Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Методы измерения пробегов заряженных частиц по пропусканию очень просты и не требуют сложной измерительной аппаратуры. Измерение энергии этим методом возможно с погрешностью около 100 кэв.
§ 11.3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ ЧАСТИЦ С ПОМОЩЬЮ ИОНИЗАЦИОННЫХ КАМЕР,
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЧЕТЧИКОВ
Ионизационные камеры, сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики для моноэнергетических заряженных частиц имеют функцию отклика в виде кривой по форме, близкой к распределению Гаусса. Эффективность регистрации заряженных частиц, попавших в чувствительный объем детектора, равна единице.
Нижний предел измеряемых энергий определяется шумами измерительных устройств и собственными шумами детекторов, а верхний предел — размерами детекторов. Амплитуды импульсов в ионизационных камерах и полупроводниковых детекторах линейно свя-
340-
-200 в +2008
Рис 111. Зависимость скорости счета импульсов дифференциальной камеры от расстояния R источника до камеры в верхней части рисунка показаны схема включения камеры и расположение источника а-частиа заны с энергией заряженных частиц, если эффекты рекомбинации, потери энергии заряженными частицами при проходе в чувствительный объем детектора и другие подобные эффекты малы. В сцинтилляционных счетчиках амплитуды импульса для большинства кристаллов нелинейно связаны с энергией тяжелых заряженных частиц.
Кратко опишем некоторые особенности, связанные с измерением энергии заряженных частиц с помощью ионизационных, сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов.
Измерение энергии тяжелых заряженных частиц. Методы измерения энергий различных тяжелых заряженных частиц имеют много общего, поэтому будем их рассматривать на примере измерения энергий а-частиц. В связи со сравнительно небольшими пробегами широкое применение для изучения спектров а-частиц нашли ионизационные камеры. С их помощью получают неплохое энергетическое разрешение — 0,7% для а-частиц с энергией около 5 Мэв. Ширина линии в ионизационных камерах с ионным собиранием обусловлена главным образом флуктуациями в числе пар ионов и шумами усилителей. При работе камер в режиме электронного собирания энергетическое разрешение зависит еще и от индукционного эффекта {см. гл. 5). Поэтому близкое к указанному выше энергетическое разрешение получают в камерах с ионным собиранием.
Камеры с ионным собиранием являются очень «медленными» приборами и при высоком энергетическом разрешении не позволяют регистрировать более одного-двух импульсов в 1 сек. Постоянная времени RC камер должна быть в несколько раз больше, чем время дрейфа ионов в камере, которое в камерах с размерами порядка нескольких сантиметров составляет 10~3 сек. Если при этом постоянная времени RC приблизительно 5 • 10~3 сек, то время спада импульса до 0,01 своего значения составляет около 0,02 сек. Следовательно (см. гл. 4), при регистрации в среднем 1 имп/сек вероятность их наложения в интервале 0,02 сек составит примерно 2%.
При электронном собирании камеры оказываются способными регистрировать несколько сот импульсов в 1 сек с малой вероятностью наложения. Но в таких камерах необходимо устранять индукционный эффект или с помощью установки сеток в плоских камерах, или с помощью неоднородного электрического поля (цилиндрические, сферические камеры). Лучшие результаты с точки зрения энергетического разрешения получают в плоских камерах с сеткой.
Покажем, как влияет индукционный эффект на энергетическое разрешение на примере сферической камеры, в которой равномерно по объему появляются заряженные частицы и производят одинаковую точечную ионизацию. Пусть a = г Jr1 (отношение радиусов анода и катода камеры) их = VIVuакс (отношение амплитуды электронного импульса при ионизации на расстоянии г от центра камеры к максимальному значению импульса при ионизации в точках г = г„). Согласно (5.56), х == a (Hr1 — 1)/ [(а — 1) г1гг]. Распределение импульсов по амплитудам f (х) связано с распределением
341- ионизации в камере:
f (х) dx - 3 гЧг/гІ.
Учитывая связь между х и г, найдем распределение / (х):
f (*) = 3 (а — 1)/ fa — X (а — I)]4. (11.1)
Ширина распределения f (х) на половине его высоты позволяет вычислить влияние индукционного эффекта на энергетическое разрешение:
Ду/у= 1 —X* = (р'2~— l)/(a— 1) ~ 0,2/(r2/r1— 1), (11.2)
где — это такое значение, при котором f (х*) = f (х = 1)/2. Из (11.2) следует, что влиянием индукционного эффекта на энергетическое разрешение в сравнении с флуктуацией числа пар ионов можно пренебречь, если r2h\ ^ 30.
Отметим еще причину усложнения функции отклика и ухудшения энергетического разрешения, связанного с так называемым стеноч-ным эффектом. Если во всем объеме камеры появляются заряженные частицы (например, при регистрации протонов отдачи при упругом рассеянии нейтронов), то среди них всегда найдутся такие, пробег которых будет оканчиваться в стенках камеры. Оценим долю частиц, пробеги которых не укладываются в камере, в предположении, что их пробеги Ji заметно меньше, чем радиус внешнего электрода сферической камеру, и что T2Ir1 > 3.
