Номер 2, страница 112 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

2. Для чего в камере используется постоянное электрическое поле и как оно создаётся?

Для чего в камере используется постоянное электрическое поле

В камерах, предназначенных для регистрации элементарных частиц (таких как ионизационные, пропорциональные, дрейфовые камеры или камера Вильсона), постоянное электрическое поле играет ключевую роль. Когда быстрая заряженная частица пролетает через рабочий объем камеры (заполненный газом или перенасыщенным паром), она на своем пути ионизирует атомы или молекулы среды, создавая пары, состоящие из положительного иона и свободного электрона.

Главная задача электрического поля — немедленно разделить эти заряды и предотвратить их рекомбинацию, то есть обратное соединение в нейтральный атом. Под действием сил поля электроны начинают двигаться к положительному электроду (аноду), а положительные ионы — к отрицательному (катоду). Этот процесс направленного движения (дрейфа) зарядов лежит в основе работы детектора.

В зависимости от типа камеры это используется для:

1. Очистки объема. В циклических детекторах, таких как камера Вильсона, слабое электрическое поле включают между циклами, чтобы удалить из рабочего объема все ионы, оставшиеся от космических лучей или предыдущих событий. Это обеспечивает "чистый" фон для следующего измерения.

2. Регистрации электрического сигнала. Собираемые на электродах заряды создают короткий электрический импульс. Анализируя параметры этого импульса (амплитуду, длительность, время прихода), можно получить информацию о прошедшей частице: ее энергии, координатах траектории и т.д. Например, в дрейфовых камерах по времени, которое потребовалось электронам для достижения электродов, с высокой точностью восстанавливают траекторию частицы.

3. Усиления сигнала. В некоторых типах детекторов (пропорциональные счётчики, счётчики Гейгера-Мюллера) электрическое поле у анода делается очень сильным. Электроны, попадая в эту область, ускоряются до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов газа. Каждый такой вторичный акт ионизации порождает новые электроны, которые также ускоряются и ионизируют газ, создавая электронную лавину. Этот процесс, называемый газовым усилением, позволяет в тысячи и миллионы раз усилить первичный сигнал, делая возможной регистрацию даже одиночных актов ионизации.

Ответ: Постоянное электрическое поле используется для разделения ионов и электронов, созданных ионизирующей частицей, чтобы предотвратить их рекомбинацию и направить их на собирающие электроды. Это позволяет либо очистить объем камеры от фоновых ионов, либо сформировать электрический сигнал для регистрации частицы, который в некоторых типах камер дополнительно усиливается за счет вторичной ионизации в сильном поле.

Как оно создаётся

Постоянное электрическое поле внутри камеры создаётся путем приложения постоянного напряжения (разности потенциалов) к системе электродов. Для этого используется внешний высоковольтный источник постоянного тока.

Конструкция электродов зависит от назначения камеры и требуемой конфигурации поля:

1. Для создания однородного поля чаще всего используют систему из двух параллельных плоских или сетчатых электродов. К одному электроду (аноду) подключают положительный потенциал источника, а к другому (катоду) — отрицательный. В пространстве между ними возникает практически однородное электрическое поле, напряжённость которого $\text{E}$ связана с приложенным напряжением $\text{U}$ и расстоянием между электродами $\text{d}$ простым соотношением: $E = U/d$.

2. Для создания неоднородного поля, которое необходимо для газового усиления, часто применяют цилиндрическую геометрию. Например, в счётчике Гейгера или пропорциональном счётчике анодом служит тонкая металлическая нить, натянутая вдоль оси металлического цилиндра, который является катодом. В такой системе напряжённость электрического поля обратно пропорциональна расстоянию от центральной нити, достигая очень больших значений в непосредственной близости от неё. Именно это сильное поле у нити и вызывает лавинный процесс.

Ответ: Постоянное электрическое поле создаётся путём подачи постоянного высокого напряжения от внешнего источника на электроды специальной формы (например, параллельные пластины или система "нить-цилиндр"), расположенные внутри рабочего объема камеры.