Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 142
Текст из файла (страница 142)
Ионизационные камеры применяются до сих пор, в частности в дозиметрии. Они просты, характеризуются высокой эффективностью регистрации, позволяют, как мы видели, оценивать энергию частицы и т.д. Однако амплитуда электрического сигнала в ионизационной 564 Источники и методы регистрации ядерных частиц (Гл. Х!! камере мала, требует усиления и поэтому делает аппаратуру чувствительной к помехам и шумам ) . 4. Недостатки ионизационной камеры в значительной степени устранены в пропорциональном счетчике. Это разновидность газонаполненного счетчика, в котором обычно используются коакснальные электроды: катодом служит цилиндр, а анодом тонкая нить (толщиной 10 — 100 мкм), натянутая по оси цилиндра.
Пропорциональный счетчик, как правило, наполняют инертным юзом с небольшой примесью многоатомиых газов. При попадании в счетчик ионизующей частицы большая часть образовавшихся электронов дрейфует в электрическом поле к аноду без размножения. 1-!о вблизи анода, на расстояниях, сравнимых с диаметром нити, электрическое поле Е настолько велико, что электроны вызывают вторичную ударную ионизацию возникает несамостоятельный электрический разряд (см. т.
!!1, ~ 112). В результате на анод приходит электронная лавина н в ряде случаев сигнал, порождаемый первичной частицей, получается достаточно сильным,так что для его регистрации не требуется усиления. В этом отношении пропорциональный счетчик отличается от ионизационной камеры. Отношение полного числа собранных электронов к их первоначальному числу называется кооффициегстом газового усилен я М. Этот коэффициент тем больше, чем больше отношение Е(Р (Я вЂ” давление газа: в формировании импульса участвуют и ионы). При полном торможении частицы в пропорциональном счетчике сигнал,как и вионизационной камере, пропорционален энергии частицы, затраченной на ионизацию.
Дело в том, что вторичная ионизация, вызываемая электронами, происходит в очень малой области порядка 10 з см вокруг нити. Объем этой области ничтожен по сравнению с полным объемом счетчика. Практически первичная ионизация всегда происходит вне этой области. Поэтому любой первичный электрон вызывает вблизи нити электронную лавину одной и той же мощности. А так как число первичных электронов, возникающих при ионизации атомов, производимой частицей, пропорционально ее энергии, то отсюда и следует вывод, сформулированный выше. Этот вывод и дает основание называть счетчик пропорциональным. Типичные характеристики пропорциональных счетчиков: коэффициент газового усиления М 10з — 10ч, но иногда может достигать и 10в; амплитуда импульса 10 ~ В при электрической емкости самого счетчика около 20 пФ; развитие лавины происходит за время 10 э — 10 'в с, однако момент появления сигнала на выходе счетчика зависит от места прохождения ионизующей частицы, т.е.
от времени дрейфа первичных электронов до анода, !(ропорциональные счегчики обладают практически стопроцентной эффективностью по отношению к заряженным частицам. Эти счетчики дешевы и просты в обращении. ) Импульсные ионизационные камеры используются Лля регистрации сильноиоиизнрующих частиц: о-частиц, ядер-осколков и др. Для регистрации фона т-излучения (в дозиметрви) используются токовые ионизационные каморы. 6 86) Детекторы частиц Пропорциональные счетчики используются для регистрации всех видов частиц: о-частиц, электронов, осколков деления, атомных ядер и пр., а также всех сильно взаимодейсгвующих нейтральных частиц (по порождаемым ими заряженным частицам). Эти счетчики сыграли важную роль в развитии ядерной физики довоенного времени, так как они наряду с ионизационной камерой были практически единственными электронными спектрометрическими детекторами. Главным недостатком пропорциональных счетчиков является сильная зависимость амплитуды импульса от состава газовой смеси и приложенного напряжения, а также недостаточно высокое временное разрешение (порядка 10 т с).
Прн работе с полным импульсом разрешающее время определяется временем дрейфа положительных ионов к катоду. Это время по порядку величины равняется 10 ~ с. Однако его можно значительно уменьшить, использовав то обстоятельство,что скорость нарастания импульса наибольшая в первые моменты отхода ионов от нити. Это дает возможность работать на начальном участке импульса и достичь разрешающего времени 10 а-10 " с при не очень малом выходном импульсе (10 ~ В). Пропорциональные счетчики применяются главным образом для регистрации и измерения энергии частиц с не слишком большими энергиями.
Заметим еще, что в связи с появлением ЭВМ в конце 60-х годов, в физике частиц высоких энергий начала применяться пропорциональн я камера. Не вдаваясь ни в какие подробности, заметим, что она сосгонт нз большого числа (10з-10е) небольших пропорциональных счетчиков, расположенных в одной плоскости и обычно в одном газовом объеме. С ее помощью можно воспроизводить траекторию частицы. Таким образом, она одновременно выполняет функции быстродействующего спектрографа и трекового детектора. 5. Если повышать напряжение на электродах пропорционального счетчика, то, начиная с некоторого напряжения, импульс становится не зависящим от энергии первичной частицы, так как прибор начинает работать в режиме самостоятельного разряда, но этот импульс возрастает с повышением напряжения.
