Глава одиннадцатая. Измерение миллионных, миллиардных и биллионных долей секунды

Длительность некоторых ядерных процессов

В описании методов и приборов для измерения коротких промежутков времени мы подошли к пределу, достигнутому современной измерительной техникой. Задачи, которые потребовали разработки этих исключительно быстродействующих приборов, связаны с изучением элементарных частиц, атомного ядра и ядерных реакций.

Измерение промежутков времени, в течение которых протекают различные явления микромира, является необходимым для понимания их природы и выяснения возможностей технического использования. В частности, изучение скоростей различных процессов, связанных с атомным ядром, важно для понимания строения вещества и необходимо при разработке устройств для получения и использования ядерной энергии.

Среди радиоактивных изотопов различных веществ наряду с долгоживущими есть и такие, период полураспада которых, т.е. время, в течение которого распадается половина количества вещества, имевшегося вначале, чрезвычайно мал. Даже у различных изотопов одного и того же элемента периоды полураспада оказываются существенно различными. Так, например, период полураспада полония-210 составляет 138,3 дня, а полония-216 - 0,16 сек, период полураспада полония-214 равен 1,58*10^-4 сек, полония-213 - всего лишь 4,2*10^-6 сек и, наконец, период полураспада полония-212 равен 3*10^-7 сек.

Некоторые из элементарных частиц стабильны, другие неустойчивы и самопроизвольно распадаются. Таковы, например, имеющиеся в космическом излучении нестабильные частицы - мезоны и гипероны. Средняя продолжительность жизни мюонов (μ-мезонов) равняется миллионным долям секунды, положительно и отрицательно заряженных пионов (π-мезонов) - стомиллионным долям секунды, заряженных сигма-частиц (гиперонов)- около десятимиллиардной доли секунды (10^-10 сек), нейтральных сигма-частиц - около стомиллиардной доли секунды (10^-11 сек), а средняя продолжительность жизни нейтральных пионов (π°- мезонов) - около 10^-16 сек.

При радиоактивном распаде и в результате ядерных реакций в ряде случаев ядро, получившееся в результате превращения, оказывается в возбужденном состоянии, т. е. имеет некоторый избыток энергии. Переход возбужденного ядра в нормальное состояние совершается путем испускания гамма-лучей. Этот процесс протекает очень быстро, но не мгновенно, и притом с различной длительностью у различных радиоактивных изотопов. Так, например, золото-198 при бета-распаде превращается в ртуть-198, причем ядро ртути-198 оказывается в возбужденном состоянии, а переходя в нормальное, испускает гамма-лучи. При бета-распаде ядра золота-199 получающееся дочернее ядро ртути-199 также оказывается возбужденным и тоже спустя некоторое время испускает гамма-квант.

Период полураспада ртути-199 составляет около миллиардной доли" секунды (10^-9 сек), а ртути-198 - около стомиллиардной доли секунды (10^-11 сек). Еще более кратковременным оказывается возбужденное состояние ядра лития-7, получающегося в результате ядерной реакции взаимодействия бора с нейтроном. Определение среднего времени жизни этого возбужденного состояния дало значение около десятибиллионной доли секунды (10^-13 сек).

В пятидесятые годы учеными была открыта еще целая группа частиц, которые оказались относительно тяжелыми и чрезвычайно короткоживущими. Эти частицы получили название резонансов. Их открытие связано с созданием специальной измерительной техники - так называемых пузырьковых камер.

Пузырьковая камера представляет собой сосуд, снабженный смотровыми окнами и заполненный жидким водородом. Пролетая через такую камеру, заряженная частица создает на своем пути цепь пузырьков газообразного водорода и таким образом оставляет видимый след, который можно наблюдать и фотографировать. Именно таким образом были один за другим открыты различные резонансы, изучены свойства этих частиц и происходящие с ними реакции. Однако среднее время жизни резонансов оказалось настолько малым, что ни один из современных методов еще не дал возможности измерить его непосредственно.

Между тем косвенным путем это сделать все же удалось. Такой косвенный путь основан на следующих соображениях: при определении энергии и массы резонансов можно экспериментально определить ширину энергетического интервала, характерного для каждого из них. Согласно принципу неопределенности квантовой механики эта ширина тем больше, чем меньше среднее время жизни самой частицы: Γ = h/2πτ, где Γ - ширина энергетического интервала данной частицы, h - постоянная Планка (h/2π = 1,05*1О^-27 г*см²/сек), а τ - среднее время жизни частицы. Отсюда, зная экспериментальное значение ширины энергетического интервала частицы, можно вычислить среднее время ее жизни.

