Григорев Газоразрядные детекторы елементарных частиц 2012

тектора), так как работа по переносу заряда А = e (φ1 – φ2), где (φ1 – φ2) – пройденная разность потенциалов.

При полном интегрировании обеих компонент тока необходимо выбирать постоянную времени RнСэ >> T+. В этом случае амплитуда импульса напряжения Uвых пропорциональна энергии частицы, однако поскольку длительность снимаемого сигнала определяется временем разряда Сэ, т.е. много больше Т+ и составляет не менее 10-2с, загрузочная способность (средняя скорость регистрации частиц) мала. Действительно, вероятность наложения двух сигналов друг на друга находится из распределения Пуассона, и если принять, что при длительности импульса 10-2с вероятность наложения должна составлять не более 1 %, максимальная интенсивность пуассоновского потока частиц равна всего 1 частице в секунду!

При выборе значения RнСэ таким, что Т+ RнСэ Т--, интегри-

руется только электронная компонента тока. Однако в этом случае величина сигнала будет зависеть не только от энергии частицы, но и от ориентации трека частицы, так как в зависимости от ориентации трека по отношению к электродам электроны будут проходить различную разность потенциалов.

При конечном значении RнСэ емкость Сэ заряжается током камеры и одновременно разряжается через сопротивление нагрузки Rн (будем для простоты обозначать их просто RC).

Рассмотрим случай, когда через камеру течет ток, определяемый носителями обоих знаков. В этом случае выходное напряжение, определяемое каждым из носителей по отдельности, описывается выражением

при 0 ≤t ≤Tсоб , где Tсоб – время собирания носителей – Т+ или Т– на соответствующий электрод. При t >Тсоб это выражение не действи-

тельно, так как ток внутри камеры не течет, и емкость разряжается по экспоненте.

При t = Тсоб:

31

(Tсоб=Т+ = 10-3 с).

Как уже упоминалось выше, электроотрицательные примеси могут при соответствующей (и довольно небольшой) концентрации практически полностью уничтожать электронную компоненту – ток будет состоять только из тока положительных и отрицательных ионов. Поэтому в ионизационных камерах (и газонаполненных детекторах вообще) применяются газы, тщательно очищенные от электроотрицательных примесей.

Обычно ионизационные камеры применяются для измерения энергий α-частиц и осколков деления. При этом α-источник или делящийся материал размещают на отрицательном электроде. Пробеги α-частиц естественной радиоактивности и более тяжелых осколков деления в газе при атмосферном давлении невелики, обычно несколько сантиметров для α-частиц и меньше для осколков деления, α -частицы и осколки деления в рабочем объеме камеры полностью теряют свою энергию.

Для того чтобы избежать индукционного эффекта и при этом использовать только электронную компоненту, применяются трехэлектродные ионизационные камеры – между двумя электродами вводится сетка, свободно пропускающая дрейфующие электроны. Пробег частицы должен полностью укладываться между отрицательным электродом и сеткой (имеющей относительно него положительный потенциал), а сигнал снимается с промежутка сетка –

положительный электрод (анод), по отношению к которому сетка

имеет отрицательный потенциал. При этом электроны, образованные частицей, проходят одинаковое расстояние между сеткой и положительным электродом (анодом) независимо от ориентации трека в промежутке отрицательный электрод (катод) – сетка, и индукционный эффект пропадает.

Другой путь уменьшения влияния индукционного эффекта – это создание внутри камеры резко неравномерного электрического по-

32

110 мм и длиной 170 мм (катод). Анод изготовлен в виде цилиндра диаметром 10 мм, окруженного сеткой диаметром 20 мм. Камера заполнена газообразным ксеноном до плотности 0,4 г/см3. На катод подается напряжение питания 20 кВ, а на сетку – 10 кВ. Подобная конструкция обеспечивает условия, при которых более 90 % гаммаквантов (и их треков) располагаются в промежутке сетка-катод и не подвержены индукционному эффекту. Искажениям, связанным с индукционным эффектом, подвержены менее 10 % событий. Благодаря оригинальной конструкции и применению сверхчистого ксенона энергетическое разрешение такой камеры составляет 2 % на линии 662 кэВ, что примерно в 3 раза лучше, чем у детектора на основе сцинтиллятора NaI(Tl), хотя несколько уступает последнему в эффективности (эффективность камеры равна 15 % при Е = = 1 МэВ, а эффективность сцинтилляционного детектора на основе сцинтиллятора NaI(Tl) в зависимости от размера сцинтиллятора может достигать более 90 %).

Тем не менее, ионизационная камера имеет ограниченную область применения из-за малости сигнала, возникающего во внешней RC-цепи. При регистрации α-частиц с энергией порядка 5 МэВ величина сигнала составляет примерно 10-4В, что требует большого внешнего усиления.

2.2. Пропорциональный счетчик

При напряженностях поля порядка 104 В/см и выше образованные частицей свободные электроны могут набрать в этом поле энергию, достаточную для ударной ионизации атомов или молекул газа. Когда электрон набирает энергию, достаточную для ионизации в ближайшем столкновении, он может ионизовать атом. В результате появляется новый свободный электрон, и теперь уже два электрона могут набирать энергию и производить ионизацию. Возникает эффект газового усиления – электронно-ионная лавина. При этом тяжелые ионы ускоряются незначительно и ударной ионизации не вызывают. Применение эффекта газового усиления в газонаполненных приборах сильно расширяет их возможности.

Развитие лавины характеризуется коэффициентом ударной ионизации α, которая равна числу электронно-ионных пар, рожден-

34

ных одним электроном на 1 см пути в направлении электрического поля.

Рассмотрим случай постоянного электрического поля напряженностью Е. Если на расстоянии x от положительного электрода содержится N(x) электронов, то в сколь угодно тонком слое толщиной dx в результате ударной ионизации по определению коэффициента α родится дополнительное количество электронов dN = N(x)α dx, или dN/dx = α N(x). Если на расстоянии x от положительного электрода родилось в результате ионизации, вызванной частицей, N0 электронов, то к положительному электроду подойдет N(x) =

= N0 eαx электронов.

где α – коэффициент ударной ионизации, зависящий от напряженности электрического поля Е и давления газа Р.

Из формулы (2.6) видно, что величина коэффициента газового усиления зависит от расстояния между треком и анодом, и плоскопараллельная геометрия не годится для измерения энергии частицы. Для того чтобы практически исключить эту зависимость, в пропорциональных счетчиках обычно применяется цилиндрическая геометрия (рис. 2.2, 2.3): катод выполняется в виде цилиндра диаметром 1-2 см, по оси которого натянута анодная нить диаметром 100 микрон или меньше (до 20 микрон). Напряженность электронного поля Е в такой геометрии растет по мере приближения к нити:

где V – приложенная разность потенциалов, rk – радиус катода, rа – радиус анодной нити.

35

r∫1 α(r)dr

В такой геометрии напряженность электрического поля, достаточная для ударной ионизации газа, достигается на расстоянии нескольких радиусов анодной нити от ее оси. Так, для счетчика с радиусом катода 1см и радиусом анодной нити 10-2 см напряженность поля порядка 2 кВ/см, при которой процесс ударной ионизации становится заметным, достигается на расстоянии около 1 мм от оси счетчика. В остальном объеме счетчика (99 %) поле относительно мало, и в нем происходит дрейф электронов к области ударной ионизации. Но и в остальном 1 % объема основная доля вторичных процессов проходит вблизи нити в еще меньшем объеме. В силу малости объема области ударной ионизации коэффициент газового усиления α уже практически не зависит от ориентации трека, поскольку условия размножения электронов выполняются в весьма малом объеме вокруг нити и одинаковы для любых треков, расположенных вне этого весьма малого объема.

Ток в пропорциональном счетчике более чем на 90 % состоит из ионной компоненты. Действительно, электроны в лавине рождаются в своей основной массе на расстоянии 2–3 радиуса нити и до своего собирания на нить проходят незначительную разность потенциалов. Ионы, в свою очередь, рождаются там же, где и электроны, но проходят практически всю разность потенциалов, причем большую ее часть на первых нескольких радиусах нити и за очень (около 10 мкс) малое время, так как движутся на небольшие расстояния в очень сильном поле. Поэтому при значениях RC нагрузки больше 10-5 с амплитуда сигнала, снимаемого со счетчика, увеличивается всего максимум вдвое (рис. 2.4). Значение RC = 10-5 c позволяет получить хорошее энергетическое разрешение при достаточно высоком быстродействии.

