Радиоактивное излучение имеет сложный состав. Это гамма- и рентгеновское излучение, электроны, протоны, α-частицы, а также ионы тяжёлых металлов.
Одним из первых методов регистрации элементарных частиц является метод сцинтилляций. Сущность которого заключается в подсчёте количества вспышек на экране, покрытом сернистым цинком, при попадании на него заряженных частиц. Это явление впервые наблюдал в 1903 году английский физик и химик Уильям Крукс.
Рисунок 1. Уильям Крукс
Этот метод не даёт необходимой точности, так как зависит от остроты зрения наблюдателя. Глаза быстро устают, поэтому длительное наблюдение невозможно.
Метод сцинтилляций использовался в основном для регистрации альфа-частиц. Отдельные быстрые электроны вызывали очень слабые сцинтилляции, которые невозможно зафиксировать. Гамма-излучение создавало общее свечение экрана, а не отдельные вспышки.
В конце сороковых годов XX века были разработаны фотоэлектронные умножители (ФЭУ), которые позволяют регистрировать очень слабые вспышки света. На их основе были созданы сцинтилляционные счётчики.
Назначение прибора
Сцинтилляционный счётчик предназначен для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц.
Устройство прибора
В комплект счётчика, кроме сцинтиллятора и ФЭУ и источника питания для него, входит радиотехническая аппаратура, которая обеспечивает усиление и регистрацию импульсов фотоэлектронного умножителя.
Принцип работы
Радиоактивная частица, попадая в сцинтиллятор, переводит молекулы в возбуждённое состояние. Переход молекул в основное энергетическое состояние сопровождается излучением фотона, который регистрируется детектором. Количество вспышек пропорционально количеству поглощённых радиоактивных частиц.
Преимущества
- С помощью сцинтилляционных счётчиков можно регистрировать α-частицы и электроны.
- Эффективность регистрации γ-излучения и нейтронов достигает 100 %.
- Высокая разрешающая способность по времени.
- Можно определить мощность источника (по числу импульсов в единицу времени) и мощность доз излучения (по величине силы тока в цепи).
Недостатки
- Малая чувствительность к частицам с малой энергией.
- Невысокая разрешающая способность по энергии.
В 1908 году немецкий физик Ганс Гейгер изобрёл счётчик радиоактивных частиц, названный его именем. В 1928 году Вальтер Мюллер, работая под руководством Гейгера, усовершенствовал и реализовал на практике несколько модификаций прибора, которые отличались друг от друга конструктивно в зависимости от вида регистрируемого излучения.
Рисунок 1. Ганс Гейгер
Назначение прибора
Газоразрядный счётчик Гейгера используют в основном для регистрации β-частиц, но существуют модели для регистрации и гамма-излучений.
Устройство прибора
Счётчик Гейгера состоит из металлического цилиндра, являющегося отрицательно заряженным электродом (катодом), и натянутой вдоль его оси тонкой проволоки — положительно заряженного электрода (анода). Катод и анод через сопротивление R присоединены к источнику высокого напряжения (200–1000 В). Благодаря этому в пространстве между ними возникает сильное электрическое поле. Оба электрода помещены в стеклянную трубку, заполненную разреженным газом (обычно аргоном).
Принцип работы
Пока газ не ионизирован, ток в цепи источника напряжения отсутствует. Как только частица радиоактивного изотопа проникает через стенки прибора, сталкиваясь с атомами газа, выбивает из них электроны и создаёт положительные ионы. Под действием электрического поля электроны и положительные ионы двигаются по направлению к аноду и катоду соответственно, приобретая при этом довольно большую энергию, и ионизируют другие атомы. Образуется новое поколение электронов и ионов, способных участвовать в ионизации газа. В трубке образуется так называемая электронно-ионная лавина, в результате чего происходит кратковременное возрастание силы тока в цепи и напряжения на сопротивлении R. Этот импульс напряжения, который свидетельствует о попадании частицы в прибор, регистрируется специальным устройством.
Чтобы счётчик снова мог регистрировать частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. Поскольку сопротивление R очень велико (порядка 109 Ом), то в момент протекания тока в цепи на нём происходит основное падение напряжения, а напряжение между анодом и катодом резко уменьшается, разряд прекращается, так как это напряжение становится недостаточным для образования новых электронно-ионных пар. Прибор готов к регистрации следующей частицы.
Преимущества
Сравнительно лёгкий способ определить наличие (отсутствие) радиации.
Недостатки
- Счётчик не позволяет идентифицировать частицу.
- Не имеет возможности определять характеристики частицы.
Камера Вильсона изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном в 1912 г. В 1927 году Вильсон получил за своё изобретение Нобелевскую премию по физике.
Рисунок 1. Чарлз Вильсон
Назначение прибора
Камера Вильсона — один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц.
Устройство прибора
Представляет собой невысокий стеклянный цилиндр с крышкой, с поршнем внизу. На дне камеры находится чёрная ткань, увлажнённая смесью воды с этиловым спиртом. Воздух в камере насыщен парами смеси этих жидкостей
Рисунок 2. Внешний вид одной из первых камер Вильсона
Схема устройства одной из первых камер Вильсона
Принцип работы
При движении поршня вниз пары становятся перенасыщенными, т. е. способными к быстрой конденсации. При попадании какой-либо частицы через специальное окошко внутрь камеры они создают ионы, которые становятся ядрами конденсации, и вдоль траектории движения частицы возникает след (трек) из сконденсированных капелек, которые можно сфотографировать.
Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным, меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно больше 1 минуты.
Преимущества
1. Если поместить камеру в магнитное поле, то траектории заряженных частиц будут искривлены. По направлению изгиба трека можно судить о знаке заряда частицы, а по радиусу кривизны определять её массу, заряд, энергию.
2. Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и «запускают» камеру лишь для наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает.
Недостатки
- Малое рабочее время, составляющее примерно 1 % от времени, затрачиваемой для подготовки камеры к последующему расширению.
- Трудоёмкость обработки результатов.
Пузырьковая камера была изобретена в 1952 году американским физиком Дональдом Глазером. За своё изобретение учёный получил Нобелевскую премию по физике в 1960 году.
Рисунок 1. Дональд Глазер
Луис Альварес усовершенствовал пузырьковую камеру, используя в качестве перегретой жидкости водород. Он первым применил компьютерную программу для обработки данных, что позволило делать это намного быстрее.
Назначение прибора
Пузырьковая камера используется для регистрации треков частиц высокой энергии.
Устройство прибора
Является разновидностью камеры Вильсона. Первая модификация пузырьковой камеры состояла из металлической камеры со стеклянными окнами для освещения и фотографирования, заполненной жидким водородом. Позднее камеры усовершенствовались.
Принцип работы
Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии, близком к вскипанию. При резком понижении давления жидкость становится перегретой и существует в таком состоянии некоторое время (10–40 мс). При движении заряженной частицы в такой жидкости вдоль её траектории образуется ряд пузырьков пара.
После фотографирования трека давление поднимается, пузырьки исчезают, камера готова к регистрации следующей ионизирующей частицы. Весь цикл работы составляет менее 1 секунды.
Если пузырьковую камеру поместить в сильное магнитное поле, то по радиусу кривизны траектории можно определить импульс заряженной частицы.
Преимущества
- Обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.
- Высокая точность измерения импульсов регистрируемых частиц.
- Одинаковая чувствительность к регистрации частиц по всем направлениям.
Недостатки
- Меньшая длина треков, чем в камере Вильсона.
- Низкая управляемость процессом отбора для регистрации взаимодействия частиц.