Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
110 в электрической цепи, не зависит от напряжения на конденсаторе и равен произведению заряда электрона на число пар ионов, которые возникают в единицу времени в объеме конденсатора. Такие детекторы называют ионизационными камерами. При более высоких значениях напряженности поля в результате вторичной ионизации происходит усиление первичного ионизационного эффекта. При этом ток зависит от напряжения на конденсаторе и пропорционален ионизационному эффекту, создаваемого излучением. Такие детекторы называют пропорциональными счетчиками. Наконец, при еще более высоких значениях напряженности поля в конденсаторе возникает разряд, если в объем детектора попадает заряженная частица. Такие детекторы называют газоразрядными счетчиками.
Ионизационные методы регистрации основаны на измерении заряда или тока, создаваемого заряженными частицами при прохождении в газовой полости конденсатора. Рассмотрим связь между энергией заряженной частицы и созданной ею ионизацией. Это очень существенная зависимость, поскольку в ионизационных камерах и пропорциональных счетчиках по ионизационному эффекту определяют энергию частицы. Экспериментально было установлено, что средняя энергия W, расходуемая на создание одной пары ионов, слабо зависит от энергии заряженной частицы, ее массы и заряда. Это можно объяснить тем, что отношение вероятностей возбуждения и ионизации атомов слабо зависит от свойств частиц. Действительно, отношение этих эффектов можно качественно выразить через отношение площадей, определяемых некоторыми значениями прицельного параметра (как это было сделано в гл. 2). В таком приближении вероятность возбуждения будет пропорциональна вероятности пройти частице на расстоянии от электрона от умакс до ув (где ув — прицельный параметр, соответствующий максимально возможной энергии возбуждения), т. е. (у2макс — УІ). Величины Умакс и ув определяются свойствами атома. Вероятность ионизации будет пропорциональна (yl — г/мин)- Как уже отмечалось в гл. 2, У мин определяется свойствами частицы и не зависит от свойств атома, а уа — минимальной энергией, необходимой для ионизации атома. Заметим, что (z/1—• г/мин) ~ (IAE1h—-MKmE), где Ea — минимальная энергия, необходимая для ионизации; E — энергия частицы; M — ее масса; т — масса электрона. Для газов Eu ж a; 15 эв, а величина 4 т ElM > 200 эв, если E ^ 100 кэв и M < 4. Из приведенных качественных оценок видно, что отношение вероятностей возбуждения и ионизации не зависит от заряда частицы и слабо зависит от ее энергии и массы.
Для спектрометрических измерений существенно знать с большой точностью связь W с энергией частицы. Многочисленные исследования показали, что в аргоне, например, с погрешностью до 0,5% энергия W не зависит от энергии заряженных частиц. Для воздуха W зависит заметно от энергии частиц. Так, для а-частиц при изменении энергии от 3—4 Мэв до 50 кэв средняя энергия W меняется примерно на 10%. Наиболее тщательно в последнее время
111 была измерена величина W (E) при ионизации протонами молекул водорода. Оказалось, что в области энергий протонов ниже Юкзв наблюдается рост W с уменьшением энергии протонов. В табл. 5.1 приведены средние значения W для разных газов и видов .заряженных частиц.
Таблица 5.1
Энергия, расходуемая на образование пары ионов в газах, эв
Частицы Воздух H2 Не N2 O2 Ar CHt : і,
а-Частицы Протоны Электроны 35,0 33,3 35,0 36,0 35,3 38,0 30,2 29,9 32,5 36,0 33,6 35,8 32,2 31,5 32,2 25,8 25,5 27,0 29,0 27,0
§ 5.2. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ БЕЗ ГАЗОВОГО УСИЛЕНИЯ 5.2.1. Движение электронов и ионов в газе
Для точного измерения энергии частицы по созданному ионизационному эффекту необходимо, чтобы все образовавшиеся электроны и ионы достигли электродов камеры. Последнее не всегда осуществляется, поскольку электроны и ионы помимо движения вдоль силовых линий электрического поля находятся в непрерывном
беспорядочном тепловом движении, что мешает всем носителям заряда собраться на соответствующие электроды. Кроме того, при соударениях электронов с молекулами образуются электроотрицательные ионы, происходит рекомбинация, ионизация ударом. Все эти явления: и диффузия, и рекомбинация, и образование электроотрицательных ионов ¦— меняют значения среднего тока или импульса. То, что перечисленные явления имеют существенное значение, убедительно показывает зависимость тока от напряжения для камеры (конденсатора), облучаемой заряженными частицами (рис. 5.1). В области / электрическое поле, создаваемое внешним источником с напряжением U0, еще недостаточно, чтобы все электроны и ионы попадали на собирающие электроды, в области II (область работы ионизационных камер) электрическое поле достаточно, чтобы эффекты от рекомбинации и диффузии были пренебрежимо малы. При дальнейшем увеличении напряжения электроны могут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приводит к увеличению тока.
Рис. 5.1. Зависимость тока в камере от разности потенциалов на ее электродах при постоянном ионизационном эффекте
112 Относительная протяженность плаю в вольт-амперной характеристике существенно зависит от газа, наполняющего камеру, давления, температуры, плотности ионизации. При больших давлениях и большой плотности ионизации, особенно в случаях наполнения камер газами с большой вероятностью образования электроотрицательных ионов, вольт-амперная характеристика может даже не иметь плато. Верхняя граница плато определяется такими значениями напряженности электрического поля в камере, при которых электроны могут приобрести на пути между двумя соударениями энергию, достаточную для ионизации молекул газа. Очевидно, что чем больше свободный пробег электрона и чем ниже потенциал ионизации, тем раньше наступают эффекты вторичной ионизации. Нижняя граница плато зависит от того, насколько велико значение процессов диффузии и рекомбинации. Рассмотрим количественные характеристики процессов диффузии, рекомбинации и образования электроотрицательных ионов.
