Спортивный портал - Andrewsattic

ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК - газоразрядный детектор частиц, создающий сигнал, амплитуда к-рого пропорциональна энергии, выделенной в его объёме регистрируемой частицей. При полном торможении частицы в объёме П. с. амплитуда сигнала пропорциональна энергиичастицы, т. е. П. с. является одновременно и . П. с., как и др. газоразрядные детекторы, представляет собой газовый объём (от неск. см 3 до неск. л) с 2 электродами. От конструкции ионизационной камеры П. с. отличает форма анода в виде тонкой нити или острия для обеспечения вблизи анода значительно большей напряжённости электрич. поля, чем в остальном пространстве между анодом и катодом. Наиб. распространены ци-линдрич. П. с., где катодом является металлич. цилиндр (корпус счётчика), внутри к-рого аксиально протянута тонкая проволока - анод (рис. 1).

Рис. 1. Схема пропорционального счётчика: И - источник частиц.

Заряж. частица с энергиейсоздаёт в газе п 0 =/W электрон-ионных пар, где - ионизаци онные потери энергии частицы, W - ср. энергия образования электрон-ионной пары. Импульс тока (напряжения), возникающий на сопротивлении Л, пропорционаленимпульс (1-100 мВ) усиливается и поступает в регистрирующее (анализирующее или запоминающее) электронное устройство.

Газовое усиление. Первичные электроны, образованные заряж. частицей в результате газа, под действием электрич. поля перемещаются к аноду, по пути многократно сталкиваясь с атомами (рис. 2). Эти соударения частично неупругие, т. к. электроны теряют значит. часть своей энергии и не могут набрать энергию, достаточную для ионизации атомов газа (20-30 эВ). В цилиндрич. П. с. электрич. поле E ~ , где- расстояние частицы до нити (рис. 3). Поэтому между двумя последоват. столкновениями электроны, приближаясь к аноду, получают всё возрастающие значения кинетич. энергии, и на нек-ром расстоянии от нитиэнергия становится достаточной для ионизации. Образующиеся вторичные электроны вместе с первичными участвуют в последующей лавинной ионизации газа (га-зовое усиление). Коэф. газового усиления М - отношение кол-ва электронов, пришедших на нить, к числу первичных электронов. Форма электронно-ионной лавины вблизи анода сильно зависит от значения М: при 10 < М < 100 лавина приобретает форму капли в направлении прихода электронов на анод; при 10 2 <М<10 4 лавина становится сердцеобразной, вытянутой в направлении прихода электронов; при М >10 4 лавина полностью охватывает анод - тогда и нарушается пропорциональность между п 0 и амплитудой сигнала. Размер лавины вдоль проволочного анода растёт с увеличением М от долей мм до неск. мм.

Рис. 2. Механизм работы пропорционального счётчика:-- зона дрейфа первичных электронов;-- зона лавин.

При столкновениях образуются также возбуждённые атомы, к-рые "высвечиваются" (УФ-излучение) за время ~10 -8 с. Энергия фотонов почти всегда превосходит работу выхода электронов с поверхности катода, поэтому вырванные (с вероятностью ~10 -4) фотоэлектроны также движутся к аноду, усложняя картину разряда и образуя лавинные серии - последовательно затухающую цепочку импульсов, отстоящих друг от друга на время дрейфа электронов от катода к аноду. Фотоэлектронную эмиссию можно ослабить, если в состав газа кроме инертных (Аг, Кг, Хе) ввести многоатомные газы (СН 2 , С 2 Н 2 , СO 2 и т. д.), поглощающие УФ-излучение. Т. к. электроны поглощают газы и пары со сродством к электрону (О 2 , Н 2 О, галогены), то их в смеси П. с. должно быть мин. кол-во (концентрация O 2 ~10 -5 см 3).

Если пренебречь влиянием на лавину пространственного от положит. ионов, прилипанием электронов и фотоэлектронной эмиссией, то

где- число ионизац. соударений электрона на пути 1 см (первый коэф. Таунсенда), зависит от напряжённости поля E , давления r и рода газа. В приближении Роуза - Корфа, где a = N К (К - характеристика газа, N - газа, - энергия электронов),

Здесь С= - ёмкость счётчика на единицу длины, - напряжение на электродах, - напряжение, соответствующее началу лавины. При

(рис. 4). Ввиду статистич. природы лавинного процесса V c не является чёткой характеристикой П. с., поэтому V c определяется по пересечению прямолинейного участка зависимости lnM(F 0) с осью абсцисс. Линейная зависимость продолжается до М ~ 10 4 . При дальнейшем повышении F 0 зависимость перестаёт быть линейной (гл. обр. из-за влияния фотоэлектронной эмиссии и пространственного заряда ионов).

Область М ~ 10 4 -10 6 наз. областью ограниченной пропорциональности. Большие М могут привести к пробою (рис. 5). Чтобы не допустить пробоя, применяют гасящие примеси - органич. газы (СН 4 , пропан, изобутан, С 2 Н 5 ОН, метилаль и т. п.), к-рые обладают большим сечением фотопоглощения, диссоциации и передачи возбуждения сложной молекуле. Добавка органич. газа стабилизует процесс газового усиления в широком диапазоне V 0 , хо-тя само напряжение, необходимое для требуемого М , возрастает.

Формирование сигнала . Вклад в амплитуду импульса за счёт перемещения первичных ионов и электронов мал.

Время развития лавины <10 -9 с, однако вследствие того, что электроны в лавине проходят сравнительно малые расстояния (большинство электронов рождаются только на последних стадиях лавины), вклад электронной компоненты в полную амплитуду импульса 10%. Положит. ионы, большинство к-рых расположено от поверхности нити на расстоянии ср. пробега электронов в лавине (15 мкм), после окончания лавины начинают двигаться к катоду, индуцируя изменение потенциала на нём во времени t :

Здесь е - заряд электрона, - подвижность ионов (см. Подвижность электронов и ионов), n 0 - число первичных ионов. Величина DV, вызванная движением ионов, сначала растёт прямолинейно, затем логарифмически; достигает макс. значения (DV макс =еМп 0 /С) в момент прихода всех положит. ионов на катод спустя (15)·10 -3 с с момента образования лавины (рис. 6). Половины значения от своего максимума импульс достигает за (15)·10 -6 с, поэтому для получения высокого временного разрешения во входных цепях усилителя стоят дифференцирующие цепи (= RC ) или линии задержки .Т. о., в случае траектории частицы (трека), параллельной аноду, удаётся получить импульсы длительностью < 10 -7 с. При произвольной ориентации трека ширина импульса определяется разностью во временах дрейфа первичных электронов от начала (А )и конца (В )трека до анода (рис. 2). Эти времена могут достигать 0,1-10 мкс. Такого же порядка и время задержки импульса на выходе П. с. с момента первичной ионизации, что ограничивает возможности использования П. с. в совпадений методе .

Рис. 6. Временное развитие сигнала при различных .

