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. 2.1).

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.

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.

Рис. 2.1. Зависимость тока в камере от разности потенциалов на ее

электродах при постоянном ионизационном эффекте

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.

Диффузия электронов и ионов

Электроны и ионы, как и молекулы любого газа, движутся в среднем всегда в направлении меньшей концентрации частиц данного вида. Такое «среднее движение» обычно характеризуют коэффициентом диффузии. Коэффициент диффузии – это величина, постоянная для данного вида частиц и заданных условий, связывает изменение числа частиц данного вида в единице объема во времени dnldt со скоростью изменения плотности этих же частиц в заданном направлении d²n/dx², т.е.

Коэффициент диффузии имеет размерность [см²/сек]. Из статистической физики известно, что коэффициент диффузии связан со средней длиной свободного пробега частиц между соударениями λ и средней скоростью между соударениями . Эта связь имеет очень простой вид, если предполагается, что λ не зависит от v и, что при соударениях имеется равновероятное распределение частиц по углам после рассеяния. В этом приближении

или если ввести

где – средний свободный пробег при единичном давлении; р – давление.

Коэффициенты диффузии очень сильно отличаются по величине для тяжелых ионов и электронов. Однако различие не только в их абсолютных значениях. Коэффициенты диффузии для тяжелых положительных и отрицательных ионов можно считать независимыми от внешнего электрического поля. Это связано с тем, что при умеренных величинах напряженности полей энергия заряженных тяжелых ионов мало отличается от энергии нейтральных молекул, поскольку при соударениях тяжелых ионов с молекулами газа происходит интенсивный обмен энергией (упругие соударения частиц с равными массами). Если же энергия ионов мало меняется за счет внешнего поля, то и величины и изменяются слабо. Для электронов дело обстоит иначе. Так как в результате упругого соударения электроны теряют малую долю своей энергии, то в электрическом поле средняя энергия электронов будет зависеть от напряженности электрического поля и, кроме того, величины для электронов зависят от их скорости .

Рост температуры увеличивает среднюю скорость , и коэффициент D повышается. При уменьшении давления возрастает , что также приводит к росту D. Коэффициенты диффузии для положительных и отри­цательных тяжелых ионов различаются незначительно. Отличие в величинах D⁺ и D^-, видимо, связано с различным распределением положительных и отрицательных зарядов в атомах среды. Для электронов величины D значительно больше и зависят от отношения напряженности электрического поля к давлению Е/р. Изменение давления при сохранении отношения Е/р меняет коэффициент диффузии для электронов в l/р раз.