Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Допустим, что энергии возбужденных состояний превышают работу выхода электронов из катода или энергию ионизации других молекул. Тогда при подходе ионов к катоду могут появиться электроны. Если при этом окажется, что напряжение на счетчике с учетом, заряда емкости выше U3am, то вновь в счетчике начнется разряд. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока на емкости накопится такой заряд, что результирующая разность потенциалов окажется ниже Usam. В каждой последующей ступени разряда будет образовываться все меньшее количество ионов. На рис. 5.12 показано накопление заряда на конденсаторе.
Такое представление о разряде в виде отдельных ступенек не совсем верное, поскольку отдельные стадии процесса могут значительно перекрываться. Из приведенного качественного рассмотрения ясно, что для прекращения разряда на конденсаторе С необходимо«
Рис. 5.12. Схема счетчика Гейгера
и форма импульса:
t+ — время движения ионов от ано да до катода
154 иметь заряд (U0— Usam) С, а это возможно в том случае, если сопротивление утечки будет достаточно велико, чтобы конденсатор не успел заметно разрядиться за время движения ионов от анода к катоду. Емкость С целесообразно сделать по возможности меньше. Для емкости около 10 пф и времени движения ионов около IO-4 сек получим, что сопротивление должно быть больше или порядка IO8 ом. Это означает, что время разрядки емкости более Ю-3 сек. Временные характеристики счетчика не могут удовлетворить требованиям многих измерений. Однако в настоящее время счетчики Гейгера—Мюллера вытеснены самогасящимися счетчиками, в которых разряд прерывается в силу особых свойств его развития.
5.5.2. Самогасящиеся счетчики
Развитие и гашение разряда. Разряд в счетчике с добавкой паров спирта (аргон 90%, пары спирта 10%, общее давление 100 мм рт. ст.) прекращается самопроизвольно, независимо от значения сопротивления утечки R. В таком счетчике электроны, созданные в результате первичной ионизации, будут вблизи анода возбуждать и ионизовать молекулы спирта и главным образом атомы аргона (последних значительно больше, чем молекул спирта). Фотоны, испускаемые возбужденными состояниями атомов аргона, эффективно поглощаются молекулами спирта (сечение фотоионизации молекул спирта фотонами аргона около 5-10~~4 барн-, средний свободный пробег фотонов до поглощения молекулой спирта около 1 мм при давлении паров спирта 10 мм рт. ст.). За счет фотоионизации молекул спирта разряд распространяется вдоль нити: далекие от нити счетчика области не будут участвовать в развитии разряда, поскольку фотоны, испускаемые атомами аргона, имеют малые пробеги, а возбужденные атомы сконцентрированы вблизи нити.
Время развития разряда определяется скоростью распространения его вдоль анода. Скорость эта невелика и составляет 10е—IO7 см/сек. Образовавшиеся вблизи анода ионы аргона и спирта экранируют электрическое поле, и на этом первая стадия разряда прекращается.
Во время дрейфа ионов к катоду происходит около IO4 соударений ионов с атомами и молекулами. При соударениях ионов аргона с молекулами спирта возможны ионизация молекул спирта и нейтрализация атомов аргона. Этот процесс имеет сравнительно большую вероятность: около IO-3 в одном столкновении. Поэтому к катоду подойдут только ионы молекул спирта. Это обстоятельство оказывается решающим.
Сравним поведение ионов аргона и спирта вблизи катода. Ионы аргона на расстоянии примерно 10~7 см от катода нейтрализуются (вырывают электрон из катода) и оказываются в возбужденном состоянии. На расстоянии от катода 2-Ю-"8 см возбужденный атом может вырвать электрон. Возможен и другой процесс: атом аргона снимает свое возбуждение, испуская фотон, который приводит к фо-
155 тоэффекту на катоде. Итак, при нейтрализации иона аргона появляются электроны, которые, двигаясь к аноду, снова создадут электронно-фотонную лавину.
Ионы спирта также нейтрализуются у катода и оказываются в возбужденном состоянии, но среднее время жизни возбужденной молекулы спирта до диссоциации (примерно Ю-13 сек) значительно меньше среднего времени жизни до снятия возбуждения за счет излучения (~10~7 сек) и меньше времени, необходимого для подхода к катоду от места нейтрализации (~10~7) до места (—2• IO-8 см), где возможно вырывание электрона из катода (^lO-12 сек). Итак, при смеси аргона и паров спирта разряд заканчивается после одной электронно-фотонной лавины независимо от того, какую разность потенциалов имеет счетчик в момент подхода ионов спирта к катоду, другими словами, независимо от сопротивления, с которого снимается импульс.
Самогасящийся счетчик имеет ограниченный срок службы, поскольку при каждом импульсе в счетчике диссоциируют IO9—IO10 молекул спирта. В счетчиках средних размеров имеется около IO20 молекул спирта, поэтому счетчик, наполненный смесью аргона и спирта, «выдерживает» IO9—IO10 импульсов. Счетчик может быть наполнен смесью других газов. Смесь легкого одноатомного газа и многоатомного газа будет обладать гасящими разряд свойствами, если потенциал ионизации одноатомного газа выше потенциала ионизации многоатомного газа; сечение поглощения фотонов (из возбужденных состояний атомов) молекулами многоатомного газа велико и время жизни молекул относительно диссоциации мало по сравнению с временем жизни относительно испускания фотонов.