Энергетическое разрешение . Статистич. флуктуации в кол-ве первичных ионов n 0 , а также флуктуации М "размывают" амплитуду импульсов и определяют предельно достижимое энергетич. разрешение П. с. (эти компоненты приблизительно равны по величине друг другу). Энергетич. разрешение приближённо выражается соотношением

Увеличение разброса амплитуды импульсов могут вызывать конструкционные несовершенства, приводящие к искажению распределения электрич. поля у анода, причём наиб. важным является постоянствопо длине П. с., напр. 1 мкм может вызвать разброс амплитуд ~50%. Большое влияние на энергетич. разрешение оказывают стабильность V 0 (0,05%) и чистота газа. Для инертных газов, СO 2 , СН 4 и т. д. не наблюдается прилипания электронов, но присутствие даже незначит. кол-ва (<0,1%) электроотрицат. молекул Н 2 О, СО, О 2 , С 2 и т. д. приводит к значит. ухудшению энергетич. разрешения, т. к. амплитуда импульса становится зависимой от места образования первичных электронов. Добавки нек-рых газов с потенциалом ионизации, меньшим потенциала ионизации осн. газа, могут приводить к уменьшению ср. энергии, затраченной на образование пары ионов, следовательно к улучшению разрешения.

Временные характеристики . Макс. скорость регистрации П. с. зависит от давления и состава газовой смеси и толщины анодной проволоки. При больших скоростях регистрации происходит ослабление электронной лавины, образовавшейся в нерелаксированном пространственном заряде от предыдущей лавины. Это ослабление распределено по случайному закону и вызывает не только уменьшение амплитуды импульсов, но и ухудшает энергетич. разрешение. При М =10 4 10 5 макс. скорость счёта составляет 10 5 - 10 6 с -1 . Для П. с. практически нельзя указать интервал времени, в к-ром он вообще бы не реагировал на . Это обстоятельство позволяет использовать П. с. для детектирования излучения высокой интенсивности. При этом часто достаточно регистрировать не отд. импульсы, а средний ионный ток с помощью интегрирующих схем.

Применение . Эффективность П. с. к a-частицам, осколкам , протонам, электронам и мягким g-квантам близка 100%. Для регистрации этих частиц в П.с. предусмотрены "окна" из тонкой слюды или органич. плёнок. Иногда источник излучения помещается внутри объёма П. с. Для регистрации и с энергиями до 1 МэВ используются П. с. высокого давления (до r = 150 атм) в магн. поле. Измерение энергии g-квантов связано с в наполняющем газе. Длядо 1020 кэВ эффективность П. с. 80%, а для большихнеобходим Хе (рис. 7; см. Гамма-излучение ).

П. с. используется для измерения малых уд. активностей. От Гейгера счётчика его выгодно отличает способность выделять моноэнергетич. линии от отд. радионуклидов на фоне непрерывно распределённого фона в широком энергетич. интервале от 1 до 10 3 кэВ.

Как спектрометр П. с. уступает полупроводниковым детекторам , однако надёжность и простота дают возможность применять его, если не требуется высоко-энергетич. разрешение. П. с. позволяет работать в области энергий ~0,2 кэВ, где полупроводниковый детектор неприменим. По сравнению со сцинтилляционным детектором П. с. имеет лучшее энергетич. разрешение, меньшие шумы, нечувствителен к магн. полю. П. с. работает в диапазоне темп-р ~10-10 3 К.

П. с. применялся при изучении бета-распада ядер (оценки массы ), исследовании тонкой структуры-спектра, изомерных состояний ядер (см. Изомерия ядерная ),при обнаружении захвата ядром L -электрона (см. Электронный захват ),исследовании слабых конверсионных пиков (см. Конверсия внутренняя )и в др. случаях. Он используется также в астрофизике, археологии, геологии, медицине и т. д. Нек-рое пром. применение основано на зависимости лавинного разряда от напряжённости поля у анода и чистоты наполняющего газа (контроль диаметра и качества поверхности микроприводов, газоанализатор в газовой хромографии и т. д.). С помощью установленного на "Луноходе-1" П. с. по рентг. флюоресценции производился элементный анализ вещества поверхности Луны. Лит.: Rice-Evans P., Spark, streamer, proportional and drift chambers, L., 1974; Sau1i F., Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers, Gen., 1977; 3aневский Ю. В., Проволочные детекторы элементарных частиц, М., 1978; Sanada J., Growth the avalanche about the anode wire in a gas counter, "Nucl. Instr. and Meth.", 1982, v. 196, p. 23; Sau1i F., Basic processes in time-projection like detectors, в кн.: Time projection chamber 1-th workshop., Vancouver, 1983, N. Y., 1984; Ионизационные намерения в высоких энергий, М., 1988. А. П. Стрелков, Б. Ситар .

Механизм разряда в пропорциональном счетчике заключается в следующем. Заряженная частица, проходя через газ, наполняющий пропорциональный счётчик, создаёт на своём пути пары ион–электрон, число которых зависит от энергии, теряемой частицей в газе. Как и в ионизационной камере, под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы – к катоду. Но в отличие от ионизационной камеры первичные электроны на своём пути к аноду в электрическом поле счетчика приобретают энергию, достаточную для вторичной ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Возникшие при этом новые электроны, в свою очередь, приобретают энергию, достаточную для следующей ионизации. В результате вместо каждого первичного электрона на анод приходит лавина электронов, и полное число электронов, собранных на аноде пропорционального счётчика, во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного числа электронов, достигших анода, к количеству первичных электронов называется коэффициентом газового усиления, который для пропорционального счетчика достигает 10 3 –10 4 . Электрический импульс, возникающий в пропорциональном счётчике вследствие попадания в него частицы, пропорционален энергии этой частицы, а точнее энергии, затраченной частицей на первичную ионизацию среды детектора.

Следует заметить, что, кроме основного процесса образования электронной лавины – ударной ионизации, в пропорциональном счетчике существуют еще два механизма образования электронов. Первый заключается в том, что молекулы газа, переходящие в возбужденное состояние под действием электронов, возвращаясь в основное состояние, могут испускать не только электроны, но и фотоны, которые, попадая на поверхность электродов, вызывают фотоэффект. Фотоэлектроны, образовавшиеся на катоде, двигаясь к аноду, создают электронно-ионные лавины. Второй механизм заключается в том, что положительный ион при подходе к катоду, обладая сравнительно высокой энергией, может вырвать электрон, который, двигаясь к аноду, создает дополнительную лавину. Но для пропорциональных счетчиков описанные процессы являются вторичными, так как их вклад по сравнению с ударной ионизацией очень мал.

В общем случае конструктивно пропорциональный счетчик выполнен в виде цилиндра (рис. 5.5) и представляет собой катод-корпус и собирающий электрод, выполненный в виде металлической нити (вольфрам или сталь) диаметром 0,05–0,3 мм, натянутой по оси цилиндра. Верхний предел диаметра нити ограничивается очень высоким напряжением, которое необходимо подводить к счетчику, нижний предел – прочностью материала нити. Давление газов в корпусе изменяется в широких пределах – от 50 до 760 мм Hg и выше. Для регистрации α- и β-частиц внешних источников в корпусе счетчика вырезают входное окно. Его закрывают тонкой фольгой.

Рис. 5.5 Конструкция цилиндрического пропорционального счетчика

В связи с тем, что в отличие от ионизационных камер (работающих в режиме насыщения) пропорциональный счетчик обладает сравнительно крутой ВАХ, к применяемым для него источникам питания предъявляют гораздо более жесткие требования. Этим и объясняется предпочтение, отдаваемое иногда ионизационным камерам перед пропорциональными счетчиками в тех случаях, когда применимы оба типа детекторов.

