Практически все методы наблюдения и ре­гистрации радиоактивных излучений (α, β, γ) и частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Заряженные частицы вы­зывают эти процессы непосредственно, а γ-кванты и нейтроны обнаруживаются по ионизации, вызываемой возникающими в результате их взаимодействия с электро­нами и ядрами атомов среды быстрыми заряженными частицами. Вторичные эф­фекты, сопровождающие рассмотренные процессы, такие, как вспышка света, элек­трический ток, потемнение фотопластинки, позволяют регистрировать пролетающие частицы, считать их, отличать друг от друга и измерять их энергию.

Приборы, применяемые для регистра­ции радиоактивных излучений и частиц, делятся на две группы:

1) приборы, позволяющие регистриро­вать прохождение частицы через опреде­ленный участок пространства и в некото­рых случаях определять ее характеристи­ки, например энергию (сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, импульс­ная ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик);

2) приборы, позволяющие наблюдать, например фотографировать, следы (тре­ки) частиц в веществе (камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая каме­ра, ядерные фотоэмульсии).

Газоразрядный счетчик

Газораз­рядный счетчик обычно выполняется в ви­де наполненного газом металлического ци­линдра (катод) с тонкой проволокой (анод), натянутой по его оси. Хотя газо­разрядные счетчики конструктивно похо­жи на ионизационную камеру, однако в них основную роль играет вторичная ионизация, обусловленная столкновения­ми первичных ионов с атомами и молеку­лами газа и стенок. Можно говорить о двух типах газоразрядных счетчиков: пропорциональных (в них газовый разряд несамостоятельный, т.е. гас­нет при прекращении действия внешнего ионизатора) и счетчиках Гейгера — Мюл­лера (в них разряд самостоятельный, т.е. поддерживается после прекращения действия внешнего иониза­тора).

В пропорциональных счетчиках рабо­чее напряжение выбирается так, чтобы они работали в области вольт-амперной характеристики, соответствующей несамо­стоятельному разряду, в которой выход­ной импульс пропорционален первичной ионизации, т. е. энергии влетевшей в счет­чик частицы. Поэтому они не только ре­гистрируют частицу, но и измеряют ее энергию. В пропорциональных счетчиках импульсы, вызываемые отдельными части­цами, усиливаются в 10³—10⁴ раз (иногда и в 10⁶раз).

Для газоразрядных счетчиков эффектив­ность регистрации равна примерно 100 % для заряженных частиц и примерно 5 % для γ-квантов.

Камера Вильсона (1912) —это старейший и на протяжении многих деся­тилетий (вплоть до 50—60-х годов) един­ственный тип трекового детектора. Выполняется обычно в виде стеклянного цилинд­ра с плотно прилегающим поршнем. Цилиндр наполняется нейтральным газом (обычно гелием или аргоном), насыщен­ным парами воды или спирта. При резком, т. е. адиабатическом, расширении газа пар становится пересыщенным и на траектори­ях частиц, пролетевших через камеру, об­разуются треки из тумана. Образовавшие­ся треки для воспроизводства их про­странственного расположения фотографируются стереоскопически, т. е. под разны­ми углами. По характеру и геометрии треков можно судить о типе прошедших через камеру частиц (например, α-частица оставляет сплошной жирный след, β-частица— тонкий), об энергии частиц (по величине пробега), о плотности иони­зации (по количеству капель на единицу длины трека), о количестве участвующих в реакции частиц.

Советский ученый Д. В. Скобельцын (1892—1988) значительно расширил воз­можности камеры Вильсона, поместив ее в сильное магнитное поле (1927). По искривлению траектории заряженных частиц в магнитном поле, т. е. по кривизне трека, можно судить о знаке заряда, а ес­ли известен тип частицы (ее заряд и мас­са), то по радиусу кривизны трека можно определить энергию и массу частицы даже в том случае, если весь трек в камере не умещается (для реакций при высоких энер­гиях вплоть до сотен мегаэлектрон-вольт). Недостаток камеры Вильсона — ее малое рабочее время, составляющее пример­но 1 % от времени, затрачиваемого для подготовки камеры к последующему рас­ширению (выравнивание температуры и давления, рассасывание остатков тре­ков, насыщение паров), а также трудо­емкость обработки результатов.

