Чтение онлайн

Ток, соответствующий этой области напряжений, называют током насыщения (участок ВС). Если напряжение на электродах и дальше увеличивать, то сила тока вновь начинает возрастать, причем значительно быстрее, чем на участке 0В.

Это новое возрастание сначала (при напряжениях, не намного превышающих Uc) вызвано только процессом так называемой ударной ионизации, заключающимся в том, что первично образующиеся ионы приобретают в электрическом поле детектора энергию, достаточную для осуществления при соударениях новых актов ионизации атомов и молекул. Заметим, что ионы, образовавшиеся при ударной ионизации, в свою очередь могут вызвать ионизацию нейтральных атомов и молекул.

Рис. 1.14. Зависимость тока i в ионизационном детекторе от приложенного к электродам напряжения

При дальнейшем росте напряжения соударения ионов с молекулами начинают приводить не только к ионизации, но и к возбуждению молекул. Возбужденные молекулы, возвращаясь в основное состояние, испускают кванты света. Энергия этих квантов достаточна, чтобы обусловить выход электронов с анода и катода в результате фотоэффекта. Электроны, вылетающие с анода, под действием электрического поля быстро возвращаются на анод, а электроны, покинувшие катод, перемещаются к аноду и участвуют в процессах соударения с молекулами и атомами газа, вызывая образование новых ионов. Фотоэффект имеет место не только на электродах, но и на компонентах газовой смеси. В итоге в рабочем объеме детектора образуется так называемый пространственный разряд, вследствие чего сила тока, проходящего через детектор, оказывается намного выше тока насыщения. Область CD называют областью газового усиления. Для характеристики газового усиления служит коэффициент газового усиления kгу

где nобщ – общее число ионов, образовавшихся в детекторе под действием ядерной частицы; nп – число первичных ионов.

При достижении напряжения Ud в детекторе возбуждается самостоятельный разряд и сила тока скачкообразно возрастает. Отметим, что подавать на детектор напряжение, равное или большее, чем Ud, нельзя, так как любой детектор, в котором был возбужден самостоятельный разряд, быстро выходит из строя.

Для регистрации излучения используют две области напряжений: область UbUc, соответствующую току насыщения, и область UcUd в которой имеет место газовое усиление. Детекторы, работающие в первой области, обычно называют ионизационными камерами, во второй – счетчиками. Оба эти типа детекторов используются в различных системах регистрации ядерных излучений.

Системы регистрации могут предназначаться для регистрации либо отдельных ядерных частиц или -квантов (дифференциальные системы), либо для регистрации потоков ядерных излучений (интегральные системы). С точки зрения радиотехники различие между обеими системами связано с разными скоростями cтекания заряда с электродов детектора. Цепь, в которую включен ионизационный детектор, имеет эффективную емкость С и сопротивление R. При прохождении ионизационного тока накопленный на электродах заряд разряжается на сопротивлении R цепи. Время, за которое заряд на электродах уменьшается в е раз, равно произведению RC. Это произведение имеет размерность времени и называется постоянной времени. Если RC велико по сравнению со временем, проходящим между двумя последовательными попаданиями ядерных частиц в детектор, то достигается стационарный режим и вся система регистрирует наличие некоторого постоянного тока в цепи. Наоборот, если RC относительно мало, то аппаратура, соответствующим образом сконструированная, сможет фиксировать электрические импульсы от отдельных частиц. Значения R и С можно в определенных границах менять, поэтому любой ионизационный детектор пригоден для включения в схемы регистрации обоих типов.

На практике ионизационные камеры используют чаще в интегральных системах регистрации, счетчики – в дифференциальных. Причины разграничения областей применения двух типов ионизационных детекторов состоят в следующем. В случае интегральных систем регистрируемый ток должен быть прямо пропорционален числу попавших в объем детектора ядерных частиц или -квантов. Такая пропорциональность существует только при регистрации токов насыщения.

Обычно ионизационный ток, вызываемый прохождением одной частицы (п = 1), очень мал и для того, чтобы регистрация отдельных частиц ионизационной камерой стала возможной, его необходимо значительно усилить.

Измерение очень слабых токов представляет довольно сложную проблему, поэтому ионизационные камеры обычно включают в интегральные системы регистрации. Такие приборы (токовые ионизационные камеры) нашли широкое применение для дозиметрии – и -излучений высокой проникающей способности.

Для того чтобы обеспечить возможность работы ионизационной камеры в интегральных системах, значение RC должно быть достаточно велико. С этой целью в цепь включают высокоомное сопротивление R = 1011–1012 Ом. При таких больших R даже очень малые токи, протекающие через ионизационную камеру, создают падение напряжения на сопротивлении, составляющее около 1 В, которое относительно просто зарегистрировать.