Преимущество пропорциональных счетчиков перед ионизационными камерами заключается в том, что здесь импульсы значительно интенсивнее, поэтому пропорциональные счетчики используются для подсчета отдельных частиц.

Благодаря газовому усилению можно проводить счет ядерных частиц данного типа, используя вторичное электронное оборудование с гораздо меньшим усилением, чем в случае ионизационных камер, что значительно упрощает оборудование. Кроме того, при помощи пропорциональных счетчиков можно регистрировать частицы с меньшей энергией, чем в ионизационных камерах (уровень шумов электронного усилителя ограничивает величину импульса). Зависимость величины импульсов от начальной ионизации позволяет дискриминировать излучения, которые различаются по производимой ими ионизации. Например, α-частицы можно легко считать в присутствии β-частиц, благодаря большому различию в величине удельной ионизации. Импульсы от β-частиц имеют меньшую амплитуду и могут быть легко отсортированы (дискриминированы).

Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых детекторов. Мертвое время пропорционального счетчика может достигать 10 -7 с.

Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном и применяют для регистрации α-, β-частиц, протонов, γ-квантов и нейтронов. При регистрации заряженных частиц и γ-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации, используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объём счетчика. Эффективность регистрации для мягких γ-квантов с энергией менее 20 кэВ более 80 %. Для повышения эффективности регистрации высоко энергетических γ-квантов используют ксенон.

В случае дальнейшего повышения напряжения на электродах газового ионизационного детектора его работа переходит из области пропорциональности в область ограниченной пропорциональности (см. рис. 5.4). Эта область характеризуется возникновением в объеме счетчика значительного положительного объемного заряда, который искажает электрическое поле вблизи анода. В результате чего последующие электронно-ионные лавины развиваются уже в ослабленном поле, и эффективное сечение коэффициента газового усиления будет ниже. Кроме того, эффективный коэффициент газового усиления в этой области зависит от типа регистрируемой частицы. Так, для α-частиц, обладающих большой плотностью ионизации, он значительно меньше, чем для электронов (вольт-амперные кривые сходятся, см. рис. 5.4). При дальнейшем увеличении напряжения, подаваемого на счетчик, последний переходит в режим самостоятельного (коронного) разряда (область Гейгера).

5.1.3. Счетчики Гейгера–Мюллера

Газовые ионизационные счетчики, работающие в области самостоятельного или коронного газового разряда и названные по имени их создателей счетчиками Гейгера–Мюллера, конструктивно сходны с пропорциональными счетчиками. Они заполняются либо благородным газом (несамогасящиеся счетчики), либо смесью благородного газа, например аргона (12 кПа), и гасящего газа, например паров спирта (1,3 кПа). Этот тип счетчиков характеризуется тем, что амплитуда электрического сигнала, который снят с нагрузочного сопротивления R 1 (см. рис. 5.3), зависит от напряжения питания счетчика, состава газовой среды, взятой для его наполнения, температуры и параметров RC счетчика (сопротивление–емкость).

Конструктивно счётчик Гейгера устроен так же, как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный инертным газом. К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал, к внешнему – отрицательный.

Функционально счётчик Гейгера в основном повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией (газовое усиление), который способен ионизовать всю область вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации, следовательно, счетчики Гейгера не различают частицы одного вида по энергиям. Также в отличие от пропорционального режима в гейгеровском режиме разряд распространяется по всей длине анодной проволочки. По это причине в таких детекторах невозможно одновременно зарегистрировать две заряженные частицы.

Принцип работы счетчика заключается в том, что ядерные частицы или γ-кванты, проникая в межэлектродное пространство счетчика, вызывают ионизацию молекул газа, образуя внутри счетчика положительные ионы и электроны, которые, ускоряясь в электрическом поле счетчика, приобретают энергию, достаточную для повторной ионизации нейтральных молекул. Вновь образующиеся ионы и электроны, ускоряясь в электрическом поле электродов счетчика, снова производят ионизацию и т.д. В результате происходит лавинообразное нарастание потока ионов и электронов. Одновременно с ионизацией образуются возбужденные атомы или молекулы, которые являются источником коротковолнового ультрафиолетового излучения. При взаимодействии фотонов с молекулами газа образуются фотоэлектроны, которые образуют новые центры разрядки. При этом электронная лавина распространяется вдоль всей нити. Величина импульсов больше не зависит от вида и энергии излучения, а определяется только напряжением и длиной нити счетчика. Коэффициент газового усиления лежит в интервале 10 8 –10 10 .Через очень короткий промежуток времени (~10 –8 с) весь объем счетчика охватывается разрядом. Так как подвижность положительных ионов на несколько порядков меньше подвижности электронов, электронная лавина собирается на аноде значительно раньше, чем перемещаются к катоду положительные ионы. При этом анод оказывается окруженным положительно заряженными ионами, что понижает напряженность электрического поля вблизи нити, в результате чего ионизация газа приостанавливается, а вместе с этим замедляется и активная стадия разряда.

В следующей стадии разряда катионы движутся от нити к катоду, вырывая из него электроны, образуя нейтральные молекулы и атомы газа. Возбужденные нейтральные молекулы и атомы, высвечиваясь ультрафиолетовым светом при достаточном приближении к катоду, могут вызвать появление новых электронов, которые способствуют образованию следующей лавины, и создают новую вспышку газового разряда. Разряд повторяется до тех пор, пока не будет прекращен какими-либо внешними причинами.

Для регистрации последующих заряженных частиц, попадающих в объем счетчика, разряд, вызванный предыдущей частицей, должен быть погашен в возможно малый интервал времени. Существуют два механизма гашения газового разряда, в связи с чем счетчики делятся на самогасящиеся и несамогасящиеся.

В случае несамогасящихся счетчиков, обычно заполненных аргоном, наиболее просто осуществить внешнее гашение, включая последовательно со счетчиком высокоомное сопротивление. Ток во внешней цепи счетчика заряжает выходную эквивалентную емкость С , напряжение V на счетчике в момент окончания разряда будет равно разности напряжения источника питания V ист и напряжения на выходной емкости V С . При минимальной разности потенциалов V мин на электродах счетчика, которая необходима для ускорения электронов до энергии ударной ионизации, в работе несамогасящихся счетчиков можно выбрать два режима.

Первый режим : емкость С заряжается во время первой ступени разряда до такого напряжения V С , что V < V мин, тогда разряд в счетчике прекращается. Выбитые в таком случае из катода вторичные электроны не могут вызвать вторичной ионизации.

Второй режим : емкость С зарядилась недостаточно. При этом вторичные электроны, возникшие у катода, будут вызывать новые лавины разряда до тех пор, пока не будет удовлетворяться неравенство V < V мин.

Первый режим счетчика выгоднее для работы, так как электрический сигнал на нагрузочном сопротивлении получится в несколько раз короче, чем во втором. Этот режим будет соблюдаться при условии, что величина емкости наименьшая, а сопротивление настолько большое, что разрядным током, проходящим через это сопротивление, во время зарядки емкости можно пренебречь.

