Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц

Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы или движущиеся атомные ядра, подобно заряженному ружью со взведенным курком. Небольшое усилие при нажатии на спусковой крючок ружья вызывает эффект, не сравнимый с за­траченным усилием, — выстрел.

Регистрирующий прибор — это более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неус­тойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, немедленно начинается процесс пере­хода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот про­цесс и позволяет регистрировать частицу.

Методы регистрации частиц весьма разнообразны и в боль­шом числе случаев, особенно при регистрации частиц высоких энергий, отличаются большой сложностью и дороговизной. Комплект регистрирующей аппаратуры, обслуживающей ус­коритель элементарных частиц, по своей стоимости прибли­жается к стоимости самого ускорителя.

В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характе­ристикам. К последним относятся: эффективность (отноше­ние количества зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших в прибор), минимальное время регистрации (время, за которое прибор после регистрации очередной части­цы возвращается в исходное, рабочее состояние), точность измерений энергий, масс, зарядов частиц и т. д.

Газоразрядный счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера — один из важнейших приборов для автома­тического счета частиц. Хорошие счетчики позволяют регистри­ровать до 10 000 и более частиц в секунду. Счетчик (рис. 1) состоит из стеклянной трубки 1, покрытой изнутри металли­ческим слоем (катод 2), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод 3). Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счетчика основано на ударной ионизации.

Заряженная частица (электрон, α-частица и т. д.), пролетая в газе, отрывает у атомов электроны и таким образом создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство (обычно это усилитель и механический счетчик).

Для того чтобы счетчик мог регистрировать новую частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит авто­матически. Так как в момент появления импульса тока паде­ние напряжения на нагрузочном резисторе R велико, то на­пряжение между анодом и катодом резко уменьшается — на­столько, что разряд прекращается и счетчик снова готов к работе.

Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и γ-квантов (фотонов большой энергии). Однако не­посредственно γ-кванты вследствие их малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутрен­нюю стенку трубки покрывают материалом, из которого γ-кванты выбивают электроны. При регистрации электронов эффективность счетчика порядка 100%, а при регистрации и γ-квантов всего лишь около 1%.

Регистрация тяжелых частиц (например, α-частиц) затруд­нена, так как довольно трудно сделать в счетчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.

При большом числе частиц механический счетчик не успе­вает срабатывать («захлебывается»). Поэтому применяют пе­ресчетные радиотехнические устройства, позволяющие реги­стрировать какую-то известную долю всех импульсов (один из четырех или один из шестнадцати и т. д.).