Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

С02 -лазер изготовляют обычно в виде двухметровых трубок, через которые пропускают ток газа. Схема лазера показана на рис. 236в.

Возможности описанного лазера уже граничат с фантастикой. Фокусировка когерентного инфракрасного излучения лазера на площадь 0,001 см2 дает интенсивность 106 Вт/см2 при постоянном режиме и 109 Вт/см2 в импульсном. Тонкий лазерный луч, спо­ собный распространяться на большие расстояния, мгновенно про­ жигает дерево, в течение секунд проходит через сталь.

Лазерный луч может создать поля порядка 10е В/см, коренным образом меняющие свойства вещества. С открытием лазеров возник ряд новых направлений физических и технических исследований. Большой интерес представляет изучение взаимодействия света с длиной волны 10—11 мкм с полупроводниками, которые прозрачны для этой области спектра. О некоторых применениях лазеров мы говорили на других страницах книги.

Совершенно новые возможности для коммуникации с помощью лазеров составляют предмет специальных дисциплин и выходят за рамки учебника физики.

Г Л А В А 30

АТОМНОЕ ЯДРО

§ 207. Экспериментальные методы ядерной физики

Изучение строения атомного ядра неразрывно связано с рас­ смотрением явлений самопроизвольного или вынужденного распада атомного ядра и ядерных частиц. Исследуя осколки разрушивше­ гося атомного ядра, прослеживая судьбу этих осколков, мы полу­ чаем возможность делать заключения о структуре ядра и о ядер­ ных силах.

Вполне естественно, что вначале были детально изучены явления самопроизвольного распада ядер, т. е. радиоактивные явления. Параллельно с этим началось изучение космических лучей — радиа­ ции, обладающей исключительной проникающей силой и приходя­ щей к нам из космического пространства. Взаимодействуя с веще­ ством, частицы космического излучения играют роль частиц-снаря­ дов. Долгое время исследование космических лучей было важнейшим

разрушений атомного ядра бомбардировкой потоками частиц, соз­ даваемых в ускорителях.

Экспериментальные методы, о которых пойдет сейчас речь, оди­ наково применимы к изучению космических лучей и частиц, воз­ никающих в результате ядерной бомбардировки тех или иных ми­ шеней.

Следовые камеры. Первым прибором, позволяющим видеть след (трек) частицы, явилась камера Вильсона. Если через камеру, содержащую пересыщенные водяные пары, пролетит быстрая час­ тица, создавшая на своем пути ионы, то за такой частицей остается след, весьма похожий на «хвост», который иногда остается в небе после самолета. Этот след создан сконденсировавшимся паром. Ионы, отмечающие путь частицы, являются центрами конденсации пара — в этом причина возникновения хорошо видимого следа. След частицы можно и наблюдать непосредственно, и фотографи­ ровать.

Чтобы регулировать состояние пара в камере, объем камеры меняют движением поршня. Быстрым адиабатическим расшире­ нием пар приводится в состояние пересыщения.

Если следовая камера помещена в магнитное поле, то по кривизне траектории можно определять либо скорость частицы при известном отношении elm, либо, наоборот, elm при известной скорости (ср. формулы на стр. 406).

Камера Вильсона уже принадлежит истории. Поскольку ка­ мера заполнена газом, столкновения редки. Очень велико время «очищения» камеры: фотографии могут сниматься лишь через 20 се­ кунд. Наконец, след живет время порядка секунды, что может

большую роль в физике элементарных частиц. Веществом камеры является перегретая жидкость. Заряженная частица образовывает ионы, а около ионов создаются пузырьки, которые и делают след видимым. В такой камере можно получать 10 фотографий в секунду. Самым большим недостатком камеры является невозможность уп­ равлять ее включением. Поэтому зачастую нужны тысячи фотогра­ фий, чтобы отобрать одну, фиксирующую исследуемое явление.

