§ 213. Способы регистрации заряженных частиц

В развитии знаний о «микромире», в частности в изучении явлений радиоактивности, исключительную роль сыграли приборы, позволяющие регистрировать ничтожное действие одной-единственной частицы атомных размеров. Одним из таких замечательных приборов является камера Вильсона, делающая видимыми траектории отдельных быстродвижущихся заряженных частиц (§ 212). Другой прибор этого рода, с примитивной формой которого мы познакомились в § 203, это — так называемый счетчик сцинтилляций.

При бомбардировке некоторых люминесцирующих веществ (сернистый цинк, нафталин и др.) быстрыми заряженными частицами наблюдается, что заметная доля энергии тормозящихся в них заряженных частиц превращается в видимый свет: попадание быстрой заряженной частицы на слой такого вещества вызывает кратковременную вспышку света, называемую сцинтилляцией. Яркость вспышки особенно велика в случае частиц, так как частица тормозится на пути длины менее , и выделяющаяся световая энергия оказывается сосредоточенной в ничтожном объеме. Сцинтилляции, вызываемые частицами в экране из сернистого цинка, могут быть обнаружены глазом. Простейший прибор, служащий для этой цели,— спинтарископ — изображен на рис. 382. Однако визуальный (при помощи глаза) способ наблюдения сцинтилляций крайне утомителен. В настоящее время для счета сцинтилляций пользуются особо чувствительными фотоэлементами (см. § 185) — так называемыми фотоэлектронными умножителями, изобретенными советским физиком Л. А. Кубецким. Сцинтилляции, производимые  и частицами, гораздо слабее свечения, вызываемого частицами; они недоступны глазу, и регистрация их производится только с помощью фотоэлектронных умножителей.

Рис. 382. Спинтарископ в раз резе (а) и внешний вид (б). 1 – иголка, на конце которой находится крупинка радия, 2 – экран из сернистого цинка, 3 - лупа

Очень распространенным прибором для регистрации отдельных заряженных частиц
является газоразрядный счетчик Гейгера—Мюллера. Газоразрядный счетчик (рис. 383) представляет собой металлический цилиндр 2, но оси которого натянута тонкая проволока 1, изолированная от цилиндра. Цилиндр заполняется специальной смесью газов (например, аргон + пары спирта) до давления  На нить подается положительный потенциал порядка  относительно цилиндра.

Рис. 383. Газоразрядный счетчик: 1 – анод счетчика (тонкая нить), 2 – катод (металлический цилиндр), 3 – изоляторы, 4 – электрометр для регистрации разрядов в счетчике. При разряде на нити счетчика скапливаются электроны и потенциал ее снижается. По окончании разряда потенциал нити восстанавливается благодаря притоку зарядов от батареи через сопротивление

Прохождение каждой ионизующей частицы через счетчик вызывает в нем кратковременную вспышку газового разряда. При этом по цепи счетчика проходит кратковременный импульс тока. Если сопротивление  достаточно велико , то потенциал нити сохраняется сниженным в течение нескольких миллисекунд, и этот импульс можно обнаружить по отбросу чувствительного электрометра 4. На практике импульс тока, вызванный прохождением заряженной частицы через счетчик, усиливают транзисторным или электронно-ламповым усилителем и регистрируют по передвижению стрелки присоединенного к усилителю электромагнитного нумератора (рис. 384) или с помощью электронного цифрового индикатора.

Рис. 384. Схема установки для регистрации радиоактивных излучений с помощью газоразрядного счетчика: 1 – газоразрядный счетчик, 2 – усилитель, 3 – электромагнитный нумератор,

Рассмотрим подробнее механизм действия газоразрядного счетчика. Счетчик представляет собой два коаксиальных цилиндра, и потому электрическое поле в нем неоднородно (см. том , § 30). Напряженность электрического поля достигает наибольшей величины у нити и быстро спадает при удалении от нее (рис. 385, а). При разности потенциалов около  напряженность электрического поля вблизи нити оказывается достаточно большой, чтобы сообщать медленные электронам скорость, необходимую для ионизации газа.