37

и в процессах столкновения возбужденных атомов газа и атомов газа, находящихся в основном состоянии, так или иначе перерабатывается в тепло. Однако небольшая часть фотонов в конечном счете может все же достичь катода, и число таких фотонов растет с ростом коэффициента газового усиления. Поскольку работа выхода электронов из катода (для меди это 4,4 эВ) существенно меньше энергии фотонов (например, потенциал возбуждения аргона Iвозб= =11,5 эВ), поглощение фотонов катодом будет приводить к внешнему фотоэффекту, т.е. появлению дополнительных свободных электронов в объеме счетчика.

Кроме того, подходящие к катоду положительные ионы при своей нейтрализации на катоде также вызывают появление дополнительных свободных электронов, поскольку потенциал ионизации аргона составляет 15,7 эВ, а работа выхода электрона из металла всего 4,4 эВ (для меди). Разности этих энергий более чем хватает на вырыв из катода дополнительного свободного электрона.

Оба эти процесса объединяются одним коэффициентом – коэффициентом поверхностной ионизации ψ, дающим относительный выход электронов с катода на один приходящий к катоду положительный ион (безотносительно к механизму появления этого свободного электрона). Для обычно применяемых материалов катода и газов типа аргона ψ 10-4.

С учетом этих эффектов полное число электронно-ионных пар газового усиления равно

N = mNo + ψ m2No + ψ2m3No + . . .

Если ψm 1, возникает сходящаяся геометрическая прогрессия, для которой

где М – полный коэффициент газового усиления. При ψm→ 1, М→ ∞. На практике это означает возникновение в объеме счетчика непрерывного газового разряда. Это область работы несамогася-

щегося счетчика Гейгера-Мюллера. Гашение разряда в таком

39

счетчике происходит на внешнем сопротивлении нагрузки. Начало разряда (ψm = 1) в счетчике конкретной конструкции начинается при определенном потенциале зажигания Vзаж. По мере подхода положительных ионов к катоду емкость счетчика заряжается, и разность потенциалов между анодом и катодом падает. Для того чтобы разряд не вспыхнул снова необходимо, чтобы исходная разность потенциалов анод-катод восстановилась не ранее, чем последний ион подойдет к катоду.

Для емкости С =100пф и времени собирания ионов около 10-4с

получим значение R ≥ 108 Ом, а постоянную времени разрядки емкости RC ~ 10-3с. В силу очень малого быстродействия несамогасящиеся счетчики Гейгера – Мюллера в настоящее время практически не применяются.

Таким образом, газонаполненный счетчик может работать в режиме ионизационной камеры, в режиме пропорционального счетчика или счетчика Гейгера-Мюллера в зависимости от приложенного напряжения. Это демонстрируется на рис. 2.5, где индексом VT отмечено начало режима пропорционального усиления.

При значениях коэффициента ψ 10-4 обычно коэффициент газового усиления в техническом аргоне не превышает значения М 103, так как при m = 104 возникает газовый разряд. Однако можно значительно уменьшить вторичные эффекты на катоде путем введения в газ специальной примеси. Обычно в качестве таких примесей применяются пары спирта C2H5OH, метан CH4, изобутан i-C4H10 и (реже) ряд других органических соединений.

Применяемые примеси обладают двумя замечательными свойствами. Во-первых, вследствие того, что потенциал ионизации примеси меньше первого потенциала возбуждения аргона, равного 11,6 эВ, газовая примесь поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение аргона с образованием ионов примеси. Во-вторых, при дрейфе ионов аргона к катоду они неизбежно сталкиваются с молекулами примеси. При этом происходит перезарядка: ионы аргона нейтрализуются, а примесь ионизируется, поскольку потенциал ионизации примеси (у изобутана – 10,6 эВ) меньше потенциала ионизации аргона (15,7 эВ), к катоду приходят только ионы примеси. Нейтрализуясь на катоде, ионы примеси возникают в возбужденном состоянии, так как потенциал ионизации примеси все же суще-

40