб. Работа пропорциональных счетчиков осуществляется в режиме «области пропорциональности», когда существует строгая пропорциональность между числом первично образованных ионов и общей суммой ионов, участвующих в создании ионизационного тока. По конст-рукции пропорциональные счетчики изготавливают цилиндрического и торцового вида. Типы пропорциональных счетчиков, выпускаемых промышлен-ностью: САТ-7, САТ-8, СИ-3Б и др.

Счетчики Гейгера-Мюллера. Счетчики Гейгера-Мюллера изобретены в 1907 г. немецким физиком Х. Гейгером и Э. Резерфордом. В 1928 году усовер-шенствованы Х. Гейгером и В. Мюллером. Они отличаются от пропорциональ-ных счетчиков тем, что их внутренний объем заполнен инертным газом или смесью инертных газов при пониженном атмосферном давлении. Работают они в режиме «области Гейгера», т. е. области самостоятельного газового разряда.

Для регистрации гамма-излучения счетчики имеют стеклянные стенки. Катодом служит напыленный на внутреннюю поверхность стекла слой графита, меди, никеля или вольфрама. Напряжение между электродами может достигать 1500 вольт. Типы счетчиков Гейгера-Мюллера: МСТ-17, СБМ-19, СБМ-20, ГС, МС-4, МС-6, МС-17, ВС-7, ВС-9 и др.

Газоразрядные счетчики могут быть несамогасящимися и самогасящи-мися. Для самогашения газового разряда в счетчики добавляют органический наполнитель – 10% паров спирта, что позволяет улучшить счетные характерис-тики за счет быстрого гашения газового разряда и готовности счетчика регист-рировать следующее излучение или его порцию.

Время, в течение которого счетчик не может зарегистрировать попавшее в него излучение, называют мертвым (10^-4 с). Эффективность счета газораз-рядных счетчиков выше, чем ионизационных камер и составляет около 35%.

Под эффективностью счета понимают число зарегистрированных импульсов счетчиком к числу попавших в это время в него излучений.

Свойством гашения разряда при определенных условиях обладают счет-чики, наполненные инертным газом с незначительной примесью (около 0,1 %) двухатомных газов галоидов (Cl₂, Br₂, J₂). Такие счетчики получили название галогенных счетчиков. Галогенные счетчики имеют сравнительно низкое рабо-чее напряжение (200-400 вольт), и срок их службы практически не ограничен. В тоже время использование их ограничено, так как из-за короткого плато счет-ной характеристики сложно точно измерить радиоактивные образцы. Типы галогенных счетчиков: СИ-1Г, СИ-1БГ, СИ-3БГ, СБТ и др.

Для регистрации ионизирующих излучений применяют и полупровод-никовые детекторы. Они работают подобно ионизационной камере. Но иони-зация у них происходит не в газовой среде, а в толще кристалла. Полупровод-никовые детекторы представляют собой твердотельную ионизационную камеру, в которой роль носи­телей электрического заряда выполняют электроны и так называе­мые дырки. Действие детекторов основано на свойствах полупро­водников проводить электрический импульс под действием иони­зирующих излучений. Из всех полупроводников наиболее пригод­ны для детекторов моно-кристаллы германия и кремния.

Сцинтилляционный метод. Этот метод основан на регистрации вспы-шек света, возникающих в сцинтилляторе под действием излучения. Процесс преобразования кинетической энергии частицы в энергию световой вспышки получил названия сцинтилляции (c лат. scintillatio – сверкание, искрение). Регистрация вспышек производится фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). ФЭУ совмещает свойства фотоэлемента и усилителя тока с большим коэффи-циентом усиления. ФЭУ представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом и состоит из фотокатода, анода и динодов (эмиттеров), покрытых сурьмяно-цезиевой смесью или изготовленных из алюминия, магния и серы. Сцинтилляционный счетчик (сцинтиллятор, световоды, ФЭУ) собран в свето-непроницаемом кожухе с целью исключения попадания внешнего видимого света на фотокатод.

Процессы, протекающие в сцинтилляционном счетчике, состоят из пяти этапов:

1. Поглощение излучения сцинтиллятором.

2. Возбуждение атомов и молекул сцинтиллятора и как следствие (пере-ход атомов и молекул в невозбужденное состояние) испускание квантов видимого света.

3. Бомбардировка квантами видимого света фотокатода.

4. Испускание фотокатодом электронов.

5. Умножение электронов системой динодов ФЭУ и регистрация электри-ческих импульсов.

Таким образом, происходит преобразование очень слабых световых вспы-шек, возникающих в сцинтилляторе, в регистрируемые электрические импуль-сы.

