Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / ОнучинОП_Экспериментальные_методы_ядерной_физики_НГТУ_2014_

Т а б л и ц а 8.1

Вероятность прилипания электронов к нейтральным атомам газов

идет через ионный механизм. Отсюда также ясно, почему в газовых детекторах используются инертные газы. При этом необходимо иметь достаточно высокую чистоту газов и хорошо очищать поверхности детекторов от электроотрицательных загрязнений.

§ 8.4. ИНТЕГРИРУЮЩИЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ

8.4.1. Ток от космических частиц

Для примера рассмотрим интегрирующую ионизационную камеру для изме-

рения потока космических частиц. Поток космических частиц составляет ≈ ≈ 1 частица . Пусть имеется камера (рис. 8.5) с рабочим объемом 30 × 30 × 1 см,

см2 · мин наполненным аргоном при атмосферном давлении. Какой ток будет протекать в

цепи такого детектора?

Ионизационные потери релятивистской частицы ион ≈ 2 МэВ . Энергия, за- г/см2

трачиваемая на образование одной электрон-ионной пары, ≈ 30 эВ. Плотность

Толщина = = 1.8 · 10−3 г/см2. За 1 с через детектор пролетает ≈ 17 частиц, каждая из которых образует = 120 электрон-ионных пар. Тогда ток

8.4.2. Токи утечки. Охранное кольцо

С высоковольтного электрода протекают токи утечки на собирающий электрод. Происходит это по поверхности и объему изолятора (рис. 8.5). Для борьбы с токами утечки вводят специальный электрод — охранное кольцо (рис. 8.6). Охранное кольцо заземлено, поэтому ток утечки в цепь измерения не проходит.

Охранное кольцо также помогает сделать рабочий объем с однородным электрическим полем. Дело в том, что на краю камеры электрическое поле неоднородно и становится слабее (рис. 8.7), сбор электронов и ионов в этой области падает. В результате трудно рассчитать, какой объем газа реально работает. Охранное кольцо устанавливается далеко от края камеры, где электрическое поле однородно.

8.4.3. Методы измерения малых токов

Для измерения слабых токов используются электроскопы и электрометрические усилители.

Электроскоп. Электроскопы хорошо известны со школьных времен. Принцип действия электроскопа используется в некоторых видах дозиметров. Промышленность выпускает электроскопы, позволяющие измерять заряд с высокой точностью.

Электрометрический усилитель. Эти усилители имеют большое входное сопротивление ≈ 1013 Ом. Поэтому малый ток 10−16 А (уравнение (8.2)) создает на нем падение напряжения порядка 1 мВ. Такие напряжения уже легко измеряются с высокой точностью. Основа электрометрических усилителей — специальные электрометрические лампы либо (в современных усилителях) полевые транзисторы.

Важной особенностью использования электрометрических усилителей является решение проблем постоянной времени интегрирующей цепочки. Рассмотрим ионизационную камеру емкостью = 100 пФ, подключенную к усилителю с входным сопротивлением ≈ 1013 Ом. Постоянная времени такой цепочки = 1013 ·10−10 = 1000 с. В электрометрических усилителях делается обратная связь с выхода на вход, которая позволяет существенно уменьшить время интегрирования сигнала.

8.4.4. Область применения

Уникальными свойствами интегрирующих ионизационных камер являются абсолютное измерение дозы облучения и высокая стабильность во времени. Эти камеры широко применяются в дозиметрии, в том числе и в карманных дозиметрах, для измерения активности радиоизотопов, а также для измерения и контроля с высокой точностью интенсивности выведенных из ускорителей пучков заряженных частиц.

§ 8.5. ИМПУЛЬСНЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ

В импульсных ионизационных камерах регистрируются отдельные частицы и измеряется энергия, затраченная частицей на ионизацию газа.

8.5.1. Картина тока и теорема Рамо—Шокли

Рассмотрим картину тока. На рис. 8.8 изображена схема камеры. Камера заряжена до напряжения . Предположим, что заряженная частица образует элек- трон-ионную пару на расстоянии 1 от катода (эквипотенциаль 1). Эти заряды дрейфуют в электрическом поле в противоположных направлениях и разряжают конденсатор. Первоначально на конденсаторе был заряд = . Ток в цепи

Сформулируем теорему Рамо—Шокли.

Теорема 8.1 (Рамо—Шокли). Заряд, который собирается во внешней цепи от дрейфа электронов, пропорционален относительной разности потенциалов, которую прошел электрон.