С другой стороны, следует иметь в виду, что разряд, протекающий в счетчике, приводит к образованию возле нити положительно заряженного ионного облака. Напряженность электрического поля в пространстве между заряженным облаком и нитью счетчика настолько уменьшается, что последующее образование лавины становится невозможным, и счетчик в течение определенного времени, которое называется мертвым временем t м, не способен регистрировать другие ионизирующие частицы или γ-кванты. По истечении этого времени (t м) в счетчике может возникнуть самостоятельный разряд.

Однако вначале амплитуда импульса еще мала, и только когда пространственный заряд достигает поверхности анода, в счетчике образуются импульсы нормальной амплитуды. Отрезок времени между моментом, когда в счетчике возможен самостоятельный разряд, и моментом полного восстановления рабочего напряжения называется временем восстановления. Таким образом, дальнейший разряд с образованием последующего импульса может произойти лишь после восстановления прежнего напряжения на электродах счетчика. После чего счетчик готов к регистрации последующей частицы.

В самогасящихся счетчиках газовый разряд протекает иначе. В газовой смеси этих счетчиков, кроме аргона, содержатся пары многоатомных газов: спирта, углеводородов и т.п. При этом потенциал ионизации многоатомного газа должен быть ниже, чем потенциал ионизации основного газа, наполняющего счетчик. За время движения частицы через счетчик происходит ионизация; электроны, двигаясь к нити, вызовут лавинный разряд, в котором возникнут новые электроны, положительные ионы, возбужденные атомы и молекулы.

Ультрафиолетовое излучение возбужденных атомов аргона полностью поглощается молекулами спирта во всем объеме, окружающем нить. Поэтому в самогасящихся счетчиках не будет проходить фотоэмиссии электронов с катода. Разряд распространяется вдоль нити, переходя от точки к точке, так как фотоны создают электроны только вблизи места своего возникновения.

В результате разряда образуются положительные ионы спирта, спирт обладает меньшим потенциалом ионизации, чем аргон, поэтому ионов аргона при таком процессе ионизации будет очень мало. Положительные ионы спирта, двигаясь к катоду, вырывают из него электроны и превращаются в возбужденные молекулы. Длительность жизни возбужденной молекулы спирта мала по сравнению с временем, необходимым для того, чтобы эта молекула приблизилась к катоду на расстояние, достаточное для вторичной эмиссии.

Ионы аргона в результате столкновения с молекулами спирта захватывают электроны из этих молекул и превращаются в нейтральные атомы. Эти атомы переходят из возбужденного в нейтральное состояние, испуская фотон, который поглощается молекулами спирта.

Таким образом, ионы аргона не достигают катода и не могут вызвать вторичной эмиссии электронов, разряд в счетчике прекращается. В самогасящемся счетчике процесс разряда является одноступенчатым. Постоянная времени (RC ) слабо влияет на длительность разряда.

Важнейшим преимуществом самогасящихся счетчиков является то, что их разрешающее время значительно меньше. Однако, поскольку диссоциация многоатомных органических молекул – процесс необратимый, то в процессе работы количество газа-гасителя в счетчике уменьшается, и счетчик постепенно приходит в негодность. Т.е. срок службы самогасящегося счетчика существенно короче, чем несамогасящегося. Так же к недостаткам высоковольтных счетчиков можно отнести высокое рабочее напряжение и малую максимальную скорость счета (большое мертвое время).

Хорошим заменителем органических молекул в самогасящихся счетчиках служат галогены. Наиболее часто используются соединения типа этилбромида. Молекулы галогенов легко отдают электроны при столкновении с положительными ионами аргона. Возбужденные молекулы галогенов расходуют свою энергию возбуждения на диссоциацию, следовательно, галогены обладают гасящими свойствами. Счетчики Гейгера–Мюллера, в которых газом-гасителем служат галогены, называют галогенными.

Галогены имеют значительно больший порядковый номер, чем органические вещества. Они эффективнее поглощают фотоны. Поэтому добавка галогенов к аргону составляет всего 0,1 % вместо 10–15 % органических молекул. Кроме того, диссоциация молекул галогенов – обратимый процесс. Атомы галогенов при столкновении рекомбинируют в молекулу, вследствие чего число молекул галогенов в счетчике остается неизменным. Это выгодно отличает галогенные счетчики от счетчиков, где в качестве гасящих добавок используются пары органических веществ. Кроме того, эти счетчики в отличие от органических имеют высокую скорость счета (до 10 5 имп./мин), низкое рабочее напряжение (порядка 360–400 В) и практически неограниченный срок службы.

Недостатком же галогенных счетчиков является длительное время развития разряда с момента попадания ионизирующей частицы. Это время на два порядка выше, чем у высоковольтных счетчиков.

Для регистрации ионизирующих частиц в зависимости от их природы и энергии применяют счетчики Гейгера–Мюллера различных типов. Измерение мягкого β-излучения с энергией ниже 0,5 МэВ проводится торцевыми счетчиками. Счетчики этого типа имеют специальное окошко, закрытое слюдой толщиной порядка 0,9–6 мг/см 2 .

Счетчики с цилиндрическим корпусом из алюминия и толщиной стенки 0,1 мм используются для измерения β-излучения с энергией выше 0,4–0,5 МэВ.

Цилиндрические счетчики со стеклянным корпусом и металлизированной внутренней поверхностью предназначены для измерения γ-излучения. В случае регистрации γ-квантов ионизация в объеме счетчика возникает от электронов, которые выбиваются из корпуса стенок и вещества катода.

Из-за значительного разрешающего времени и отсутствия энергетического разрешения счетчики Гейгера–Мюллера имеют ограниченное применение в метрологии.

Кроме того, газонаполненные детекторы имеют два общих недостатка. Во-первых, низка плотность газа, и энергия, теряемая частицей в объёме детектора, мала, что не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизирующие частицы. Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон–ион в газе, велика (30–40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое разрешение.

Газоразрядный детектор ч-ц, создающий , амплитуда к-рого пропорц. энергии, выделенной в его объёме, регистрируемой ч-цей. При полном торможении ч-цы в П. с. его пропорц. энергии ч-цы. В отличие от ионизационной камеры, вблизи анода П. с. электрич. Е столь велико, что первичные эл-ны приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. В результате на приходит лавина эл-нов. Отношение полного числа собранных эл-нов к первоначальному их числу наз. к о э ф ф и ц и е н т о м г а з о в о г о у с и л е н и я М, к-рый тем больше, чем больше величина Е/р (р - газа; в формировании импульса участвуют и ионы). В П. с. обычно используют коаксиальные электроды: катод - цилиндр, анод - тонкая (10-100 мкм) нить, натянутая по оси цилиндра (рис.). Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь эл-ны дрейфуют в поле Е без «размножения». П. с., как правило, заполняют инертными газами с добавлением небольшого кол-ва многоатомных газов.

Схема пропорц. счётчика: а - область дрейфа электронов; б - область газового усиления.

Типичные хар-ки П. с.: M=103-104 (но может достигать 106); амплитуда импульса =10-2 В при электрич. -ёмкости самого П. с. ок. 20 пФ; развитие лавины происходит за =10-9-10-8 с, однако момент появления сигнала на выходе П. с. зависит -от места прохождения ионизующей ч-цы, т. е. от времени дрейфа первичных эл-нов до анода. При радиусе =1 см и давлении 1 атм время срабатывания П. с. относительно пролёта ч-цы =10-7-10-8 с достигает 10-6 с.

