Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Искровая камера создана на основе более старого детектора — искрового счетчика, состоящего из двух плоских электродов, на которые постоянно подано высокое напряжение. Но он до сих пор сохранил свое значение как прибор с очень малым временем запаздывания сигнала по отношению к времени возникновения ионизации в чувствительном объеме счетчика. Общим для обоих детекторов является механизм возникновения и развития пробоя в межэлектродном промежутке при прохождении ионизирующей частицы. Подробное описание принципов действия устройства и методов применения искровых камер и счетчиков можно найти в монографии [6].
Механизм пробоя в газе между двумя плоскими электродами. По определению искровой разряд—неустойчивый необратимый процесс перехода от одного значения тока между электродами к другому. Одной из форм искрового разряда и является пробой между двумя электродами в газе. Ток в начальный момент при таком пробое равен нулю, а в конце переходного процесса равен току дуги или току тлеющего разряда, если мощность источника тока ограничена.
При пробое концентрация ионов и электронов настолько велика, что определяющими в развитии процесса становятся нелинейные эффекты, например, локальные изменения напряженности внешнего электрического поля под влиянием объемного заряда. Основным процессом, обусловливающим развитие пробоя и распространение искры в межэлектродном газе, является фотоионизация—фотоэффект на атомах газа, который вызван фотонами, испущенными возбужденными атомами или ионами того же газа. ,Для фотоионизации энергия фотона должна быть больше потенциала ионизации,
275- что возможно в случае: а) если межэлектродный промежуток заполнен смесью газов с различными потенциалами ионизации и возбуждения (например, смесью аргона и паров спирта) и б) при возбуждении глубоких атомных уровней того же газа. Сечение поглощения этих фотонов велико —¦ порядка Ю-17 см2, что при нормальном давлении соответствует длине свободного пробега до поглощения, меньшей Ю-2 см.
Рассматривая развитие пробоя между электродами, можно выделить следующие стадии этого процесса: 1) формирование и развитие электронной лавины; 2) формирование разряда; 3) самого разряда. Для анализа работы искровых детекторов особенно существенна вторая стадия.
Первая стадия развития пробоя в разрядном промежутке с плоскими электродами, а следовательно, и с постоянной в пространстве напряженностью электрического поля E совпадает с процессом развития лавины в пропорциональном цилиндрическом и гейгеровском счетчиках, описанной в гл. 5. Суть ее в том, что при движении в поле с достаточно высокой напряженностью E электроны приобретают достаточную энергию для ионизации нейтральных молекул и инициирования электронной лавины. Число электронов в лавине описывается формулой п = п0 ехр (ах), где х — расстояние вдоль поля от точки возникновения первичной ионизации, коэффициент а зависит от давления, напряженности поля и свойств газа.
Во второй стадии развитие разряда идет по-разному в цилиндрическом счетчике и в счетчике с плоскими электродами. Разряд между двумя плоскими электродами может, при достаточно большой напряженности E, развиваться гораздо быстрее, чем в цилиндрическом счетчике, если возникают такие условия, при которых в образовании искрового пробоя главное значение приобретает фотоионизация молекул в ближайших к области, занятой лавиной, слоях газа—механизм, не связанный с медленным движением к электроду тяжелых ионов. Опишем этот механизм.
Чем больше электронов и ионов в лавине, тем сильнее искажается внешнее поле пространственным зарядом лавины. Особенно сильно это искажение в головке лавины. Собственное электрическое поле лавины Es направлено противоположно внешнему. Поэтому чем больше Es, тем меньше а и тем медленнее развивается лавина. Если лавина в своем движении прошла такое расстояние /кр, при котором Eij приближенно равно напряженности внешнего поля, то рост лавины прекращается совсем. Ее пространственный заряд в это время равен еп0 ехр (а/кр). Развитие разряда зависит от того, успела ли лавина, проходя между электродами, достичь критического значения Ikр. При малом разрядном промежутке d и малом давлении газа р, когда значения /кр невозможно достичь, дальнейшее развитие разряда связано с движением положительных ионов к катоду и вы-рыву из него новых электронов, т. е. происходит за времена порядка десятков микросекунд. При больших значениях pd (естественно, и при достаточно большом Е) лавина достигает критических размеров
276- внутри разрядного промежутка, и пробой происходит гораздо быстрее за времена порядка десятка наносекунд, вследствие возникновения сильного электрического поля объемного разряда в лавине, достигшей критического размера. Объясняется это тем, что впереди и сзади лавины напряженность поля резко увеличивается. В этом сильном локальном поле фотоэлектроны, созданные в близлежащих к лавине слоях газа фотонами из основной лавины, сами образуют вторичные дочерние лавины, которые в дальнейшем сливаются с основной. Наиболее вероятно образование дочерних лавин в направлении оси основной, т. е. там, где пространственный заряд усиливает внешнее электрическое поле и его напряженность максимальна. В итоге вдоль поля по направлению к катоду распространяется пространственный заряд, образуется плазма. Этот процесс образования и развития в направлении к катоду канала сильно ионизированной плазмы называется положительным стримером. Одновременно с ним развивается и отрицательный стример, так как головка лавины движется к аноду, а объемный заряд в ней увеличивается в результате того же процесса ионизации близлежащих слоев газа фотонами из основной лавины и образования дочерних лавин. Развитие положительных и отрицательных стримеров показано на рис. 8.9. Ясно, что образование стримера возможно лишь в том случае, когда в результате развития первой лавины образовался минимум один фотоэлектрон, способный вызвать вторичную лавину. Существует эмпирическое условие перехода от лавины к стримеру:
