Ионизационные камеры в импульсном режиме

Такая ионизационная камера позволяет измерить заряд или ток, который обусловлен движением ионов в камере, созданных отдельной ионизирующей частицей, при условии разумного выбора постоянной времени RC. Если постоянная RC больше времени движения ионов в камере, то амплитуда импульса напряжения определяется отношением числа пар ионом, образуемых в камере регистрируемой частицей, к сумме емкости камеры и паразитных емкостей. Так, если энергия заряженной частицы 5 МэВ, а эквивалентная емкость 20 пФ, то максимальное значение импульса на входе усилителя составит 1,2 мв, если учесть, что для образования пары ионов необходима энергия 30 эВ. Считая, что число пар ионов, созданных в камере ионизирующей частицей, пропорционально ее энергии, можно исследовать с помощью ионизационной камеры в импульсном режиме не только распределение частиц во времени, но и их распределение по поглощенной в камере энергии. Форма импульса, его длительность определяются постоянной времени RC и скоростью движения электронов и ионов. Длительность импульса даже при малых значениях RC не может быть меньше времени движения электронов в камере. Это означает, что камера сможет регистрировать частицы как отдельные события, если временные интервалы между ними будут больше, чем время сбора носителей зарядов на электроды камеры. В противном случае импульсы от отдельных частиц будут налагаться, что искажает временное и энергетическое распределения регистрируемых частиц. Для устранения нежелательного эффекта наложения импульсов необходимо, чтобы среднее расстояние между импульсами, регистрируемыми камерой, было много меньше длительности импульсов. Форму импульсов в ионизационных камерах можно вычислить по теореме Рамо – Шокли.

Форма импульса в плоской камере

В плоской камере с расстоянием между плоскопараллельными электродами d электрическое поле постоянно и при единичном напряжении на собирающем электроде Е_v=1/d. Пусть заряженная частица проходит параллельно плоскости электродов на расстоянии х₀ от положительною собирающего электрода и создает п пар ионов. Тогда, учитывая, что скорости дрейфа электронов и ионов будут постоянными в плоской камере, и считая величину постоянной RС большой в сравнении с временем сбора ионов d/w⁺, получаем

и

Выражения для V^-(t) и V⁺(t) справедливы при 0 <t < (d-x₀)/w⁺, соответственно. Максимальные значения импульса

.

Максимальное значение V (t) не зависит от места образования ионов в камере и равно пе/С. Но чтобы получить амплитуду пе/С, необходимо время около d/w⁺, т.е. порядка миллисекунд. Использование камер со столь длинными импульсами неудобно, так как временные характеристики прибора не могут удовлетворить многим задачам. Такие камеры с большими постоянными RС > d/w⁺ называют камерами с полным (или ионным) собиранием. Основное преимущество таких камер состоит в том, что максимальное значение амплитуды импульса определяется только числом образованных в камере пар ионов и не зависит от места попадания ионизирующей частицы в камеру и от ее ориентации. Камера может иметь значительно лучшие временные характеристики, если использовать меньшие значения RC и при этом выбрать газы для ее наполнения с малой вероятностью образования электроотрицательных ионов.

Поскольку скорость дрейфа электронов почти в 10³ раз больше скорости дрейфа ионов, то нетрудно подобрать такую величину RC, чтобы d/w^- < RC << d/w⁺. Тогда отношение

при x₀ < d и при x₀ ≈ d.

Таким образом, амплитуды импульсов, обусловленные движением электронов, будут во много раз больше амплитуд импульсов, обусловленных движением ионов (кроме случаев первичной ионизации при x₀ << d).

Другими словами, можно пренебречь током, индуцированным движением положительных ионов. Камеры с таким режимом работы носят название камер с электронным собиранием. В камерах с электронным собиранием, когда величина RC ≥ d/w^-, максимальное значение импульса зависит от места ионизации и от ориентации пути частицы в камере. Зависимость амплитуды импульса в камерах с электронным собиранием от места попадания и направления движения частицы обычно называют индукционным эффектом. Этот эффект – очень нежелательное явление, поскольку частицы с одинаковой энергией могут создать импульсы с различными амплитудами.

