книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

600 ПРИЛОЖЕНИЯ

ные атомы. Чем выше напряжение на камере, тем большее число раз успевает произойти такая ионизация. Вместо каждого первич­ ного электрона на анод приходит целая лавина. Число электронов, приходящих к аноду (и соответственно ионов, достигающих катода) в этой области оказывается существенно больше числа первоначально образовавшихся пар ионов, но остается ему пропорциональным, причем коэффициент пропорциональности зависит от напряжения на камере. Происходит, как говорят, газовое усиление импульса. Рассмотренная область называется поэтому п р о п о р ц и о н а л ь ­ но й, а прибор, работающий в этом режиме, носит название п р о ­ п о р ц и о н а л ь н о г о с ч е т ч и к а .

Перемена названия — счетчик вместо камеры — связано с из­ менением характера работы прибора. Импульсы, возникающие при прохождении отдельных частиц через ионизационную камеру, особенно если речь идет о быстрых частицах, столь малы, что обычно не используются для регистрации. Камеры чаще всего измеряют суммарный ток, возникающий от прохождения многих частиц. Более мощные импульсы, возникающие в пропорциональном счет­ чике, используются для счета числа частиц, пересекающих прибор. Прибор, работающий в пропорциональной области, естественно поэтому называть счетчиком.

За пропорциональной областью располагается область о г р а н и ­ ченной пропорциональности. Импульсы, возникающие при про­ хождении отдельных частиц, при этом оказываются еще больше, чем у пропорциональных счетчиков. Увеличение импульса покупается, однако, ценой нарушения пропорциональности между величиной импульса и числом первичных ионов, образованных в газе при про­ хождении регистрируемой частицы. Различать частицы разной природы оказывается при этом все более трудно.

Нарушение пропорциональности при увеличении напряжения связано с появлением пространственного заряда положительных ионов у анода счетчика. Поле медленно движущихся ионов иска­ жает распределение потенциала и прекращает образование лавины. Чувствительность счетчика восстанавливается лишь после ухода

ным импульсом. Величина этого импульса зависит от напря­ жения.

Если продолжать повышать напряжение на счетчике, то после прохождения первой же частицы начинается непрерывный разряд, довольно быстро приводящий к порче счетчика. В этой области прибор не используется.

ки лишь в самых общих чертах. В зависимости от назначения при­ бора меняется его конструкция, габариты, наполнение и схема включения.

§ 2. Ионизационные камеры

Устройство ионизационной камеры изображено на рис. 316. Быстрые частицы пронизывают газ, которым наполнена камера, и ионизируют его. Образовавшиеся ионы движутся в электрическом поле, которое создано заземленным через сопротивление R измери­ тельным электродом ИЭ и наружным высоковольтным электродом ВЭ. Сила тока I, протекающего через камеру, и, следовательно, напря­ жение V, образующееся на сопротивлении R, определяются иони­ зацией газа и служат для ее измерения. Измерительный электрод ИЭ укреплен в высоковольтном с помощью изоляторов Иг и Я2. Ох­ ранный электрод ОЭ заземлен. Основные токи утечки направляются

от высоковольтного электрода к охранному и не попадают на изме­ рительный. Разность потенциалов между ОЭ и ИЭ, зависящая от падения напряжения на R, обычно не превышает долей вольта, и поэтому утечки через изолятор Иг малы и не искажают результа­ тов измерений.

Поставим вблизи камеры источник ионизирующего излучения и начнем постепенно увеличивать напряжение на ней. Ток, проте­ кающий через камеру, сначала будет резко возрастать, а затем, начиная с некоторого напряжения Fu, станет постоянным или, как говорят, выйдет на плато (рис. 317). Предельный ток / 0 равен, очевидно,

Іо — пе,

где п — число пар ионов, образуемых в секунду в объеме камеры, а е — заряд электрона.

При-недостаточном напряжении сила тока оказывается заметно меньше / 0. Это происходит в основном из-за того, что часть ионов

602 ПРИЛОЖЕНИЯ

успевает рекомбинировать и не доходит до электродов камеры. Лишь при достаточно больших напряжениях (порядка сотни или нескольких сотен вольт при обычных размерах камер) ионы дви­ жутся достаточно быстро, и рекомбинация не играет существенной роли. При использовании камер для регистрации ионизирующего излучения всегда стремятся работать в области плато, так как при этом сила тока не зависит от небольших изменений напряжения на камере.