Сцинтилляционные счетчики по сравнению с другими типами детекторов имеют ряд преимуществ: универсальность – способность регистрировать иони-зирующее излучение практически любых видов; возможность измерения энер-гии квантов и частиц; большая эффективность счета (практически 100 %) и раз-решающая способность; высокая эффективность регистрации гамма-излучения.

В качестве сцинтилляторов используют специально подобранные вещес-тва, в которых при переходе их возбужденных атомов в невозбужденные проис-ходит перестроение электронов в пределах внешних орбит с выделением из атома энергии в виде квантов видимого света. Это могут быть по составу неор-ганические и органические сцинтилляторы, по агрегатному состоянию – твер-дые, пластические, жидкие и газовые. Из неорганических сцинтилляторов используют кристаллы цинка сульфата, активированного серебром (ZnS, Ag), натрия йодистого, активированного таллием (NaJ, TI), лития йодистого (LIJ) и др. Для регистрации альфа-частиц больше подходит цинк сернистый, бета-частиц и гаммма-квантов – натрий йодистый. Из органических сцинтилляторов применяют монокристаллы антрацена (С₁₄Н₁₀), стиблена (С₁₄Н₁₂), паратерфи-нила (С₁₃Н₁₄); пластмассы (на основе полистирола и поливинилтолуола), жидкие фосфоры, чистые инертные газы (гелий, аргон, неон) и их смеси и др.

Фотографический метод.Фотографический метод является разновид-ностью радиационнохимического действия излучения.Фотографические детек-торы основаны на свойстве ионизирующих излучений воздействовать на чувст-вительный слой фотоматериалов и аналогично видимому свету восстанавливать металлическое серебро. Фотографическим методом А. Беккерель открыл явле-ние радиоактивности в 1896 году.

Для детектирования обычно применяют фотоэмульсии. Фотоэмульсии наносят тонким слоем на бумагу, стеклянные пластинки (в некоторых случаях изготовляют и тол­стые слои). Используют и рентгеновскую пленку, которая состоит из чувствительной эмульсии, нанесенной с одной или двух сторон на целлулоидную основу. В состав фотоэмульсии входит серебро бромистое или хлористое (AgBr или AgCl), желатин, красители. Соли серебра равномерно распространены в слое желатина.

При воздействии ионизирующего излучения на фотоэмульсию в ней обра-зуется скрытое изображение. При прохождении через фотоэмульсию излучения в результате ионизации высвобождаются электроны, которые захватываются ионами серебра, вследствие чего происходит восстановление серебра.

Таким образом, под действием излу­чений в фотоэмульсии происходит радиационнохимическая реак­ция восстановления серебра. Заряженная частица, производя ионизацию по направлению своего распространения, оставляет в фотоэмульсии цепочку восстановленных атомов серебра. Сово­купность восста-новленных атомов серебра в фотоэмульсии и составляет так называемое скры-тое изображение. Число атомов серебра в скрытом изображении не так велико, чтобы можно было визуально наблюдать почернение фотоэмульсии. Лишь при больших потоках прошедших частиц это почернение стано­вится заметным. Однако скрытое изображение можно усилить и сделать визуально наблюдае-мым, благодаря механизму про­явления фотоэмульсии.

При обработке фотоэмульсии химическим реактивом (про­явителем) – атомы восстановленного в скрытом изображении серебра становятся центрами лавинообразного процесса восста­новления всего серебра, содержащегося в дан-ном кристаллике. Таким образом, при проявлении почернеют все кристаллики, через которые прошла частица излучения и вызвала образо­вание восстановлен-ных атомов серебра скрытого изображения. Галоидное серебро, которое не прореагировало в первичном радиационнохимическом процессе, затем удаляет-ся из слоя фо­тоэмульсии путем растворения в растворе гипосульфита – фикси-рование или закрепление.

Фотографический метод используют для регистрации инте­гральных пото-ков излучения. В этом случае мерой потока прошедшего излучения является степень почернения фотоэмуль­сии после ее проявления и фиксирования. Опти-ческую плотность почернения определяют с помощью денситометров или фото-метров. Степень почернения фотоэмульсии пропорциональна дозе излучения.

Были созданы и специальные ядерные фотоэмульсии. В толстой ядер-ной фотоэмульсии частицы оставляют трек – след, путь движения. По коли-честву треков и их характеру можно определить число частиц и их энергию.

