И.В. Савельев - Курс общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм, волны, оптика (1115514), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Тогда (81.5) переходит в (81.2), и для равновесной концентрации иоиаэ получается выражение (8!.3). Подстановка этого значения п в фарл улу (81.6) дает з ЗЬ НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД Отсюда (81.8) )=е'Лл;1. Эта плотность тока создается всеми ионами, порождаемыми ионизатором в заключенном между электродами столбе газа с единичным поперечным сечением. Следовательно, эта плотность тока является нзигюльшей при данной интенсивности ионизатора и заданном расстоянии 1 между электродами. Ее называют плотностью тока насыгцения 1„„.. Вычислим )„„при следующих условиях: Лиг=10 см 'с '= =10 и 'с ' (примерно такова скорость образования ионов в атмосферном воздухе при обычных условиях), 1=0,1 м. Подстановка этих данных в форлгулу (81.8) дает 1 = 1 6 10 " 1О' 10 г - 10ь м А/мэ = 10- гт А/смз.
Этот расчет показывает, что проводимость воздуха в обычных условиях ничтожно мала. При промежуточных значениях Е происходит плавный переход от линейной зависиьгости г от Е к насыщению, по достижении которого 1' перестает зависеть от Е (см. сплошную кривую на рис. 81.2). За областью насыщения лежит область г резкого возрастания тока (см. покзЗаННЫй ШтРИХОВОй ЛПНИЕй УЧаетОК ~лж' кривой). Это возрастание объясняется тем, что, начиная с некоторого значения Е, порождаемые внешним ионизатором электроны ') успевают за Е время свободного пробега приобре- Рис. зк2.
сти энергию, достаточную для того, чтобы, столкнувшись с молекулой, вызнать ее ионизацию. Возникшие при ионизации свободные электроны, разогнавшись, в свою очередь вызывают ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока. Однако процесс не утрачивает характера несаыостоятельного разряда, так как после прекращения действия внешнего ионизатора разряд продолжается только до тех пор, пока все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода (задняя граница пространства, в котором имеются ионизирующие частицы — электроны, перемещается к аноду).
Для того чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо наличие двух встречных лавин ионов, что возможно только в том случае, если ионизацию ударом способны вызывать ))сеятели обоих знаков. ') Вследствие большей длины свободного пробста электроны рвиьше приоб- ретзют сиособиость выэывзть иоииззиию ударом, чем газовые ионы. ГЛ. Х!Е ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ Весьма важно, что несамостоятельные разрядные токи, усиленные за счет размножения носителей, пропорциональны числу первичных ионов, создаваемых внешним ионизатором.
Зто свойство разряда используется в пропорциональных счетчиках (см. следующий параграф). й 82. Ионизационные камеры и счетчики Ионизационные камеры и счетчики применяются для обнарухсения и счета элементарных частиц, а также для измерения интенсивности рентгеновского и гамма-излучения. Действие этих приборов основано на использовании несамостоятельного газового разряда. Принципиальные схемы ионизационной камеры и счетчика одинаковы (рис.
82.1).Отличаются они только режимом работы и конструктивными особенностями. Счетчик (рис. 82.1,б) состоит из цилиндрического корпуса, по оси которого натянута укрепленная на изоляторах тонкая нить (анод). Катодом служит корпус счетчика. б3 Рис. ать ь Для впуска ионизирующих частиц в торце счетчика делается окошко из слк1ды или из алюминиевой фольги. Некоторые частицы, а также реитгсновское и гамма-излучение проникают в счетчик или иоиизационную камеру непосредственно через их стенки.
Ионизациониая иамера (рис. 82.1,а) может иметь электроды разной формы. В частности, они могут быть такими же, как у счетчика, либо иметь форму плоских параллельных пластин и т. д. Допустим, что в пространство между электродами влетает быстрая заряженная частица, которая создает Л1, пар первичных ионов (электронов и положительных ионов). Возникшие ионы увлекаются полем к электродам, вследствие чего через сопротивление Я проходит некоторый заряд д, который мы будем называть импульсом тока. На рис. 82.2 приведена зависимость импульса тока д от напряжения У между электродами для двух различных количеств первичных )онов У„отличающихся в трк раза (Л1,и==ЗЛГ„,). На графике можно выделить шесть областей.
Области ! и П были рассмотрены в предыдущем параграфе. В частности, область П з зз иоиизхционные кАмеРы и счетчики 24! есть область тока насыщения — все созданные ноинзирующей частицей ноны достигают электродов, не успев рекомбинпровать. Естественно, что при этом условии импульс тока не зависит от напряжения. Начиная со значения (/Р напряженность поля оказывается достаточной для того, чтобы электроны могли ионнзпровать молекулы ударом.
Поэтому количество электронов и положительных ионов лавинообразно растет. В результате на каждый из электродов попадает А№ ионов. Величина А называется к о э фф и ц н е нтом газового усилен и я. В области /// этот коэффициент не зависит от ко- ! личества первичных ионов (но зависит от напряжения). Поэтому, если поддерживать напряжение постоянным, импульс тока будет пропорционален количеству первичных ' ~ /г ) л' ( //",' /', /Т ионов. Область /// называ- ~ 1 ется областью про- „" 1 порциональности, а напряжение (/ — порогом / /Р ьх пропорциональной Рис.
82.2, о б л а с т и. Коэффициент газового усиления изменяется в этой области от 1 в начале ло 10' —;10' в конце (рнс. 82.2 выполнен без соблюдения масштаба по оси д; выдержано лишь соотношение 1: 3 между ординатами кривых в областях // н ///).
