Общие сведения. При движении заряженных частиц в газах в результате ионизации образуются электроны и ионы

При движении заряженных частиц в газах в результате ионизации образуются электроны и ионы. Если же ионизация происходит в объеме между двумя электродами, которые имеют различные потенциалы, то за счёт движения электронов и ионов к соответствующим электродам в электрической цепи возникает ток.

Ионизационные методы регистрации основаны на измерении заряда и тока, создаваемого заряженными частицами при прохождении газового детектора. Заряд же, созданный частицей, будет определяться её ионизационными потерями в газе детектора. Поэтому очень важно знать, какая энергия в среднем расходуется на создание одной пары ионов в том или ином газе и как эта средняя энергия зависит от природы и скорости заряженной частицы.

Все газовые детекторы представляют собой конденсаторы, в которых пространство между электродами заполнено каким-либо газом. В зависимости от величины и распределения напряженности электрического поля в газовом промежутке эти детекторы обладают разными свойствами. Рассмотрим, например, детектор в виде цилиндрического конденсора, который состоит из металлической или металлизированной изнутри стеклянной трубки 1 и тонкой металлической нити 2, натянутой по оси цилиндра. Пусть такой детектор наполнен аргоном, нить служит анодом, а внутренняя поверхность цилиндра – катодом. На рис. 1 приведена принципиальная схема включения такого детектора: – сопротивление утечки, а – распределённая ёмкость, которая включает в себя межэлектродную ёмкость конденсатора, ёмкость монтажа и входную ёмкость усилителя.

Рис.1. Схема включения счетчика Гейгера-Миллера.

При прохождении заряженных частиц через объём детектора в результате ионизации образуются электроны и ионы, которые под действием электрического поля двигаются (дрейфуют) к соответствующим электродам. Во время движения электронов и ионов во внешней цепи индуцируется ток, заряжающий ёмкость . Если выбрать сопротивление утечки настолько большим, что чтобы за время зарядки ёмкости током она не разряжалась, то величина амплитуды возникающего при этом импульса будет определяться величиной заряда , созданного в объёме детектора, .

ИМПУЛЬСНАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

Конструкция, форма ионизационных камер обычно определяется задачами эксперимента. Встречаются плоские, цилиндрические и сферические ионизационные камеры.

Ионизационная камера представляет собой изолированный газовый объём, в котором расположены, в простейшем случае, два электрода. При подаче на электроды постоянного напряжения в пространстве между ними создаётся электрическое поле.

Рис. 2. Принципиальная схема импульсной ионизационной камеры.

В ионизационной камере с плоскопараллельными электродами электрическое поле однородно. На рис. 2 приведена принципиальная схема такой камеры. Заряженная частица, проходя через рабочий объём камеры, производит ионизацию атомов газа, в результате чего вдоль пути частицы образуются электроны и положительные ионы. Под действием электрического поля электроны и ионы начинают двигаться к соответствующим электродам камеры, а во внешней цепи камеры индуцируется ток, заряжающий ёмкость камеры . Зарядка ёмкости , а вместе с ней и нарастание импульса напряжения на выходе камеры прекращаются, как только все электроны и ионы, созданные в газе камеры, достигнут соответствующих электродов. Наряду с этим происходит разрядка ёмкости через сопротивление , приводящая к спаду импульса напряжения на выходе камеры.

ПРОПОЛЬЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЁТЧИК

Пропорциональные счётчики и их модификации: дрейфовые пропорциональные камеры, многопроволочные пропорциональные счётчики и прочее в настоящее время являются одними из распространённых детекторов среди применяемых в современных установках. Например, эксперимент К. Руббиа, в котором наблюдался промежуточный векторный бозон (1983 г.), проводился с установкой, включающей большие дрейфовые камеры, помещенные в магнитное поле напряжённостью 7 Т., шесть ионизационных калориметров для определения энергии адронов и ещё восемь больших дрейфовых камер, перекрывающих полный телесный угол установки.

ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ СЧЁТЧИК ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

В пропорциональном счётчике газовый разряд развивается только в части объёма детектора – там, где образуется лавина электронов. Остальной объём не охватывается газовым разрядом.

С увеличением напряжения область разряда расширяется. Как же это происходит?

После прохождения через объём счётчика заряженной частицы, в газе появляются электроны и ионы, которые дрейфуют к соответствующим электродам. Электроны достигают нити за время 10^-7-10^-8 с, образовав по пути новые электроны, ионы и возбудив молекулы газа. Возбуждённые молекулы, возвращаясь в нормальное состояние, испускают коротковолновое ультрафиолетовое излучение, которое может создавать фотоэлектроны в катоде счётчика и наполняющем газе. Вновь возникшие электроны также дрейфуют к аноду и, в свою очередь, создают новые лавины. Так как фотоны излучаются изотропно, то за очень короткое время весь счётчик будет охвачен разрядом.