Имеется много способов уменьшения индукционного эффекта. Предположим, что RC « d/w^-, тогда амплитуда импульса для всех частиц, создавших ионизацию на таком расстоянии х₀ от собирающего электрода, когда x₀/w^-> 3RC. Таким образом, для всех этих частиц амплитуда импульса не зависит от места ионизации. Но амплитуда импульса в этом случае будет в RCw^-/d раз меньше, чем амплитуда при полном собирании. В этом случае импульс нарастает до своего максимального значения за время порядка 4RC и затем имеет плато до t = x₀/w^-, после чего спадает по экспоненте с постоянной RC.

Максимальное значение импульса зависит от выбранного значения RC и тем больше, чем больше RC. Но чем больше RC, тем меньше область камеры, в которой не будет индукционного эффекта. Если потребовать чтобы индукционный эффект не влиял на амплиту­ду импульса в 0,9 объема камеры, то

Индукционный эффект можно уменьшить (и даже совсем от него избавиться), если отделить область, где происходит образование ионов и электронов, от области, где движение электронов индуцирует ток на собирающем электроде. Объем камеры разделяется третьим электродом – сеткой. Расположение сетки и схема включения такой камеры показаны на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема плоской камеры с сеткой

Образованные в объеме I электроны дрейфуют в направлении собирающего электрода. Но пока дрейф происходит в области I, возникает лишь сеточный ток, поскольку собирающий электрод экранирован сеткой. Движение электронов в объеме II будет индуцировать ток на собирающем электроде.

Таким образом, независимо от места ионизации в объеме I все электроны будут индуцировать ток на собирающем электроде в течение времени движения но объему II. Очевидно, что собранный заряд в данном случае будет пропорционален числу пар ионов, созданных ионизирующей частицей, а максимальное значение импульса

Сетку следует делать достаточно прозрачной, чтобы электроны не оседали на ней, но, с другой стороны, достаточно плотной, чтобы обеспечить надежное экранирование собирающего электрода. Оседание электронов на сетке уменьшается, если увеличивать электрическое поле между сеткой и собирающим электродом. Наконец поле в области I должно быть достаточно большим, чтобы препятствовать рекомбинации и образованию электроотрицательных ионов.

Индукционный эффект слабее выражен в камерах с непостоянным по объему электрическим полем. С этих позиций особое внимание заслуживают цилиндрические и сферические камеры.

Форма импульса в ци­линдрической камере

Напряженность ноля в такой камере (рис. 2.5) зависит от расстояния до центра камеры и определяется следующим выражением:

где u₀ – напряжение, приложенное к камере; r – расстояние от оси камеры, на котором определяется напряженность поля; r₂ и r₁ радиусы внешнего и внутреннего электродов камеры.

Зависимость V(t) на центральном электроде камеры получим при следующих условиях: постоянная времени RC >> r₂/w⁺, ионизирующая частица проходит в камере на расстоянии r₀ от центра камеры параллельно оси симметрии и создает п пар ионов, потенциал собирающего электрода выше потенциала внешнего электрода.

Максимальное значение импульса достигается при r = r₂

Скорость дрейфа электронов сложным образом зависит от напряженности поля, и эта зависимость различна для разных газов. В первом приближении можно считать, что для таких газов, как водород, гелий, кислород и азот скорость дрейфа пропорциональна корню квадратному из напряженности поля, поэтому можно, принять, что . Следует помнить, что вид зависимости от напряженности поля не повлияет на величину , а скажется только на зависимости .

Рис. 2.5. Схема цилиндрической камеры в импульсном режиме и зависимость от времени амплитуды импульса на аноде

Максимальное значение импульса достигается при r = r₀

На рис. 2.5 показаны зависимости V (t) для нескольких зна­чений r₀. Из полученных выражений для формы импульса и рис. 6 видно, что максимальное значение амплитуды импульса за счет движения электронов слабее зависит от места образования электронов и ионов, чем это было в плоской камере. Таким образом, в цилиндрической камере зависимость амплитуды электронного импульса от места образования ионов (индукционный эффект) слабее, чем в плоской. В цилиндрической камере влияние индукционного эффекта тем слабее, чем больше отношение радиусов электродов камеры r₂/r₁.

Форма импульса меняется при различных величинах постоянной RC. Форму импульса с учетом малых значений RC вычислить трудно, поскольку скорость дрейфа электронов не имеет аналитической связи с величиной напряженности поля.