Найденные таким образом средние времена жизни различных резонансов составляют около 10^-22-10^-23 сек. Например, один из резонансов, масса которого составляет 1238 Мэв, или соответственно 2420 электронных масс, имеет найденную экспериментально ширину Г ≈ 100 Мэв, откуда его пасчетное среднее время жизни.

При изучении ядерных процессов задача измерения очень коротких промежутков времени осложняется тем, что изучаемые явления, например радиоактивный распад атомных ядер, появление тех или иных частиц в потоке космических лучей и т.д., носят не периодический характер, а являются однократными и нерегулярными.

В разработке методов и приборов для измерения очень коротких промежутков времени в общем наметилось три основных направления.

Первое направление заключается в создании схем, позволяющих непосредственно отмечать величину измеряемого промежутка времени, например, путем запуска и остановки быстродействующих пересчетных устройств, получения на экране осциллографной трубки изображений, длина которых пропорциональна измеряемому промежутку времени, и т. п. Такие методы оказались удобными и эффективными для измерения коротких промежутков времени вплоть до миллионных и миллиардных долей секунды.

Второе направление заключается в создании схем с Γ калиброванной задержкой времени и элементом схемы, отмечающим одновременное поступление на него двух сигналов. Такие схемы требуют кропотливых и длительных измерений по подбору нужной, но заранее не известной величины задержки времени. Однако именно эти схемы позволили экспериментально определять очень короткие промежутки времени вплоть до пяти стомиллиардных долей секунды (5*10^-11 сек).

Третье направление заключается в создании специальных схем, учитывающих специфические особенности каждого данного исследуемого явления и вытекающие из них возможности. Идя по этому пути, удалось экспериментально определить промежутки времени около 10-13 сек (см. стр. 161).

Значения более коротких промежутков времени, в течение которых протекают некоторые ядерные процессы, были получены косвенным, расчетным путем, основанным на теоретических соображениях о строении ядер и сопоставлении различных их характеристик. Такие определения, конечно, являются ценными, но менее убедительны, чем прямые. Поэтому актуальной является разработка экспериментальных методов определения еще более коротких промежутков времени.

Ниже рассматриваются экспериментальные методы определения коротких промежутков времени порядка миллиардных и биллионных долей секунды, основанные на использовании быстродействующих электронных схем особого типа и учете специфики изучаемых ядерных процессов.

Быстродействующие приборы с осциллографами

При исследовании явлений, происходящих в атоме и атомном ядре, при изучении космических лучей и явлений радиоактивности возникает необходимость в измерении коротких промежутков времени для событий однократных и нерегулярных.

При решении такого рода задач Г. Килли разработал и построил прибор для измерения коротких промежутков времени с высоковольтным осциллографом. Принцип действия этого прибора следующий: два электрических сигнала, промежуток времени между которыми нужно измерить, поступают на вход электрической схемы прибора. Электрическая схема управляет движением электронного луча высоковольтного осциллографа. Устройство прибора таково, что первый приходящий сигнал отклоняет электронный луч от оси, а второй сигнал возвращает его к ней обратно. Так как одновременно с этим луч с большой скоростью движется вдоль оси, то на экране осциллографа получается П-образная кривая (рис. 45). Длина плато этой кривой позволяет судить о длине измеряемого промежутка времени.

Рис. 45. П-образная кривая и кривая градуировки времени

Для калибровки прибора на фотопленку записывается как П-образная кривая, так и синусоидальная кривая известной частоты. Сравнение этих кривых позволяет определить измеряемый промежуток времени. Так, например, если стандарт-генератор вырабатывает переменный ток синусоидальной формы, имеющий частоту, равную десяти миллионам периодов в секунду, а по длине плато П-образной кривой укладывается четыре периода синусоиды, то длительность измеряемого процесса составляет четыре десятимиллионные доли секунды (4*10^-7 сек).

В приборе с высоковольтным осциллографом измерения получаются непрерывными, так как схема не настраивается на какой-либо определенный промежуток времени и в некотором интервале позволяет измерять любые промежутки.

Прибор пригоден для измерения промежутков времени порядка миллионных и миллиардных долей секунды. С помощью такого прибора измерялась скорость радиоактивного распада некоторых короткоживущих радиоактивных изотопов, например радиоактивного изотопа ртути с атомным весом 197, период полураспада которого (для изомерного перехода) оказался равным семи миллиардным долям секунды, и т. д.

