Пропорциональный счетчик

При напряженностях поля порядка 10⁴ В/см и выше образованные частицей свободные электроны могут набрать в этом поле энергию, достаточную для ударной ионизации атомов или молекул газа. Электрон может ионизовать атом. В результате появляется новый свободный электрон, и теперь уже два электрона могут производить ионизацию. Возникает эффект газового усиления - электронно-ионная лавина. Тяжелые ионы ускоряются незначительно и ударной ионизации не вызывают.

Развитие лавины характеризуется коэффициентом ударной ионизации α, которая равна числу электронно-ионных пар, рожденных одним электроном на 1 см пути в направлении электрического поля.

Рассмотрим случай постоянного электрического поля напряженностью Е. Если на расстоянии «x» от положительного электрода содержится N(x) электронов, то в сколь угодно тонком слое толщиной “ dx ” в результате ударной ионизации по определению коэффициента α родится дополнительное количество электронов dN = N(x) α dx, или dN/dx = α N(x). Если на расстоянии “x” от положительного электрода родилось в результате ионизации, вызванной частицей, N₀ электронов, то к положительному электроду подойдет N(x) = N ₀ электронов.

Коэффициентом газового усиления называется величина

m = e^αx (26)

где α – коэффициент ударной ионизации, зависящий от напряженности электрического поля Е и давления газа Р.

Из формулы (26) видно, что величина коэффициента газового усиления зависит от расстояния между треком и анодом, и плоскопараллельная геометрия не годится для измерения энергии частицы. Для того чтобы практически исключить эту зависимость, в пропорциональных счетчиках обычно применяется цилиндрическая геометрия: катод в виде цилиндра диаметром 1-2 см, по оси которого натянута анодная нить диаметром от 100 до 20 микрон.

Коэффициент ударной ионизации α:

α/ Р = А ехр (- ВР / Е) (28)

где А и В – некоторые константы для данного газа.

Для случая непостоянного поля, как это имеет место в пропорциональном счетчике, α = α(r), и тогда коэффициент газового усиления: m = e .

Ток более чем на 90% состоит из ионной компоненты. Действительно, электроны в лавине рождаются в своей основной массе на расстоянии 2-3 радиуса нити и до своего собирания на нить проходят незначительную разность потенциалов.. Ионы рождаются там же_, но проходят практически всю разность потенциалов.

При больших значениях напряженности электрического поля существенную роль в образовании электронно-ионной лавины начинают играть и другие, более слабые эффекты.

1-й – фотоэффект на катоде изза излучения возбужденными атомами газа жесткого ультрафиолета.

2-й – ионы при своей нейтрализации на катоде вырывают электроны, поскольку потенциал ионизации аргона составляет 15,7 эВ, а работа выхода электрона из металла всего 4,4 эВ (для меди).

Оба эти процесса объединяются одним коэффициентом – коэффициентом поверхностной ионизации ψ, дающим относительный выход электронов с катода на один приходящий к катоду положительный ион. Обычно ψ ~ 10^-4 (аргон).

Полное число электронно-ионных пар газового усиления равно:

N = mN_o + ψ m²N_o + ψ ²m³N_o +...

Если ψ m 1, возникает сходящаяся геометрическая прогрессия, для которой:

M = (29)

где М – полный коэффициент газового усиления. При ψ m® 1, М® ¥. На практике это означает возникновение в объеме счетчика непрерывного газового разряда. Это область работы несамогасящегося счетчика Гейгера-Мюллера. Гашение разряда в таком счетчике происходит на внешнем сопротивлении нагрузки.

Таким образом, газонаполненный счетчик может работать в режиме ионизационной камеры, в режиме пропорционального счетчика или счетчика Гейгера-Мюллера в зависимости от приложенного напряжения. Это демонстрируется на Рис.9, где индексом V _T отмечено начало режима пропорционального усиления.

Рис.9.Различные режимы работы газового детектора.

При ψ ~ 10^-4, обычно коэффициент газового усиления в техническом аргоне не превышает М ~ 10 ³, т.к. при m = 10⁴ возникает газовый разряд. Однако можно значительно уменьшить коэффициент поверхностной ионизации ψ путем введения в газ специальной примеси. Обычно в качестве таких примесей применяются пары спирта C₂H₅OH, метан CH₄, изобутан i-C₄H₁₀.

Пропорциональные счетчики имеют очень широкое применение для регистрации и измерения энергии различных частиц – от релятивистских до низкоэнергетических электронов β-распада радиоактивных источников.

Для регистрации тепловых нейтронов применяются пропорциональные счетчики, заполненные газом BF₃

Пропорциональные счетчики широко применяются для регистрации релятивистских частиц. При больших коэффициентах усиления ≥10⁴ и выше, даже минимально ионизирующая частица создает в счетчике сигнал, на много порядков превышающий уровень шума внешнего усилителя. Тогда можно измерить удельные ионизационные потери частицы dE/dx.

Пропорциональные счетчики малого диаметра нашли массовое применение в приборах – трекерах, т.е. приборах, в которых прослеживаются треки частиц (при одновременном измерении удельных ионизационных потерь).

Поиск по сайту: