ИСКРОВАЯ КАМЕРА

ИСКРОВАЯ КАМЕРА

       

прибор для наблюдения и регистрации следов (треков) ч-ц, основанный на возникновении искрового разряда в газе при попадании в него ч-цы. Используется для исследования ядерных реакций, в экспериментах на ускорителях и при исследовании космических лучей. Простейшая И. к.— два плоскопараллельных электрода, пространство между к-рыми заполнено газом (чаще Ne, Ar или их смесью). Площадь пластин от десятков см2 до неск м2. Одновременно с прохождением ч-цы или с нек-рым запозданием (=1 мкс) на электроды И. к. подаётся короткий (10—100 нс) импульс высокого напряжения. В рабочем объёме И. к. создаётся сильное электрич. поле (5— 20 кВ/см). Импульс подаётся по сигналу системы детекторов (сцинтилляционных счётчиков, черенковских счётчиков и т. п.), выделяющих исследуемое событие. Эл-ны, возникшие вдоль траектории ч-цы в процессе ионизации атомов газа, ускоряются полем, ионизуют (ударная ионизация) и возбуждают атомы газа. В результате на очень коротком пути образуются электронно-фотонные лавины, к-рые, в зависимости от амплитуды и длительности импульса, либо перерастают в видимый глазом искровой разряд, либо создают в газе локально светящиеся области небольшого объёма. Узкозазорная И. <к. обычно состоит из большого числа одинаковых искровых промежутков(=1см). Искровые разряды распространяются перпендикулярно электродам (рис. 1, а).

Рис. 1. Треки ч-ц в искровых камерах разных типов (эл-ны движутся противоположно направлению электрич. поля Е).

Цепочка искр воспроизводит траекторию ч-цы (рис. 2). Точность локализации искр вблизи траектории составляет доли мм, временное разрешение =10-6 с, полное время восстановления =10-3 с. В широкозазорной трековой И. к. (расстояние между электродами 3—50 см) электронно-фононные лавины, развивающиеся от первичных эл-нов, сливаются в узкий светящийся канал вдоль трека (рис. 1, б). В этом режиме могут регистрироваться треки под углами не более 50° к направлению электрич. поля в камере. Для наблюдения треков под большими углами, вплоть до 90°, используют т. н. с т р и м е р н ы й режим, при к-ром развитие стримера (начальной стадии пробоя) начинается с каждого первичного электрона и обрывается, когда длина стримера достигает неск. мм (рис. 1, в).

Рис. 2. Фотография треков в узкозазорной искровой камере.

На камеру, при этом, подаётся импульс с более коротким фронтом и длительностью =10 нс. Трековые И. к. и стримерные камеры обладают высокой эффективностью к одновременной регистрации многих частиц (ливней частиц) и дают высокую пространственную и угловую точность определения траекторий (=10-3 рад).

И. к. позволяют в ряде случаев определять, помимо траектории, ионизующую способность ч-ц. Помещённая в магн. поле И. к. служит для определения импульсов ч-ц по кривизне их траектории. И. к. могут работать в условиях интенсивного потока заряж. ч-ц на ускорителях, т. к. время их «памяти» (время жизни эл-нов) может быть уменьшено до 1 мкс. С другой стороны, И. к. способны работать с большой частотой, т. к. время восстановления камеры после срабатывания равно всего неск. мс. И. к. управляема, т. е. может срабатывать по сигналу др. детекторов.

Кроме фотографирования, в И. к. широко применяют др. методы регистрации, позволяющие, в частности, передавать данные с И. к. непосредственно на ЭВМ и автоматически их обрабатывать (безфильмовые И. к.). Напр., в проволочных И. к., имеющих электроды в виде ряда тонких нитей, расположенных на плоскости на расстоянии =1 мм друг от друга, появление искры сопровождается разрядным током в близлежащей нити; это позволяет определить координаты искры, к-рые могут быть переданы непосредственно на ЭВМ. В акустич. И. к. с помощью установленных вне камеры пьезокристаллов улавливают ударную волну в газе, возникающую в момент искрового пробоя. Интервал времени между появлением искры и сигналом в кристалле позволяет определить расстояние искры от кристалла, т. е. координаты искры. В этом случае также часто осуществляют непосредств. связь пьезодатчиков с ЭВМ.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ИСКРОВАЯ КАМЕРА

