Александр Прищепенко - ШЕЛЕСТ ГРАНАТЫ
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 ионов0 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 измерения
Эти 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 нормаль- пых 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;
– исследовать кинетику электронов можно либо на несколько порядков снизив плотность исследуемых газов (уменьшив тем самым число столкновений в процессе дрейфа, а значит, и вероятность захвата электрона), либо – получив для измерений сверхчистые газы, в которых концентрация примесей была бы снижена на столько же порядков.
Рис. 4.10. Осциллограмма ионного тока в пространстве дрейфа: (Т) – время дрейфа отрицательных ионов, (Т+ ) – положительных
Рис. 4.11. Зависимость скорости дрейфа положительных ионов в гелии-3 (концентрация загрязняющих примесей значительна) от напряженности электрического поля в пространстве дрейфа
Пока же примесей было столько, что в гелии-3 (рис. 4.1 L) даже положительные ионы были чужеродными (их подвижность обычно выше), но представления о производстве, приобретенные за годы работы, не способствовали развитию иллюзий о том, что результаты дрейфовых измерений станут причиной кардинального улучшения очистки технических газов. Что же касается исследований в существенно менее плотных газах, то тут перспективы были кошмарными: расчетные времена дрейфа ионов становились сравнимыми с длительностью переходных процессов в уже разработанной схеме, что делало невозможными сколь-нибудь точные измерения. Для исследования же кинетики куда более быстрых электронов тем более надо было создавать совершенно новую схему, но было непонятно, к чему подобные мучения, если при разработке счетчиков эти данные все равно не пригодятся. Довольно легко было убедить Тугого, что из темы диссертации и плана работ исследования кинетики электронов надо изъять, по был в составе совета человек, от которого можно было ожидать по этому поводу бурной истерики. На очередное заседание ученого совета представили скорректированную тему диссертации, научным руководителем которой было предложено оставить лишь Тугого.
Истерика действительно бабахнула многотонной бомбой, но, к счастью, не тогда, когда это представлялось наиболее опасным.
После рассказа о схеме и конструкции дрейфовой трубки, я показал осциллограммы токов через искровые разрядники и уже собирался ступить на очень опасную зыбь – продемонстрировать и прокомментировать первые осциллограммы дрейфовых токов, как вдруг раздался громкий фальцет Затычкина: «А почему в вашей дрейфовой трубке – медные уплотнительные прокладки? Когда вы будете исследовать галогены, они прореагируют с медью и в пространстве дрейфа у вас будет неизвестно, что! Такая трубка нам не нужна!» Сдержаться не удалось: «Какие галогены – в нейтронных счетчиках!?». Уважаемый доктор наук А. Дмитриев, желая понизить накал страстей, спокойно спросил: «А что, разве для наполнения нейтронных счетчиков применяют галогены?» Затычкин продолжал упорствовать: «Галогены применяются в других изделиях и диссертант обязан учитывать производственные интересы!» Тот же Дмитриев опять попытался успокоить: «Но, может, не стоит в самом начале работы пытаться делать сразу все? В конце концов, трубку можно потом собрать заново и на тефлоновых прокладках…» Дело было, конечно, не в прокладках. Реакционно-активные галогены «съели» бы серебро в паяных соединениях, диффундировали бы в пористые керамические изоляторы. Для них надо было создать дрейфовую трубку другой конструкции. Но изложить эти соображения не удалось, потому что Затычкина было уже не остановить: «Я был инициатором этой работы, но вижу, что мое мнение ни в грош не ставится. В таком случае я не желаю быть научным руководителем и нести какую-либо ответственность!» По-наполеоновски скрестив руки на груди, он стал к происходящему демонстративно безразличен. На фоне скандала изъятие нескольких слов из формулировки темы диссертации никто не заметил, а один научный руководитель (Тугой) смотрелся и вовсе естественно. Отчет, план и остальные документы были утверждены советом. Потом, чувствуя себя счастливцем, я подошел к стенографистке и проследил, чтобы она внесла в протокол слова Затычкина об отказе руководить диссертацией.