П. с. используются для регистрации всех видов ч-ц: a-частиц, эл-нов, осколков деления атомных ядер и т. д., а также для нейтронов, гамма- и рентг. квантов. В случае незаряж. ч-ц регистрируются вторичные заряж. ч-цы, возникающие в процессе вз-ствия нейтральных ч-ц с наполняющим счётчик газом (эл-ны, протоны отдачи и др.).

П. с. сыграл важную роль в развитии яд. физики довоенного времени, являясь наряду с ионизац. камерой практически единств. электронным спектрометрич. детектором.

В кон, 60-х гг. в физике ч-ц высоких энергий начала применяться п р о п о р ц и о н а л ь н а я к а м е р а, состоящая из большого числа (102-103) П. с., расположенных в одной плоскости и часто в одном газовом объёме. Такая геометрия позволяет по регистрации ч-ц в отдельных П. с. определить место прохождения ч-цы. Расстояние между соседними анодными нитями. =1-2 мм, расстояние между анодной и катодной плоскостями =1 см, разрешающее время =10-7 с. Развитие микроэлектроники и внедрение в эксперим. технику позволили создать камеры, состоящие из десятков тыс. нитей, соединённых -с ЭВМ, к-рая запоминает и обрабатывает всю информацию от пропорц. камеры. Такая камера - одновременно быстродействующий и трековый детектор.

В 70-х гг. появилась д р е й ф о в а я к а м е р а, в к-рой для измерения координаты места пролёта ч-цы используется дрейф эл-нов, предшествующий образованию лавины. Чередуя аноды и катоды отд. П. с. в одной плоскости и измеряя время дрейфа эл-нов, можно измерить место прохождения ч-цы через камеру с высокой точностью (=0,1 мм) при числе нитей в =10 раз меньше, чем в пропорц. камере.

П. с. применяются в яд. физике и в физике ч-ц высоких энергий (в экспериментах на ускорителях и в косм. лучах), а также в астрофизике, геологии, археологии и др. С помощью П. с., установленного на «Луноходе-1», по спектру рентг. флюоресценции был произведён хим. элементный анализ в-ва поверхности Луны.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

Газоразрядный детектор частиц, создающий сигнал, амплитуда к-рого пропорциональна энергии, выделенной в его объёме регистрируемой частицей. При полном торможении частицы в объёме П. с. амплитуда сигнала пропорциональна энергии частицы, т. е. П. с. является одновременно и спектрометром. П. с., как и др. газоразрядные , представляет собой газовый объём (от неск. см 3 до неск. л) с 2 электродами. От конструкции ионизационной камеры П. с. отличает форма анода в виде тонкой нити или острия для обеспечения вблизи анода значительно большей напряжённости электрич. поля, чем в остальном пространстве между анодом и катодом. Наиб. распространены ци-линдрич. П. с., где катодом является металлич. цилиндр (корпус счётчика), внутри к-рого аксиально протянута тонкая проволока - анод (рис. 1).

Рис. 1. Схема пропорционального счётчика: И - источник частиц.

Заряж. частица с энергией создаёт в газе п 0 =/W электрон-ионных , где - ионизаци онные потери энергии частицы, W - ср. образования электрон-ионной пары. Импульс тока (напряжения), возникающий на сопротивлении Л, пропорционален импульс (1-100 мВ) усиливается и поступает в регистрирующее (анализирующее или запоминающее) электронное устройство.

Газовое усиление. Первичные электроны, образованные заряж. частицей в результате ионизации газа, под действием электрич. поля перемещаются к аноду, по пути многократно сталкиваясь с атомами (рис. 2). Эти соударения частично неупругие, т. к. электроны теряют значит. часть своей энергии и не могут набрать энергию, достаточную для ионизации атомов газа (20-30 эВ). В цилиндрич. П. с. электрич. поле E ~ , где - расстояние частицы до нити (рис. 3). Поэтому между двумя последоват. столкновениями электроны, приближаясь к аноду, получают всё возрастающие значения кинетич. энергии, и на нек-ром расстоянии от нити энергия становится достаточной для ионизации. Образующиеся вторичные электроны вместе с первичными участвуют в последующей лавинной ионизации газа (га-зовое усиление). Коэф. газового усиления М - отношение кол-ва электронов, пришедших на нить, к числу первичных электронов. Форма электронно-ионной лавины вблизи анода сильно зависит от значения М: при 10 < М < 100 лавина приобретает форму капли в направлении прихода электронов на анод; при 10 2 < М<10 4 . лавина становится сердцеобразной, вытянутой в направлении прихода электронов; при М >10 4 лавина полностью охватывает анод - тогда и нарушается пропорциональность между п 0 и амплитудой сигнала. Размер лавины вдоль проволочного анода растёт с увеличением М от долей мм до неск. мм.

Рис. 2. Механизм работы пропорционального счётчика:-- зона дрейфа первичных электронов;-- зона лавин.

При столкновениях образуются также возбуждённые атомы, к-рые "высвечиваются" (УФ-излучение) за время ~10 -8 с. Энергия фотонов почти всегда превосходит работу выхода электронов с поверхности катода, поэтому вырванные (с вероятностью ~10 -4) фотоэлектроны также движутся к аноду, усложняя картину разряда и образуя лавинные серии - последовательно затухающую цепочку импульсов, отстоящих друг от друга на время дрейфа электронов от катода к аноду. Фотоэлектронную эмиссию можно ослабить, если в состав газа кроме инертных (Аг, Кг, Хе) ввести многоатомные газы (СН 2 , С 2 Н 2 , СO 2 и т. д.), поглощающие УФ-излучение. Т. к. электроны поглощают газы и пары со сродством к электрону (О 2 , Н 2 О, галогены), то их в смеси П. с. должно быть мин. кол-во ( O 2 ~10 -5 см 3).

Если пренебречь влиянием на лавину пространственного заряда от положит. ионов, прилипанием электронов и фотоэлектронной эмиссией, то

где - число ионизац. соударений электрона на пути 1 см (первый коэф. Таунсенда), зависит от напряжённости поля E, давления r и рода газа. В приближении Роуза - Корфа, где a = N К (К - характеристика газа, N - плотность газа, - энергия электронов),

Здесь С= - ёмкость счётчика на единицу длины, - напряжение на электродах, - напряжение, соответствующее началу лавины. При

(рис. 4). Ввиду статистич. природы лавинного процесса V c не является чёткой характеристикой П. с., поэтому V c определяется по пересечению прямолинейного участка зависимости lnM(F 0) с осью абсцисс. Линейная зависимость продолжается до М ~ 10 4 . При дальнейшем повышении F 0 зависимость перестаёт быть линейной (гл. обр. из-за влияния фотоэлектронной эмиссии и пространственного заряда ионов).

Область М ~ 10 4 -10 6 наз. областью ограниченной пропорциональности. Большие М могут привести к пробою (рис. 5). Чтобы не допустить пробоя, применяют гасящие примеси - органич. газы (СН 4 , пропан, изобутан, С 2 Н 5 ОН, метилаль и т. п.), к-рые обладают большим сечением фотопоглощения, диссоциации и передачи возбуждения сложной молекуле. Добавка органич. газа стабилизует процесс газового усиления в широком диапазоне V 0 , хо-тя само напряжение, необходимое для требуемого М, возрастает.

