§ 86. Ионизационные камеры и счетчики

Действие ионизационных камер и счетчиков — при­боров, применяемых для обнаружения и счета ядерных частиц, а также для измерения интенсивности рентге­новского и гамма-излучения, основано на использовании несамостоятельного газового разряда.

Принципиальная схема ионизационной камеры и счет­чика одинакова (рис. 184). Отличаются они лишь режи-

мом работы и конструктивными особенностями. Счетчик (рис. 184, б) состоит из цилиндрического корпуса, по оси которого укреплен на изоляторах электрод в виде тонкой нити (анод). Вторым электродом (катодом) слу­жит корпус счетчика. Иногда счетчик заключают в обо­лочку из стекла. Для впуска ионизирующих частиц в тор­це счетчика делается окошко из алюминиевой фольги или из слюды. Некоторые частицы, а также рентгенов­ское и гамма-излучение проникают в счетчик или иони­зационную камеру непосредственно через их стенки.

Ионизационная камера (рис. 184, а) может иметь элек­троды разной формы. В -частности, они могут быть та­кими же, как у счетчика, либо иметь форму плоских параллельных пластин и т. п.

Предположим, что в пространство между электро­дами влетает быстрая заряженная частица (например, а- или р-частица), которая создает N0 пар первичных ионов (элекиронов и положительных ионов). Возникшие ионы увлекаются полем к электродам, вследствие чего через сопротивление R проходит некоторый заряд q, ко­торый мы будем называть импульсом тока. На рис. 185 приведена зависимость импульса тока о от напряже­ния И между электродами для двух различных коли­честв первичных ионов N0, отличающихся по величине в три раза (Л/02 = 3NM). На графике можно выделить шесть обозначенных римскими цифрами различных об­ластей. Области / и // были подробно рассмотрены в предыдущем параграфе. В частности, область // есть область тока насыщения — все созданные ионизатором ионы достигают электродов, не успев рекомбинировать.

Естественно, что при этом условии импульс тока не за­висит от напряжения.

Начиная со значения напряжения Up поле достигает такой величины, что электроны получают возможность ионизировать молекулы ударом. Поэтому количество электронов и положительных ионов лавинообразно на­растает. В результате на каждый из электродов попа­дает AN0 ионов. Величина А называется коэффициен­том газового усиления. В области /// этот ко­эффициент не зависит от количества первичных ионов N0

(но зависит от напряжения). Поэтому, если поддержи­вать напряжение постоянным, импульс тока будет про­порционален количеству первичных ионов, образованных ионизатором. Область III называется областью про­порциональности, а напряжение Up — порогом пропорциональной области. Коэффициент га­зового усиления изменяется в этой области от 1 в на­чале до 103 104 в конце (рис. 185 выполнен без соблю­дения масштаба по оси q; выдержано лишь соотноше­ние 1:3 между ординатами кривых в областях // и ///).

В области IV, называемой областью частичной пропорциональности, коэффициент газового усиления А все сильнее зависит от No, в связи с чем раз­личие в импульсах тока, порожденных различным ко­личеством первичных ионов, все больше сглаживается.

При напряжениях, соответствующих области V (ее называют об л а ст ью Гейгера, а напряжение Ug — порогом этой области), процесс приобретает характер

самостоятельного разряда. Первичные ионы лишь со­здают первоначальный толчок для его возникновения. Величина импульса тока в этой области совершенно не зависит от количества первичных ионов.

В области VI напряжение столь велико, что разряд, возникнув, больше не прекращается. Поэтому ее назы­вают областью непрерывного разряда.

Ионизационная камера. Ионизационной камерой на­зывается прибор, работающий без газового усиления, т. е. при напряжениях, соответствующих области //. Су­ществуют два типа ионизационных камер. Камеры од­ного типа применяются для регистрации импульсов, со­здаваемых отдельными частицами (импульсные камеры). Влетевшая в камеру частица создает в ней некоторое число ионов, в результате чего через сопротивление R начинает течь тек i. Это приводит к тому, что потенциал точки / (см. рис. 184, а) повышается и становится рав­ным iR (первоначально потенциал этой точки был такой же, как и зазем­ленной точки 2). Этот потенциал по­ступает на усилитель и после усиления приводит в действие счетное устрой­ство. После того, как все попавшие на внутренний электрод заряды пройдут через сопротивление R, ток прекра­тится и потенциал точки / снова ста­нет равным нулю. Характер работы камеры зависит от длительности импу­ льса тока, вызванного одной частицей.

Чтобы выяснить, от чего зависит продолжительность импульса, рассмотрим цепь, состоящую из конденсато­ра С и сопротивления R (рис. 186). Если сообщить об­кладкам конденсатора разноименные заряды величины <7о, через сопротивление R потечет ток, вследствие чего величина зарядов q на обкладках конденсатора будет убывать. Мгновенное значение напряжения, приложен­ного к сопротивлению, равно U = q/C. Следовательно, сила тока

 

Убыль заряда на обкладках —dq равна idt. Таким образом, i в уравнении (86.1) можно заменить через

313

— ~~. В результате получается следующее дифферен­циальное уравнение:

Разделяя переменные, имеем

Согласно (86.1)Поэтому можно написать

Интегрирование этого уравнения дает

где через In i0 обозначена постоянная интегрирования. Наконец, пропотенцировав (86.2), получим

При г = 0 получается i=i0. Таким образом, ц> пред­ставляет собой начальное значение силы тока. Из выражения (86.3) следует, что за время

сила тока уменьшается в е раз. В соответствии с этим величина (86.4) носит название постоянной вре­мени цепи. Чем больше эта величина, тем медленнее спадает ток в цепи.