Таким образом, повышение напряжения приводит к распространению газового разряда по объёму счётчика. При некотором напряжении , называемом напряжением зажигания, газовый разряд охватывает весь объём счётчика. Амплитуда импульса перестаёт зависеть от начальной ионизации, так как каждый начальный электрон порождает огромное количество новых электронно-фотонных лавин, и вклад первичной ионизации в полный ионизационный ток становится пренебрежимо мал.

Для того чтобы счётчик мог регистрировать следующую электронно-фотонную лавину, разряд, зажженный предыдущей, должен быть погашен. По способу гашения разряда счётчики Гейгера-Мюллера подразделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся.

Несамогасящиеся счётчики обычно наполняют каким-либо инертным газом: аргоном, неоном и др. За время прохождения нескольких электронно-фотонных лавин образованные положительные ионы практически остаются на месте, так как их подвижность намного меньше подвижности электронов. В основном вторичная ионизация происходит вблизи анода, где напряженность поля больше, и поэтому вокруг нити образуется чехол положительных ионов, который снижает напряжённость поля около неё, и поэтому образование новых электронно-фотонных лавин прекращается. Образовавшиеся ионы двигаются в направлении катода. По мере отхода их от анода электрическое поле около него восстанавливается, и снова становится возможной ударная ионизация. Обычно развитие лавины не возобновляется, если в объёме счётчика нет свободных электронов. Поэтому несамогасящийся счётчик имеет очень низкое временное разрешение. На рис. 3 представлена форма импульса в несамогасящемся счётчике.

Рис. 3. Форма импульса в несамогасящемся счётчике.

Самогасящийся счётчик. При работе со счётчиками обнаружилось, что небольшие добавки паров этилового спирта в счётчик Гейгера, наполненный аргоном, существенно меняют его временные характеристики. Оказалось, что разряд в таком счётчике прекращается самопроизвольно, независимо от величины сопротивления утечки .

Рассмотрим развитие и гашение разряда в счётчике, наполненном смесью аргона (90%) и паров спирта (10%). Электроны, появляющиеся в счётчике в результате первичной ионизации, будут дрейфовать к аноду. Вблизи анода будет происходить возбуждение и ионизация молекул спирта и атомов аргона. Фотоны, испущенные возбужденными атомами аргона, имеют энергию 11,6 эВ, а потенциал ионизации паров спирта равен 11,5 эВ.

Рис. 4. Форма импульса в самогасящемся счётчике.

Так как энергия фотонов близка к энергии ионизации молекул спирта, сечение фотоэффекта оказывается очень большим. При давлении в счётчике 100 мм.рт.ст. средний свободный пробег фотонов до поглощения равен 0,1 см. Следовательно, разряд будет распространяться вблизи нити, так как возникшие в сильном поле около анода электроны приобретают энергию, возбуждают и ионизуют атомы аргона и спирта, высвеченные фотоны создают новые фотоэлектроны и т.д.

Далёкие от нити области не будут участвовать в процессе разряда, поскольку фотоны имеют малые пробеги, а возбуждённые атомы сконцентрированы вблизи анода. Около нити образуется чехол положительных ионов, который экранирует электрическое поле, и поэтому разряд прекращается. Разряд в самогасящемся счётчике ограничен одной стадией, и вот почему.

При движении ионов к катоду происходит большое число соударений (около 10⁴). При соударении ионов аргона с молекулами спирта возможна ионизация молекул спирта и нейтрализация ионов аргона. Вероятность этого эффекта большая – 10^-3. Следовательно, к катоду подойдут только ионы спирта. При нейтрализации ионов спирта на катоде не происходит вырывания электронов из катода. Хотя молекулы спирта после нейтрализации и оказываются в возбуждённом состоянии, но они не успевают провзаимодействовать с электронами катода, так как время жизни возбуждённой молекулы спирта относительно диссоциации (10^-13 с) значительно меньше времени движения к катоду от места нейтрализации (10^-7 с). Таким образом, разряд в самогасящемся счётчике заканчивается на первой стадии независимо от того, какую разность потенциалов имеет счётчик в момент подхода ионов спирта к катоду, т.е. независимо от величины сопротивления, с которого снимают импульс.

Время развития разряда определяется временем распространения его вдоль анода. Скорость его распространения 10⁶-10⁷ см/с, и время распространения разряда вдоль всей нити составляет 10^-5-10^-6 с. Так как положительные ионы при своём движении к катоду проходят область сильного поля вблизи анода за время 10^-6 с, значительная часть амплитуды импульса нарастает за это время. Поэтому целесообразно выбрать ≈10^-5 с, т.е. ≈10⁶ Ом, что позволяет получить довольно короткие импульсы (рис.4).

