А трековые детекторы позволяют наблюдать и фотографировать следы (треки) частиц в рабочем объёме детектора.
С одним из дискретных методов регистрации частиц мы знакомились при рассмотрении опытов Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц — это метод сцинтилляций. Суть данного метода такова. На экран наносится тонкий слой сернистого цинка. Если об этот экран ударяется частица, то она вызывает на экране вспышку света, которую можно рассмотреть в лупу. По числу таких вспышек можно, например, подсчитать число альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом за определённый промежуток времени.
Наиболее простое осуществление этот метод находит в спинтарископе Крукса.
Принцип его работы прост. На кончик иглы помещается крупинка радиоактивного элемента, например, бромистого радия. Если смотреть сквозь лупу, подержав предварительно глаз в темноте, то в разных местах экрана из сернистого цинка можно обнаружить частые вспышки.
β-частицы наблюдать таким методом сложно, так как они, имея малую массу и обладая малой кинетической энергией, вызывают очень слабое свечение экрана.
Но даже регистрация α-частиц методом сцинтилляций не даёт необходимой точности. Дело в том, что результат подсчёта вспышек на экране зависит от остроты зрения учёного — сколько тот сумеет увидеть, столько частиц и зарегистрирует. Невозможным также оказывается и длительное наблюдение, так как глаз очень быстро утомляется.
Ещё одним видом дискретных детекторов является ионизационная камера, предназначенная для измерения уровня ионизирующего излучения. Оно происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме камеры. Отличительной особенностью ионизационной камеры является сравнительно малая напряжённость электрического поля в газовом промежутке. Однако с помощью ионизационной камеры можно измерить лишь мощность дозы излучения и не более того.
Значительно более совершенным прибором является счётчик Гейгера, изобретённый в 1908 году немецким учёным Гансом Вильгельмом Гейгером.
Прибор состоит из стеклянной трубки, наполненной газом, к внутренним стенкам которой прилегает тонкий металлический цилиндр, являющийся катодом. В качестве анода выступает тонкая металлическая нить, натянутая по оси счётчика. Анод через резистор, обладающий большим сопротивлением (до миллиона Ом), подключается к источнику постоянного высокого напряжения и регистрирующему устройству.
Таким образом, между цилиндром и нитью образуется сильное электрическое поле. Пока газ внутри цилиндра не ионизирован, ток в цепи источника отсутствует. Допустим, что внутрь цилиндра попадает какая-либо частица, способная вызвать ионизацию газа. Тогда в электрическом поле образуется некоторое количество электрон-ионных пар, которые начинают двигаться к соответствующим электродам. Если напряжённость электрического поля достаточно велика, то образовавшиеся электроны также получают способность к ионизации атомов газа, образуя новое поколение ионов и электронов, которые также могут принять участие в ионизации и так далее. В результате в трубке образуется «электронно-ионная лавина» из-за которой в цепи и на сопротивлении происходит кратковременное и резкое возрастание силы тока. При этом на сопротивлении образуется импульс напряжения, который и регистрируется специальным устройством. Однако в момент появления импульса тока на сопротивлении происходит большое падение напряжения и, как следствие, резко уменьшается напряжение между катодом и анодом — настолько, что разряд прекращается и счётчик вновь готов к работе. Так можно точно подсчитывать частицы, пролетающие в данном месте и в данном направлении.
Счётчик Гейгера в основном применяется для регистрации β-излучения, но существуют модели, пригодные и для регистрации γ-квантов.
Из преимуществ счётчика Гейгера отметим высокую скорость регистрации — порядка десяти тысяч частиц в секунду. А эффективность счётчика при регистрации электронов составляет 100 %.
Но счётчик Гейгера имеет и недостатки. Так, эффективность регистрации гамма-квантов составляет всего около одного процента. А регистрация тяжёлых частиц затруднена, так как сложно сделать в счётчике достаточно тонкое “окошко”, прозрачное для этих частиц. Кроме того, прибор позволяет регистрировать только факт пролёта через него частицы.
