Александр Прищепенко - Шелест гранаты
Конструируя дрейфовую трубку, пришлось вспомнить навыки нелюбимого черчения. Правда, в мастерской не требовали, чтобы чертежи были выполнены уж очень аккуратно, но системы допусков и посадок пришлось повторить, иначе изготовленные детали было бы невозможно собрать. Весьма полезным было знакомство с керамическим производством — для трубки требовались изоляторы больших размеров. Прошло около года, когда монтаж трубки, был, наконец, завершен (рис. 4.6). Примерно к этому же сроку была готова и схема питания. Наконец, была нажата кнопка запуска дрейфовой трубки, наполненной самым дешевым газом — окружающим воздухом. Как и следовало ожидать, первые включения были неудачными — луч осциллографа прочерчивал раз за разом нулевые линии. Это была какая-то мистика, ведь все напряжения в схеме были тщательно измерены и соответствовали расчетным! Так продолжалось до тех пор, пока не пришла догадка проверить ток через ионный источник и все прояснилось: коронный разряд там хотя и «зажигался», но — в виде довольно редких импульсов (рис. 4.7). Переключая трубку в режим измерений в произвольный момент времени, «попасть на ионы» было весьма маловероятно! Чтобы предусмотреть и вариант проведения измерений при импульсном коронировании, наскоро был собран усилитель, который через разделительный конденсатор подсоединялся к источнику. Импульс тока короны усиливался и от его переднего фронта запускалась вся схема, а значит, присутствие ионов в пространстве дрейфа было гарантировано.
Но, наконец, трубка была «отожжена» и наполнена до давления в 16 атмосфер наиболее часто применявшейся для наполнения счетчиков смесью драгоценного гелия-3 с аргоном. Ток в ионном источнике сразу возрос (рис. 4.8), значительна была постоянная составляющая. Поэтому-то счетчики и не наполняют только лишь «жадно хватающим» нейтроны гелием-3! Энергии кванта, «высвечиваемого» при переходе в основное состояние всего-навсего «возбужденным» при столкновении с заряженной частицей атомом гелия, уже достаточно, чтобы атом аргона потерял электрон. В смесях, названных по имени предложившего их Ф. Пеннинга, такая дополнительная ионизация и меньший, чем у воздуха, потенциал зажигания разряда делают «ждущий» запуск ненужным.
Рис. 4.6. Дрейфовая трубка, подготовлена к измерениям Рис. 4.7. Осциллограмма тока коронного разряда при работе дрейфовой трубки, наполненной воздухом. Большую часть экрана луч пробегает невозмущенным (сигнала нет) и лишь в один из моментов, небольшой по сравнению со временем пробега луча длительности, наблюдается короткий «всплеск» тока короны.Казалось бы, движение ионов в газе под действием электрического поля должно быть ускоренным: ведь на заряженные частицы действует сила. Но на своем пути ион испытывает огромное число столкновений с нейтралами, при каждом передавая им часть своей энергии и даже — меняя направление движения. При давлении газа в несколько атмосфер, путь, проходимый между столкновениями (длина свободного пробега) в десятки миллионов раз меньше межэлектродного расстояния дрейфовой трубки. Отбор энергии в столкновениях с нейтралами приводит к изменению характера движения — ион «дрейфует» не с ускорением, а с постоянной скоростью, которая все же зависит от напряженности электрического поля.
Иногда приходится сталкиваться с представлением, что, если между электродами есть разность потенциалов и появились носители заряда, то импульс тока в цепи можно зарегистрировать лишь при приходе заряда на один из электродов. Это не так: ток будет протекать в течение всего времени дрейфа и закончится только тогда, когда будет нейтрализован последний носитель заряда. Распределение зарядов в дрейфовой трубке было причиной того, что дрейфовый ток имел две составляющие: объемный заряд отрицательных носителей дрейфовал к электроду с самым высоким положительным потенциалом (на рис. 4.9 — двигался вверх), причем на этом электроде происходила непрерывная нейтрализация отрицательных носителей, а значит, и индуцированный ими ток уменьшался (его форма напоминала «треугольник»). Напротив, пакет положительных ионов был компактен а дистанция его дрейфа — больше, поэтому положительные носители индуцировали постоянный ток вплоть до момента, когда они нейтрализовались на измерительном электроде, имевшем нулевой потенциал.
Рис. 4.8. Осциллограмма коронного разряда при работе дрейфовой трубки, наполненной смесью Пеннинга на основе гелия-3 Рис. 4.9. Схема работы дрейфовой трубки в режиме измеренияЭти составляющие и образовывали результирующий сигнал (рис. 4.10) — падение напряжения на резисторе, которое регистрировалось осциллографом.
Скорости дрейфа ионов в смесях гелия-3 и аргона были пропорциональны приведенным напряженностям. Подтверждалось и «открытие» Затычкина: длительности дрейфовых токов соответствовали ионам компоненты смеси с наинизшим потенциалом ионизации.
Из осциллограмм также следовало, что в исследованных смесях газов не дрейфуют свободные электроны! Об этом свидетельствовала длительность «треугольного» импульса в начале осциллограммы дрейфового тока: он был типично «ионным», индуцируемый более быстрыми электронами должен был быть «короче» на два порядка!
Объяснение виделось только одно: свободные электроны исчезли из-за наличия примесей электроотрицательных газов. Конфигурация электронных оболочек некоторых молекул такова, что присоединение электрона энергетически выгодно: он «прилипает» к такой молекуле, образуя отрицательный ион. Энергия связи электрона в отрицательном ионе — десятые доли электрон вольта и при нормальных условиях (когда тот же воздух не нагрет мощной ударной волной, не ионизуется интенсивным излучением, когда отсутствует сильное электрическое поле) именно они являются основными носителями отрицательных зарядов. Газы, способные образовывать отрицательные ионы — кислород, углекислый газ и пары воды — в основном составляют и «загрязняющие» примеси в технических газах, применяемых для наполнения счетчиков.
Поскольку плотность газов в трубке была высока, уже на небольших расстояниях от весьма узкой области коронирования происходило достаточное число столкновений электронов с молекулами загрязняющих примесей, чтобы основными носителями отрицательного заряда стали ионы. Из этого следовало два важных вывода:
— дрейф электронов не оказывает существенного влияния на кинетику носителей заряда также и в счетчике;