Однако разрешающее время самогасящегося счётчика определяется не длительностью импульса, а временем, пока ионы не отойдут от анода настолько, чтобы восстановилось электрическое поле, необходимое для развития нового разряда. Это время называется мёртвым временем ≈10^-4с. Спустя мёртвое время, счётчик может снова регистрировать частицы, но амплитуда этих импульсов будет меньшей величины. Электрическое поле восстановится до нормальной величины, когда все ионы соберутся на катоде. Интервал времени от конца мёртвого времени до полного собирания ионов на катоде называется временем восстановления.

На рис. 5 приведена осциллограмма импульсов в счётчике. Видно, что в течение мёртвого времени нет наложения импульсов. Но при временах, больших , на импульс, запускающий развёртку, налагаются импульсы, амплитуды которых тем больше, чем позже они возникают. Таким образом, разрешающее время самогасящегося счётчика порядка мёртвого времени, т.е. значительно меньше разрешающего времени несамогасящегося счётчика.

Самогасящиеся счётчики имеют ограниченный срок службы, поскольку при каждом импульсе диссоциирует 10⁹-10¹⁰ молекул спирта. В счётчике средних размеров имеется около 10²⁰ молекул спирта, и поэтому такой счётчик может зарегистрировать всего 10⁹-10¹⁰ импульсов.

Рис. 5. Осциллограмма импульсов в счётчике.

Счётная характеристика. Счётной характеристикой счётчика называют зависимость скорости счёта от напряжения при постоянной интенсивности излучения.

Конструкция счётчика очень проста: корпус счётчика изготавливают из различных материалов, выбирая их в зависимости от типа регистрируемого излучения. Для регистрации ß-частиц корпус выполняют из алюминия, меди или нержавеющей стали. Чтобы ß-частицы не поглощались материалом корпуса, его делают тонкостенным. Часто для увеличения жёсткости тонкостенный корпус гофрируют. Корпус счётчика γ-частиц представляет собой стеклянный баллон, на внутренней поверхности которого нанесен электропроводящий слой, служащий катодом счётчика или баллон из тонкой фольги. Поскольку регистрация γ-кванта возможна лишь в случае образования им Комптон- или фотоэлектрона, то и толщина стеклянных стенок выбирается исходя из условия наиболее вероятной регистрации счётчиком этих вторичных электронов. Для регистрации α-частиц и ß-частиц обычно используется торцовый счётчик. Один из торцов корпуса закрывают тонкой плёнкой из слюды или другого материала. Через плёнку в счётчик проникают заряженные частицы. В качестве анода чаще всего используется вольфрамовая нить, поверхность которой отполирована для исключения влияния неровностей на распространение газового разряда вдоль нити.

В нашем случае мы используем счётчик СБТ-13. Счётчик предназначен для регистрации бета-излучения в радиометрических и дозиметрических устройствах. Торец счётчика закрыт тонкой плёнкой из слюды. Чувствительность счётчика к бета-излучению по скорости счёта находится в диапазоне 100-140 имп/мкР. Собственный фон ≈0,6 имп/сек.

Эффективность счётчика для заряженных частиц близка к 100%. Счётчик регистрирует все заряженные частицы, если они появляются в газе с интервалом времени, большим разрешающего времени счётчика, и образуют хотя бы одну пару ионов. Эффективность регистрации γ-квантов зависит от вероятности взаимодействия их с материалом счётчика. Обычно эффективность регистрации γ-квантов не превышает 2%.

Рабочее напряжение, которое необходимо приложить к электродам счётчика Гейгера-Мюллера для обеспечения нормального режима его работы, определяется путём снятия зависимости скорости счёта от величины приложенного напряжения при постоянной интенсивности ионизирующего излучения, попадающего в рабочий объём счётчика. Эта зависимость называется счётной характеристикой. Её вид показан на рис. 6. При значении разности потенциалов импульсы тока также возникают (область пропорциональности и ограниченной пропорциональности), но регистрирующая радиосхема обладает порогом чувствительности и регистрирует только самые большие из них. С ростом напряжения растёт доля импульсов, амплитуда которых достаточна для регистрации. Соответствующий участок счётной характеристики изображён участком АВ на рис. 6. В области Гейгера –Мюллера ионизирующее излучение вызывает импульсы с большой амплитудой, достаточной для регистрации их радиосхемой. На участке ВС счётной характеристики у идеально работающего счётчика скорость счёта не зависит от и определяется числом ионизирующих частиц, попадающих в трубку. В действительности с ростом напряжения слабое увеличение числа зарегистрированных импульсов. Это объясняется тем, что гейгеровская область содержит небольшую примесь области непрерывного разряда. «Плато» счётной характеристики является рабочей областью счётчика Гейгера-Мюллера.

Рис. 6. Счётная характеристика счётчика.

Обычно в качестве рабочей точки на характеристике выбирают середину «плато». При очень широком «плато» выбирают точку ближе к началу области Гейгера-Мюллера.