Намного большие возможности для изучения микромира предоставляет камера Вильсона — прибор, изобретённый в тысяча девятьсот двенадцатом году шотландским физиком Чарлзом Вильсоном.
Камера Вильсона состоит из цилиндрического сосуда, верхние стенки которого сделаны из прозрачного материала. Внутри цилиндра находится подвижный поршень. Камера содержит насыщенные пары воды или спирта. При быстром опускании поршня в камере образуется пересыщенный пар. В обычных условиях это бы вызвало появление тумана, но в камере Вильсона этого не происходит, так как воздух в ней предварительно очищают от так называемых ядер конденсации (это пылинки, ионы и прочее).
Изучаемые частицы впускаются в камеру через тонкое окошко (хотя иногда источник частиц помещается непосредственно в камеру). Эти частицы, пролетая через камеру, создают на своём пути ионы. Эти ионы становятся центрами конденсации, на которых водяной пар собирается в виде маленьких капелек. Вдоль всего пути частицы возникает тонкий след из капелек воды — трек, который и даёт изображение этого пути. Но тепловое движение молекул быстро размывает трек частиц, и траектории частиц видны отчётливо лишь около одной десятой секунды, что, однако, достаточно для фотографирования.
Вид трека на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине её энергии. Так, α-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны — более тонкий, а электроны — пунктирный.
Советские физики Пётр Леонидович Капица и Дмитрий Владимирович Скобельцын предложили размещать камеру в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. По радиусу кривизны траектории и интенсивности треков можно определить энергию и массу частицы.
В своё время Резерфорд назвал камеру Вильсона «самым оригинальным и изумительным инструментом в истории науки».
Одной из разновидностей камеры Вильсона является пузырьковая камера, изобретённая в тысяча девятьсот пятьдесят втором году Дональдом Глазером. Принцип её действия схож с действием камеры Вильсона. Только вместо пересыщенного пара в ней используется перегретая жидкость, то есть жидкость, нагретая выше температуры кипения. Принцип работы камеры следующий. Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии, близком к вскипанию. При резком уменьшении давления жидкость становится перегретой. И если в этом состоянии в камеру попадёт заряженная частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара, поскольку образовавшиеся в жидкости ионы служат центрами парообразования, и может быть сфотографирована.
Из преимуществ пузырьковой камеры перед камерой Вильсона выделим большую плотностью рабочего вещества, из-за чего частица теряет больше энергии, чем в газе. Поэтому частицы, обладающие большой энергией, застревают в камере. Это позволяет гораздо точнее определить направление движения частицы и её энергию, а также наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.
Ещё одним трековым детектором является искровая камера. Она представляет собой набор параллельных проводящих пластин, разделённых газом и электрически изолированных друг от друга. При пролёте частицы вдоль её траектории проскакивают искры, создавая огненный трек. При этом искры не только хорошо видны, но и слышны.
В 1925 году русский и советский физик Лев Владимирович Мысовский изобрёл метод регистрации заряженных частиц с использованием толстослойных фотоэмульсий.
Суть метода достаточно проста. Заряженные частицы, проходящие через фотоэмульсию, вызывают распад молекул бромистого серебра на ионы серебра и брома. Цепочка модифицированных таким образом кристалликов бромистого серебра образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и образуется трек частицы, по длине и толщине которого можно судить о массе частицы и её энергии.
Для регистрации частиц, движущихся с огромными скоростями, используют «эмульсионную камеру», которая представляет собой стопку толстых фотоэмульсий. Их укладывают в десятки и сотни слоёв, а затем, благодаря маркировке последовательности, вычисляют траектории прошедших через камеру частиц.
Главным преимуществом метода толстослойных фотоэмульсий, помимо простоты применения, является то, что он даёт неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Это привело к широкому применению данного метода при исследовании новых элементарных частиц.