spez_fiz_pr_zachita

dv RC dv . Тогда отношение Vmax Vmax x0 (RC v ) при x0 d и

VmaxVmax x0 (d x0 ) 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 RC 1 d v , максимальное значение импульса зависит от

места ионизации и от ориентации траектории 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 создавать импульсы с различными амплитудами.

Имеется много способов уменьшения индукционного эффекта. Рассмотрим некоторые из них. Предположим, что RC dv , тогда, как

собирающего электрода, когда x0 v 3RC . Таким образом, для всех этих

61

частиц амплитуда импульса не зависит от места ионизации. Но амплитуда

t x0 v , 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

B камере, например, наполненной аргоном до давления 0,5 атм., при d = 1 см и U0 100 В значению v 4 105 см/с должно соответствовать RC 8 10-8с.

Максимальное значение амплитуды составит всего лишь 0,03ne/C .

Иногда 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. 3.5. 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

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

Vmax x0 ne(Cd) . 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. 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. C этих позиций особое внимание заслуживают цилиндрические и сферические камеры.

62

3.1.4. Ионизационные камеры для работы с быстрыми электронами

На рис. 3.6, 3.7 показана плоская ионизационная камера с электродами

Можно использовать медную фольгу толщиной в 3 мкм, которая достаточно прочна для камер с малыми диаметрами.

При использовании диафрагмы, ограничивающей пучок, активный

плоской. Для определения поверхностных доз камера должна располагаться как можно ближе к поверхности облучаемого материала, что необходимо для

63

полного учета эффекта обратного рассеяния. Некоторые электроны претерпевают обратное рассеяние от самих фольг. Ошибку, вносимую в измерения в результате этого рассеяния, обычно можно сделать довольно малой, используя тонкие фольги с небольшим атомным номером. Для точных исследований необходимо, чтобы расстояние между фольгами могло регулироваться.

3.2. Газонаполненные счетчики

Из всех приемников излучения в настоящее время наиболее широкое распространение при радиометрических исследованиях нашли счетчики

заряженных частиц и -квантов. На практике применяются цилиндрические и торцовые газонаполненные счетчики, имеющие одинаковый принцип действия. Газонаполненные детекторы (счетчики), благодаря хорошей чувствительности к излучениям разных видов, относительной простоте и дешевизне, являются широко распространенными приборами регистрации. Такой детектор представляет собой наполненную газом оболочку, в объем которой введены два электрода (рис. 3.8). Геометрическая форма детектора выбирается из условий его работы.

Цилиндрический счетчик состоит из металлической или металлизированной изнутри стеклянной трубки 1 и тонкой металлической нити 2 натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка – катодом. Торцовый счетчик имеет входное окошко 3 в торце корпуса. Обычно торцовые счетчики используют для регистрации частиц с коротким пробегом.

Поэтому окно счетчика изготавливают из тонкой пленки (специальное тонкое слюдяное окошко), которое позволяет измерять очень

большинстве случаев используют благородные газы – аргон и неон, иногда азот и водород с различными примесями.

Под действием излучения в газовом объеме счетчика возникают электроны и ионы. При достаточно высокой напряженности электрического поля между электродами камеры, дрейфующие к аноду электроны между соударениями могут приобрести энергию, достаточную для ионизации молекул газа. При этом происходит рост тока или амплитуды импульсов.

Такое явление – увеличение числа электронов за счет вторичной ионизации носит название газового усиления.

Увеличение ионизационного эффекта в результате вторичной ионизации характеризуют коэффициентом газового усиления ) , который определяют

как отношение числа пар ионов, созданных в счетчике в лавинообразном процессе, к числу пар ионов, созданных ионизирующей частицей.

64

счетчик работает как ионизационная камера (область II, рис. 3.9).

Пропорциональные счетчики отличаются от ионизационной камеры использованием более сильного электрического поля. При большем

напряжении электроны на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации молекул газа. Возникающие новые электроны ускоряются и тоже вызывают ионизацию газа. Коэффициент газового усиления изменяется в пределах от единицы, когда счетчик работает

65

как ионизационная камера, до 105 в конце пропорциональной области.

При дальнейшем увеличении напряжения коэффициент газового усиления зависит от начальной ионизации, и его значение для слабо ионизирующих частиц больше, чем для сильно ионизирующих частиц (область IIIa, рис. 3.9).

При определенном напряжении (обычно при напряжении 800–1500 В) наступает режим, когда при появлении в рабочем объеме счетчика хотя бы одной пары ионов возникает газовый разряд, и величина импульса на выходе счетчика перестает зависеть от начальной ионизации. Область, в которой величина импульса не зависит от начальной ионизации, называется областью Гейгера (область IV, рис. 3.9).

Развитие газового разряда происходит по-разному в зависимости от рода газа, наполняющего счетчик. При наполнении счетчика инертным газом в области максимальной напряженности поля, у нити счетчика, вследствие возбуждения молекул газа возникает интенсивное ультрафиолетовое излучение, которое выбивает из молекул газа новые электроны. В результате лавинного нарастания процесса весь объем счетчика мгновенно охватывается разрядом.

