Introdução

Atualmente, os métodos empregados na investigação dos Raios Cósmicos são:

• Câmara de ionização, onde a ionização é medida por um eletroscópio;
• Contador Geiger-Müller (figura);
• Câmara de nuvens de Wilson (figura).

A câmara de ionização

A medição dos Raios Cósmicos feita por câmara de ionização é usualmente feita na presença de gás à baixa pressão, onde um campo elétrico é aplicado para dirigir os íons ao eletrodo coletor. A corrente de ionização é medida por qualquer tipo de eletroscópio. Alguns dos íons são perdidos por recombinação antes de serem coletados. Esta perda depende do campo elétrico aplicado, da pressão e da natureza do gás. A perda por recombinação é maior entre as partículas ionizadas "pesadas" que por um elétron e, a variação da ionização pela pressão tem sido usada para evidenciar que as partículas ionizam como os elétrons.

A recombinação é menor no Argônio do que na maioria dos outros gases e a ionização específica ao longo de uma faixa de elétrons é mais larga. Portanto é mais freqüentemente usada nas câmaras de medição dos Raios Cósmicos. A câmara de ionização é valiosa na comparação sensível da intensidade dos Raios Cósmicos, desde o arranjo das medidas para se estabelecer características até a calibração para checar uma fonte radioativa. Pode ser usada no estudo da variação das intensidades decorrentes do efeito geográfico e da variação de tempo.

Na forma do eletroscópio de luz carregado por balões, a câmara de ionização tem sido usada na investigação da mudança de intensidade dos Raios Cósmicos com a altitude. Na interpretação desses resultados, entretanto, existe uma dupla complicação ao fato que os raios incidem em vários ângulos e alcançam o instrumento através de diferentes camadas de ar.

As investigações teóricas da passagem dos Raios Cósmicos através das camadas de absorção avança naturalmente para uma curva de absorção por uma radiação unidirecional. Tal curva é obtida diretamente por um arranjo de um contador vertical, mas Gross mostrou que pode ser obtida por uma câmara de gás pela transformação:

onde:

x = profundidade de penetração;

J(x) = intensidade observada (em todas as direções);

y (x) = intensidade calculada por um raio incidente à normal.

Na dedução esta fórmula assume que os raios iniciais incidem isotropicamente sobre um hemisfério e que a absorção e a produção secundária de um raio particular está confinado a uma única linha, ou seja, não há desvios laterais.

O contador Geiger-Müller

O contador Geiger-Müller usualmente tem a forma de um catodo tubular e um anodo em forma de tela fina, envolvidos num tubo contendo gás a baixa pressão. Se a voltagem aplicada ao contador atingir um certo limite, a ionização produzida pela passagem de uma partícula pelo tubo contador é ampliada por colisão. Cada partícula dá origem a uma pequena descarga elétrica, a qual dura aproximadamente 10^-2 segundos. Este tempo pode ser reduzido pelo uso de um circuito especial. Um tubo contador responde a passagem das partículas dos Raios Cósmicos, mas também responde a contaminação radioativa e tubos melhores provavelmente criam descargas espontâneas. Existem um grande número de circuitos que gravam somente descargas coincidentes de um número maior de contadores - descargas coincidentes são aquelas que acontecem dentro de um intervalo de tempo denominado tempo de resolução dos acontecimentos. Na prática, com circuitos simples, este tempo é da ordem de 10^-3 segundos, e pode ser reduzido ainda mais. O tempo de resolução pode ser menor que a duração de um único impulso porque os circuitos amplificados podem ser ajustados a responder somente o impulso inicial, separando parte do impulso. A radiatividade local não dá origem a descargas verdadeiramente coincidentes, pois a partícula beta geralmente não penetra em mais de um contador, mas existe uma coincidência aparente se duas partículas alternadas atravessarem os contadores dentro do intervalo de tempo de resolução. O número destas coincidências casuais no caso de dois contadores é expressa por:

onde:

N₁ = Taxa de contagem registrada no detetor 1
N_{2 =} Taxa de contagem registrada no detetor 2

t = tempo de resolução do sistema de coincidência.

O número de coincidências casuais nos casos práticos decrescem muito rapidamente com o incremento do número de contadores.

Para o uso mais simples do sistema de coincidências, dois ou mais contadores tubulares são postos paralelamente (montagem 01). A passagem de uma única partícula por todos os contadores produz uma contagem, e o arranjo pode ser usado como um "telescópio" para destinguir em que direção provem o raio.

O método das coincidências tem sido estendido à observação de eventos mais complexos. O arranjo dos contadores na montagem 02 responde somente se pelo menos duas partículas passarem simultaneamente, e este é um típico arranjo para a investigação dos chuveiros de Raios Cósmicos.

A câmara de nuvens de Wilson

Na câmara de nuvens, as faixas de ionização deixadas por cada partícula são visíveis devido à condensação do vapor em forma de gotas.

As câmaras de nuvens são empregadas de três formas na pesquisa de Raio Cósmicos:

1. A câmara pode ser usada para mostrar a natureza geral dos fenômenos e estabelecer um estudo estatístico de alguns fenômenos especiais, como a produção dos chuveiros.
2. A câmara pode ser usada num campo magnético para se medir curvatura das faixas. Isto permite uma dedução direta da energia das partículas, assim temos

^onde:

^{H= campo magnético;}

r = curvatura do raio;

V= energia em elétron-Volt;

b = v/c;

v = velocidade da partícula.

Quando a energia da partícula é muito larga comparada com mc², nós temos:

e a massa da partícula não aparece na expressão.

Para uma partícula de energia 10⁹ e.V. e um campo magnético de 10.000 gauss, a curvatura do raio é de cerca de 3 metros!. Então precisaremos desta expressão para medir a energia de partículas tão rápidas.

3. Uma câmara fotográfica pode ser usada para encontrar a densidade de ionização por uma determinada faixa, denominada ionização específica. Ela poderá mostrar também que em uma certa ordem de energia, a densidade de energia de uma partícula depende da sua massa. Medidas da ionização específica e das curvaturas das faixas de uma partícula nesta ordem faz com que seja possível determinar a massa da partícula. Para a proposta da determinação da ionização, a câmara pode ser preparada de modo que, a cada íon seja associado a uma gota e desta forma, realizar uma contagem.

Próximo Assunto: Processos de Conversão

ou voltar ao Índice.