Таким образом, центральная часть камеры после изменения давления в течение некоторого времени находится в метастабильном состоянии, в ней заряженные частицы могут образовать пузырьки пара.

В перегретом состоянии жидкость находится в неустойчивом состоянии, поскольку с энергетической точки зрения перегретой жидкости выгодно расслоение на две фазы – жидкую и газообразную.

Однако для такого расслоения необходимо образование полостей в жидкости, что требует затрат энергии. Пусть жидкость перегрета, т. е. давление насыщенных паров при данной температуре выше гидроста-

64

тического. Пусть, далее, в жидкости каким-либо путем образовался пузырек пара.

Оказывается, что дальнейшая судьба пузырька существенно зависит от его радиуса, так как на него действуют силы поверхностного натяжения. Когда температура жидкости далека от критической, то равновесие пузырька пара (постоянство его радиуса), в принципе, возможно при следующих условиях: если давление пара внутри пузырька уравновешено внешним давлением и давлением, обусловленным поверхностным натяжением, то равновесие возможно только при критическом радиусе полости. Но это равновесие неустойчиво. Для большинства жидкостей критический радиус пузырька имеет величину около 10–6 см.

Перегретая жидкость может начать кипеть, если в ней образуются пузырьки пара с радиусом больше критического. Такие пузырьки могут возникать на стенках камеры за счет неплотного контакта жидкости с поверхностью камеры. Кроме того, в жидкости в результате термодинамических флуктуаций непрерывно образуются пузырьки различных радиусов. Вероятность образования пузырьков в результате

65

флуктуации плотности жидкости очень сильно зависит от температуры и перегрева.

Пузырьки, образующиеся в результате флуктуации плотности жидкости, создают фон в камере, который по аналогии с камерами Вильсона называют туманом. Чем больше перегрев жидкости, тем выше плотность тумана. Для пузырьковых камер, таким образом, имеется максимальное значение перегрева. Если перегрев жидкости выше максимального, то жидкость практически мгновенно вскипает по всему объему и образующийся туман не позволяет регистрировать ионизирующие частицы.

Длительность рабочего цикла камеры во многом определяется временем, в течение которого камера выдерживается со сброшенным давлением. Если это время велико, то пузырьки успевают вырасти до значительных размеров и переместиться в верхнюю часть камеры, где и произойдет их конденсация после повышения давления в камере. Таким образом, будет происходить охлаждение нижней части камеры (поглощение тепла при образовании пара) и нагрев ее верхней части (выделение тепла при конденсации пузырьков). Это создаст нежелательный температурный градиент в камере, выравнивание которого может потребовать несколько минут из-за малой теплопроводности жидкости.

Для изучения взаимодействия элементарных частиц наилучшей рабочей средой является жидкий водород – идеальная мишень для исследования элементарных столкновений. Большой интерес для изучения элементарных взаимодействий представляет и дейтерий, поскольку опыты, проведенные на дейтерии, в совокупности с опытами, проведенными на протонах, в некоторых случаях позволяют сделать заключения о взаимодействии частиц с нейтронами.

Пузырьковые камеры с жидким водородом и дейтерием, имеющие исключительные свойства как мишени, оказываются не очень хорошими детекторами частиц из-за малой плотности наполнителя, когда возникает необходимость в изучении закономерностей распада и продуктов распада нестабильных частиц. Вероятность наблюдения таких распадов тем больше, чем меньше пробеги частиц в камере, т. е. для этого необходимы камеры, наполненные жидкостями с большими плотностями. Малая плотность жидкого водорода и дейтерия и их малый атомный номер не позволяют регистрировать распады нестабильных частиц с большой эффективностью. С этой точки зрения представляют большой интерес такие вещества, как пропан, фреон, йоди-

66

стый метил, шестифтористый вольфрам, ксенон. Все эти вещества в жидком состоянии имеют гораздо большие плотности, чем жидкий водород. Кроме того, создание пузырьковых камер с жидким водородом и дейтерием является более сложной задачей, поскольку они работают при низких температурах (~30 К). Для регистрации и исследования γ-квантов, сопровождающих элементарные взаимодействия, представляют особый интерес пузырьковые камеры, наполненные ксеноном или шестифтористым вольфрамом.

Современные пузырьковые камеры представляют собой сложные инженерные сооружения. Основные узлы пузырьковых камер: камера с рабочей жидкостью, механизм изменения давления, система импульсного освещения камеры и фотографирования треков, система, обеспечивающая поддержание в камере постоянной температуры. Пузырьковые камеры обычно помещают между полюсными наконечниками магнитов. Масса таких магнитов достигает нескольких сот тонн.

Искровая, стримерная и широкозазорная камеры.

Искровая камера – трековый детектор заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка искровых электрических разрядов вдоль траектории ее движения.

Общим для счетчика любого вида преимуществом является немедленность регистрации, т. е. отсутствие последующей обработки. С другой стороны, общим преимуществом всех следовых регистраторов является полнота информации о траекториях заряженных частиц. Оба эти преимущества объединены в искровой камере. Схема обычной искровой камеры приведена на рис. 17.

Искровая камера является управляемым трековым детектором, который запускается внешними счетчиками. Камера представляет собой систему последовательных искровых счетчиков. Она состоит из параллельных металлических пластин (электродов), соединенных через один, пространство между которыми заполнено инертным газом (чаще He, Ne или их смесью). Расстояние между пластинами составляет около 1 см. Площадь пластин – от десятков сантиметров до нескольких метров. Половина электродов заземлена, а на другую половину в момент прохождения частицы подается короткий высоковольтный импульс величиной порядка десятков киловольт на сантиметр.

При этом между электродами в местах пролета ионизующей частицы возникают искровые разряды. Искры можно не только фотографировать, но и регистрировать двумя (для стереоскопичности) ультразвуковыми детекторами, сигналы с которых подаются на вход вычисли-

67

тельной машины, запрограммированной на отбор нужных событий с последующим расчетом всех необходимых характеристик исследуемых реакций, что дает возможность не тратить времени на обработку фотографий.

Это позволяет работать с очень интенсивными пучками частиц. В искровой камере искровой разряд точно следует в направлении траектории движения частицы.

Искровые камеры обладают и рядом других ценных качеств. Их эффективный объем ничем не ограничен. Рабочий объем камеры складывается из отдельных «кирпичей», каждый из которых представляет собой небольшую камеру. Количество же «кирпичей» может быть любым. У искровых камер очень быстрый рабочий цикл, примерно 10–2 с, так что камера может совершать сотни циклов в секунду. В отличие от пузырьковой камеры, искровая камера управляема, т. е. может включаться внешними счетчиками. Недостатком искровой камеры является значительно меньшая точность, чем у пузырьковой, поскольку трек частицы создается отдельными искрами, число которых равно числу пересекаемых частицей пластин, т. е. невелико. Кроме того, и сами искры сравнительно толстые. Электроды искровой камеры могут состоять из проволочек.

68

В этом случае искровые разряды идут на отдельные проволочки, что существенно облегчает бесфильмовый съем информации. Подобно пузырьковым камерам большие искровые камеры очень дороги. Они используются в физике высоких энергий для изучения сложных многокаскадных процессов и для регистрации редких событий.

Наряду с обычными искровыми камерами в физике высоких энергий широко применяются стримерные и широкозазорные искровые камеры.

Стримерная камера – управляемый импульсный газоразрядный детектор, в котором разряд обрывается на более ранней стадии, не успевая перейти в искру. Изобретена в 1963 году Г. Е. Чиковани, Б. А. Долгошеиным. Стримеры – это узкие, направленные вдоль поля светящиеся каналы ионизованного газа длиной до нескольких миллиметров, возникающие в предпробойной (доискровой) стадии искрового разряда. Стримеры вырастают в сильном электрическом поле в местах ионизации, созданной заряженной частицей. Совокупность стримеров вдоль пути пролета частицы формируют ее трек. Треки обычно фотографируют.

Обе камеры (стримерная и широкозазорная) по своей конструкции напоминают плоский конденсатор с расстоянием между электродами порядка десятков сантиметров. Различаются камеры главным образом длительностью высоковольтного импульса. В широкозазорной искровой камере искровой разряд происходит вдоль трека ионизирующей частицы. Это свойство искрового разряда имеет место, однако, в том случае, если направление движения частицы составляет с направлением электрического поля угол не более 40–50°. При больших углах происходят множественные искровые разряды из точек трека на электроды, что не позволяет получить полную информацию о траектории.

В стримерной камере импульс напряжения является столь коротким (около 20 нс, т. е. 20·10–9 с), что за время его действия в окрестности трека частицы успевают возникнуть только зародыши искры – стримеры. В результате трек частицы оказывается светящимся, но намного слабее, чем в широкозазорной искровой камере. Преимущество стримерной камеры состоит в 4π-геометрии – в возможности получения светящихся треков частиц, влетающих в камеру под любыми углами. Это особенно важно при регистрации последовательности распадов, а также при измерении импульсов частиц (камера помещается в магнитное поле). Широкозазорные камеры – искровые и стримерные – в иностранной литературе часто называют русскими камерами, посколь-

69

ку они были разработаны советскими исследователями (А. И. Алиханян, Т. Л. Асатиани, Б. А. Долгошеин, Б. И. Лучков, В. Н. Ройнишвили, Г. Е. Чиковани; 1970 г.).

26. Характеристика методов измерения активности.

Измерение активности источников по альфа-, бета- или гамма-излучению является одной из основных и наиболее рас­пространенных задач радиометрии. Существует два метода из­мерения активности - абсолютный и относительный.

Абсолютный метод измерения активности заключается в определении полного числа актов распадов, происходящих в радиоактивном источнике, по зарегистрированной на радио­метрической установке скорости счета от этого источника. При переходе от скорости счета к абсолютной активности необхо­димо учитывать ряд эффектов, которые обусловлены парамет­рами выбранной радиометрической аппаратуры, взаимным расположением источника и детектора и свойства измеряемого радиоактивного изотопа.

Относительный метод измерения активности заключается в сравнении скорости счета от исследуемого источника со ско­ростью счета от эталонного источника, абсолютная активность которого известна.

Выбор абсолютного или относительного метода измерений обусловливается исходной активностью источников, степенью трудоемкости их приготовления, требуемой точностью радио­метрического анализа, наличием радиометрической аппарату­ры.

В практике радиометрического анализа приходится сталки­ваться с измерением малых активностей радиоизотопов. Для повышения точности метода измерения малых активностей идут по двум направлениям: по линии увеличения чувствитель­ности радиометрической аппаратуры или концентрирования радиоизотопов низких активностей в небольших объемах.

В каждом отдельном случае, в зависимости от поставлен­ной задачи, необходимо дифференцированно подходить к вы­бору приемов и методов измерения активности радиоизотопов.

27. Абсолютные методы измерения активности.

Абсолютный метод измерения активности заключается в определении полного числа актов распадов, происходящих в исследуемом радиоактивном источнике, по скорости счета ( по величине ионизационного тока, по количеству бета-, гамма-совпадений и пр. ) от этого источника, зарегистрированной с помощью радиометрической установки.

В общем случае расчет "абсолютной" активности (под аб­солютной активностью радиоактивного источника понимается полное число актов распада, происходящих в веществе данного источника) ведется по формуле:

A_aбc = n_счК_св , (4)

Где: A_aбc- абсолютная активность, расп/мин;

n_сч - скорость счета, имп/мин ;

К_св - коэффициент связи, расп/имп.

Коэффициентом связи называется величина, учитывающая ряд эффектов, которые обусловлены параметрами выбранной радиометрической аппаратуры, взаимным расположением ис­точника и счетчика и свойствами измеряемого радиоактивного изотопа.