В области /Р', называемой о б л а с т ь ю ч а с т и ч н о й и р о и о р ц и о н а л ь н о с т и, коэффициент газового усиления А все сильнее зависит от №, в связи с чем различие в импульсах тока, порожденных различным количеством первичных ионов, все больп.е сглаживается. При напряжениях, соответствующих области 1/ (ее назь~вают областью Гейгера, а напряжение (/ — по р о го и этой области), процесс приобретает характер самостоятельного разряда. Первичные ионы лишь создают толчок для его возникновения. Импульс тока в этой области совершенно не зависит от количества первичных ионов.
В области Г/ напряженке столь велико, что разряд, возникнув„ не прекращается, Поэтому ее называют об ля с т ь ю н е п р ерывного разряда. Ионизационные камеры. Ионизационной камерой называется прибор, работающий без газового усиления, т. е. при напряжениях, соответствующих области //. Существуют два типа нонизационных камер. Камеры одного типа применяются для регистрации нмпуль- ГЛ Х11.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ сов, порождаемых отдельными частицами (импульсные камерь1). Влегсээ1ая в камеру частица создает в ней некоторое количество ищюв, в результате чего через сопротивление 1с начинает течь ток!. Э:о пр,1водит к тоз1у, что потенциал точки 1 (см. рис.
82Л,а) позыша тся н становится равным 1)т' (первоначально потенциал этой точки был такоп же, как и заземленной точки 2). Этот потенциал постугзет на усилитель и после усиления приводит в действие счетное у.тройство. После того как все попавшие на внутренний элекгрод заряды пройдут через сопротивление 1т, ток прекратится и пот пц:шл точки 1 снова станет равным нулю. Характер работы камеры зависит от длительности импульса тока, вызванного одной ио1и зирующей часп1цей. Чтобы выяснить, от чего зависит продолжительность импульса, ра; ...игрим цепь, состоящую пз конденсатора С и сопротивления гт (рис. 82,3).
Если сообщить обкладкам конден а- тора разноименные заряды +д, и — йи через сопротивление 1Т потечет ток, вследствие чего заряды на обкладках будут убывать. Мгновенное значение напряжения, приложенного к 1г сопротивлению, равно (/=1)ГС. Следователь- но, для силы тока получается выра'кение р„. Эзз 1 11 к ИС' (92.1) Заменим склу тока через — Щ'г(1, где — Ыу — убыль заряда на обклаа;ах за время й. В результате получится дифференциальное уравнение кт, д лд — — — или — = — — В. а1 НС ч йс Согла но (82.1) 111'2=~1.'1.
Поэтому можно написать — = — — 1(1. Иитегрировзние этого уравнения дает ~~~ ~+)п 1а (через ! Й1, обозначена постоянная интегрирования), Наконец, пропотенцировав полученное выражение, придем к формуле 1=1це "". (82.2) Легко сообразить, что 1~ представляет собой начальное значение силы тока. Нз выражения (82.2) следует, что за время т=)ТС (82.3) $ ЗЕ ИОНЙЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ И СЧЕТЧИКИ сила тока уменьшается в е раз. В соответствии с этим величина (82.3) носит название п осто я н ной в р ем е н и цепи. Чем больше зта постоянная, тем медленнее спадает ток в цепи. Схема ионизационной камеры (см. рис. 82.1, а) сходна со схемой, изображенной на рис.
82.3. Роль С играет межзлектродная емкость, псказанная на схеме камеры пунктирохь С увеличением сопротивления !с возрастает напряжение между точками ! и 2 при данной силе тока н, следовательно, облегчается регистрация импульсов. Это обстоятельство побуждает применять )г как можно большей величины. Вместе с тем для того, чтобы камера могла раздельно регистрировать импульсы тока, порождаемые быстро следующими друг за другом частицами, постоянная времени должна быть невелика.
Поэтому при выборе величины Й для импульсных камер приходится идти на компромисс. Обычно берут 1г порядка 10' Ом. Тогда при С !О " Ф постоянная времени составляет 10 * с. другим типом ионизационных камер являются так называемые интегрирующие камеры. В них берут Я порядка !Ю Ом. При С !О "Ф постоянная времени будет равна 10' с. В этом случае импульсы тока, порождаемые отдельными ионизирующими частицами, сливаются, и по сопротивлению течет постоянный ток, величина которого характеризует суммарный заряд ионов, возникающих в камере в единицу времени.
Таким образом, ионизационные камеры обоих типов отличаются лишь значением постоянной времени ггС. Пропорциональные счетчики. Импульсы, вызываемые отдельными частицами, могут быть значительно усилены (до 10' —:10' раз), если напряжение между электродамн попадает в область УП (см. рпс. 82.2). Прибор, работающий в таком режиме, называется п р оп о р ц и о н а л ь н ы м с ч е т ч и к о м. Анод счетчика делается в виде нити диаметром в несколько сотых миллиметра. Напряженность поля вблизи нити особенно велика.
При достаточно большом напряжении между электродами электроны, возникающие вблизи нити, приобретают под действием поля энергию, достаточную для того, чтобы вызывать ионизацию молекул ударом. В результате происходит размножение ионов. Размеры объема, в пределах которо~ о происходит размножение, увеличиваются с ростом напряжения. В соответствии с этим увеличивается и коэфхфпцнент газового усиления. Количество первичных ионов зависит от природы и энергяп частицы, вызвавшей импульс. Поэтому по величине импульсов на выходе пропорционального счетчика можно различать частицы разной природы, а также производить сортировку частиц одной и той же природы по их энергиям. Счетчики Гейгера — Мюллера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