Схема ионизационной камерыЛ(рис. г84, а) сходна со схемой, изображенной на рис. 186. Роль С играет меж­электродная емкость, показанная на рисунке пункти­ром. Чем больше сопротиПление Р, тем сильнее будет повышаться напряжение точки / при данной силе тока и тем, следовательно, легче обнаружить импульс. По­этому сопротивление Р стремятся сделать как можно больше. Вместе с тем для того, чтобы камера могла раздельно регистрировать импульсы тока, порождаемые быстро следующими друг за другом частицами, постоян­ен

цая времени должна быть невелика. Поэтому при вы­боре величины R для импульсных камер приходится идти на компромисс. Обычно берут R порядка 108 ом. Тогда при С = 10-и ф постоянная времени составит 10~3 сек.

Другим типом ионизационных камер являются- так называемые интегрирующие камеры. В них берут R по­рядка 1015 ом. При С= 1G"11 ф постоянная времени бу­дет равна 104 сек. В этом случае импульсы тока, по­рождаемые отдельными ионизирующими частицами, сливаются и по сопротивлению течет постоянный ток, величина которого характеризует суммарный заряд ио­нов, возникающих в камере в единицу времени.

Таким образом, ионизационные камеры обоих типов различаются лишь величиной постоянной времени RC.

Пропорциональные счетчики.. Импульсы, вызываемые отдельными частицами, могут быть значительно усилены (до 103-И04 раз), если напряжение между электро­дами попадает в область III (рис. 185). Прибор, рабо­тающий в таком режиме, называется пропорцио­нальным счетчиком. Внутренний электрод счет­чика делается в виде нити диаметром в несколько сотых миллиметра. Этот электрод служит анодом. Напряжен-

1

ность поля между электродами изменяется по закону -*

[см. формулу (8.8)]; поэтому вблизи нити она достигает особенно больших значений. При достаточно большом напряжении между электродами электроны, возникаю­щие вблизи нити, приобретают под действием поля энер­гию, достаточную для того, чтобы вызвать ионизацию молекул ударом. В результате происходит «размноже­ние» ионов. Размеры объема, в пределах которого про­исходит размножение, увеличиваются с ростом напря­жения. В соответствии с этим растет и коэффициент га­зового усиления.

Количество первичных ионов зависит от природы и энергии частицы, вызвавшей импульс. Поэтому по вели­чине импульсов на выходе пропорционального счетчика можно различить частицы разной природы, а также про­извести сортировку частиц одной и той же природы по их энергиям.

Пропорциональные счетчики могут применяться и для счета нейтронов. В этом случае счетчик наполняют газообразным трехфтористым бором (BF3). Нейтроны вступают в ядерную реакцию с изотопом бора с массо­вым числом 10 (В10), причем возникают а-частицы, ко­торые и вызывают первичную ионизацию.

Счетчики Гейгера — Мюллера. Еще большего усиле­ния импульса (до 108) можно достигнуть, заставив ра­ботать счетчик в области Гейгера (область Уна рис. 185). Счетчик, работающий в этом режиме, называется счет­чиком Гейгера — Мюллера (сокращенно счет­чиком Гейгера). Как уже отмечалось, разряд в этой области переходит в самостоятельный, первичные ионы, создаваемые ионизирующей частицей, лишь «за­пускают» разряд. Поэтому величина импульса не зави­сит от первоначальной ионизации. Для того, чтобы по­лучать от отдельных частиц раздельные импульсы, не­обходимо возникший разряд быстро прервать (погасить). Это достигается либр с помощью внешнего сопро­тивления R (в несамогасящихся счетчиках), либо за счет процессов, возникающих в самом счетчике. В последнем случае счетчик называется самогася­щимся.

Гашение разряда с помощью внешнего сопротивле­ния объясняется тем, что при протекании по сопротивле­нию разрядного тока на нем возникает большое падение напряжения. В результате на межэлектродный проме­жуток приходится только часть приложенного напря­жения, которая оказывается недостаточной для поддер­жания разряда.

Прекращение разряда в самогасящихся счетчиках обусловлено следующими причинами. Электроны обла­дают гораздо большей (примерно в 1000 раз) подвиж­ностью, чем положительные ионы. Поэтому за то время, за которое электроны достигают нити, положительные ионы почти не сдвигаются со своих мест. Эти ионы со­здают положительный пространственный заряд, ослаб­ляющий поле вблизи нити, и разряд прекращается. Га­шению разряда в этом случае препятствуют дополни­тельные процессы, которых мы не будем рассматривать. Для их подавления к газу, заполняющему счетчик (обыч­но аргону), добавляется примесь многоатомного органи­ческого газа (например, паров спирта). Такой счетчик разделяет импульсы от частиц, следующих друг за дру­гом с интервалами порядка 10~4 сек.