компоненте тока, в результате чего получим амплитуду сигнала, разную для вылетающих под разными углами -частиц. Сделаем пояснение. На рис. 8.10 частица 1 летит по направлению поля, и конец ее пробега находится на эквипотенциали 1. Частица 2 летит под углом к полю, а конец пробега ле-

§ 8.6. ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ СЧЕТЧИКИ

8.6.1. Принцип работы

На рис. 8.1 показана принципиальная схема пропорционального счетчика с основным элементом — металлической трубкой, по оси которой натянута проволочка. Пространство между ними заполнено рабочим газом. Принципиальным здесь является малый диаметр анодной проволочки. Как известно, напряженность

Фотонный механизм. При ударной ионизации возникает много атомов в возбужденном состоянии. Это возбуждение снимается за счет испускания фотонов, образующих фотоэлектроны в газе и на поверхности катода. На рис. 8.14 представлена энергетическая зависимость сечения фотоионизации для некоторых газов. Процесс здесь происходит таким образом. Образовалось 0 первичных электронов, а за счет ударной ионизации это число увеличилось до 0 — это электроны первого поколения. Число фотоэлектронов пропорционально числу электронов, и коэффициент пропорциональности называется вторым коэффициентом Таунсенда. Поэтому 0 — вновь образованные электроны, а ( 0 ) = ( 0 ) —

При → 1 видно, что → ∞. Поэтому при больших значениях коэффициент усиления нестабилен — обычно работают при ≤ 0.1. Это означает, что к камере предъявляются следующие требования: у газа вероятность фотонной ионизации должна быть малой, а поверхность катода сделана из материала с малой вероятностью образования фотоэлектронов. Обратим внимание, что, например, у алюминия вероятность образования фотоэлектронов достаточно высокая, у меди — существенно меньше, а у золота — еще меньше. Реальные коэффициенты усиления составляют 104 . . . 106; в некоторых газовых смесях — уже с нарушением пропорционального режима — они достигают 107 . . . 108. Для усиления 108 используется газовая смесь, которая даже получила название магического газа. В ней сильно подавлен фотонный механизм.

( 1 – 2)-интервал. В этот промежуток времени образуется лавина, и все электроны доходят до проволочки. Это короткий интервал, так как основная масса электронов образуется около проволочки. Поскольку электроны проходят малую разность потенциалов, то связанный с этим движением заряд мал.

( 2 – 3)-интервал. В течение этого времени лавина ионов движется от проволочки. Эти ионы проходят большую разность потенциалов, а значит, именно ими определяется заряд, собранный во внешней цепи. В начале этого интервала ток большой, так как ионы дрейфуют в поле с большой напряженностью. Дальше ток падает.

Время нарастания фронта фронта ≈ 10−8 с. Лучшее временн´ое разрешение, которое удается получить на пропорциональных счетчиках: = 10−8 . . . 10−9 с.

8.6.4. Амплитудное разрешение

Рассмотрим собственное амплитудное разрешение, когда так же, как и в сцинтилляционном счетчике, флуктуациями ионизационных потерь можно пренебречь.

ние (6.2)). Для пропорционального счетчика можно проделать ту же процедуру и получить

где пар — число электрон-ионных пар, а ≈ 2 — величина, связанная с флуктуациями коэффициента усиления в пропорциональном счетчике. Для сравнения рассмотрим сцинтилляционный счетчик с кристаллом NaI(Tl), конверсионная

эффективность которого 30 фотонэВ , и фотоумножитель со средней квантовой эф-

фективностью " = 10 %. В этом случае на образование одного фотоэлектрона

требуется энергия = 300 фэВэ. Для газа же = 30 паруэВ . Поэтому энергетическое разрешение пропорционального счетчика примерно в 3 раза лучше, чем в

сцинтилляционном счетчике с NaI(Tl).

§ 8.7. МНОГОПРОВОЛОЧНЫЕ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ КАМЕРЫ

8.7.1. Принцип работы

Многопроволочные пропорциональные камеры (МПК) — это слой пропорциональных счетчиков без стенок между ними (рис. 8.17). Информация снимается с каждой проволочки. Таким образом можно определить координаты частицы. Метод МПК предложил и начал активно развивать Ж. Шарпак в CERN в 1967 году. Основная изюминка его предложения заключалась в том, что в это время полупроводниковая электроника стала достаточно компактной и дешевой. Кроме того, в

Глава 8. Газовые детекторы

его работах было сразу показано, что стенки между анодными проволочками

не требуются. Этот метод был настолько привлекателен, что в течение короткого времени МПК появились во многих лабораториях мира и начали активно применяться в реальных экспериментах. Так, в CERN был создан детектор Split Field Effect, где использовались около 60 тыс. анодных проволочек с электроникой; в ИЯФ — детектор МД-1, в котором основой регистрации частиц были МПК. В детекторе МД-1 использовались 16 тыс.

каналов электроники, а камеры содержали 0.5 млн проволочек.

В 1992 году Ж. Шарпаку была присуждена Нобелевская пре-

правило, из проволочек.

Рис. 8.20. Типичная конструкция многопроволочной пропорциональной камеры

8.7.4. Пространственное разрешение

При срабатывании одной из проволочек можно сказать, что частица пролетела в области от − /2 до /2 (рис. 8.24), причем с равной вероятностью. Вероятность того, что частица пролетела в интервале :