Формирование сигнала. Вклад в амплитуду импульса за счёт перемещения первичных ионов и электронов мал.

Время развития лавины <10 -9 с, однако вследствие того, что электроны в лавине проходят сравнительно малые расстояния (большинство электронов рождаются только на последних стадиях лавины), вклад электронной в полную амплитуду импульса 10%. Положит. ионы, большинство к-рых расположено от поверхности нити на расстоянии ср. пробега электронов в лавине (15 мкм), после окончания лавины начинают двигаться к катоду, индуцируя изменение потенциала на нём во времени t :

Здесь е - заряд электрона, - подвижность ионов (см. Подвижность электронов и ионов), n 0 - число первичных ионов. Величина DV, вызванная движением ионов, сначала растёт прямолинейно, затем логарифмически; достигает макс. значения (DV макс = еМп 0 /С) в момент прихода всех положит. ионов на спустя (15)·10 -3 с с момента образования лавины (рис. 6). Половины значения от своего максимума импульс достигает за (15)·10 -6 с, поэтому для получения высокого временного разрешения во входных цепях усилителя стоят дифференцирующие цепи (= RC ) или линии задержки. Т. о., в случае траектории частицы (трека), параллельной аноду, удаётся получить импульсы длительностью < 10 -7 с. При произвольной ориентации трека ширина импульса определяется разностью во временах дрейфа первичных электронов от начала ( А )и конца ( В )трека до анода (рис. 2). Эти времена могут достигать 0,1-10 мкс. Такого же порядка и время задержки импульса на выходе П. с. с момента первичной ионизации, что ограничивает возможности использования П. с. в совпадений методе.

Рис. 6. Временное развитие сигнала при различных .

Энергетическое разрешение. Статистич. в кол-ве первичных ионов n 0 , а также флуктуации М "размывают" амплитуду импульсов и определяют предельно достижимое энергетич. разрешение П. с. (эти компоненты приблизительно равны по величине друг другу). Энергетич. разрешение приближённо выражается соотношением

Увеличение разброса амплитуды импульсов могут вызывать конструкционные несовершенства, приводящие к искажению распределения электрич. поля у анода, причём наиб. важным является постоянство по длине П. с., напр. 1 мкм может вызвать разброс амплитуд ~50%. Большое влияние на энергетич. разрешение оказывают стабильность V 0 (0,05%) и чистота газа. Для инертных газов, СO 2 , СН 4 и т. д. не наблюдается прилипания электронов, но присутствие даже незначит. кол-ва (<0,1%) электроотрицат. молекул Н 2 О, СО, О 2 , С 2 и т. д. приводит к значит. ухудшению энергетич. разрешения, т. к. амплитуда импульса становится зависимой от места образования первичных электронов. Добавки нек-рых газов с потенциалом ионизации, меньшим потенциала ионизации осн. газа, могут приводить к уменьшению ср. энергии, затраченной на образование пары ионов, следовательно к улучшению разрешения.

Временные характеристики. Макс. регистрации П. с. зависит от давления и состава газовой смеси и толщины анодной проволоки . При больших скоростях регистрации происходит ослабление электронной лавины, образовавшейся в нерелаксированном пространственном заряде от предыдущей лавины. Это ослабление распределено по случайному закону и вызывает не только уменьшение амплитуды импульсов, но и ухудшает энергетич. разрешение. При М =10 4 10 5 макс. скорость счёта составляет 10 5 - 10 6 с -1 . Для П. с. практически нельзя указать времени, в к-ром он вообще бы не реагировал на . Это обстоятельство позволяет использовать П. с. для детектирования излучения высокой интенсивности. При этом часто достаточно регистрировать не отд. импульсы, а средний ионный с помощью интегрирующих схем.

Применение. Эффективность П. с. к a-частицам, осколкам деления ядер, протонам, электронам и мягким g-квантам близка 100%. Для регистрации этих частиц в П. слюды или органич. плёнок. Иногда источник излучения помещается внутри объёма П. с. Для регистрации и с энергиями до 1 МэВ используются П. с. высокого давления (до r = 150 атм) в магн. поле. Измерение энергии g-квантов связано с фотоэффектом в наполняющем газе. Для до 1020 кэВ эффективность П. с. 80%, а для больших необходим Хе (рис. 7; см. Гамма-излучение).

При исследовании космических лучей создают большие площади регистрации. Используя большое временное разрешение П. с., удаётся отличить одну частицу от неск. ливневых частиц, проходящих через П. с.

Рис. 7. Амплитудный дифференциальный пропорцио-нального счётчика, наполненного Хе, от частоты характеристического излучения Си и источника 241 Аm.

Большие флуктуации в образовании d-электронов не позволяют получить хорошее энергетич. разрешение от малых долей энергии, оставленных в П. с. быстрой частицей.

Для регистрации нейтронов П. с. заполняется газами 3 Не или 10 BF 3 . Нейтроны захватываются ядрами 3 Не и 10 В с последующим вылетом из них заряж. частиц с энергией порядка 1 МэВ. Ионизация от этих частиц во много раз превосходит ионизацию от g-квантов, постоянно присутствующих в нейтронных потоках. Т. о., введя амплитудную дискриминацию, удаётся полностью сделать П. с. нечувствительными к g-фону. Для нейтронов с энергией ~10 кэВ с помощью П. с. можно измерить их энергию по величине смещения пика в амплитудном дифференц. спектре от захвата нейтронов ядром 3 Не либо по величине импульсов от ядер отдачи при заполнении счётчика лёгкими газами Н 2 или 4 Не (см. Нейтронные детекторы).

П. с. используется для измерения малых уд. активностей. От Гейгера счётчика его выгодно отличает способность выделять моноэнергетич. линии от отд. радионуклидов на фоне непрерывно распределённого фона в широком энергетич. интервале от 1 до 10 3 кэВ.

Как спектрометр П. с. уступает полупроводниковым детекторам, однако надёжность и простота дают возможность применять его, если не требуется высоко-энергетич. разрешение. П. с. позволяет работать в области энергий ~0,2 кэВ, где неприменим. По сравнению со сцинтилляционным детектором П. с. имеет лучшее энергетич. разрешение, меньшие , нечувствителен к магн. полю. П. с. работает в диапазоне темп-р ~10-10 3 К.

