ГАЗОВЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Основные типы детекторов

При прохождении заряженных частиц в газах в результате ионизации образуются электроны и ионы. Если ионизация происходит в объеме между двумя электродами, которые имеют разность потенциалов, то за счет движения электронов и ионов к электродам в электрической цепи возникнет ток.

Все газовые ионизационные детекторы представляют собой конденсаторы, в которых пространство между электродами заполнено каким-либо газом. В зависимости от величины и распределения напряженности электрического поля в газовом промежутке – эти детекторы обладают разными свойствами. Так, при сравнительно малых напряженностях электрического поля ток, протекающий в электрической цепи, не зависит от напряжения на конденсаторе и равен числу пар ионов, которые возникают в единицу времени в объеме детектора, умноженных на заряд электрона. Такие детекторы называют ионизационными камерами. При более высоких значениях напряженности поля в результате газового усиления ток в электрической цепи может быть во много раз больше, чем число зарядов, возникающих в детекторе в единицу времени. При этом ток зависит от напряжения на конденсаторе и пропорционален ионизационному эффекту, создаваемого излучением. Такие детекторы называют пропорциональными счетчиками. Наконец, при еще более высоких значениях напряженности поля в конденсаторе возникает разряд, если в объем детектора попадает заряженная частица. Такие детекторы называют газоразрядными счетчиками.

Ионизационные методы регистрации основаны на измерении заряда или тока, создаваемого заряженными частицами при прохождении в газовой полости конденсатора. Рассмотрим связь между энергией заряженной частицы и созданной ею ионизацией. Это очень существенная зависимость, поскольку в ионизационных камерах и пропорциональных счетчиках по ионизационному эффекту определяют энергию частицы. Экспериментально было установлено, что средняя энергия W, расходуемая на создание одной пары ионов, слабо зависит от энергии заряженной частицы, от ее массы и заряда. Этот факт можно объяснить тем, что отношение вероятностей возбуждения и ионизации атомов не зависят от свойств частиц, поскольку в каждом акте взаимодействия частица теряет очень малую долю своей энергии.

Для спектрометрических измерений наиболее существенно знать с большой точностью связь W с энергией частицы. Многочисленные исследования показали, что в аргоне, например, с точностью до 0,5% W не зависит от энергии заряженных частиц. Для воздуха величина W зависит заметно от энергии частиц. Так, для α-частиц при изменении энергии от 3…4 Мэв до 50 кэв средняя энергия W меняется примерно на 10 %.

Более интересно другое обстоятельство – энергия, расходуемая на создание пары ионов, в различных газах практически одинакова. Например, в аргоне она даже меньше, чем в кислороде, хотя энергия, необходимая для ионизации атомов аргона, больше, чем для ионизации атомов кислорода. Это странное на первый взгляд явление можно объяснить тем, что энергии, необходимые для возбуждения, и вероятности возбуждения атомов и молекул различных газов могут заметно отличаться. В частности, в благородных газах энергии возбужденных состояний более высокие, но вероятности их возбуждения оказываются сравнительно малыми. Напротив, у кислорода уровни возбужденных состояний расположены ниже, но вероятности их возбуждения больше. В табл. 1 приведены значения W для разных газов и видов заряженных частиц.

Таблица 1.

Энергия, расходуемая на образование пары ионов, эв

Частицы	Газ
	Воздух	Н2	Не	N2	O2	Аг	CH4	C2H4
α-частицы	35,0	36,0	30,2	36,0	32,2	25,8	29,0	27,0
Протоны	33,3	35,3	29,9	33,6	31,5	25,5	–	–
Электроны	35,0	38,0	32,5	35,8	32,2	27,0	–	–

Методы регистрации без газового усиления

Для корректного измерения энергии частиц необходимо, чтобы все образовавшиеся электроны и ионы достигли электродов камеры конденсатора. Последнее не всегда осуществляется, поскольку электроны и ионы помимо движения вдоль силовых линий электрического поля находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении, что мешает всем носителям заряда собраться на соответствующие электроды. Кроме того, при соударениях электронов с молекулами образуются электроотрицательные ионы, происходит рекомбинация, ионизация ударом. Все эти явления: и диффузия, и рекомбинация, и образование электроотрицательных ионов – меняют величины среднего тока или импульса.

То, что перечисленные явления имеют существенное значение, убедительно показывает зависимость тока от напряжения для камеры (конденсатора), облучаемой заряженными частицами (рис. 1).

В области I поле, создаваемое внешним источником с напряжением u₀, еще недостаточно, чтобы все электроны и ионы попадали на собирающие электроды, в области II (область работы ионизационных камер) поле достаточно, чтобы эффекты от рекомбинации и диффузии были пренебрежимо малы.

Рис. 1. Зависимость тока в камере от разности потенциалов на

ее электродах при постоянном ионизационном эффекте

При дальнейшем увеличении напряжения электроны могут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приводит к увеличению тока.

Относительная протяженность плато в вольтамперной характеристике существенным образом зависит от газа, наполняющего камеру, давления, температуры, плотности ионизации. При больших давлениях и большой плотности ионизации, особенно в случаях наполнения камер газами с большой вероятностью образования электроотрицательных ионов, вольтамперная характеристика может даже не иметь плато. Верхняя граница плато определяется такими величинами напряженности поля в камере, при которых электроны могут приобрести на пути между двумя соударениями энергию, достаточную для ионизации молекул газа. Очевидно, что чем больше свободный пробег электрона и чем ниже потенциал ионизации, тем раньше наступают эффекты вторичной ионизации. Нижняя граница плато зависит от того, насколько велико значение процессов диффузии и рекомбинации. Рассмотрим количественные характеристики процессов диффузии, рекомбинации и образования электроотрицательных ионов.