При добавлении многоатомного газа, молекулы которого очень сильно поглощают ультрафиолетовое излучение, разряд распространяется с

подвижность которых мала по сравнению с подвижностью электронов, образуют слой объемного положительного заряда, расположенного между нитью и цилиндрическим катодом. Этот слой нейтрализует действие внешнего электрического поля, и дальнейшее продолжение разряда оказывается невозможным. При отсутствии гасящего многоатомного газа положительные ионы, достигая катода и нейтрализуясь, вызывают вторичный разряд. Вторичный разряд может возникать за счет взаимодействия ультрафиолетового излучения или возбужденных молекул газа–наполнителя с веществом катода. Для прекращения разряда потенциал нити необходимо понизить до величины, при которой не возникают новые электронные лавины за время полной нейтрализации положительных ионов. Такое понижение напряжения может быть достигнуто с помощью или большого (~109 Ом) сопротивления, включенного в цепь счетчика, или специальных электронных схем. Наличие большого сопротивления резко увеличивает мертвое время счетчика, применение же гасящих схем, лишенных этого недостатка, усложняет конструкцию приборов.

B применяемых на практике счетчиках гашение достигается добавлением специальных гасящих примесей. При использовании в качестве гасителя многоатомного газа ионы легкого газа ( Ar ), встречаясь с молекулами многоатомного газа, нейтрализуются. Сопровождающее этот процесс ультрафиолетовое излучение поглощается многоатомным газом и не достигает катода, из которого могло бы вырвать фотоэлектроны и вызвать

66

новый разряд. Молекулы многоатомного газа теряют свою избыточную энергию путем диссоциации. Потеря энергии, сопровождающаяся появлением вторичного электрона, наблюдается крайне редко. В среднем один двойной импульс приходится на десять простых, один тройной – на сто простых импульсов.

Самогасящийся счетчик содержит около 1020 многоатомных молекул. При каждом импульсе распадается 109–1010 молекул. Поэтому самогасящиеся счетчики имеют ограниченный срок службы. Кроме многоатомных газов, в качестве гасителей используются галогены. Поскольку молекулы галогенов не диссоциируют, то срок службы галогенных счетчиков практически не ограничен.

Так как при каждом импульсе образуется примерно постоянное количество электричества, то величина импульса по напряжению обратно пропорциональна эквивалентной емкости, шунтирующей нагрузочное сопротивление, и не зависит от величины сопротивления, если величина RC больше времени разряда. Практически такая независимость наступает уже при R = 5–105 Ом. Обычная величина импульса порядка 10 В.

Ввиду большой величины импульса для регистрации могут использоваться несложные электронные приборы, усиливающие импульс в основном по мощности и определяющие форму импульса до его поступления на пересчетный прибор.

3.2.1. Пропорциональные счетчики

Эти счетчики отличаются от ионизационной камеры использованием более сильного электрического поля. B пропорциональном счетчике электроны, образовавшиеся в процессе первичной ионизации, попадают в электрическое поле такой большой напряженности (104–105 B/см), что они могут иметь между двумя столкновениями с атомами газа приращение кинетической энергии, достаточное для ионизации атомов. B цилиндрическом электрическом поле первичный электрон на пути между столкновениями в радиальном направлении от r1 до r2 приобретает

кинетическую энергию

вторичная ионизация, цепочка таких процессов приводит к формированию лавины электронов и ионов. В конечном итоге измеренный импульс напряжения в этом случае возрастает в ) раз по сравнению с сигналом в

ионизационной камере

67

Коэффициент газового усиления с учетом фотоэффекта на катоде в этом случае равен [1]

Величина для обычно применяющихся катодов по порядку величины

примерно равна 10–4. Согласно выражению (3.37), коэффициент газового усиления должен неограниченно расти. При ) 1 начинается область

газового разряда, когда импульс напряжения не зависит от первичной ионизации. Эта граница между областью пропорционального усиления и пробоем находится примерно при x =20 или ) ~ 108.

Рассмотрим качественно форму импульса тока в пропорциональном детекторе без учета влияния пространственного заряда. Пусть в объеме детектора образуется одновременно n0 пар ионов. Электроны начинают

усиления. За очень короткий промежуток времени (порядка 10-8 с) все электроны, образовавшиеся в лавине, достигнут нити. За это время ее потенциал изменится на заметную величину, составляющую значительную часть импульса. B то же время положительные ионы дрейфуют от нити к катоду. Поэтому после того, как все электроны соберутся на нити, ток будет обусловлен дрейфом положительных ионов. Скорость дрейфа ионов уменьшается по мере приближения к катоду.

Форма импульса может быть разбита на три участка. Первый участок – это дрейф электронов к области ударной ионизации. Время дрейфа зависит от расстояния, которое проходят электроны от места своего образования до области ударной ионизации. Если это расстояние порядка 1 см, то время дрейфа составляет примерно 10–6–10–7 с. Изменение потенциала нити за это время пренебрежимо мало по сравнению с максимальным (примерно в ) раз

меньше).

Интервал времени, в течение которого происходит газовое усиление и электроны достигают нити, составляет примерно 10–8 с. За это время формируется значительная часть электрического импульса. Полное время, в течение которого положительные ионы достигают катода, равно по порядку величины 10–3 с. Существенно, что основной вклад в амплитуду импульса вносят именно положительные ионы за время их движения вблизи нити в

70