- управляемый трековый детектор частиц, действие к-рого основано на возникновении искрового разряда в газе в месте прохождения заряж. частицы. Применяется в ядерной физике (исследование ядерных реакций), физике элементарных частиц (эксперименты на ускорителях), астрофизике (космич. лучи) и медицине. И. к. содержит разрядный промежуток, заполненный газом. Телескоп счётчиков (напр., сцинтилляционных, черенковских) вне И. к. регистрирует факт прохождения частицы через объём камеры и управляет (с помощью электронных устройств) подачей на электроды камеры высоковольтного короткого импульса (10-100 нс) напряжения. Электроны, возникающие в газе камеры на пути заряж. частицы врезультате ионизации атомов газа, в электрич. поле И. к. ускоряются при движении к аноду. Набрав достаточную энергию и сталкиваясь с атомами газа, они возбуждают и ионизуют атомы, освобождая новые электроны. Процесс газового усиления приводит к образованию электронно-фотонных лавин. Когда в головке лавины создаётся концентрация ~10⁸ электронов, образуется стример- сгусток плазмы, распространяющийся вдоль электрич. поля в обоих направлениях. В результате вдоль трека частицы возникает цепочка искровых разрядов (либо локально светящиеся области газа). Цепочка искр воспроизводит траекторию частицы. История И. к. начинается с 1949, когда Дж. У. Койффел (J. W. Keuffel) впервые наблюдал искровой разряд между параллельными пластинами, вызванный прохождением частицы. В 1957 Т. Краншоу (Т. Е. Cranshow) и И. де Бир (I. F. de Beer) применили подачу высоковольтного напряжения на И. к. в форме импульса тотчас после прохождения частицы. Применение И. к. в физике элементарных частиц высоких энергий началось после работы С. Фукуи (S. Fukui) и С. Миямото (S. Miyamoto) (1959), к-рые использовали для наполнения И. к. инертные газы Не, Ne, Аr. Их отличит, характеристика - отсутствие у атомов электронного сродства. В результате этого время образования искры сильно укорачивается, уменьшаются врем, флуктуации, что приводит к существенному улучшению эффективности (вероятности регистрации частицы) И. к. Обычно применяются Ne или Ne+He (70/30), к-рые медленно продуваются через объём И. к. <Электроды И. к. обычно плоские (площадь пластин от десятков см ² до неск. м ²), но могут использоваться камеры со сферич. и цилиндрич. геометрией. Большое распространение получили т. н. проволочные И. к., электроды к-рых состоят из множества параллельных проволочек. В экспериментах на ускорителях применяются И. к. с площадью электродов в неск. м ², состоящих из тысяч проволочек, натянутых на расстоянии неск. мм друг от друга. Электрич. сигналы, возникающие на проволочных электродах, используются для получения (съёма) информации о координате частицы. <В узкозазорных И. к. (ширина зазора 1-2 см) искра появляется в месте прохождения заряж. частицы, но следует по направлению внеш. электрич. поля, т. е. перпендикулярно электродам. В эксперименте одновременно применяют много И. к. (стопка) и траектории частиц прослеживаются по картине искр в этих камерах. <В широкозазорных И. к. (ширина зазора 10 см) искра следует вдоль траектории (трека) частицы: соседние лавины, образующиеся вдоль ионизованного следа (трека), сливаются вместе и образуют плазм, канал, по к-рому протекает искровой ток. Широкозазорные И. к. регистрируют частицу в виде светящегося трека, следующего в пространстве по направлению траектории заряж. частицы, в т. ч. и при наличии магн. поля, до тех пор, пока угол между направлениями электрич. поля Е и траекторией частицы v[45-50°.

