6.4. ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ — ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ СЧЕТЧИКИ

Проанализируем сначала поведение газонаполненных газоразрядных трубок, которые схематически изображены на рис. 6.4. Что произойдет, если увеличивать напряжение между центральной проволочкой и корпусом камеры? Выходной сигнал меняется в зависимости от приложенного напряжения (рис. 6.5). На графике показан выходной сигнал устройства при прохождении через него электрона и -частицы. При этом различные участки кривых отражают следующее:

Рис. 6.4. Газонаполненный детектор и устройство для регистрации импульсов тока от ионизирующих частиц, проходящих через газовый объем [5, р. 201].

Рис. 6.5. Выходной импульс газонаполненного детектора, показанного на рис. 6.4, как функция напряжения Штриховая горизонтальная линия — уровень дискриминации для счетчика Гейгера — Мюллера. Две кривые являются откликом на быстрый электрон и ядро гелия а. Диапазоны описаны в тексте [5, р. 201].

Рис. 6.6. Принцип устройства пропорционального счетчика, используемого в рентгеновской астрономии.

A. Имеется заметная рекомбинация, так что не все свободные электроны, появившиеся в результате прохождения заряженной частицы, достигают анода.

B. Напряжение достигло достаточной величины, чтобы рекомбинация стала незначительной.

C. Это очень важная область. При таких напряжениях свободные электроны, достаточно близко подошедшие к аноду, приобретают энергию, достаточную для образования новых электрон-ионных пар. Это может привести к очень сильному увеличению амплитуды импульса напряжения на выходе, который далее регистрируется электронной схемой счетчика. На практике стараются подавать на эти устройства как можно более высокое напряжение. Его поднимают до тех пор, пока сохраняется линейность выходного сигнала счетчика, т.е. прка полное число вторичных электрон-ионных пар пропорционально числу электрон-ионных пар, образовавшихся при прохождении космической частицы. Этот участок называют областью пропорциональности, а устройства, работающие в таком режиме, — пропорциональными счетчиками.

D. Пропорциональность исчезает.

E. При самых высоких напряжениях любая частица, производящая даже минимальную ионизацию, даст на выходе импульс большой амплитуды. В этом случае устройство работает в режиме насыщения.

Пропорциональные счетчики по своей важности стоят далеко впереди всех таких устройств. Правда, из-за малости их размеров по сравнению с пробегами энергичных частиц они редко используются для регистрации заряженных частиц (хотя, конечно, они срабатывают, когда частица космических лучей проходит через их чувствительный объем). Они находят применение главным образом как детекторы рентгеновского излучения в области энергии Именно с помощью таких детекторов было сделано большинство последних крупнейших открытий в рентгеновской астрономии (см. ниже). Рассмотрим более подробно конструкцию, чувствительность и частотную характеристику детекторов, устанавливаемых на спутниках и ракетах (рис. 6.6). Рентгеновский фотон проникает через входное

окно в объем внутри корпуса и поглощается вследствие фотоэффекта в газе, выбивая фотоэлектрон. Возбужденный атом переходит в основное состояние, излучив флуоресцентный рентгеновский квант, либо испустив электрон Оже. Фотоэлектрон обладает достаточной энергией, чтобы ионизовать другие атомы газа, так что в конце концов, как и в случае ионизационных потерь, на каждые энергии падающего рентгеновского фотона образуется одна электрон-ионная пара. Эти пары дрейфуют в область большой напряженности, где число пар увеличивается в раз, после чего регистрируется сигнал. Такой коэффициент усиления достаточен, чтобы возник ощутимый для регистрации электронной схемой сигнал.

Рассмотрим энергетическую функцию отклика детектора. Вероятность поглощения фотона с энергией Ни в газе счетчика равна

где коэффициенты поглощения, толщина окна и глубина газового промежутка соответственно. Рассмотрим процесс поглощения на -оболочки атомов различных материалов. Типичная кривая массового коэффициента поглощения показана на рис. 4.1. Между пределами

Рис. 6.7. Вероятность поглощения рентгеновского фотона в базовом объеме пропорционального счетчика с аргоновым наполнением без учета поглощения в окне; сечение фотоэлектрического поглощения, толщина слоя газа.

Рис. 6.8. Вероятность поглощения рентгеновского фотона в газовом объеме пропорционального счетчика (рис. 6.7) с окном из органического материала, такого, как майлар.

поглощения сечение поглощения о пропорционально а поэтому для входного окна подбирается материал с малым а газ — с максимально возможным

Рассмотрим теперь как функцию энергии для детектора, наполненного аргоном, и входного окна, изготовленного из майлара (органической пластмассы). Если учитывать только аргон, то выходной сигнал имел бы вид, показанный на рис. 6.7. Поглощение в окне влияет на его форму и он имеет вид, как на рис. 6.8. Мы наблюдаем скачок, когда подходим к Копределу поглощения углерода, но в остальном выходной сигнал детектора в значительной мере определяется типом газа и материалом входного окна. Можно изготовить майларовую пленку толщиной до что составит толщина слоя аргона может достигать При производстве таких устройств, конечно, возникают значительные проблемы, например неизбежная для таких тонких окон утечка газа. Для работы на спутниках приходится использовать более толстые окна, что ограничивает рабочий диапазон энергий, так как для наблюдений доступны только фотоны с энергией выше Иногда окна изготавливаются из бериллиевой фольги. Для работы на самых низких энергиях, применяются очень тонкие окна, в этом случае необходима газопроточная система, поддерживающая давление газа в детекторе постоянным. Энергетическое разрешение можно улучшить с помощью фильтров, и, конечно, поскольку счетчик пропорциональный, мы получаем информацию об энергии каждого приходящего фотона по амплитуде выходного сигнала. Точность определения энергии фотона ограничена статистическими флуктуациями числа выбиваемых электронов. К примеру, при энергии фотона даже если бы эффективность детектора достигала 100%, образуется около 300 электрон-ионных пар, а статистическая точность должна быть хуже, чем т.е. в самом лучшем случае 5%. Обычно она несколько хуже.

Отметим, что устройства заполняются инертными газами, а это означает, что большая часть энергии фотона переходит в кинетическую энергию электронов. Если бы использовался молекулярный газ, то какая-то часть его энергии перераспределялась между уровнями, соответствующими колебательным и вращательным степеням свободы.

В пропорциональных счетчиках облако электронов довольно компактно, поэтому можно придумать такую схему прибора, которая позволяла бы определять место регистрации каждого рентгеновского кванта. Это осуществляется в позиционно-чувствительных детекторах. Положение точки, в которой облако электронов достигает анода, можно измерить по отношению зарядов, снимаемых с каждого конца проволочки, так как заряд, растекаясь вдоль проволочки в противоположных направлениях, распределяется обратно пропорционально длине отрезка от точки собирания до конца проволочки. Чтобы определить вторую координату места регистрации, можно использовать многопроволочные аноды, и та проволочка, по которой течет заряд, как раз и дает координату в направлении, ортогональном аноду. Альтернативной схемой является установка двух плоскостей взаимно перпендикулярных анодных и катодных проволочек, по которым локализуется каждое событие.

Такая модификация особенно важна для рентгеновских телескопов, в которых производится фокусировка рентгеновских лучей в фокальной плоскости и регистрируется двумерное изображение рентгеновского неба.