§ 82. Ионизационные камеры и счетчики

Ионизационные камеры и счетчики применяются для обнаружения 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 укрепления на изоляторах тонкая нить (анод). Катодом служит корпус счетчика.

Рис. 82.1.

Для впуска ионизирующих частиц в торце счетчика делается окошко из слюды или из алюминиевой фольги. Некоторые частицы, а также рентгеновское и гамма-излучение проникают в счетчик или ионизационную камеру непосредственно через их стенки. Ионизационная камера (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 пар первичных ионов (электронов и положительных ионов). Возникшие ионы увлекаются полем к электродам, вследствие чего через сопротивление R проходит некоторый заряд q, который мы будем называть импульсом тока. На рис. 82.2 приведена зависимость импульса тока q от напряжения И между электродами для двух различных количеств первичных ионов отличающихся в три раза На графике можно выделить шесть областей. Области I и II были рассмотрены в предыдущем параграфе.

В частности, область II есть область тока насыщения — все созданные ионизирующей частицей ионы достигают электродов, не успев рекомбинировать. Естественно, что при этом условии импульс тока не зависит от напряжения.

Начиная со значения напряженность поля оказывается достаточной для того, чтобы электроны могли ионизировать молекулы ударом. Поэтому количество электронов и положительных ионов лавинообразно растет. В результате на каждый из электродов попадает ионов. Величина А называется коэффициентом газового усиления. В области III этот коэффициент не зависит от количества первичных ионов (но зависит от напряжения). Поэтому, если поддерживать напряжение постоянным, импульс тока будет пропорционален количеству первичных ионов. Область III называется областью пропорциональности, а напряжение — порогом пропорциональной области. Коэффициент газового усиления изменяется в этой области от 1 в начале до в конце (рис. 82.2 выполнен без соблюдения масштаба по оси выдержано лишь соотношение 1 : 3 между ординатами кривых в областях II и III).

Рис. 82.2.

В области IV, называемой областью частичной пропорциональности, коэффициент газового усиленйя А все сильнее зависит от , в связи с чем различие в импульсах тока, порожденных различным количеством первичных ионов, все больше сглаживается.

При напряжениях, соответствующих области V (ее называют областью Гейгера, а напряжение — порогом 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 VI напряжение столь велико, что разряд, возникнув, не прекращается. Поэтому ее называют областью непрерывного разряда.

Ионизационные камеры. Ионизационной камерой называется прибор, работающий без газового усиления, т. е. при напряжениях, соответствующих области II. Существуют два типа ионизационных камер. Камеры одного типа применяются для регистрации импуль сов, порождаемых отдельными частицами (импульсные камеры).

Влетевшая в камеру частица создает в ней некоторое количество ионов, в результате чего через сопротивление R начинает течь ток Это приводит к тому, что потенциал точки 1 (см. рис. 82.1,а) повышается и становится равным IR (первоначально потенциал этой точки был такой же, как и заземленной точки 2). Этот потенциал поступает на усилитель и после усиления приводит в действие счетное устройство. После того как все попавшие на внутренний электрод заряды пройдут через сопротивление R, ток прекратится и потенциал точки 1 снова станет равным нулю. Характер работы камеры зависит от длительности импульса тока, вызванного одной ионизирующей частицей.

Рис. 82.3.

Чтобы выяснить, от чего зависит продолжительность импульса, рассмотрим цепь, состоящую из конденсатора С и сопротивления R j (рис. 82.3). Если сообщить обкладкам конденсатора разноименные заряды через сопротивление R потечет ток, вследствие чего заряды на обкладках будут убывать. Мгновенное значение напряжения, приложенного к сопротивлению, равно Следовательно, для силы тока получается выражение

Заменим силу тока через где — — убыль заряда на обкладках за время . В результате получится дифференциальное уравнение

Согласно (82.1) . Поэтому можно написать

Интегрирование этого уравнения дает

(через обозначена постоянная интегрирования). Наконец, пропотенцировав полученное выражение, придем к формуле

Легко сообразить, что представляет собой начальное значение силы тока.

Из выражения (82.2) следует, что за время

сила тока уменьшается в раз.

В соответствии с этим величина (82.3) носит название постоянной времени цепи. Чем больше эта постоянная, тем медленнее спадает ток в цепи.

Схема ионизационной камеры (см. рис. 82.1, а) сходна со схемой, изображенной на рис. 82.3. Роль Q играет межэлектродная емкость, показанная на схеме камеры пунктиром. С увеличением сопротивления R возрастает напряжение между точками 1 и 2 при данной силе тока и, следовательно, облегчается регистрация импульсов. Это обстоятельство побуждает применять R 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 R для импульсных камер приходится идти на компромисс. Обычно берут R порядка . Тогда при постоянная времени составляет .

Другим типом ионизационных камер являются так называемые интегрирующие камеры. В них берут R порядка 1015 Ом. При С постоянная времени будет равна 104 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

Пропорциональные счетчики. Импульсы, вызываемые отдельными частицами, могут быть значительно усилены (до раз), если напряжение между электродами попадает в область (см. рис. 82.2). Прибор, работающий в таком режиме, называется пропорциональным счетчиком. 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 которого происходит размножение, увеличиваются с ростом напряжения. В соответствии с этим увеличивается и коэффициент газового усиления.

Количество первичных ионов зависит от природы и энергии 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. Еще большего усиления импульса (до 108) можно достигнуть, заставив работать счетчик в области Гейгера (область V на рис. 82.2). Счетчик, работающий в этом режиме, называется счетчиком Гейгера — Мюллера (сокращенно счетчиком Гейгера).

Разряд в области Гейгера, будучи «запущен» ионизирующей частицей, в дальнейшем переходит в самостоятельный. Поэтому величина импульса не зависит от первоначальной ионизации. Для того чтобы получать от отдельных частиц раздельные импульсы, необходимо возникший разряд быстро прервать (погасить). Это достигается либо с помощью внешнего сопротивления R (в несамо гасящихся счетчиках), либо за счет процессов, возникающих в самом счетчике. В последнем случае счетчик называется самогасящимся.

Гашение разряда с помощьвнешнего сопротивления обусловливается тем, что при протекании по сопротивлению разрядного тока на нем возникает большое падение напряжения. Поэтому на межэлектродный промежуток приходится только часть приложенного напряжения, которая оказывается недостаточной для поддержания разряда.

Прекращение разряда в самогасящихся счетчиках вызывается следующими причинами. Электроны обладают примерно в 1000 раз большей подвижностью, чем положительные ионы. Поэтому за то время, за которое электроны достигают нити, положительные ионы почти не сдвигаются со своих мест. Эти ионы создают положительный пространственный заряд, ослабляющий поле вблизи нити, и разряд прекращается. Гашению разряда в этом случае препятствуют дополнительные процессы, которые мы не будем рассматривать. Для их подавления к газу, заполняющему счетчик (обычно аргону), добавляется примесь многоатомного органического газа (например, паров спирта). Такой счетчик разделяет импульсы от частиц, следующих друг за другом с интервалами порядка .