Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
W+ = (iE/р. (5.9)
Для ионов скорость дрейфа пропорциональна Е/р; коэффициент пропорциональности (і, называемый подвижностью ионов, равен скорости дрейфа ионов в поле с единичной напряженностью и при единичном давлении газа в камере. Принимая во внимание соотношения (5.2) и (5.8) и используя связь кинетической энергии ионов с температурой E = 3&772, можно связать подвижность ионов с коэффициентом диффузии:
(i = eDp/ (kT). (5.10)
Значения подвижностей положительных и отрицательных ионов близки между собой. В табл. 5.5 даны значения подвижностей положительных ионов при единичном давлении (1 мм рт. ст.) и единичной напряженности электрического поля (1 в/см). Как видно из таблицы, подвижности тем меньше, чем тяжелее молекулы. Такую зависимость можно понять, если в первом приближении считать свободный пробег одинаковым для всех газов. В этом случае подвижность обратно пропорциональна корню квадратному из массы иона. Заметим, что подвижность собственных ионов газа оказывается не-
119 Таблица 5.5
Подвижность положительных иоков при р= 1 мм рт. ст. и E=I в/см
Ион Воздух H2 Не Ar CO2
fi+, CM2-MM рт.ст.;(сек-в) 1040 5090 3880 1040 600
зависимой от EIp в области значений Elp < 20 в/ (см ¦ мм рт. ст.). При больших значениях EIp скорость дрейфа ионов оказывается пропорциональной VEJp. Такой эффект имеет место, например, для Kr и Xe, где линейная связь скорости дрейфа с VEip наблюдается в области значений EIp от 30 до 200 в! (см • мм рт. ст.).
Поскольку электроны в электрическом поле приобретают энергию, заметно превышающую энергию теплового движения, то в (5.8) величины Xop и ир являются функцией напряженности электрического поля. Если Elp мало настолько, что энергия, приобретаемая электроном за счет электрического поля, составляет малую долю энергии теплового движения, то скорость дрейфа электронов описывается так же, как и скорость дрейфа ионов, т. е. пропорциональна Elp. (Это область при Elp < 0,05 в! (см • мм рт. ст.).)
Теперь предположим, что средняя равновесная энергия электронов намного больше энергии теплового движения. Тогда, чтобы вычислить скорость дрейфа электронов, необходимо найти связь между средней скоростью движения электронов и напряженностью электрического поля. Для этого рассмотрим равновесное состояние, когда энергия, приобретаемая электроном за счет электрического поля, полностью расходуется при соударениях с молекулами газа. Считая, что потери энергии в единицу времени vfmvy2 и что в единицу времени приобретается энергия, равная w~ еЕ, запишем:
w~eE = vfmvl/2. (5.11)
Подставляя (5.8) в (5.11), учитывая v = vvpiXov и ограничиваясь нерелятивистским случаем, находим связь между энергией электрона и напряженностью электрического поля:
Ее = тиЦ2 = еХ0рЕ/УЩр). (5.12)
Наконец, используя (5.11) и (5.12), находим зависимость w~ от напряженности электрического поля:
W- = Vp VJJ2 = V eXopVf/(m V2) УЁГр = const VWp ¦ (5-13)
Приведенные качественные рассуждения показали, что для электронов скорость дрейфа оказывается линейно-связанной с V Elp.
Скорость дрейфа электронов для некоторых газов в зависимости от отношения Elp приведена в табл. 5.6.
120 Таблица 5.6
Скорость дрейфа электронов в различных газах в функции Е/р
Е/р, вЦс.ч-ммрт. ст.) Скорость дрейфа, 10 6 с/л/сек , для
і
H2 Не N Ar CO2 CH1
0,125 0,3 0,31 1,2
0,25 0,65 0,4 0,51 — — 3,3
0,50 0,9 0,57 0,62 0,40 — 7,4
1,0 1,2 0,82 0,87 0,73 — 10,0
2,0 1,6 1,3 1,31 — 32 10,0
5,0 2,6 3,0 2,7 4,0 57 —
Как видно из таблицы, наиболее «быстрыми» газами при невысоких значениях Е/р являются CH4 и CO2- Интересно, что при данных значениях Е/р скорость дрейфа в смеси, содержащей лишь незначительные примеси углекислого газа, заметно больше, чем в чистом аргоне или в чистом углекислом газе.
Это явление, имеющее большое практическое значение, легко понять, есть учесть зависимость длины среднего пробега электронов между столкновениями от их энергии. Для аргона полное сечение взаимодействия электронов с атомами имеет максимум вблизи энергии 13 эв. Ниже этой энергии сечение очень быстро падает и, следовательно, растут средние пробеги электронов между столкновениями. В чистом аргоне энергия первого возбужденного уровня высока (11,5 эв), поэтому даже при небольших внешних полях электроны будут иметь высокую кинетическую энергию (около 10 эв). В углекислом газе, наоборот, имеется большое число уровней возбуждения при низких энергиях, следовательно, небольшие добавки углекислого газа в аргон значительно изменяют среднюю энергию движения электронов (при добавлении 10% CO2 в Ar при Е/р = = 1 средняя энергия движения электронов падает с 10 до 1 эв). Таким образом, добавление углекислого газа в аргон увеличивает средний свободный пробег электронов между соударениями, уменьшает скорость движения между соударениями и, следовательно, увеличивает скорость дрейфа [см. (5.13)].
5.2.3. Ионизационные камеры в токовом режиме
Устройство камер. Ионизационные камеры могут быть самых различных конфигураций (плоские, цилиндрические, сферические) и объемов (от долей 1 см3 при измерениях тепловыделения в экранах реакторов до десятков и сотен литров при исследовании распределения рассеянного излучения в воздухе.) Основные особенности ионизационных камер можно рассмотреть на примере плоской камеры, схема которой изображена на рис. 5.2. На этом же рисунке показана и схема подключения камеры к измерителю тока.