П. с. применялся при изучении бета-распада ядер (оценки массы ), исследовании тонкой структуры -спектра, изомерных состояний ядер (см. Изомерия ядерная), при обнаружении захвата ядром L -электрона (см. Электронный захват), исследовании слабых конверсионных пиков (см. Конверсия внутренняя )и в др. случаях. Он используется также в астрофизике, археологии, геологии, медицине и т. д. Нек-рое пром. применение основано на зависимости лавинного разряда от напряжённости поля у анода и чистоты наполняющего газа (контроль диаметра и качества поверхности микроприводов, газоанализатор в газовой хромографии и т. д.). С помощью установленного на "Луноходе-1" П. с. по рентг. флюоресценции производился элементный анализ вещества поверхности Луны. Лит.: Rice-Evans P., Spark, streamer, proportional and drift chambers, L., 1974; Sau1i F., Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers, Gen., 1977; 3aневский Ю. В., Проволочные детекторы элементарных частиц, М., 1978; Sanada J., Growth the avalanche about the anode wire in a gas counter, "Nucl. Instr. and Meth.", 1982, v. 196, p. 23; Sau1i F., Basic processes in time-projection like detectors, в кн.: Time projection chamber 1-th workshop., Vancouver, 1983, N. Y., 1984; Ионизационные намерения в физике высоких энергий, М., 1988. А. П. Стрелков, Б. Ситар.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

• Википедия

пропорциональный счетчик - Газоразрядный счетчик, работающий в режиме несамостоятельного газового разряда, в котором заряд в импульсе пропорционален первичной ионизации, а коэффициент газового усиления больше единицы и не зависит от первичной ионизации. [ГОСТ 19189 73]… … Справочник технического переводчика

пропорциональный счетчик - proporcingasis skaitiklis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. proportional counter vok. Proportionalzähler, m rus. пропорциональный счетчик, m pranc. compteur proportionnel, m … Automatikos terminų žodynas

пропорциональный счетчик - Детектор, использующий пропорциональное газовое усиление первоначальной ионизации … Политехнический терминологический толковый словарь - представляет прибор, служащий для определения общего количества Э. энергии, прошедшей чрез него в некоторый промежуток времени к месту потребления. Э. энергия (работа), израсходованная в известное время, определяется произведением Э. мощности… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

- (High Energy Astronomy Observatory) HEAO2/Обсерватория им. Эйнштейна Организация … Википедия

Приборы для регистрации атомных и субатомных частиц. Чтобы частица была зарегистрирована, она должна взаимодействовать с материалом детектора. Простейшие детекторы (счетчики) регистрируют только сам факт попадания частицы в детектор; более… … Энциклопедия Кольера

Проанализируем сначала поведение газонаполненных газоразрядных трубок, которые схематически изображены на рис. 6.4. Что произойдет, если увеличивать напряжение между центральной проволочкой и корпусом камеры? Выходной сигнал меняется в зависимости от приложенного напряжения (рис. 6.5). На графике показан выходной сигнал устройства при прохождении через него электрона и -частицы. При этом различные участки кривых отражают следующее:

Рис. 6.4. Газонаполненный детектор и устройство для регистрации импульсов тока от ионизирующих частиц, проходящих через газовый объем .

Рис. 6.5. Выходной импульс газонаполненного детектора, показанного на рис. 6.4, как функция напряжения Штриховая горизонтальная линия - уровень дискриминации для счетчика Гейгера - Мюллера. Две кривые являются откликом на быстрый электрон и ядро гелия а. Диапазоны описаны в тексте .

Рис. 6.6. Принцип устройства пропорционального счетчика, используемого в рентгеновской астрономии.

A. Имеется заметная рекомбинация, так что не все свободные электроны, появившиеся в результате прохождения заряженной частицы, достигают анода.

B. Напряжение достигло достаточной величины, чтобы рекомбинация стала незначительной.

C. Это очень важная область. При таких напряжениях свободные электроны, достаточно близко подошедшие к аноду, приобретают энергию, достаточную для образования новых электрон-ионных пар. Это может привести к очень сильному увеличению амплитуды импульса напряжения на выходе, который далее регистрируется электронной схемой счетчика. На практике стараются подавать на эти устройства как можно более высокое напряжение. Его поднимают до тех пор, пока сохраняется линейность выходного сигнала счетчика, т.е. прка полное число вторичных электрон-ионных пар пропорционально числу электрон-ионных пар, образовавшихся при прохождении космической частицы. Этот участок называют областью пропорциональности, а устройства, работающие в таком режиме, - пропорциональными счетчиками.

D. Пропорциональность исчезает.

E. При самых высоких напряжениях любая частица, производящая даже минимальную ионизацию, даст на выходе импульс большой амплитуды. В этом случае устройство работает в режиме насыщения.

Пропорциональные счетчики по своей важности стоят далеко впереди всех таких устройств. Правда, из-за малости их размеров по сравнению с пробегами энергичных частиц они редко используются для регистрации заряженных частиц (хотя, конечно, они срабатывают, когда частица космических лучей проходит через их чувствительный объем). Они находят применение главным образом как детекторы рентгеновского излучения в области энергии Именно с помощью таких детекторов было сделано большинство последних крупнейших открытий в рентгеновской астрономии (см. ниже). Рассмотрим более подробно конструкцию, чувствительность и частотную характеристику детекторов, устанавливаемых на спутниках и ракетах (рис. 6.6). Рентгеновский фотон проникает через входное

окно в объем внутри корпуса и поглощается вследствие фотоэффекта в газе, выбивая фотоэлектрон. Возбужденный атом переходит в основное состояние, излучив флуоресцентный рентгеновский квант, либо испустив электрон Оже. Фотоэлектрон обладает достаточной энергией, чтобы ионизовать другие атомы газа, так что в конце концов, как и в случае ионизационных потерь, на каждые энергии падающего рентгеновского фотона образуется одна электрон-ионная пара. Эти пары дрейфуют в область большой напряженности, где число пар увеличивается в раз, после чего регистрируется сигнал. Такой коэффициент усиления достаточен, чтобы возник ощутимый для регистрации электронной схемой сигнал.

Рассмотрим энергетическую функцию отклика детектора. Вероятность поглощения фотона с энергией Ни в газе счетчика равна

где коэффициенты поглощения, толщина окна и глубина газового промежутка соответственно. Рассмотрим процесс поглощения на -оболочки атомов различных материалов. Типичная кривая массового коэффициента поглощения показана на рис. 4.1. Между пределами

Рис. 6.7. Вероятность поглощения рентгеновского фотона в базовом объеме пропорционального счетчика с аргоновым наполнением без учета поглощения в окне; сечение фотоэлектрического поглощения, толщина слоя газа.

Рис. 6.8. Вероятность поглощения рентгеновского фотона в газовом объеме пропорционального счетчика (рис. 6.7) с окном из органического материала, такого, как майлар.

поглощения сечение поглощения о пропорционально а поэтому для входного окна подбирается материал с малым а газ - с максимально возможным

Рассмотрим теперь как функцию энергии для детектора, наполненного аргоном, и входного окна, изготовленного из майлара (органической пластмассы). Если учитывать только аргон, то выходной сигнал имел бы вид, показанный на рис. 6.7. Поглощение в окне влияет на его форму и он имеет вид, как на рис. 6.8. Мы наблюдаем скачок, когда подходим к Копределу поглощения углерода, но в остальном выходной сигнал детектора в значительной мере определяется типом газа и материалом входного окна. Можно изготовить майларовую пленку толщиной до что составит толщина слоя аргона может достигать При производстве таких устройств, конечно, возникают значительные проблемы, например неизбежная для таких тонких окон утечка газа. Для работы на спутниках приходится использовать более толстые окна, что ограничивает рабочий диапазон энергий, так как для наблюдений доступны только фотоны с энергией выше Иногда окна изготавливаются из бериллиевой фольги. Для работы на самых низких энергиях, применяются очень тонкие окна, в этом случае необходима газопроточная система, поддерживающая давление газа в детекторе постоянным. Энергетическое разрешение можно улучшить с помощью фильтров, и, конечно, поскольку счетчик пропорциональный, мы получаем информацию об энергии каждого приходящего фотона по амплитуде выходного сигнала. Точность определения энергии фотона ограничена статистическими флуктуациями числа выбиваемых электронов. К примеру, при энергии фотона даже если бы эффективность детектора достигала 100%, образуется около 300 электрон-ионных пар, а статистическая точность должна быть хуже, чем т.е. в самом лучшем случае 5%. Обычно она несколько хуже.