Сделаем некоторые численные оценки. При измерении напряже­ ний, меняющихся не очень быстро, чувствительность аппаратуры обычно не удается сделать больше чем несколько милливольт. Это связано с тем, что контактные разности потенциалов на проводах, сопротивлениях и деталях аппаратуры составляют десятые доли вольта и несколько меняются с температурой и со временем. Изме­ ряемые напряжения лишь в том случае будут зарегистрированы на­ дежно, если они существенно превышают указанную нестабиль­ ность. Положим поэтому, что минимальное измеримое значение на­ пряжения равно Итіп = ІО” 2 В.

При данном Ѵтіп минимальная обнаружимая сила тока /mm определяется, очевидно, величиной сопротивления R. Практически никогда не применяют сопротивленій больше чем 101] Ом. Это связано с тем, что при больших сопротивлениях схема очень мед­ ленно откликается на изменение интенсивности измеряемого излу­ чения. Постоянная времени схемы, изображенной на рис. 316, равна RC, где С — емкость измерительного электрода и соединяю­ щих проводов. Эта емкость обычно составляет не менее 20 пФ. При R = 10п Ом имеем

Увеличивать R — и вместе с ним т — в большинстве случаев не­ целесообразно. При наших параметрах схемы имеем поэтому

Поскольку заряд электрона равен 1,6-ІО” 19 Кл, найдем, что камера способна эффективно регистрировать излучение лишь в том случае,

если в ней за секунду образуется ~ ) 6 ° іо~ 19 — Ю6 паР ионов-

Быстрые частицы, пролетающие через камеру, создают в ней, вообще говоря, заметное число ионов. Это число достигает ІО5 на частицу для а-частиц и составляет около 1 0 0 для быстрых электронов. Как бы ни были велики эти числа, они все-таки существенно меньше, чем 1 0 е, так что ионизационная камера способна надежно регистри­ ровать лишь суммарный эффект от прохождения большого числа частиц.

Положение существенно изменяется, если в сочетании с иониза­ ционной камерой применять не измеритель тока, а регистратор

отдельных импульсов. Найдем импульс напряжения, возникающий на камере, при прохождении через нее одной а-частицы, создающей ІО5 пар ионов. Заряд, перенесенный образованными ионами, равен ІО5 *1,6 -1СГ19 = 1,6 • 10“ 14 Кл, и изменение потенциала емкости С составит

Как было отмечено выше, такое изменение напряжения было бы невозможно заметить, если бы оно происходило медленно. Соби­ рание ионов в камере продолжается, однако, не более миллисе­ кунды, контактные разности потенциалов за такие времена меняются крайне незначительно, и сигнал 1 мВ измерить в этих условиях нетрудно. Импульсная ионизационная камера позволяет, таким образом, регистрировать отдельные а-частицы. Измерение импуль­ сов, вызванных прохождением одиночных быстрых электронов, и в этом случае оказывается, однако, невозможным. Эту задачу позволяют решить только счетчики.

Заметим, что в (5.3) величина сопротивления R не входит. В этом случае, следовательно, нет смысла выбирать его особенно большим.

При дальнейшем уменьшении R величина импульса начинает падать. Оценка (5.4) справедлива для времен собирания ионов по­ рядка 10 3 секунды. Во многих случаях удается это время суще­ ственно уменьшить и соответственно сократить величину R.

§ 3. Пропорциональные счетчики

Как показано на рис. 315, при дальнейшем увеличении напря­ жения на камере за участком плато начинается участок нового подъ­ ема. Число ионов, приходящих на электроды, возрастает при этом вследствие вторичной ионизации и оказывается существенно больше числа первичных ионов, образованных в газе ионизирующим излу­ чением. Вторичная ионизация возможна, если энергия, приобре­ таемая электронами в электрическом поле на пути между двумя последовательными столкновениями с атомами газа, оказывается достаточной для того, чтобы ионизировать эти атомы. Она позво­ ляет, таким образом, усиливать импульсы, возникающие при про­ хождении частиц через газ. Ионизационные камеры, использующие газовое усиление, носят название счетчиков. Устройство обычного счетчика изображено на рис. 318. Катодом служит проводящий слой 1 из графита или из какого-либо металла, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянной цилиндрической трубки 2.

