Детектори на Ядрени лъчения

Първите изследвания в областта на ядрената физика в началото на XX в., довели до епохални открития и изменения в нашите представи за структурата на материята, са извършени със сравнително примитивни средства. Ядрените частици например са наблюдавани с помощта на екрани от сцинтилиращи вещества, които „святкат“ („изсветват“), когато ядрената частица попадне върху тях. Наблюденията с тези „сцинтилиращи“ екрани били не само твърде уморителни за изследователите, но и доста несигурни.
Успехите, които постигна ядрената физика от двадесетте години на ХХ в. насам до голяма степен се дължат на откриването на нови методи за регистриране на ядрените частици, т.е. на построяването на специални детектори на ядрени частици. Голям принос в тези успехи има и построяването на специални устройства, създаващи снопове от ядрени частици с високи енергии (така наречените ускорители на ядрени частици).
Ще разгледаме някои от детекторите на ядрени лъчения:

СЦИНТИЛАЦИОНЕН ДЕТЕКТОР:

Действието му се основава на луминесценция, предизвикана от удар на частици с висока енергия в някое вещество (например ZnS), способно да луминисцира под действието на такива удари. При удар на бързи частици, например a-частици, възниква светла точка, толкова интензивна, че може да бъде възприета непосредствено с око. В следствие на това е възможно да се пресметне броят на частиците, попаднали върху екран, покрит с ZnS, който е съществена част от един сцинтилационен детектор.
В сцинтилационните броячи вместо окото за регистрация на оптичното излъчване се използват електронни прибори с значително по-висока чувствителност – фотоумножители.

ГАЙГЕР – МЮЛЕРОВ БРОЯЧ:

Когато заредена ядрена частица премине през Гайгер – Мюлеровия брояч в него се поражда електричен импулс. В съчетание със специални електронни устройства той е способен да „преброява“ преминалите частици. Принципното устройство на Гайгер – Мюлеровия брояч е следното: цилиндрична тръбичка, чиято вътрешна повърхност е метализирана, служи за катод, а по оста на цилиндъра е опъната тънка жичка, която служи за анод. В тръбичката има разреден газ, а стените й трябва да са достатъчно тънки, за да пропускат заредените частици, които попадат върху тях.

Схема на демонстрационен Гайгер – Мюлеров брояч:

На електродите на броячната тръба се прилага напрежение 380-400 V, катонишката е съединена с положителния полюс на изправителя чрезсъпротивлението R (5-10 MW), към което е включен входът нанискочестотен усилвател (УНЧ). Към изхода на УНЧ е включенвисокоговорител. Кондензаторът C е с капацитет 100-200 pF.
Когато заредена частица с достатъчна енергия попадне върху брояча ипроникне във вътрешността му, тя „разбива“ някоя от молекулите на газаи поражда двойка йони. Под действие на електричното поле положителниятйон се отправя към катода, а отрицателният – към анода и се ускоряват.Така те получават достатъчна енергия, за да йонизират молекулите нагаза и всеки нов йон да може да създаде друга двойка йони. Такавъзниква един процес на лавинна йонизация, който създава токов импулс.Този импулс може да се регистрира.
Разбира се, докато трае този процес на лавинна йонизация, броячът неможе да регистрира нови частици, тъй като вече е „задействан“ иновопопаднала частица не може да измени с нищо протичащия вече процесна лавинна йонизация (по същия начин хвърлянето на клечка кибрит взапален куп сено няма да измени нищо в горящия вече огън). Това време,през което Гайгеровият брояч не може да регистрира попадането на новачастица се нарича мъртво време на брояча.
Гайгеровите броячи, предназначени за регистране на различните типовелъчения имат различна конструкция, тъй като лъченията имат различнисвойства. Например проникващата способност на алфа-частиците е многопо-малка от тази на бета-частиците и те по-трудно преминават презстените на брояча. От друга страна гама-лъчите имат много по-малкайонизараща способност и се „улавят“ много по-трудно.
На пръв поглед броячът може да даде само информация за броя начастиците, които са попаднали върху него. Ако обаче се използва системаот няколко брояча, свързани с подходящи електронни схеми, може да сеполучи много по-богата информация за броя и движението на частиците.

Преносим Гайгер – Мюлеров брояч:

ЙОНИЗАЦИОННА КАМЕРА:

Устройството и е сходно с устройството на газоразрядните броячи, но за разлика от тях в йонизационната камера не става вторична йонизация – ударна йонизация. По този начин на електродите на йонизационната камера се събират непосредствено йоните, възникнали под действието на заредените частици. Събраият заряд обикновено се усилва с помощта на електрометрично устройство.

УИЛСЪНОВА КАМЕРА:
Нарича се още мъглинна камера на Уилсън. Верижката от йони, получена от летящата заредена частица, става видима поради кондензацията на преситените пари върху някаква течност. Този уред позволява да се проследи какви изменения стават с частицата. Камерата представлява цилиндричен съд с прозорче и е изпълнена с наситени пари на някаква течност. В нея има бутало, което в определен момент се изтегля рязко надолу.

При този процес парите стават преситени и тяхната температура е по-ниска от температурата на втечняването им. Ако в този момент през камерата премине заредена частица тя предизвиква йонизация, преситените пари се кондензират около йоните (йоните служат за кондензационни ядра на капчиците). Така по пътя на частицата се образува „следа“ от ситни капчици течност. Тази следа може да се фотографира и така да се регистрира пътят на частицата.

ДЕБЕЛОСЛОЙНИ ФОТОЕМУЛСИИ:

Уилсъновата камера може да се използва за регистране на ядрени частици със сравнително ниски енергии. Когато енергията на частицата е по-голяма, нейният пробег е също по-голям и нейната следата не може изцяло да се „помести“ в обема на Уилсъновата камера. В такъв случай е удобно да се използват дебелослойни фотоемулсии.

Тези емулсии са изградени от микрокристалчета сребърен бромид, нанесен на по-дебел слой и с по-голяма плътност, отколкото в обикновените фотографски плаки. При преминаване на ядрените частици през емулсиите, те йонизират сребърния бромид и техните следи се очертават от черни зрънца кристално сребро, т.е траекторията на частицата става видима и може да се наблюдава през микроскоп. Тъй като при йонизацията на сребърния бромид частиците губят много енергия, целият път на частицата може да завърши във фотоплаката. По този начин могат да се наблюдават някои рядко протичащи процеси между ядрените частици и атомните ядра.