Искровая камера
Искрова́я ка́мера, один из трековых детекторов частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка искровых электрических разрядов вдоль траектории её движения.
Простейшая искровая камера представляет собой систему электродов – параллельных металлических пластин площадью от десятков квадратных сантиметров до нескольких квадратных метров, пространство между которыми заполнено инертным газом. Расстояние между пластинами обычно составляет от 1–2 до 10 см. Широко используются проволочные искровые камеры, электроды которых состоят из множества параллельных проволочек. В экспериментах на ускорителях используются искровые камеры, состоящие из тысяч проволочек, натянутых на расстоянии несколько миллиметров друг от друга. Внешние управляющие счётчики (например, сцинтилляционный детектор или черенковский счётчик), включённые в схему метода совпадений, фиксируют факт прохождения заряженной частицы через искровую камеру и инициируют подачу на её электроды короткого (10–100 нс) высоковольтного импульса чередующейся полярности, такого, что между двумя соседними электродами появляется разность потенциалов порядка 10 кВ. При этом в рабочем объёме искровой камеры создаётся электрическое поле напряжённостью 5–20 кВ/см.
В местах прохождения заряженной частицы в искровой камере за счёт ионизации атомов среды возникают свободные носители зарядов (электроны, ионы). Электроны ускоряются электрическим полем, возбуждая атомы газа, и посредством ударной ионизации выбивают новые электроны. Таким образом, возникает электронно-фотонная лавина, которая при достижении достаточной концентрации электронов образует сгустки плазмы, распространяющиеся вдоль электрического поля в обоих направлениях. В результате вдоль трека частицы возникает цепочка искровых разрядов либо светящиеся области газа небольшого объёма, так что трек частицы становится видимым. Электрические сигналы, возникающие на проволочных электродах, используются для съёма информации о координатах частицы.
В узкозазорных искровых камерах (с шириной зазора 1–2 см) искровые разряды распространяются перпендикулярно электродам, но их последовательность воспроизводит трек частицы (рис.).
В широкозазорных искровых камерах (ширина зазора до 50 см) соседние электронно-фотонные лавины от первичных электронов сливаются и формируют единый узкий светящийся канал вдоль трека частицы, в том числе и трека, искривлённого магнитным полем.
Существует несколько способов съёма информации с искровых камер: фотографический, акустический, метод ферритовых колец, магнитострикционный и др. На рисунке изображена схема камеры с фотографическим способом съёма информации. В акустическом методе место образования искры фиксируется по интервалу времени между её образованием и приходом звука к микрофонам в различных частях камеры. В методе ферритовых колец кольца нанизываются на каждую нить и при прохождении тока через нить меняют свою намагниченность. Соответствующая информация поступает в компьютер. В магнитострикционном методе электродами искровой камеры являются ферромагнитные проволочки, меняющие размеры при намагничивании. Искра создаёт локальную деформацию, распространяющуюся вдоль проволочки. Время задержки между появлением искры и приходом деформации к концу проволочки даёт координату искры.
Точность определения координат частицы в искровой камере составляет 0,3–1 мм, время памяти (время, в течение которого в искровом промежутке сохраняются электроны, способные инициировать разряд) 0,5–1 мкс, частота срабатывания камеры 10–100 Гц. Большая искровая камера способна зарегистрировать сотни частиц за время одного наблюдения.
История создания искровой камеры восходит к 1949 г., когда американский физик Дж. У. Койффель впервые наблюдал искровой разряд между параллельными пластинами, вызванный прохождением частицы. Применение искровых камер в физике элементарных частиц началось с 1959 г., после работы японских учёных Фукуи Кэнъити и Миямото Сигэнори, использовавших для наполнения искровой камеры инертные газы. По состоянию на 2020-е гг. искровая камера широко используется в исследованиях ядерных реакций, элементарных частиц и космических лучей.