Большое значение имеют искровые камеры, основанные на ином принципе. Если на плоский конденсатор наложить высокое напря­ жение, то между пластинами проскочит искра. Если в зазоре име­ ются ионы, то искра проскочит при меньшем напряжении. Таким образом, ионизующая частица, пролетающая между обкладками, создает искру.

В искровой камере сама частица включает высокое напряжение между обкладками конденсатора на миллионную долю секунды. Однако достоинства в отношении возможности включения в нуж­ ный момент ослабляются недостатками: видны лишь частицы, об­ разующие угол не более 45° с пластинками, след очень короток и не все вторичные явления успевают проявить себя.

Недавно советские исследователи предложили новый тип сле­ довой камеры (так называемой стримерной камеры), уже нашедшей широкое применение. Блок-схема такой камеры показана на рис. 237. Частица, попадающая между пластинами, расположенными, в отличие от искровой камеры, на большом расстоянии друг от друга, обнаруживается счетчиком. Электронно-логическое устройство

различает первичные события и выбирает то, которое интересует экспериментатора. В этот момент высокое напряжение на короткое время подается на пластины. Ионы, образовавшиеся на пути прохож­ дения частицы, образуют черточки (стримеры), которые и фото­ графируются. Путь частицы обрисован этими черточками. Если

" 2 =

Успех работы стримерной камеры зависит от правильной кор­ реляции образования электронной лавины от первичного иона с па­ раметрами импульса высокого напряжения. В смеси 90% неона и 10% гелия при расстоянии между пластинами 30 см хорошие

тору, и давление газа, заполняющего счетчик, должны быть подобраны спе­ циальным образом в зависимости от постановки задачи. В распро­

страненной разновидности такого устройства, называемой счетчи­ ком Гейгера, к цилиндру и нити прикладывают напряжение пробоя. Если через стенку или через торец такого счетчика в него попадет

ионизующая частица, то через конденсатор пойдет импульс тока, продолжающийся до тех пор, пока первичные электроны и создан­ ные ими электроны и ионы самостоятельного разряда не подойдут к положительной обкладке конденсатора. Этот импульс тока можно усилить обычными радиотехническими методами и фиксировать прохождение частицы через счетчик либо щелчком, либо световой вспышкой, либо, наконец, цифровым счетчиком.

Такое устройство может считать количество частиц, поступаю­ щих в прибор. Для этого необходимо лишь одно: импульс тока дол­ жен прекратиться к моменту, когда в счетчик поступает следующая частица. Если режим работы счетчика подобран неправильно, то счетчик начинает «захлебываться» и считает неверно. Разрешающая способность ионизационного счетчика ограничена, но все же доста­ точно велика: до 10 ООО частиц в секунду.

Можно понизить напряжение и добиться такого режима, при котором через конденсатор проходил бы импульс тока, пропор­ циональный числу образованных ионов (пропорциональный счет­ чик). Для этого нужно работать в области несамостоятельного газо­ вого разряда. Первичные электроны, двигаясь в электрическом

пар ионов. При работе в режиме несамостоятельного разряда коэф­ фициент усиления k будет постоянной величиной и пропорциональ­ ные счетчики не только установят факт прохождения частицы через счетчик, но и измерят ее ионизующую способность.

Разряд в пропорциональных счетчиках, так же как и в описанных

Если прибор работает в режиме тока насыщения (чего можно добиться, снижая напряжение), то ток через него является мерой энергии излучения, поглощаемой в объеме прибора за единицу вре­ мени. В этом случае устройство называют ионизационной камерой. Коэффициент усиления k равняется в этом случае единице. Пре­ имуществом ионизационной камеры является большая устойчи­ вость работы. Конструкции ионизационных камер могут значитель­ но варьировать. Наполнение камеры, материалы стенок, число и форма электродов меняются в зависимости от цели исследования. Наряду с крошечными камерами с объемом порядка кубического миллиметра приходится иметь дело с камерами объемом до сотни метров. Под действием постоянного источника ионизации в каме: pax возникают токи в пределах от 10"1 7 до 10"7 А.