Отметим, что устройства заполняются инертными газами, а это означает, что большая часть энергии фотона переходит в кинетическую энергию электронов. Если бы использовался молекулярный газ, то какая-то часть его энергии перераспределялась между уровнями, соответствующими колебательным и вращательным степеням свободы.

В пропорциональных счетчиках облако электронов довольно компактно, поэтому можно придумать такую схему прибора, которая позволяла бы определять место регистрации каждого рентгеновского кванта. Это осуществляется в позиционно-чувствительных детекторах. Положение точки, в которой облако электронов достигает анода, можно измерить по отношению зарядов, снимаемых с каждого конца проволочки, так как заряд, растекаясь вдоль проволочки в противоположных направлениях, распределяется обратно пропорционально длине отрезка от точки собирания до конца проволочки. Чтобы определить вторую координату места регистрации, можно использовать многопроволочные аноды, и та проволочка, по которой течет заряд, как раз и дает координату в направлении, ортогональном аноду. Альтернативной схемой является установка двух плоскостей взаимно перпендикулярных анодных и катодных проволочек, по которым локализуется каждое событие.

Такая модификация особенно важна для рентгеновских телескопов, в которых производится фокусировка рентгеновских лучей в фокальной плоскости и регистрируется двумерное изображение рентгеновского неба.

Газовые счетчики ионизирующего излучения представляют собой детектор и предназначены для регистрации ионизирующего излучения. Для усиления используют газовый разряд. Данный класс детекторов имеет высокую чувствительность, следовательно, они способны детектировать отдельные частицы, возникающие в объеме газонаполненного счетчика. В зависимости от типа газового разряда выделяю следующие газовые счетчики:

Пропорциональные (основаны на явлении несамостоятельного газового разряда);

Счетчики Гейгера-Мюллера (основаны на самостоятельном газовом разряде).

Пропорциональные счетчики

Пропорциональные счетчики относятся к группе газоразрядных детекторов. Такое название было присвоено им потому, что электрический сигнал на выходе счетчика по амплитуде пропорционален энергии, потерянной регистрируемой частицей в рабочем объеме, при условии, что пробег частицы полностью в нем укладывается. С помощью пропорционального счетчика можно измерять энергетические спектры полей ионизирующих излучений. Пропорциональные счетчики конструктивно не отличаются от цилиндрических ионизационных камер, но их газовое наполнение (обычно 90% аргона и 10% метана) и режим работы – различны. Пропорциональный счетчик, в отличие от импульсной ионизационной камеры, работает при более высоком напряжении на электродах, то есть в той области вольтамперной характеристики, в которой вблизи поверхности тонкого анодного электрода возникают условия для начала вторичной ударной ионизации (Вторичная ударная ионизация – процесс, при котором электроны, образовавшиеся в результате первичной ионизации, сами способны производить ионизацию за счет достаточной кинетической энергии). Счетчик часто выполняется в коаксиальной цилиндрической геометрии. Анод изготавливается в виде тонкой металлической нити (0,1 мм), натянутой строго по оси цилиндрического корпуса. Объем счетчика наполняется инертным газом с добавкой многоатомных газов. Давление газа выбирается близким к атмосферному или немного большим. На анод подается положительное напряжение U 0 несколько сотен В относительно катода. В объеме счетчика возникает неоднородное электрическое поле, напряженность которого изменяется по мере приближения к аноду по закону1/r, где r – текущее значение радиуса в объеме счетчика. Изменение напряженности поля приводит к ускорению электронов по направлению к аноду. Вблизи поверхности анода электроны ускоряются до таких энергий, что приобретают способность производить вторичную ударную ионизацию рабочего газа. Процесс размножения ионов при вторичной ионизации ограничен несколькими поколениями, но не развивается в неуправляемую лавину. Разряд прекращается, как только прекращается первичная ионизация. Газовый разряд такого сорта называют несамостоятельным, то есть способным прекратиться без дополнительного на него воздействия. Рассмотрим график зависимости величины импульса от напряжения на газовом детекторе (рис. 1).

1 – Область ионизационной камеры. При малых напряжениях пропорциональный счетчик работает как ионизационная камера, ток не зависит от напряжения, а будет определяться количеством ионов, которые образуются в объеме газа. Затем, при повышении напряжения, импульс будет возрастать за счет явления ударной ионизации;

2 – Пропорциональная область. Пропорциональный счетчик работает таким образом, что амплитуда импульсов пропорциональна ионизации с учетом газового усиления;

3 – Область ограниченной пропорциональности. Область, к которой при дальнейшем повышении напряжения коэффициент газового усиления* возрастает по абсолютной величине и зависит от первоначальной ионизации.

4 – Область Гейгера. В этой области каждый вторичный электрон будет вызывать разряд в газе т. е. в этой области величина импульс уже не зависит от первоначальной ионизации. Работает как счетчик Гейгера-Мюллера.

При дальнейшем повышении напряжения в газе будет наблюдаться повышение разряда, не связанное с ионизацией – самопроизвольный разряд. В этом случае счетчик не может быть использован, так как происходит пробой в газе.

Коэффициент газового усиления

Если число пар ионов, созданных влетевшей в рабочее тело счетчика регистрируемой частицей, равно n, то число пар ионов, рожденных вторичной, ударной ионизацией будет равно K ⋅ n. Величину K называется коэффициентом газового усиления. Можно определить коэффициент газового усиления через число пар ионов, имевшихся в объеме счетчика во время формирования сигнала: К = n/n 0 , где n 0 – число пар ионов, созданных ионизирующей частицей; n – общее число пар ионов.

Эффективность детектирования

Эффективностью детектирования называется выраженное в процентах отношение числа регистрируемых частиц к числу всех частиц, попавших в рабочий объем детектора. Зависит от материала стенок детектора, их толщины и энергии излучения.

Применение пропорциональных счетчиков

Область применения пропорциональных счетчиков достаточно обширна, что определяется их свойствами. Эффективность регистрации ими альфа-частиц, осколков деления, протонов, и мягкого гамма- и рентгеновского излучения (с энергией до 10–20 кэВ) близка к 100 %. Для таких измерений (особенно для измерений заряженных частиц) используют датчики с окнами из тонкой слюды или органических пленок. Иногда источник излучения помещается внутри объёма. Пропорциональные счетчики активно используются для исследования поверхностей на загрязнения, включая системы мониторинга загрязнения поверхности тела, одежды, обуви и так далее. Для регистрации нейтронов пропорциональные счетчики заполняются 3 Не или 10 BF 3 .

Использование пропорциональных счетчиков для спектрометрии ограничено. В большинстве случаев системы на их основе уступают полупроводниковым и сцинтилляционным. Однако надёжность и простота дают возможность применять их, если не требуется высоко–энергетическое разрешение, для работы в области энергий ~0,2 кэВ, где полупроводниковый детектор неприменим. По сравнению со сцинтилляционным детектором пропорциональные счетчики имеют лучшее энергетическое разрешение, меньшие шумы, нечувствительны к магнитному полю.