Пузырьковая камера (1952; амери­канский физик Д. Глезер (р. 1926)).

В пу­зырьковой камере рабочим веществом яв­ляется перегретая (находящаяся под дав­лением) прозрачная жидкость (жидкие водород, пропан, ксенон). Запускается ка­мера, так же как и камера Вильсона, резким сбросом давления, переводящим жидкость в неустойчивое перегретое со­стояние. Пролетающая в это время через камеру заряженная частица вызывает рез­кое вскипание жидкости, и траектория частицы оказывается обозначенной цепоч­кой пузырьков пара — образуется трек, который, как и в камере Вильсона, фото­графируется. Пузырьковая камера рабо­тает циклами. Размеры пузырьковых ка­мер примерно такие же, как камеры Виль­сона (от десятков сантиметров до 2 м), но их эффективный объем на 2—3 порядка больше, так как жидкости гораздо плотнее газов. Это позволяет использовать пу­зырьковые камеры для исследования длинных цепей рождений и распадов частиц высоких энергий.

Ядерные фотоэмульсии (1927; со­ветский физик Л. В. Мысовский (1888— 1939)) — это простейший трековый детек­тор заряженных частиц.

Прохождение за­ряженной частицы в эмульсии вызывает ионизацию, приводящую к образованию центров скрытого изображения. После проявления следы заряженных частиц об­наруживаются в виде цепочки зерен ме­таллического серебра. Так как эмуль­сия — среда более плотная, чем газ или жидкость, используемые в вильсоновской и пузырьковой камерах, то при прочих равных условиях длина трека в эмульсии более короткая. Так, трек длиной 0,05 см в эмульсии эквивалентен треку в 1 м в ка­мере Вильсона. Поэтому фотоэмульсии применяются для изучения реакций, вы­зываемых частицами в ускорителях сверх­высоких энергий и в космических лучах. В практике исследований высокоэнергети­ческих частиц используются также так называемые стопы — большое число мар­кированных фотоэмульсионных пластинок, помещаемых на пути частиц и после про­явления промеряемых под микроскопом.

Сцинтилляционный счетчик

Наблю­дение сцинтилляций — вспышек света при попадании быстрых частиц на флуоресци­рующий экран — первый метод, позволив­ший У. Круксу и Э. Резерфорду на заре ядерной физики (1903) визуально ре­гистрировать α-частицы. Сцинтилляцион­ный счетчик — детектор ядерных частиц, основными элементами которого явля­ются сцинтиллятор (кристаллофосфор) и фотоэлектронный умножи­тель, позволяющий преобразо­вывать слабые световые вспышки в элек­трические импульсы, регистрируемые электронной аппаратурой. Обычно в ка­честве сцинтилляторов используют кристаллы некоторых неорганических (ZnS для α-частиц; NaI-Tl, CsI-Tl — для β-частиц и γ-квантов) или органиче­ских (антрацен, пластмассы — для γ-квантов) веществ.

Сцянтилляционные счетчики обладают высоким разрешением по времени (10^-10—10^-5 с), определяемым родом ре­гистрируемых частиц, сцинтиллятором и разрешающим временем используемой электронной аппаратуры (оно доведено сейчас до 10^-9—10^-10с). Для этого типа счетчиков эффективность регистрации — отношение числа зарегистрированных частиц к полному числу частиц, пролетев­ших в счетчике, примерно 100 % для за­ряженных частиц и 30 % для γ-квантов. Так как для многих сцинтилляторов (NaI-Tl, CsI-Tl, антрацен, стильбен) интенсивность световой вспышки в широ­ком интервале энергий пропорциональна энергии первичной частицы, то счетчики на данных сцинтилляторах применяются для измерения энергии регистрируемых частиц.