в натянутом состоянии. Второй конец нити соединен с проволокой, которая сваривается со стеклом. Для уменьшения краевых эффек­ тов нить проходит через тонкие стеклянные трубки 5 с плавно за­ кругленными краями. Трубка 6 служит для откачки счетчика и для заполнения его газом.

Напряженность электрического поля в цилиндрическом счет­ чике обратно пропорциональна расстоянию от его оси:

V 1

(6.5)

Г2 Г

Здесь rt — радиус нити, г2 — внутренний радиус катода, V — раз­ ность потенциалов между нитью и катодом. Поле достигает больших

Рис. 318. Схема устройства пропорционального и гейгеров­ ского счетчиков.

значений около нити и невелико у катода. Условие вторичной иони­ зации может быть записано в виде

где Еат— напряженность электрического поля, при которой ста­ новится возможной вторичная ионизация.

Это условие выполняется при

Формула (5.7) определяет радиус, при котором электроны на­ чинают ионизировать атомы газа. Эта формула имеет смысл, ко­ нечно, лишь при г0 > гѵ Если вторичная ионизация произошла до­ статочно далеко от нити, то вторичные электроны, набрав в элек­ трическом поле достаточную энергию, способны сами ионизировать газ наравне с первичными. Вместо каждого первичного электрона в этом случае к аноду приходит целая лавина. Число электронов,

ІО’ 7 -ь 10‘ 6 секунды успевают закончить свой путь к аноду. Мед­ ленные положительные ионы за этот промежуток времени практи­ чески не успевают сдвинуться с места. Они образуют в газе прост­ ранственный заряд. Величина этого заряда особенно велика около нити, где происходит нарастание лавины. Поле положительных ионов искажает первоначальное поле в счетчике и делает его более равно­ мерным. Поле в окрестности нити при этом падает. При больших импульсах ослабление оказывается столь существенным, что ве­ личина газового усиления начинает падать.

§ 4. Счетчики Гейгера

Как было выяснено выше, при увеличении напряжения на счет­ чике коэффициент газового усиления быстро возрастает, и счетчик переходит из пропорционального режима в режим ограниченной пропорциональности. При еще больших напряжениях возникнове­ ние хотя бы одной пары ионов приводит к началу самостоятельного разряда. Сигналы, выдаваемые счетчиком, достигают при этом не­ скольких вольт и могут использоваться без предварительного уси­ ления.

Самостоятельный разряд в счетчике не может быть объяснен одним только разрастанием лавины. В самом деле, как бы ни была велика лавина, образующие ее вторичные электроны приходят на анод вместе с первичными, — и новым электронам взяться, каза­ лось бы, неоткуда. Разряд, таким образом, должен был бы прекра­ титься вплоть до появления новых электронов, возникновение ко­ торых связано с внешними причинами. Существуют, однако, два явления, способные вызвать возникновение новых электронов в силу одних только внутренних причин.

Отметим прежде всего, что при нейтрализации ионизированных атомов у катода освобождается заметное количество энергии. По­ тенциалы ионизации атомов почти всегда выше работы выхода электронов из металла, так что энергии хватает и на то, чтобы вы­ рвать из металла электрон, необходимый для нейтрализации иона, и на освобождение еще одного электрона. Этот электрон начинает двигаться к нити, рождает на своем пути новую лавину и т. д. Возникновения самостоятельного разряда при малых А не проис­ ходит лишь благодаря тому, что вероятность вырывания элек­ трона из катода очень мала. Только при огромном числе положи­ тельных ионов, сталкивающихся с катодом (порядка ІО4), появляется заметная вероятность того, что из него будет выбит хоть один элек­ трон. Если каждая лавина приводит к появлению у катода больше чем одного электрона (в среднем), создаются условия для возникно­ вения самостоятельного разряда. Самостоятельный разряд в счет­ чике может поддерживаться поэтому лишь при достаточно большом ионном токе.