Такая область напряжений называется областью Гейгера. Прибор, работающий в указанном режиме, носит общее название счетчика Гейгера, В сущности, он представляет собой газоразрядный промежуток с сильно неоднородным полем. В первоначальных вариантах счетчика, разработанных самим Гейгером, сильно неоднородное электрическое поле возникало вблизи металлического острия, служившего анодом. В более поздних вариантах, предложенных совместно с Мюллером, анод был заменен тонкой проволочкой, натянутой вдоль оси цилиндрического конденсатора. В этой конструкции прибор называют счетчиком Гейгера — Мюллера.
Один из видов счетчика Гейгера — Мюллера уже был описан нами в З 8 (п. 2, рис. 15). В счетчике Гейгера — Мюллера электроды заключены в герметический резервуар, наполненный юзом при давлении 100-200 мм рт.ст. К электродам прикладывается напряжение в несколько сотен вольт. 566 Источники и методы регистрации ядерных частиц ( Гл. Х!! При попадании в счетчик ионизующей частицы в газе возникают свободные электроны, когорые начинают двигаться к нити-аноду. Так зарождается электронная лавина. Около анода, где напряженность электрического поля очень велика, электроны, обрвзовавгпиеся в результате первичной ионизации, ускоряются настолько, что сами начинают ионизовать газ, усиливая ранее образовавшуюся лавину.
Вновь возникшие электроны сами могут набрать достаточную скорость, чтобы в свою очередь вызвать новую ионизацию и еще больше усилить лавину электронов. В результате возникает самостоятельный — коронный — разряд, распространяющийся вдоль нити. Разряд обрывается включением большого сопротивления й — 10з — 10э Ом (несамогвсящийся счетчик, рис. 155) либо использованием в счетчике газовой смеси, состоящей из инертного газа с примесью небольшого количества паров спирта (или другого многоатомного газа) и галоидов (самогасящийся счетчик). Счетчик Гейгера — Мюллера Рис. 155 В последнем случае механизм гашения разряда заключается в следующем. В отсутствие паров спирта фотоны достаточной энергии могут выбивать электроны с катода (см. г.
П!, 5 115), а эти последние, направляясь к аноду, будут усиливать электронные лавины. Пары же спирта делают этот процесс невозможным, так как молекулы спирта сильно поглощают фотоны, возбуждаются и диссоциируют при этом, но практически не испускают электронов. Положительные ионы благородного газа (аргона), возникающие при первичной или последующей ионизации, направляются к катоду. Но на своем пути они сталкиваются с молекулами спирта и нейтрализуются, звк как потенциал ионизации спирта (11,7 В) ниже потенциала ионизации аргона (15,7 В), а потому при столкновении энергетически выгодно, чтобы электрон перешел от молекулы спирта к иону аргона.
Возбужденные атомы аргона испускают фотоны, которые в отсутствие молекул спирта вызывают фотоэффект с поверхностей электродов счетчика, способствующих развитию разряда. Но молекулы спирта поглощают фотоны и при этом диссоциируют; фотоэффекта не происходит, и разряд обрывается. й 86) Детекторы частиц Электрические импульсы во внешней цепи, возникающие при вспышках разряда в счетчике Гейгера — Мюллера, усиливаются и регистрируются (см. рис. 155). Гамма-кванты регистрируются по вторичным заряженным частицам -- фотоэлектронам, комптоновским элекгронам, электрон — позитронным парам; нейтроны — по ядрам отдачи и продуктам ядерных реакций, возникающих в газе счетчика. Счетчики Гейгера — Мюллера характеризуются высокой эффективностью и большой амплитудой сигнала (2 — 40 В).
Эффективность регистрации заряженных частиц счетчиками Гейгера — Мюллера близка к 100 оы Эффективность всех газоразрядных сче гч иков по отношению к регистрации у-квантов не превышает 1-3%. Недостатки счетчиков Гейгера — Мюллера: невозможность измерять энергию частицы, невысокое временное разрешение (10 " с), большое время восстановления их чувствительности (10 а-10 э с). Последнее определяется временем дрейфа к катоду положительных ионов, возникающих при ионизации частиц газа. 6. Ионизацион««ь«е газовые детекторы сыграли фундаментальную роль на раннем этапе развития ядерной физики.
Они применялись для регистрации естественных радиоактивных излучений и космических лучей. Однако с появлением ускорителей, создающих интенсивные пучки заряженных частиц (10е-10 с «) высоких энергий, ионизационные «ивовые детекторы оказались слишком медленными и были дополнены сцинтилляционнь ми и черенковскими счетчиками.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
