mozok.click » Фізика » Методи реєстрації йонізуючого випромінювання
Інформація про новину
  • Переглядів: 36
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 22:56
12-02-2018, 22:56

Методи реєстрації йонізуючого випромінювання

Категорія: Фізика

Принцип дії приладів реєстрації йонізуючого випромінювання. Арсеналом ядерної фізики є реєструючі пристрої, які дають потрібну інформацію про події у мікросвіті. Частинки для досліджень випромінюються під час радіоактивних перетворень, входять до складу космічних променів або створюються на спеціальних потужних прискорювачах. Розміри частинок настільки малі, що спостерігати їх не можна навіть за допомогою електронного мікроскопа. Однак фізики сконструювали прилади, які дають можливість реєструвати частинки, спостерігати їх траєкторії, вимірювати енергії та швидкості руху.

Оскільки заряджені частинки здатні йонізувати атоми речовини, впливати на фотопластинки, викликати свічення деяких речовин, ці їхні властивості й використовують у конструкції реєструючих пристроїв.

Лічильники йонізуючих частинок. Лічильники йонізуючих частинок згідно з принципом своєї дії в основному лише фіксують факт проходження частинки. До них належать лічильник Гейгера-Мюллера, сімейство сцинтиляційних лічильників, напівпровідникові лічильники та інші.

У 9 класі ми ознайомились з принципом дії одного із перших лічильників - лічильником Гейгера-Мюллера, який понад півстоліття використовують у ядерних дослідженнях.



Принципову схему цього лічильника зображено на мал. 298.

У скляну трубку вміщено два електроди: анод (тонка металева нитка) та циліндричний катод, до яких прикладається постійна (у декілька сотен вольт) напруга. Скляна трубка заповнена інертним газом під зниженим тиском (для збільшення довжини вільного пробігу і полегшення ударної йонізації). Заряджена частинка, потрапляючи в трубку, йонізує газ. Утворені електрони та йони, рухаючись прискорено до електродів, здійснюють вторинну йонізацію, внаслідок якої відбувається пробій газу, і сила струму через лічильник різко зростає. Поки триває розряд в об’ємі газу, лічильник не може реєструвати наступну частинку, тому в коло послідовно з лічильником вмикають резистор з великим опором R. Як тільки в колі виникає електричний струм, напруга перерозподіляється між трубкою і опором. А різке зменшення напруги на трубці гасить розряд - трубка готова для реєстрації наступної частинки. Імпульс напруги з навантаження R подається в реєструючий пристрій (підсилювач і лічильний механізм).

Принцип дії сцинтиляційних (від латинського «сцинтиляціо* - блискання, спалах) лічильників полягає у виникненні спалаху на екрані, вкритому люмінесцентною речовиною, в місці попадання на нього частинки з досить високою енергією. Подібний пристрій використовував Резерфорд у дослідах із розсіювання а-частинок.

На мал. 299 зображено схему сучаснішого сцинтиляційного лічильника. Заряджена частинка зумовлює спалах люмінофору. Оскільки спалах може бути дуже слабким, його слід підсилити. Для цього спалах через світловод передається на фотокатод. Фотони спалаху вибивають із фотокатода електрони, які спрямовуються на перший електрод помножувача (перший динод). Матеріал динода має малу роботу виходу, тому електрони вибивають із нього новий потік електронів, які потрапляють на другий динод. Таких динодів може бути від 10 до 20, що дає змогу підсилити сигнал до 108 разів.

Напівпровідниковий лічильник - це по суті плоский напівпровідниковий діод, включений у електричне коло у непропускному режимі. Якщо через р-п-перехід пролітає заряджена частинка, вона утворює додаткові пари електрон-дірка, які під дією електричного поля рухаються до електродів, створюючи імпульс струму. Напівпровідникові лічильники за чутливістю перевищують сцинтиляційні, у яких отриманий спалах ще слід підсилювати. Кристали германію, активовані літієм, дають змогу вимірювати енергії частинок з точністю до 0,1%.


Різновидністю напівпровідникових лічильників є стрипові детектори, в яких напівпровідникові кремнієві смужки розташовані взаємно перпендикулярно. Це дає можливість вимірювати координати частинки. Таким чином напівпровідникові лічильники дають змогу не просто фіксувати йоні-зуючу частинку, а й досліджувати її.