Вторым процессом, который способен освобождать электроны из катода, является фотоэффект — вырывание электронов из катода световыми квантами (в основном ультрафиолетом). Кванты ультрафиолетового излучения при разряде счетчика излучаются возбуждаемыми при соударениях с электронами атомами и реком­ бинирующими у катода положительными ионами. Возникший в счетчике самостоятельный разряд должен сам собой прекратиться, как только около нити образуется достаточно мощный простран­ ственный заряд. Вскоре, однако, положительные ионы уходят от нити, и условия для образования разряда восстанавливаются. Один из описанных выше эффектов приводит к появлению в газе новых электронов, происходит новая вспышка, за ней следующая и т. Д.

Ясно, что описываемый счетчик может зарегистрировать всего одну частицу, а для регистрации следующей нужно предварительно погасить самостоятельный разряд. В зависимости от методов гаше­ ния счетчики делятся на самогасящиеся и несамогасящиеся.

В несамогасящемся счетчике в токовую цепь счетчика вводится большое сопротивление R (см. рис. 318). Как ясно из предыдущего, «самоподдерживаться» в счетчике может лишь достаточно интенсив­ ный разряд, т. е. разряд с током больше некоторого / т ,п. Если этот

видно, должен погаснуть. Необходимые для гашения разряда со­ противления составляют обычно около ІО8 Ом. При таких больших сопротивлениях сильно возрастает постоянная времени, с которой восстанавливается напряжение на рчетчике (RC — 10“ 3 с). Во время восстановления счетчик не может давать импульсы прежней вели­ чины. Часть этого времени (так называемое «мертвое время») он оказывается вообще неработоспособен. Хотя в последнее время был предложен ряд эффективных радиотехнических методов гаше­ ния разряда, несамогасящиеся счетчики сейчас применяются срав­ нительно редко.

Гашение разряда в самогасящихся счетчиках осуществляется путем введения в газ паров какого-нибудь сложного органического вещества (спирта, ацетона и др.). Многие сложные молекулы непро­ зрачны для ультрафиолета и не дают соответствующим квантам достичь катода. Энергия, освобождаемая ионами у катода, в присут­ ствии таких молекул расходуется не на вырывание электронов, а на диссоциацию молекул. Возникновение самостоятельного раз­ ряда в этих условиях становится невозможным, а величина импульса ограничивается пространственным зарядом положительных ионов. Для прекращения самостоятельного разряда достаточно сравни«

Давление в счетчиках колеблется от нескольких сотых до несколь­ ких десятых долей от атмосферного.

В отличие от несамогасящихся счетчиков, самогасящийся счет­ чик способен зарегистрировать лишь ограниченное количество им­ пульсов; оно составляет обычно несколько десятков миллионов. За это время существенная часть многоатомных молекул успевает дис­ социировать, и счетчик становится непригоден к работе.

Разряд в самогасящихся счетчиках заканчивается за время по­ рядка ІО“ 7 секунды, однако чувствительность его восстанавливается только после того, как положительные ионы уйдут достаточно да­ леко от нити (полная чувствительность достигается лишь после их

Рис. 319. Вид осциллограммы при наблюдении импульсов гейге­ ровского счетчика.

х м — мертвое время счетчика, тв — «выпадающее» время, состоящее из мертвого времени и времени восстановления.

нейтрализации на катоде). Время полной нечувствительности счет­ чика называется обычно мертвым временем, а время его неполной чувствительности — временем восстановления. Мертвое время и время восстановления счетчиков удобно наблюдать и измерять с по­ мощью осциллографа со ждущей разверткой.

Подадим на вертикальный вход осциллографа сигналы со счет­ чика, установленного вблизи от радиоактивного источника. Выбе­ рем длительность ждущей развертки в два-три раза больше мерт­ вого времени. Сигналы, запускающие развертку и расположенные вследствие этого в самом ее начале, налагаются друг на друга и дают яркую картину, изображенную на рис. 319 жирной линией. Эта линия характеризует форму нормального импульса.

Если подобрать интенсивность радиоактивного источника так, чтобы среднее время между проходящими через счетчик части­ цами было меньше длительности развертки, то за время прохожде­ ния луча по экрану может быть зарегистрирован второй сигнал. В силу случайного характера радиоактивного распада повторные сигналы появляются через различное время после импульса, за­ пустившего развертку. Эти сигналы имеют на экране осциллографа вид тонких линий, так как они связаны с однократным прохожде­ нием луча.