Тема 9. Движение заряженных частиц в полях (стр. 6 )

Наиболее мощным циклическим ускорителем протонов является синхрофазотрон; в нем можно варьировать как частоту электрического поля, так и магнитную индукцию. Опыт показывает, что при согласованном уменьшении периода изменения электрического поля и увеличении индукции можно добиться такого состояния, при котором протоны будут двигаться по круговой орбите строго постоянного радиуса. Поэтому в синхрофазотроне магнитное поле создается с помощью небольших электромагнитов вдоль траектории движения протонов.

9.7. Ионизационные приборы

       Устройства, применяемые для регистрации элементарных частиц (иногда их называют детекторами), делятся на две группы. Первую группу образуют т. н. регистрирующие устройства, которые фиксируют факт пролета частицы и в некоторых случаях позволяют судить об их энергии. Ко второй группе относятся т. н. трековые приборы, фиксирующие траекторию движения частицы. Действие приборов обеих групп основано на том, что заряженные частицы ионизируют атомы и молекулы среды, в которой они движутся. Хотя нейтральные частицы не оказывают ионизирующего действия, однако они обнаруживают себя в момент распада на заряженные фрагменты. Их можно зарегистрировать также по заряженным частицам, которые возникают в результате их взаимодействия с атомами и молекулами вещества.

В число регистрирующих устройств входят ионизационные камеры, пропорциональные счетчики,  счетчики Гейгера).

Ионизационная камера  представляет собой воздушный или газонаполненный электрический конденсатор, на  электроды  которого подана разность потенциалов. При попадании ионизирующих частиц в пространство между электродами там образуются электроны и ионы газа;  перемещаясь в электрическом поле, они фиксируются регистрирующей аппаратурой. Наиболее простой является ионизационная камера с параллельными плоскими электродами (дисками); диаметр дисков в несколько раз превышает расстояние между ними. В цилиндрической камере электроды представляют собой два коаксиальных цилиндра, один из которых заземлен и служит корпусом. Соответственно сферическая ионизационная камера состоит из двух концентрических сфер (иногда внутренний электрод – просто стержень).

В зависимости от режима работы различают токовые и импульсные камеры. В токовых камерах измеряется сила тока, создаваемого ионами и электронами (рис.9.7,а).  Соответствующая вольт-амперная характеристика, изображенная на рис.9.7,б, имеет горизонтальный участок, где ток не зависит от напряжения между электродами; это соответствует собиранию на электродах камеры всех образующихся ионов и электронов. Токовые ионизационные камеры, работающие в таком режиме, дают сведения об общем количестве пар заряженных частиц, образующихся за 1 с. 

В импульсных ионизационных камерах регистрируются и измеряются импульсы напряжения, которые возникают  на резисторе  при протекании по нему ионизационного тока, вызванного попаданием в камеру отдельной частицы (рис.9.8).  Амплитуду и длительность импульса можно регулировать, изменяя  величины и  . Если камера работает в режиме насыщения (все заряженные частицы достигают электродов), амплитуда импульса пропорциональна энергии, теряемой частицей.  Обычно объектами исследований в импульсных камерах являются сильно ионизирующие

Рис. 9.7

короткопробежные частицы,  способные полностью затормозиться в межэлектродном пространстве. В этом случае величина импульса напряжения пропорциональна полной энергии частицы.

                       

Рис. 9.8

Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера.  Серьезным недостатком импульсных ионизационных камер является малый ток, создаваемый в них отдельными ионизирующими частицами. Он настолько мал, что для его измерения необходимы электронные усилители с большим коэффициентом усиления. Если же значительно увеличить разность потенциалов на электродах камеры, то электроны, возникающие при первичной ионизации, будут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что  приведет к увеличению амплитуды импульса напряжения (сигнала).  Детекторы, работающие в таком режиме, называются пропорциональными счетчиками, если амплитуда выходного сигнала пропорциональна количеству первоначально возникших электронов. Число вторичных пар, создаваемых в среднем каждым первичным электроном, зависит от напряженности электрического поля. В плоскопараллельной камере, где электрическое поле однородно, трудно достичь большой напряженности, необходимой для вторичной ионизации.  Если же анод камеры представляет тонкую проводящую нить, а катод – коаксиальный цилиндр, напряженность поля возрастает по мере приближения к аноду, что значительно упрощает получение необходимого значения напряженности. В таких камерах возможно усиление сигнала в тысячи раз. Вместе с тем усиление сигнала за счет повышения напряжения на камере не может быть сколь угодно большим, поскольку  начиная с некоторого значения напряжения уровень сигнала уже не пропорционален числу первичных электронов. Прибор, работающий в таком «непропорциональном» режиме, называется счетчиком Гейгера.

