Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
*) При соударении с электронами происходит еще и процесс возбуждения молекул газа. Испущенные фотоны могут выбить из катода электроны, а те вызвать повторный импульс в счетчике. Однако при К < 1000 вероятность возникновения таких вторичных процессов мала и они почти не искажают импульсов.
121
напряжения на счетчике значительно увеличивается и число фотонов, попадающих на катод и выбивающих из него фотоэлектроны. Те, двигаясь к аноду-нити, снова вызывают лавину, снова излучаются фотоны и т. д. Если в пропорциональном счетчике вторичные процессы носили затухающий характер, то теперь разряд поддерживает себя сам и носит название самостоятельного. Счетчик «забывает» о первичной ионизации. Возникает законный вопрос: каким образом этот разряд прекращается и детектор снова может быть готов к работе? Оказывается, все дело в малой скорости перемещения положительных ионов. Пока нарастают электронно-фотонные лавины, они не успевают уйти далеко от нити счетчика и с развитием разряда образуют вокруг нее положительно заряженный «чехол». Напряженность поля вокруг нити падает, разряд угасает. Однако он может вспыхнуть вновь, когда положительные ионы дойдут до стенок счетчика (катода) и будет происходить их нейтрализация. Опять возникнут фотоны, способные дать лавину. Вторичный разряд предотвращают либо специальными электронными гасящими схемами, либо с помощью введения в счетчик, кроме основного газа (например, аргона), еще многоатомного газа (паров спирта, метана и т. п.). Роль последнего сводится к поглощению фотонов и к нейтрализации при соударении ионов основного газа. Мы не будем останавливаться на этих процессах, отметим только, что такие «самогасящиеся» счетчики нашли наиболее широкое применение.
В 1913 г. Гейгер впервые использовал счетчик с самостоятельным разрядом, а в 1928 г. в работе Гейгера и Мюллера он подвергся существенным усовершенствованиям. Поэтому детекторы, работающие в зтой области газового разряда, часто называют счетчиками Гейгера—Мюллера. Добавлять к основному газу счетчика пары спирта предложил в 1937 г. Трост. Самостоятельный газовый разряд в счетчике Гейгера—Мюллера — зто коронный разряд. Именно его появление в виде пляшущих огненных языков или светящихся гирлянд на мокрых корабельных канатах приписывалось в средние века влиянию святого Эльма.
3.3. Счетчик для солнечных нейтрино
Газовые счетчики использовались и сейчас используются в нейтринных экспериментах. С их помощью проводились опыты по отдаче ядер и были получены кос.
122
венные доказательства существования нейтрино, измерялась масса V, наконец, уже в последнее время пропорциональные счетчики, наполненные гелием-3, помогли обнаружить нейтральные токи, о чем мы будем говорить в конце этой книги.
А сейчас, выполняя обещание, вернемся к экспериментам с солнечным нейтрино. Итак, радиоактивные атомы аргона-37 вместе с газом-носителем поступали в счетчик. Как их зарегистрировать? При распаде аргона-37 в хлор-37 происходят достаточно сложные процессы, но нам важно, что в результате их вылетает электрон с очень небольшой энергией (2,8 кэВ). Пробег такого электрона в газе при нормальном давлении составляет десятые доли миллиметра. Соответственно, размеры счетчика могут быть сделаны малыми, а чем меньше счетчик, тем меньше его собственный фон и тем легче защитить его от радиоактивности окружающей среды. Маленький фон и высокая эффективность регистрации — необходимые условия для использования детектора в таком эксперименте, поскольку во всей установке один атом аргона возникал в среднем один раз в трое суток.
Опишем теперь одну из применявшихся конструкций такого счетчика (детектор постоянно усовершенствуется). Объем его составлял менее 1 см3. Катод был изготовлен из сверхчистого железа, выплавленного по особой технологии, чтобы по возможности снизить содержание элементов с естественной радиоактивностью. Внешняя оболочка счетчика — тоже сверхчистый материал — плавленый кварц. Он окружался слоем пассивной защиты, в ряде экспериментов — сталью, а также ртутью. Вся эта установка находилась внутри очень большого кристалла йодистого натрия, который служил активной защитой. Наконец, использовался и второй слой активной защиты — кольцо пропорциональных газовых счетчиков, окружающих кристалл.
Невольно на память приходит восклицание одного из иностранных гостей конференции «Нейтрино-77». Он с удовольствием рассматривал купленную матрешку, состоящую из многих, входящих друг в друга фигурок, разбирал и собирал ее и, наконец, радостно произнес: «Я догадался, что это такое. Это простая деревянная модель детектора Дэвиса!»
События, связанные с распадом аргона-37, отбирались по двум признакам — по амплитуде импульсов и по их
123
форме. Первое достаточно понятно. Счетчик пропорциональный, поэтому на энергетическом спектре импульсы от электронов с энергией 2,8 кэВ должны выглядеть в виде одиночного пика.
А фон распределен по всему энергетическому диапазону более или менее равномерно. Что касается исследования формы импульса, то оно дало очень интересные результаты. Пусть быстрая фоновая частица, пролетая через счетчик, оставит там ту же энергию, что и электроны распада аргона-37. Ее трек может представлять редкую цепочку из ионов, тогда как электрон все эти ионы образует почти в точке. Двигаясь в электрическом поле счетчика к пити и рождая в ее окрестности лавины, заряды от быстрой частицы создадут более протяженный по времени импульс, хотя полное количество электричества в обоих случаях будет одинаково. Таким образом, импульсы будут различными по форме нарастания во времени. Если исследовать их с помощью специальной аппаратуры, то можно разделить эффект и фон.