В биологических исследованиях фотографический метод ре­гистрации излучений получил широкое применение. На­пример, топографическое распре-деление меченных радиоактив­ными изотопами элементов в живых организмах (в клетках, тканях, растениях) можно изучать с помощью так называемого авторадиографического метода. Объект, содержащий радиоактивный изотоп, помещают на поверхность фотографической эмульсии и после определенной экспозиции проявляют и фиксируют скрытое изображение, образовавшееся в фотоэмульсии. Степень ее почернения свидетельствует о количестве радиоак-тивного изотопа в тех или иных местах исследуемого объекта.

Химический метод.Излучения, проходя через вещества, производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул и могут вызывать в них различ­ные химические реакции. В ряде случаев в результате радиационнохимических из-менений среды изме­няются некоторые физические свойства вещества (электро-про­водность, окраска, прозрачность). В таких случаях мерой потока излучения служит изменение указанных физических свойств вещества. При этом меняется цвет растворов или твердых тел (пластмасс), осаждаются коллоиды и др.

Химические детекторы основаны на измерении выхода радиационно-химических реакций, протекающих под действием ионизирующего излучения. Химические детекторы используются для измерения больших доз излучения. В настоящее время имеется большое число разнообразных химических детекто-ров. Химическими детекторами могут быть газообразные, твердые и жидкие вещества.

В газовом детекторе в качестве реактива может использоваться закись азота N₂0. Под действием излу­чения в качестве продуктов реакции образуются молекулярные азот, кислород и двуокись азота. При введении в закись азота двуокиси бора, лития и урана можно измерить поток нейтронов (ядерные реакции на нейтронах).

Применение в качестве химических детекторов некоторых прозрачных пластмасс (полистирол, полиметилметакрилат и др.), стекол (метафосфатные, силикатные со специальными добавками) основано на изменении их прозрач-ности (темнеют) или появлении окраски после их облучения. В качестве примера твердых химических детекторов можно привести поливинилхлорид-ные пленки, в состав которых вводят краситель. Под действием излучения происходит разложение поливинилхлорида и выделяется соляная кислота, которая, дей­ствуя на краситель, изменяет окраску пленки.

Из химических детекторов наибольшее распространение получили жидкостные детекторы.

Ферросульфатный детектор, который представляет собой насыщенный раствор соли железо-сульфата (FeSO₄) в разбавленной серной кислоте. Под действием излучения в растворе происходит радиолиз воды с образованием свободных радикалов Н, ОН^- и окислителей, которые окисляют двухвалентное железо (Fe²⁺) до трехвалентного железа (Fe³⁺) по реакциям:

Fe²⁺ + ОН → Fe³⁺ + ОН^-; Fe²⁺ + Н₂О₂ → Fe³⁺ + ОН^- + ОН;

Fe²⁺ + Н⁺ + НО₂ → Fe³⁺ + ОН^- + Н₂О₂.

При поглощении 100 эВ энергии излучения образуется 15,6 иона железа трехвалентного (Fe³⁺). Появление Fe³⁺ изменяет оптическую плотность раствора, которая измеряется спектрофотометром. Диапазон измерения дозы –

20-400 Гр.

Нитратный детектор, основанный на свойстве ионов нитрата (NO₃^-) восстанавливаться атомарным водородом до нитрит-ионов (NO₂), которые в свою очередь могут быть обнаружены рядом индикаторов.

В группу жидкостных детекторов входит и цериевый детектор, пред-ставляющий собой 0,1 М Ce₂ (SO₄)₃ в 0,4 М H₂SO_4.

Детекторы на основе хлорзамещенных углеводородов. В эту группу входят детекторы на основе хлороформа и четыреххлористого углерода.

Методы химической дозиметрии значительно уступают по чувстви-тельности ионизационным, сцинтилляционным и фотографическим методам.

Калориметрический метод.Действие калориметрических детекторов основано на измерении тепла, выделяющегося при поглощении энергии излу-чения в веществе. Кинетическая энергия, теряемая радиоактивными излучени-ями в данной массе вещества, независимо от механизма первичного взаимодей-ствия с атомами вещества частично переходит в тепловую энергию атомов и молекул, что приводит к изменению температуры рабочего объема детекторов.

Калориметрические детекторы применяются для измерения больших доз излучения (сотни тысяч или миллионы рентген).

Биологический метод.Биологический метод детектирования считается менее надежным. В таких детекторах учитывается биологический эффект воздействия ионизирующих излучений на лабораторных животных, а также на различные ткани и клетки (эпителий).

Химические, калориметрические и биологические детекторы на практике используются редко. Данные методы больше пригодны для научных исследо-ваний.