Для специальных целей применяются ионизационные камеры, работающие в дифференциальных системах (импульсные ионизационные камеры). Такие камеры используются, например; при регистрации осколочных ядер, обладающих большой энергией и высокой ионизирующей способностью, при определении энергии -частиц (в -спектрометрии) и в некоторых других случаях.

Электрические импульсы, возникающие при прохождении ядерных частиц через счетчик, достаточно велики, что, как уже пояснялось, связано с механизмом газового усиления. Поэтому счетчики можно применять в тех случаях, когда необходимо обнаружить попадание в детектор каждой отдельной частицы или -кванта. Значение параметра RC для дифференциальных систем со счетчиком как детектором излучения должно быть относительно мало, вследствие чего нагрузочное сопротивление подбирают равным не более чем 107–108 Ом.

В заключение отметим, что приведенные рассуждения об областях применения детекторов, работающих в дифференциальных и интегральных системах регистрации, справедливы не только для ионизационных, но и для других методов регистрации излучений (в частности, сцинтилляционных).

Счетчики, работа которых основана на ионизационном методе регистрации излучений, заполняют газовой смесью определенного состава, поэтому их часто называют газовыми счетчиками. Схема включения счетчика изображена на рис. 1.15. Как уже говорилось, прохождение ядерной частицы через счетчик вызывает появление импульса электрического тока. Этот импульс в свою очередь создает мгновенное падение напряжения (импульс напряжения) на нагрузочном сопротивлении R. Если построить график зависимости амплитуды импульса при регистрации частицы определенной энергии от напряжения на электродах счетчика, то получится кривая, представленная на рис. 1.16.

Рис. 1.15. Схема включения газового счетчика:

1 – катод; 2 – анод; 3 – изоляторы; 4 – источник высокого стабилизированного напряжения; R – нагрузочное сопротивление; С – конденсатор

Как видно из сравнения рис. 1.14 с рис. 1.16, изменения силы тока и амплитуды импульса от напряжения описываются аналогичными кривыми. Это одна и та же зависимость, только рис.16 дает более детальную и правильную картину физического процесса и возможность оценить kгу. В частности, при напряжении U0U1 амплитуда импульса остается постоянной (рис. 16), что соответствует области плато ВС на рис. 1.14 (режим работы ионизационной камеры). Рис. 1.14 использовался для анализа работы токового детектора. Применительно к импульсным детекторам – счетчикам лучше говорить не о силе протекающего через них тока, а об амплитуде импульсов, и поэтому для анализа работы счетчиков следует обратиться к рис. 1.16.

Рассмотрим область газового усиления, соответствующую напряжениям U1U4

Рис.1.16. Зависимость амплитуды импульса от напряжения

В ней можно выделить три характерных участка. На участке U1U2 газовое усиление обусловлено только процессами ударной ионизации. Увеличение амплитуды импульса на этом участке напряжений за счет газового усиления строго пропорционально числу актов первичной ионизации. Другими словами, здесь kгу зависит только от напряжения и не зависит от начальной ионизации – именно поэтому амплитуда и будет пропорциональна первичной ионизации. Это означает, в частности, что в любой точке на участке U1U2 отношение амплитуд импульсов, вызванных двумя различными ядерными частицами, зависит только от соотношения между энергиями, израсходованными этими частицами внутри детектора. Счетчик, работающий в области напряжений U1U2, называют пропорциональным, а саму область напряжений U1U2 – областью пропорциональности. На участке напряжений U2U3 амплитуда импульса продолжает увеличиваться. Хотя она по-прежнему зависит от числа актов первичной ионизации, но прямая пропорциональность нарушается т. к. kгу начинает зависеть от первичной ионизации. Участок напряжений U2U3 называют областью ограниченной пропорциональности.

При росте напряжения выше U3 газовое усиление обусловлено не только ударной ионизацией, но и, во все возрастающей степени, процессами фотоэффекта. Амплитуда импульса в данной области напряжений перестает зависеть от числа первично образующихся ионов и, следовательно, от энергии регистрируемых частиц. Например, один акт первичной ионизации может вызвать в этой области такой же импульс, как и 1000 первичных актов. Это связано с возникновением разряда во всем объеме счетчика, а число носителей заряда максимально при разных значения kгу, который зависит от начальной ионизации. Область напряжений U3U4 – называют областью Гейгера, а счетчики, работающие при таких напряжениях, – по имени их создателей счетчиками Гейгера – Мюллера. Независимость амплитуды импульса от энергии ионизирующей частицы делает счетчики Гейгера – Мюллера особенно удобными для регистрации -частиц, обладающих непрерывным спектром энергий.