СЧЕТЧИКИ НЕВИДИМЫХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ

Фотографическая пластинка и растворы веществ рассказывают о невидимых лучах

Как уже говорилось, под действием видимого света не­которые вещества начинают светиться — фосфоресцировать. В 1896 году французский физик Беккерель занимался изу­чением фосфоресцирующего вещества химического соеди­нения урана — бисульфита урана. Однажды он подготовил соль урана и зарядил кассеты фотопластинками, для того чтобы сфотографировать фосфоресценцию, вызываемую сол­нечным светом. Но в этот день была пасмурная погода и Солнце показывалось только изредка. Опыты пришлось отложить, а подготовленные пластинки в закрытых кассе­тах и соль урана Беккерель положил в ящик стола. В по­следующие два-три дня Солнце совсем не показывалось. Ученый все же проявил пластинку, и к своему удивлению заметил почернение ее в тех местах, где поблизости нахо­дились кристаллики урановой соли. Так были открыты радиоактивные лучи.

Фотографические пластинки и пленки нашли широкое применене при измерениях радиоактивных излучений.

Поток у-лучей, воздействуя на фотоэмульсию, произ­водит общее почернение фотопленки. Степень почернения зависит от количества упавших на пластинку у-квантов; чем больше у-квантов, тем выше плотность почернения.

Эта пропорциональность особенно наглядно подтверж­дается интересными опытами, поставленными недавно К. В. Чмутовым. Обычный фотографический отпечаток был обработан (вирирован) известным способом раствором ура­новой соли, так что все металлическое серебро отпечатка было заменено урановыми соединениями. При этом отпе­чаток приобрел оранжево-коричневый цвет. После высу­шивания на отпечаток в темноте был наложен лист свежей бромосеребряной бумаги и оба листа лежали под прессом 5—8 месяцев в темноте. На проявленной затем фотографи­ческой бумаге было получено зеркально-обращенное нор­мальное изображение первой фотографии. Это произошло под действием а-частиц, излучаемых урановыми солями.

Таким образом, с помощью фотографических пленок можно измерять не самое количество радиоактивных час­тиц, упавших на них, а тот эффект, который они произвели, то есть ту энергию, которую они затратили, чтобы создать ионизацию в фотографической эмульсии пленки. А энер­гия радиоактивных излучений, поглощенная веществом, называется дозой, которая измеряется в рентгенах. Рент­ген — это такая доза излучения, при которой в одном ку­бическом сантиметре сухого воздуха при нормальных ус­ловиях образованные ионы одного знака имеют суммарный электрический заряд, равный одной электростатической единице электричества.

Чувствительность фотографического метода измерения доз радиоактивного излучения колеблется в пределах от сотых долей рентгена до нескольких тысяч рентгенов в зависимости от чувствительности фотопленки.

Учеными было открыто и другое явление, которое также нашло применение при измерении доз излучения. Это — химическое действие излучения. В результате ионизи­рующего действия излучения и последующих химических процессов, некоторые растворы веществ изменяют свой двет, причем плотность окраски пропорциональна дозе излучения.

Советские ученые JI. В. Мысовский и А. П. Жданов предложили использовать фотографическую пленку для регистрации отдельных заряженных частиц (а - и р-частиц)*

Этот метод основан на использовании фотографических пластинок, имеющих толстый светочувствительный слой. В этом случае а-частица, проходя через зерна бромистого серебра, находящегося в светочувствительном слое, произ­водит их ионизацию. После проявления на фотографиче­ской пластинке остается след. Так как пробег а-частицы в фотографическом слое незначителен, то след можно увидеть только с помощью микроскопа.

Видимый свет также может рассказать о невидимых лучах

Вам, наверное, приходилось наблюдать, когда в непро­глядной тьме июльской ночи вдруг слабой звездочкой вспыхивает голубоватый огонек. Это светится «светлячок». При химической реакции веществ, вырабатываемых орга­низмом светлячка, возникает свет.

Еще в 1612 году знаменитый итальянский ученый Га­лилей показывал так называемый «болонский камень», об­ладавший интересным свойством. Найденный в окрест­ностях Болоньи тяжелый шпат (минерал:, содержащий суль­фат кальция и бария) после прокаливания с угольным порошком и пребывания на дневном свету сам светился в темноте.

Спустя несколько десятков лет (в 1669 году) способность светиться открыли и у химического элемента фосфора. Благодаря этому свойству этот элемент и получил свое название фосфор, что означает «светоносный». Внешнее сходство явлений свечения светлячка, «болонского камня» и фосфора дало повод все вещества, которые могли само­произвольно светиться, назвать фосфорами, а их свече­ние — люминесценцией.

В начале XX века было установлено, что под действием радиоактивных излучений сернистый цинк, иодистый нат­рий, кристаллы нафталина, антрацена и многие другие как твердые, так и жидкие вещества также начинают све­титься.