На особливу увагу заслуговують так звані нейтринні детектори, або як їх ще називають - черенковські лічильники, названі на честь П. О. Черенкова. У 1934 р. він відкрив явище випромінювання світла електронами, які рухаються у середовищі зі швидкістю, більшою за швидкість світла в цьому середовищі. Такі лічильники дають змогу досліджувати не лише заряджені частинки, а й нейтральні. На мал. 300 наведено фотографію нейтринного детектора. У цю ємність заливають 167 тон мінерального масла з домішками сцинтилятору. В акті взаємодії нейтрино з атомами речовини утворюються електрони високої енергії, швидкість руху яких більша за швидкість світла у цьому середовищі. Рух таких електронів супроводжується свіченням у вигляді конуса, яке фіксується 1220 фото-помножувачами, розташованими на стінках посудини.

Камери для дослідження частинок. Камери (трекові детектори) - це пристрої для спостереження траєкторії (треку) зарядженої частинки.

Першим трековим детектором була камера Вільсона (туманна камера). Цю камеру побудував у 1912 р. англійський учений Ч. Вільсон. Принцип її дії ґрунтується на конденсації перенасиченої пари на йонах, що утворюються в робочому об’ємі камери вздовж траєкторії руху зарядженої частинки.

Циліндрична посудина з поршнем заповнена сумішшю повітря з парою води або спирту у стані, близькому до насичення. Різке опускання поршня змушує пару у камері адіабатно розширитися. Від цього вона охолоджується і стає перенасиченою. Якщо в цей час крізь камеру пролітає заряджена частинка, вона йонізує молекули повітря. Утворенні йони є центрами конденсації, і на них утворюються крапельки, які роблять «видимою* траєкторію руху частинки. Цю картину можна спостерігати безпосередньо крізь віконце або фотографувати. Щоб підготувати камеру до наступного використання, всередині неї створюють електричне поле, яке притягує йони на електроди, де вони нейтралізуються.

Фотографії треків, отримані за допомогою камери Вільсона, дають повнішу інформацію про частинку. За довжиною треку можна визначити її енергію, швидкість. Камеру, як правило, вміщують у магнітне поле. Тоді на частинку діятиме сила Лоренца, яка викривлятиме її траєкторію. За радіусом кривизни траєкторії можна визначити відношення заряду частинки до її маси.


Пізніше (у 1952 р.) американський учений Д. Глейзер запропонував для спостереження треків частинок використовувати перегріту рідину. У такій рідині на йонах, що утворюються під час руху заряджених частинок, виникають бульбашки пари, які роблять видимим трек. Камери цього типу дістали назву бульбаїикових (мал. ЗОЇ, а). Перевагу бульбашкової камери порівняно з камерою Вільсона зумовлює більша густина робочої речовини. Внаслідок цього пробіги частинок коротші, і частинки навіть високих енергій застряють у камері. Це дає можливість спостерігати і фотографувати (мал. ЗОЇ, б) серію послідовних перетворень частинки і реакцій, які вона спричинює.

Поряд з камерами Вільсона й бульбашковими камерами для реєстрації частинок застосовують товстошарові фотоемульсії. Заряджена частинка, рухаючись у фотоемульсії, руйнує молекули бромистого срібла на своєму шляху.

Головна частина іскрової (стрімерної) камери нагадує багатошаровий конденсатор, пластини якого розміщені на відстані кількох міліметрів одна від одної. У момент проходження через камеру частинки на пластини подається імпульс високої напруги. У місцях руху частинки виникають іскри (стрімери), які можна фотографувати.

Розглянуті нами пристрої не вичерпують всієї їх множини. Сучасні установки для дослідження елементарних частинок досить складні. Так, наприклад на Великому адронному колайдері використовується установка, яка за розмірами відповідає восьмиповерховому будинку.

Дайте відповіді на запитання

1. Яка властивість заряджених частинок покладена в основу дії реєструючих пристроїв?

2. У чому відмінність між лічильниками і камерами реєстрації йонізуючого випромінювання?

3. Опишіть будову і принцип дії одного із пристроїв для реєстрації йонізуючого випромінювання.



^