При больших углах наступает т. н. проекционный режим, когда вместо одного трека образуется много слабосветящихся искр вдоль направления поля (перпендикулярно электродам). Широкозазорные И. к. регистри руют десятки одноврем. треков в камере с эффективностью ~100%. Угл. точность следования искры вдольтраектории частиц ~1 мрад. Для регистрации треков при v>50° (вплоть до 90°, см. рис.) используют стримерный режим, при к-ром развитие стримера начинается с каждого первичного электрона и обрывается на длине неск. мм (см. Стримерная камера). Высоковольтное напряжение подаётся на И. к. с помощью триггерного устройства, срабатывающего по сигналу телескопа счётчиков. Основой высоковольтного контура для узкозазорных камер является ёмкость с накопленной энергией, передаваемой заданный момент на И. к. В Ne рабочее напряжениь ~10 кВ. Для питания широкозазорных камер используются многоступенчатые импульсные генераторы типа Аркадьева-Маркса, т. к. на камеру с зазором 20-30 см используется напряжение ~200 - 300 кВ. Импульс необходимо подавать как можно быстрее после момента прохождения частицы, чтобы электроны ионизации, созданные вдоль трека в камере, не прилипли к эл.-отрицат. атомам и не отошли за счёт диффузии далеко от трека. Обычно задержка ~100 нс, длительность импульса десятки нс. Для очистки объёма узкозазорных И. к. от зарядов, созданных предыдущими частицами, на камеру подаётся пост, напряжение (200 В), при этом достигается "время памяти" t~1 мкс. В широкозазорных И. к. такое малое tдостигается с помощью малых добавок эл.-отрицат. газов. <Существует неск. способов съёма информации с И. к. Фотографич. метод. Использовался при исследовании космич. лучей и в ранних экспериментах на ускорителях. Неудобства метода - в его медленности (ограниченной механич. свойствами фотоаппарата) и отсутствии быстрой информации в "реальном времени". Акустич. метод. Локализация искры определяется интервалом времени между образованием искры и приходом звуковых сигналов к микрофонам, расположенным в разл. частях камеры. Недостаток - сложность регистрации неск. одноврем. событий. В идиконный метод. Состоит в регистрации оптич. сигнала от И. к. При этом производится "оцифровывание" адресов искры с помощью видикона. Недостаток - низкая чувствительность видиконов (ниже, чем у фотоплёнки). Все 3 метода используются в магн. поле. <Для проволочных И. к. используются след, способы съёма информации. Метод ферритовых колец, к-рые нанизываются на каждую нить И. к. При прохождении импульса тока через нить её кольцо меняет одно намагнич. состояние на другое. Через кольца продеты считывающие проволоки, связанные с ЭВМ. Ограничений по числу одновременно регистрируемых искр нет. Один искровой промежуток в проволочной И. к. даёт лишь одну координату. Для регистрации второй координаты применяется второй промежуток, но перевёрнутый на 90°. Магнитострикц. метод. Электроды И. к. изготавливаются из ферромагн. проволок, изменяющих размеры при намагничивании (Ni и др.). На конец каждой проволочки надето считывающее кольцо. Искра производит локальную деформацию, распространяющуюся вдоль нити. Время задержки между прохождением искры и регистрацией кольцом сигнала от неё даёт координату. Метод распределения тока. На противоположных концах каждой нити измеряется токовый сигнал от одной и той же искры. Если нить однородна, сигналы делятся в отношении сопротивлений соответствующих участков нити. Отношение сигналов определяет координату искры. Осн. преимущество этого метода - быстрое считывание (через 200 нс после события).Основные характеристики И. к.: координатная точность 0,3-1 мм; время памяти 0,5-1 мкс; частота срабатывания 10-100 Гц; И. к. регистрирует многочастичные события (до сотен частиц).И. к. просты в изготовлении и эксплуатации даже при очень больших размерах. Они удачно сочетают свойства таких трековых детекторов, как пузырьковая камера (точная локализация траекторий заряж. частиц, высокое пространств, разрешение), и таких электронных детекторов, как сцинтилляционные детекторы (высокое быстродействие и временное разрешение). И. к. широко применялись в 1960-75, однако в дальнейшем наибольшее применение получила стримерная камора. <Лит.: Искровая камера, М., 1967; Rice-Evans P., Spark, streamer, proportional and drift chambers, L., 1974.Б. А. Долгошеик.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.