При прохождении а-, [3-частиц или у-квантов электроны в молекулах этих веществ возбуждаются или ионизируются и при переходе в нормальное состояние испускают квант света, то есть дают вспышку света, названную сцинтилля­цией. Чем больше ионизирующая способность частицы, тем больше ионов она создает на своем пути и тем ярче получится вспышка света. Если сосчитать число вспышек,
то будет известно число частиц, прошедших через люми - несцирующее вещество.

Альфа-частица обладает большой ионизирующей спо­собностью, и вспышки света, получаемые при ее прохожде­нии, настолько интенсивны, что их можно наблюдать непосредственно гл азом. На этом принципе Круксом был построен прибор, полу­чивший название спинта­рископа (рис. 6). Над плас­тинкой, покрытой сернис­тым цинком, помещается иг­ла, на острие которой нано­сится а-активное вещество. Если посмотреть через лин­зу в прибор, то можно за­метить, как на пластинке с сернистым цинком возника­ют и моментально гаснут зеленовато-желтые огоньки.

Каждая отдельная вспышка появляется при ударе а-частицы о пластинку.

Подсчитывая число таких вспышек за определенный промежуток времени, можно определить число излучае­
мых ос-частиц, то есть узнать активность вещества. Однако с помощью спинтарископа можно подсчитать очень не­большое число ос-частиц, так как при большом числе вспы­шек глаз перестает различать отдельные вспышки — они сливаются в сплошное свечение. Это явление можно наблю­дать и без спинтарископа, если в темноте посмотреть через сильную лупу на самосветящийся циферблат часов. Цифры циферблата покрыты люминофором с примесью радиоак­тивного вещества, ос-излучение которого непрерывно воз­буждает люминофор и заставляет его светиться. Число отдельных вспышек очень велико, и поэтому в лупу видно только сплошное переливающееся мерцание.

В настоящее время сцинтилляции, возникающие в лю - минесцирующем веществе, подсчитываются не глазом, а высокочувствительным прибором, называемым фотоэлек­тронным умножителем, изобретенным советским инженером JI. А. Кубецким. С помощью фотоэлектронного умножи­теля можно регистрировать вспышки, вызванные не только а-частицами, но и у-квантами. Сочетание кристалла фос­фора с фотоумножителем получило название сцинтилля - ционного счетчика. Схема такого счетчика изображена на рисунке 7.

Фотоэлектронный умножитель представляет собой за­паянную с обоих концов стеклянную цилиндрическую кол­бу с плоской торцевой частью, на которую испарением в вакууме нанесена тонкая полупрозрачная пленка, со­стоящая из смеси двух металлов — сурьмы и цезия. Этот слой, называемый фотокатодом, обладает весьма малой работой выхода электронов, и поэтому упавший на фото­катод квант света легко выбивает из него фотоэлектрон.

С помощью фокусирующего устройства этот электрон, приобретая определенную скорость под действием электри­ческого поля, попадает во внутреннюю часть фотоэлектрон­ного умножителя, где в определенном порядке расположено несколько металлических электродов, также обладающих малой работой выхода. Эти электроды называются эмитте­рами, так как они эмиттируют (испускают) электроны.

Таким образом, первичный фотоэлектрон, попадая на первый эмиттер 1э, выбивает из него несколько вторичных электронов. Между двумя соседними эмиттерами приложены разность потенциалов в 100 в, которая создает в простран­стве между ними электрическое поле определенной конфи­гурации.

Под действием этого поля все электроны, вышедшие из первого эмиттера, ускоряются и направляются на эмиттер 2э, из которого каждый из них выбьет два или несколько вторичных электронов. Эти последние электроны также на­правляются на эмиттер Зэ, соответственно увеличивая ко­личество электронов. Таким образом, один фотоэлектрон, рожденный квантом света, вышедшим из кристалла фос­фора, в приборе умножится в несколько миллионов раз. Образующийся поток электронов собирается на аноде и стекает во внешнюю цепь через нагрузочное сопротивле­ние, на котором он создает кратковременный импульс на­пряжения. Последний может быть сравнительно просто измерен. Таким образом, на прохождение ионизирующей частицы через кристалл сцинтилляционного счетчика ука­зывает кратковременный импульс напряжения на сопро­тивлении нагрузки.

Очевидно, чем большей ионизирующей способностью обладает радиоактивная частица, тем большее число кван­тов света она создает в кристалле. Большее число световых вспышек создает большее число первичных фотоэлектронов и соответственно большее число их будет на аноде. Поэтому величина импульса на выходе счетчика пропорциональна ионизирующей способности радиоактивных частиц.

Последнее обстоятельство позволяет применять сцин- тилляционные счетчики не только для подсчета числа ча­стиц, но и для измерения ионизирующего действия радио­активных излучений.