Для определения абсолютной активности применяются следующие методы:

- калориметрический (тепловой);

- ионизационной камеры;

- малой (наперстковой) ионизационной камеры;

- бета-гамма совпадений;

- определенного (фиксированного) телесного угла;

- полного телесного угла.

При выборе метода необходимо учитывать активность ис­точника, точность измерений, трудоемкость приготовления ис­точников, возможность аппаратурного воплощения методик измерения и ряд других факторов.

28. Относительные методы измерения активности. Условия стандартизации.

Всегда, когда это только возможно, прибегают к относительным измерениям, при которых показания детектора при работе с исследуемым источником а_х сравниваются с показаниями а_э от некоторого эталонного источника, активность которого A_э заранее известна. Если это сравнение можно выполнить так, чтобы значения коэффициентов ε в обоих случаях были заведомо одинаковыми, то из соотношений

следует, что

,

и, таким образом, неизвестную активность А_х можно определить по непосредственно измеряемым при эксперименте показаниям детектора а_х и а_э и заранее известной величине А_э. Под а_х и а_э часто используют скорости счета соответственно N_х и N_э.

Способы регистрации α- и β-частиц во многом аналогичны. Однако существенные различия в поведении этих частиц при их прохождении через вещество вносят некоторые особенности в конструкцию детекторов. На рис. 37 приведена схема детекторного блока бета-радиометра.

С одной стороны, значительно большие пробеги β-частиц позволяют изготовлять детекторы с гораздо более толстыми стенками.

С другой стороны, сильное рассеяние β-частиц и меньшая ионизирующая способность затрудняют их регистрацию.

Основное преимущество относительного метода заключается в том, что нет необходимости вводить различные поправки. Главное условие измерений: известный и неизвестный источники должны иметь одинаковые характеристики.

Приготовление источников является важным этапом при измерении активности проб по альфа-бета-излучению. От правильного выбора источника во многом зависят трудоемкость и точность измерения активности. При относительном методе всегда стараются использовать толстослойные источники.

29. Геометрический фактор.

При измерении числа бета-частиц, испускаемых каким-либо радиоактивным образцом, прежде всего, следует иметь в виду, что в подавляющем большинстве случаев в счетчик попадает (соответственно регистрируется прибором) только часть излуче­ния, испускаемого исследуемым радиоактивным образцом. Связано это с тем, что излучение одинаково испускается образцом (источником) во всех направлениях, т. е. изотропно во все сто­роны пространства. А по направлению к чувствительному объ­ему счетчика вылетает лишь часть бета-излучения. Эта часть из­лучения заключена в пределах некоторого телесного угла α, под которым чувствительный объем счетчика «виден» из центра радиоактивного образца. Очевидно, что этот телесный угол и, следовательно, доля бета-излучения, регистрируемая счетчиком, зависят от радиуса окна счетчика r и расстояния от образца до чувствительного объема счетчика.

30. Мертвое время детектора. Поправки на мертвое время.

Обработка каждого импульса занимает у электроники ПЭТ-сканера определенное конечное время. Если в течение этого временного интервала в детекторах регистрируется новое событие, то импульс от него не будет сосчитан. Такие потери называются потерями мертвого времени. Оценку этих потерь получают, строя зависимость измеряемой скорости счета от действительной активности, имеющейся внутри FOV сканера (см. рис. 6.15). Когда потери минимальны, эта зависимость имеет линейный характер. Если же из-за мертвого времени система начинает терять часть событий, то зависимость приобретает нелинейный характер. Конкретный вид соотношения между скоростью счета и активностью источника зависит от характеристик электроники сканера и применяемых детекторов. Производители аппаратуры предоставляют эмпирические данные, описывающие потери мертвого времени для каждого ПЭТ-сканера. Обычно линейность скорости счета наблюдается при концентрации активности р/н до 10—15 мкКи/см³ внутри FOV для 2-М и до 3—5 мкКи/см³ для 3-М сканирования