Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
78
Рис. 19. Искровая камера:
/ - электроды; 2 - управляющие счетчики; 3 - корпус; 4 - источник импульсного питания; 5 - схема совпадений; б - фотоаппарат
(порядка 1(Г9 —10"10 с) стримеры достигают поверхности электродов, которые таким образом оказываются соединенными плазменным каналом. Свободно движущиеся в плазме заряженные частицы делают ее прекрасным проводником электрического тока, поэтому между электродами камеры по проложенному стримерами пути развивается мощный электрический разряд в виде искры. Эту искру можно увидеть или сфотографировать и тем самым узнать, где пролетела интересующая нас частица. Работающий на этом принципе прибор получил название искрового счетчика.
Для того чтобы более детально проследить путь сильнопро-, никающей частицы, можно использовать несколько искровых счетчиков, расположенных один над другим. На практике такую систему, называемую искровой камерой, изготовляют в виде заключенных в общий корпус нескольких параллельных пластин, подключенных через одну к двум полюсам источника тока (рис. 19). В такой многослойной камере путь частицы отмечается серией одновременно проскочивших искр. Чтобы камера не срабатывала зря от случайно попадающих в нее ионов, ее делают управляемой, для чего выше и ниже камеры устанав-
79
185?
ливают системы обычных счетчиков Гейгера—Мюллера и напряжение на пластины камеры с помощью специальной схемы подают лишь на короткие промежутки времени, после того как в верхнем и нижнем счетчиках одновременно возникают электрические импульсы. При этом созданные первичной частицей ионы не успевают рекомбинировать и цепочка возникающих в камере искр отмечает путь пролетевшей частицы.
Искровые камеры могут работать на обычном воздухе при атмосферном давлении. Однако применение других газов (например, аргона) позволяет получить значительно лучшие результаты. Специальным подбором параметров газового наполнения и приложенного к камере напряжения можно создать такие условия, при которых разряд происходит не перпендикулярно электродам, а вдоль пути пролетевшей частицы. Иногда один из электродов делают в виде сетки из натянутых параллельно друг другу тонких проволочек. Через такой прозрачный электрод можно фотографировать искры вдоль линий электрического поля. Эти камеры делают огромных размеров с площадью электродов несколько квадратных метров! Подобные камеры применяют для регистрации быстрых заряженных частиц с большим пробегом (например, при исследованиях космического излучения).
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
В ионизационных камерах и счетчиках электрический ток возникает за счет того, что ионы, образованные пролетевшей частицей, под действием электрического поля движутся к противоположно заряженным электродам. Казалось бы, такое явление можно наблюдать только в газах или, в крайнем случае, в жидкостях, а в твердых телах, где все атомы зафиксированы в определенных положениях, возникающие ионы двигаться не могут. Однако на самом деле это не совсем так.
Рассмотрим конденсатор, между пластинами которого находится твердое тело — кристалл. Представим себе цепочку нейтральных атомов этого кристалла, тянущуюся от одной пластины конденсатора к другой. Если в кристалл попадает заряженная частица и ионизует один из атомов этой цепочки, то легкоподвижный электрон тут же улетит на анод конденсатора, а положительный ион останется на месте. Но не всегда. Под
80
действием электрического поля конденсатора электрон соседнего атома может сместиться и перескочить на свободное место во внешней оболочке иона. Таким образом, бывший ион превратится в нейтральный атом, а бывший нейтральный атом станет ионом. Этот процесс будет продолжаться и дальше, пока ионизованным не окажется атом, расположенный около отрицательного электрода (катода) конденсатора. Все это очень напоминает движение положительного иона к катоду в газе ионизационной камеры, только в последней ион действительно движется, а в кристалле все атомы остаются на своих местах. У катода ион получит недостающий ему электрон, и вся система вернется к первоначальному состоянию.
Для того чтобы описанный процесс действительно происходил, необходимо выбрать вещество, обладающее двумя противоречивыми свойствами: электроны должны свободно двигаться в нем под действием внешнего поля, как в металле, но в обычном состоянии не должно быть свободных электронов, как в диэлектрике, иначе через него и без внешней ионизации будет все время идти постоянный ток. Оказалось, что вещества с подобными .свойствами существуют в природе. Это так называемые полупроводники — специально приготовленные кристаллы кремния, германия и некоторых других веществ; изготовленные на их основе детекторы излучения называют полупроводниковыми детекторами.
По свойствам полупроводниковые детекторы весьма похожи на обычные ионизационные камеры. Но так как пробег тяжелых заряженных частиц в твердом веществе сравнительно невелик, размеры полупроводниковых детекторов весьма малы: толщина рабочего слоя в них измеряется десятками или сотнями микрометров, а полезная площадь часто бывает порядка одного квадратного сантиметра или даже еще меньше. Таким образом, полупроводниковый детектор может служить практически точечным детектором излучения, позволяющим к тому же не только регистрировать частицы, но и измерять их энергию. Для регистрации электронов, имеющих значительно большие пробеги, чем протоны и а-частицы, в последние годы разработаны особые германиево-литиевые полупроводниковые детекторы рабочим объемом десятки кубических сантиметров. Такие детекторы можно использовать и для регистрации и измерения энергии фотонов, так как в результате фото- и комптон-эффектов возникают быстрые электроны, которые и создают электрический импульс в детекторе.