Для измерения очень коротких промежутков времени в 1952 г. Ф. С. Завельским была предложена специальная электрическая схема, позволяющая определять измеряемый интервал времени по сдвигу фазы между двумя синусоидальными колебаниями одинаковой частоты. В этом приборе приемниками явлений служат счетчики ядерных излучений. Сигналы от этих счетчиков последовательно один за другим запускают два генератора, вырабатывающих высокочастотные колебания. От первого генератора колебания поступают на одну пару пластин низковольтного осциллографа, а от второго генератора - на вторую пару. Если между этими колебаниями нет сдвига фазы, то на экране осциллографа видна окружность. При наличии сдвига фазы и в зависимости от величины этого сдвига получаются фигуры Лиссажу разной формы. Измерив отношение длин полуосей этих фигур, можно определить сдвиг фазы, а по этому сдвигу найти измеряемый промежуток времени между приходом сигналов. Измерения производятся в интервале разности фаз от 0 до 180°, так как при больших разностях фаз повторение картины создает неопределенность в отсчете.

Такой прибор позволяет получить более или менее длительное изображение от кратковременных, однократных и нерегулярных явлений. В ряде случаев это оказывается удобным.

Метод запаздывающих совпадений

Идея этого метода проста. Она основана на использовании в схеме такого элемента, который срабатывает, когда на него попадают два сигнала одновременно, и не срабатывает, если сигналы приходят порознь. Коль скоро мы предполагаем, что такой элемент в схеме есть, то задача измерения короткого промежутка времени между событиями сводится к тому, чтобы, подавая на этот элемент соответствующие электрические сигналы, первый из них задержать ровно настолько, чтобы он пришел одновременно со вторым, и измерить величину созданной для этого задержки.

Прибор, работающий по методу совпадений, состоит из двух приемников явлений (например, счетчиков ядерных излучений), двух усилителей, переменной калиброванной линии задержки, схемы совпадений и регистратора (рис. 46).

Рис. 46. Блок-схема запаздывающих совпадений

Счетчики регистрируют течение изучаемого процесса, например радиоактивный распад, пролет заряженной частицы и т. д. При срабатывании счетчика на его выходе появляется короткий сигнал электрического тока. При прохождении через усилители амплитуда этих сигналов увеличивается в определенное число раз. С выхода первого усилителя сигнал поступает на блок совпадений, предварительно пройдя линию задержки, с выхода второго усилителя - непосредственно.

В качестве линий задержки применяют отрезки коаксиального кабеля. Если нужно задержать сигнал на стомиллионные доли секунды, то отрезок кабеля должен иметь длину в несколько метров.

Блоки совпадений бывают разных типов. Один из них аналогичен электрической цепи с двумя выключателями, соединенными последовательно, так что ток может пройти лишь тогда, когда оба они включены. В таком блоке совпадений используется многосеточная электронная лампа, у которой на обе управляющие сетки подано отрицательное запирающее напряжение такой величины, что отпирания лишь одной из сеток еще недостаточно для прохождения сигнала. Лишь тогда, когда на обе сетки одновременно приходят положительные сигналы, лампа отпирается и сигнал проходит.

Другой тип блока совпадений, разработанный Б. Росси состоит из двух электронных ламп Л₁, Л₂, соединенных параллельно, а также нагрузочного сопротивления R₃, входных сопротивлений R₁, R₂, разделительных конденсаторов С₁, С₂ и регистратора (рис. 47). Перед началом работы обе лампы отперты, поэтому их сопротивление мало и потенциал в точке О низкий. Внешние сигналы имеют отрицательную полярность и, приходя на сетки электронных ламп, запирают их. Однако запирание лишь одной из ламп мало меняет их общее сопротивление, между тем как одновременное запирание обеих ламп резко увеличивает их общее сопротивление и падение напряжения на них. При этом потенциал в точке О увеличивается и создается сигнал, который сосчитывается регистратором.

Рис. 47. Блок совпадений Росси

В дальнейшем было разработано несколько схем совпадений на электронных лампах, отличающихся большим быстродействием, а в последние годы созданы ячейки совпадений на полупроводниках, позволяющие измерять промежутки времени меньше миллиардных долей секунды.

Грехем и Белл, использовав схему запаздывающих совпадений с "быстрой" ячейкой Росси, довели разрешающую способность метода до стомиллиардных долей секунды.