Рис. 385. К механизму работы газоразрядного счетчика частиц (1 – цилиндр счетчика, 2 – нить, диаметр которой преувеличен): а) Счетчик заряжен для рабочей разности потенциалов, при которой прохождение заряженной частицы через счетчик вызывает в нем вспышку газового разряда. Изображены линии электрического поля, наибольшая у нити; б) поле в счетчике в момент самогашения разряда. Электроны, образованные при ионизации газа, собрались на нити и компенсируют часть ее положительного заряда. Положительные ионы продолжают двигаться к цилиндру. Поле у нити ослаблено; в) поле в счетчике, не присоединенном к батареи, после того как разряд погас и положительные ионы дошли до цилиндра

Пусть где-либо в объеме счетчика образовался свободный медленный электрон (например, в результате ионизации газа под действием быстрой частицы, пролетающей через счетчик). Этот электрон будет двигаться к положительно заряженной нити и в области сильного поля вблизи нити начнет ионизовать атомы газа. Электроны — продукты ионизации - ускоряются полем и в свою очередь производят ионизацию, давая начало новым и новым электронам и новой ионизации.

Число ионизованных атомов лавинообразно нарастает — в газе вспыхивает электрический разряд. Образующиеся при разряде электроны очень скоро собираются на нити, тогда как тяжелые и потому малоподвижные ионы медленно движутся к цилиндру. Накопление электронов на нити снижает ее положительный заряд и все более и более уменьшает напряженность электрического поля у нити (рис. 385, б). Через короткое время (порядка микросекунды, т.е. миллионной доли секунды) поле ослабляется настолько, что уже не сообщает электронам нужной для ионизации скорости. Ионизация прекращается, и начавшийся разряд обрывается.

Если счетчик не подключен к батарее, то после разряда электрическое поле в нем остается ослабленным, и новый разряд невозможен (рис. 385, в). В обычно же употребляемых схемах включения (рис. 383 и 384) поле в счетчике быстро восстанавливается за счет притока зарядов от батареи, к которой счетчик подключен через сопротивление . Счетчик оказывается снова готовым к действию уже через  после вспышки разряда.

Отметим, что быстрое гашение разряда происходит только при специальном подборе газового заполнения счетчика и при не слишком большом напряжении на нем. При чрезмерном повышении напряжения в счетчике возникает негаснущий разряд, состоящий из непрерывно следующих друг за другом вспышек описанного выше типа. Повторение вспышек разряда вызывается электронами, которые выбиваются из цилиндра счетчика при попадании на него положительных ионов.

В счетчике Гейгера-Мюллера амплитуда и длительность импульса тока, развивающегося в результате лавинного процесса в газе, не зависит от природы и энергии регистрируемой заряженной частицы «поджигающей» счетчик (т.е. вызывающей этот лавинный процесс). Можно выбрать и другой режим работы газоразрядного прибора – так называемый пропорциональный режим. Если уменьшить напряжение, приложенное к счетчику, так чтобы лавинный процесс не развивался очень сильно и не переходил в разряд, то число пар ионов в этой «ограниченной лавине» будет пропорционально начальной ионизации. Такие пропорциональные счетчики могут не только регистрировать отдельные частицы, но и измерять вызываемую ими ионизацию (т.е. энергетические потери частицы в газе), что очень важно для идентификации частиц.

В последнее время широкое распространение получили так называемые полупроводниковые детекторы. Такой детектор по существу представляет собой ионизационную камеру (рис. 376), в которой воздух заменен полупроводником. Использование кремния или германия, соответствующим образом обработанных, позволяет снизить темновой ток (ток в отсутствии ионизующего излучения) до приемлемых для регистрации ионизующего излучения значений величин. Преимуществом полупроводниковых детекторов является то, что, благодаря большой плотности вещества этих счетчиков, в них может быть поглощена большая часть энергии ионизующих излучений.