Следы заряженных частиц можно регистрировать не только с помощью фотоэмульсии (фотографический метод), но и помощью так называемых трековых камер. К ним относятся камера Вильсона, диффузионная, искровая, пузырьковая камеры.

Камера Вильсона.В 1899 г. Вильсон обнаружил, что в очищенной паро-газовой смеси при давлении, большем давления насыщенных паров при данной температуре (пересыщенный пар), появляются капельки жидкости вдоль траекторий частиц ионизирующего излучения.

Путь заряженной частицы становится видимым потому, что на ионах, образовавшихся вдоль траектории движения частицы, происходит конденсация пересыщенных паров.

Камера Вильсона представляет собой плоский цилиндр с поршнем. Свер-

ху камера закрывается стеклом. Воздух в камере тщательно очищается от пыли (пылинки могут стать центрами конденсации пара). Камера наполняется насыщенным паром (вода, спирт). При резком опускании поршня происходит адиабатическое расширение газа в камере, и газ охлаждается. Насыщенный пар при этом переходит в пере­сыщенный. Если в этот момент в камеру проникает заряженная ионизирующая частица, то на пути ее движения образуются ионы, которые служат центрами конденсации пара. Так появ­ляется в камере след частицы, который можно наблюдать визуально и фотографировать.

По характеру и геомет­рии треков можно судить о типе прошедших через камеры частиц (например, a-частица оставляет сплошной жирный след, b-частица оставляет тонкий след); об энергии части­цы (по длине трека); о плот-ности ионизации (по коли­честву капель на единицу длины трека); о плотности по­тока ионизирующего излучения (по количеству частиц, попадающих в рабочий объем камеры за определенный промежуток времени).

Время чувствительности камеры составляет 0,1-1 с, мертвое время в сот-ни (и тысячи) раз больше. Это связано с длительностью подготовки камеры к последующему расширению (выравнивание температуры и давления, расса-сывание остатков треков, насыщение паров и т. д.).

Диффузионная камера. В этой камере рабочим веществом является пересыщенный пар, но создается пересыщение в результате диффузии паров спирта от находящейся при температуре 10°С крышки к дну, охлаждаемому твердой углекислотой (температура твердой углекислоты 70°С). Вблизи дна возникает слой пересыщенного пара толщиной до 5 см, в котором пролетающие ионизирующие частицы оставляют треки.

Диффузионная камера не имеет мертвого времени, т. е. работает непре-рывно. В отличие от камеры Вильсона, диффузионная камера не имеет и поршня, поэтому давление в ней может достигать приблизительно 4 МПа, что значительно увеличивает рабочую часть ее объема.

Пузырьковая камера. В пузырьковой камере легкокипящую жидкость поддерживают под давлением при тем­пературе, несколько превышающей ее температуру кипения при атмосферном давлении.

Если снизить внешнее давление до атмосферного, то жидкость перейдет в перегретое состояние. В течение короткого времени (около 10^-5 сек) жид-кость не кипит. Если в это время в жидкость проникнет заряженная ионизи-рующая частица, то по пути ее следования в перегретой жидкости образуется цепочка ионов, энергия которых превра­щается в тепло, и жидкость при этом еще больше перегревается. Этот дополнительный перегрев провоцирует выде-ление пузырь­ков пара. След в пузырьковой камере – пузырьки пара, образовав-шиеся по пути следования заряженной частицы. Образовавшийся трек, как и в камере Вильсона, фотографируется.

По­добно камере Вильсона, пузырьковые камеры работают в перио­дичес-ком режиме. В настоящее время сооружают пузырьковые камеры с рабочим объемом от нескольких десятков до несколь­ких сот литров жидкости. В качестве жидкостей используют жидкий водород, жидкий ксенон, жидкий гелий, пропан и пентан.

Основная область применения пузырьковых камер – физика элементар-ных частиц и высоких энергий.

Искровая камера.Искровая камера представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный газом, в котором находится система плоских параллельных друг другу металлических электродов, соединенных через один. Одна группа электродов заземляется, а на другую подаются кратковременные высоковольтные импульсы (10-15 кВ). Если же через камеру пролетает иони-зирующая частица, ее путь будет отмечен цепочкой искр, проскакивающих между электродами.

Искровая камера совмещает преимущества счетчиков (быстрота регистра-ции) и трековых детекторов (полнота информации о треках). Она близка к счетчикам, так как информация в ней выдается немедленно, без последующей обработки, и в то же время обладает свойствами трекового детектора, позволя-ющего определять тип частицы, ее траекторию, энергию и др.

В настоящее время существуют и другие методы наблюдения и регистрации заряженных частиц и излучений.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 267; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!