В группу трековых приборов входит  камера Вильсона, пузырьковая  и эмульсионная камеры.

Камера Вильсона  создана в 1912 г. Дорожка из ионов, проложенная летящей заряженной частицей, становится видимой в камере Вильсона, поскольку именно на ионах происходит в первую очередь конденсация пересыщенных паров какой-либо летучей жидкости. Сравнительно короткое время чувствительности камеры  (0,1…1 с) чередуется с т. н. мертвым промежутком, в течение которого камера приводится в рабочее состояние  (мин.).  Пересыщение достигается за счет резкого переохлаждения, вызванного адиабатическим расширением рабочей смеси, состоящей из неконденсирующегося газа и паров летучей жидкости, например – этилового спирта. В этот момент рабочий объем камеры фотографируется; если в этот же момент через камеру пролетает заряженная частица, на фотоснимке получается ее трек. Поместив камеру Вильсона между полюсами электромагнита, ее возможности можно значительно  расширить: по искривлению траектории, вызванному действием магнитного поля, удается определить знак заряда частицы, удельный заряд и энергию.

В пузырьковой камере,  изобретенной в 1952 г, вместо пересыщенных паров используется перегретая жидкость (давление насыщенных паров в мельчайших пузырьках пара внутри жидкости больше внешнего давления). Пролетая через камеру, заряженная частица создает трек из ионизированных атомов и молекул. Именно на них происходит в первую очередь вскипание жидкости, т. е. образование видимых глазом пузырьков пара. Подобно камере Вильсона, пузырьковая камера работает циклами. Прибор приводится в рабочее состояние резким снижением внешнего давления; в результате этого жидкость переходит в перегретое состояние, длительность которого примерно 0,1…1 с. В качестве рабочей среды используется сжиженный водород, пропан и т. п.

Эмульсионные камеры.  Российские физики Мысовский и Жданов впервые применили для регистрации заряженных частиц фотопластинки. Эти частицы оказывают на фотоэмульсионный слой такое же действие, как и кванты света; поэтому после проявления в эмульсии образуется видимый трек пролетевшей частицы. Недостатком этого метода в начальный период его использования была малая толщина слоя. В эмульсионных камерах облучению подвергаются толстые пачки эмульсионных слоев массой в десятки килограмм и толщиной в десятки сантиметров. После облучения пачки разбираются на слои, каждый из которых проявляется и просматривается под микроскопом. Для того чтобы можно было проследить траекторию частицы при переходе из одного слоя в другой, перед разборкой пачки на все слои наносится с помощью рентгеновского излучения координатная сетка.

9.8. Плазма

       Законы движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях всецело определяют свойства плазмы – квазинейтрального ионизированного газа.

       Плазмой называется ионизированный газ, в котором концентрация положительно-  и отрицательно заряженных частиц примерно одинакова. Латинская приставка «квази» означает «почти». Почти нейтральность, но не полная нейтральность обусловлена тем, что из-за теплового движения мгновенные значения количества разноименно заряженных частиц в достаточно малом объеме различаются. Иначе говоря, мгновенные значения количества разноименно заряженных частиц флуктуируют около средних величин.  Поэтому определение плазмы следует уточнить: ионизированный газ можно считать плазмой, если его объем значительно больше объема, в котором еще наблюдаются случайные отклонения количества разноименно заряженных частиц от средних значений. Это условие можно записать как , где - объем газа, в котором флуктуации уже незаметны, - характерный линейный размер, который называется дебаевским радиусом (Питер Дебай – известный физик нидерландского происхождения, работал в Германии и США).

       Таким образом, дебаевский радиус – это важнейший параметр плазмы; он определяет размер области, в которой тепловое движение не нарушает электронейтральность ионизированного газа. Для вычисления дебаевского радиуса рассмотрим простейшую плазму, состоящую из свободных электронов и однозарядных ионов. Вследствие квазинейтральности равновесные концентрации электронов и ионов одинаковы и равны .