Так было определено среднее время жизни возбужденного состояния ядра атома ртути-198. Напомним, что ядро атома ртути-198 получается при радиоактивном распаде ядра атома золота-198, причем дочернее ядро ртути-198 образуется с некоторым избытком энергии, т. е. в возбужденном состоянии. От избытка энергии ядро атома ртути-198 освобождается, испуская гамма-лучи. Этот процесс происходит сразу же после образования дочернего ядра. Среднее время жизни возбужденного состояния ртути-198 оказалось крайне малым, порядка стомиллиардных долей секунды (10^-11 сек).

Измерение среднего времени жизни возбужденного состояния ядра лития-7

Еще более короткие промежутки времени были измерены Эллиотом и Беллом с помощью очень остроумного метода, построенного на учете специфических особенностей изучаемого явления.

При ядерной реакции взаимодействия бора-10 с нейтроном ядро бора-10, захватывая нейтрон и испуская альфа-частицу, превращается в ядро лития-7. При этом ядро лития-7 оказывается в возбужденном состоянии и через некоторый очень короткий промежуток времени переходит в основное состояние, испуская гамма-квант. Среднее время жизни этого возбужденного состояния и надлежало измерить.

Описываемую ядерную реакцию можно представить так, что ядро бора-10, захватив нейтрон, образует промежуточное неустойчивое ядро, которое распадается на две частицы: альфа-частицу и ядро лития-7, разлетающиеся с большой скоростью в разные стороны. Измерения показали, что возбужденное ядро лития-7 вылетает с энергией 0,85 Мэв, что соответствует скорости 4,8-10⁶ метров в секунду.

Для дальнейших рассуждений необходимо вспомнить эффект Допплера. Кто не слышал, как меняется высота тона гудка паровоза, мчащегося с большой скоростью мимо нас? Это явление объясняется эффектом Допплера. Если гудок и наблюдатель неподвижны, то число колебаний воздуха, воспринимаемое наблюдателем в одну секунду, равно частоте колебаний, испускаемых гудком. Если источник звука приближается с некоторой скоростью к наблюдателю, то число колебаний, воспринимаемых наблюдателем в одну секунду, больше частоты колебаний источника, и это отмечается наблюдателем как повышение высоты тона гудка. Изменение частоты пропорционально отношению скорости движения гудка и скорости звука.

Аналогичное явление наблюдается для световых волн, представляющих собой электромагнитные колебания, и астрономы используют его для определения скорости движения звезд. Гамма-лучи представляют собой электромагнитные колебания, и для них тоже имеет место эффект Допплера, т. е. изменение частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем (прибором), при изменении скорости движения источника колебаний относительно наблюдателя.

В нашей задаче скорость движения источника колебаний, т. е. возбужденного ядра лития-7, равна 1 4,8-106 м/сек. Так как скорость распространения электро-I магнитных колебаний равна 3*10⁸ м/сек, то отношение этих скоростей равно 0,016 или 1,6%. Изменение частоты гамма-лучей на 1,6% достаточно четко отмечается современными приборами.

Вернемся к нашей задаче. Нам известно, с какой скоростью движется возбужденное ядро лития-7. Если бы мы могли измерить, какое расстояние оно проходит, прежде чем испустить гамма-квант, то этого было бы достаточно для определения промежутка времени, в течение которого ядро находится в возбужденном состоянии.

Опыт был поставлен таким образом, что возбужденные ядра лития 7 с различной скоростью тормозились в веществе мишени и останавливались в ней. Подбирая мишени разной толщины и плотности и отмечая разницу частот гамма-квантов, испускаемых движущимися и заторможенными ядрами лития-7, ученые определили длину пробега возбужденного ядра, а затем и среднее время жизни возбужденного состояния, которое оказалось равным 0,75±0,25 десятибиллионной доли секунды (0,75*10^-13 сек).

В 1971 г. такие же исследования были проведены Р. Б. Бегжановым, Д. А. Гладышевым, Ф. С. Акиловым и А. X. Халиковым. По их данным среднее время жизни возбужденного состояния ядра лития-7 равняется (0,96+0,12)*10^-13 сек.

Описанные методы и приборы для измерения коротких промежутков времени позволили изучить и понять ряд важных и интересных проблем, связанных со строением вещества, радиоактивностью и самой структурой времени. Далее рассказано о том, к каким выводам это привело.