Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Размер области, в которой происходит газовое усиление, определяется или проекцией пробега частицы на ось счетчика, или (если эта проекция мала) несколькими длинами пробегов электронов между соударениями, т. е. I та (Зч-5)/'а. Так, в счетчике, наполненном водородом при давлении 1000 мм рт. ст. и E — IO6 в/см вблизи анода, а « 5- IO3. Тогда I та IO^3 см и коэффициент газового усиления для одноэлектронных импульсов должен быть значительно меньше IO6, а при регистрации заряженных частиц с энергией 30 кэв Jt <С IO3.
Процесс вторичной ионизации электронами — не единственный в развитии электронной лавины. Дополнительная ионизация может происходить за счет фотонов, испускаемых возбужденными атомами и молекулами.
Покажем, что коэффициент газового усиления зависит от вероятности фотоионизации. Пусть коэффициент газового усиления, если нет фотоионизации, раиен Л. Тогда каждый электрон первичной ионизации в среднем создает Jt вторичных электронов. Наряду с ними появится и какое-то количество возбужденных молекул. Если возбуждение будет снято испусканием фотонов, то может появиться некоторое число фотоэлектронов. Если ввести у — вероятность появления одного фотоэлектрона на один вторичный электрон, то полный коэффициент газового усиления с учетом фотоионизации
Jf4^ Jl +Jl2 у+ Jt3 у2 + ... = Jf7(l— Jly). (5.70)
Из (5.70) следует, что при M у 1 Jtv оо, т. е. в счетчике наступает «пробой» и амплитуда импульса пробоя не зависит от первичной ионизации. Однако пропорциональность между первичной ионизацией и амплитудой импульса нарушается задолго до наступления пробоя из-за объемного заряда (см. рис. 5.8, область 3), как это уже отмечалось ранее.
144 Форма импульса в пропорциональном счетчике. Пусть в цилиндрическом пропорциональном счетчике на расстоянии г0 от его центра в результате первичной ионизации создано п пар ионов. Пока в счетчике не наступает газовое усиление, т. е. пока электроны дрейфуют в области низких значений напряженности поля, импульс можно описать соотношением (5.54), полученным для цилиндрической камеры. Максимальное значение импульса за счет движения электронов и ионов первичной ионизации будет в Jl раз меньше, чем результирующий импульс, и, следовательно, этой составляющей импульса можно пренебречь при достаточно больших значениях газового усиления. Лавина электронов начнет развиваться тогда, когда электроны достигнут области г < rk (rh — расстояние от анода, где поле достаточно для вторичной ионизации). Время движения электронов до области газового усиления зависит от места первичной ионизации и составляет примерно rJ2w~ (г0).
Время развития лавины, т. е. время, в течение которого происходит вторичная ионизация, мало. Действительно, газовое усиление осуществляется на расстояниях от центрального электрода, равного нескольким диаметрам нити (-~0,1 см). Скорость дрейфа электронов в этой области около IO7 см/сек, т. е. время развития лавины примерно 10~8 сек.
Таким образом, пренебрегая зарядами первичной ионизации, форму импульса в пропорциональном счетчике можно рассчитать, полагая, что на расстояниях от центрального электрода г да (2-=-3) создано Jln пар ионов. Такая задача уже была рассмотрена раньше [см. (5.51) и (5.54)]. Заметим, что в пропорциональном счетчике импульс создается главным образом в результате движения ионов вблизи анода. Это понятно, поскольку пути электронов до анода оказываются очень малыми. Воспользовавшись (5.52) и (5.55), оценим отношение МаКСИМаЛЬНЫХ аМПЛИТуД ^макс И ^макс- Если г Jr1 = 100, a rk Ir1 да 2, ТО Умакс/Умакс « 0,15.
Следовательно, чтобы получить максимальное значение импульса в пропорциональном счетчике, необходимо выбирать RC больше времени движения ионов от анода к катоду. Время движения t* получим из (5.50), полагая г = г2 и r0 = rk:
t* = {r\ — r\) р In (г2/га)/(2ц- U0). (5.71)
Для счетчика, наполненного водородом при 0,8 атм, Ji+ = 6,7, г2 — 1,1 CM^r1 = 2-10-2 см, U0 = 2800 в (Л = 100); t* = 120 мксек. Однако выбор значения RC да 10~4 оказывается не имеет смысла по двум причинам. Во-первых, в силу логарифмической зависимости V it) в счетчиках за время порядка нескольких микросекунд импульс вырастает почти до половины своего максимального значения. Во-вторых, отношение амплитуд импульсов, созданных частицами с разными энергиями, не будет зависеть от RC, если можно пренебречь эффектом от зарядов первичной ионизации и если постоянная выбрана много больше, чем время движения электронов от катода к аноду. Так, в счетчиках, наполненных водородов (при г Jr1 да 10®,
145 r2 да 1 см и Uq да 2800 в), используемых для измерений спектров нейтронов, постоянная RC может иметь значение 5- 10~в сек. В этой" связи имеет смысл записать зависимость V (t) для произвольного значения RC, что позволит разумно выбирать нагрузочные резисторы.
Воспользуемся ранее полученной зависимостью для Q (t) при учете утечки заряда и рассмотрим случай, обусловленный только движением положительных зарядов.
Мгновенное значение тока в камере, обусловленное движением положительных ионов:
