Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
118
потенциалов и. Поле внутри счетчика выглядит так, как это показано справа на рис. 25. Оно неоднородное и у анода его напряженность больше, чем у катода. Этому соответствует большая густота силовых линий у нити. Рассмотрим теперь работу такого детектора частиц, когда
Рис. 25. Схема газоразрядного счетчика и электрического поля в нем.
величина и постепенно увеличивается. Вот заряженная частица попадает в газ, когда напряжение и равно нулю. Тогда образовавшиеся пары ионов и электронов через небольшой промежуток времени нейтрализуются — реком-оинируют и импульса тока на сопротивлении R не возникает. Увеличивая и (рис. 26), мы заставим ионы двигаться
,ев і ! I j
I і * ! P P
i І 1
і I I
I ! і
Рис.
и, U2 U3 U4 u,?\
26. Различные виды газового разряда.
по полю — к катоду, а электроны против поля — к аноду. Скорость, с которой они направленно движутся к электроду, называется скоростью дрейфа. Поскольку ионы в ты-
119
сячи раз тяжелее, то и их скорость дрейфа во много рае меньше. Приложенное напряжение не даст всем парам рекомбинировать и по сопротивлению R пойдет ток, увеличивающийся с ростом и от нуля до U1. На участке, где напряжение меняется от U1 до и2, все образовавшиеся в следе частицы ионы достигают электродов и полный заряд, проходящий по сопротивлению R, составляет Q — eN, где N — число пар ионов. Ток уже не зависит от напряжения (так называемый ток насыщения). Газовый детектор, работающий в таком режиме, носит название ионизационная камера.
Самая простая из известных ионизационных камер — электроскоп. Когда он подвергается облучению, то воздух внутри электроскопа ионизируется и становится проводником. Листочки опадают. В предыдущей главе уже описывалось, что таким прибором супруги Кюри определяли интенсивность излучения препаратов радия. Электрометр использовали в геологии при поисках радиоактивных руд, пока более совершенные детекторы не вытеснили его.
Часто используются ионизационные камеры с плоскими параллельными электродами, такими, чтобы электрическое поле было однородно. Сих помощью удобно реї ист ри-ровать энергию частиц, длина пробега которых полностью умещается внутри чувствительного объема — например, осколков деления тяжелых ядер (пробег 2,5 см в воздухе при нормальном давлении). Некоторые трудности представляет то, что импульс тока от ионизационной камеры весьма мал. Если, скажем, пробег а-частицы с энергией 3,5 МэВ уложился внутри камеры, то там возникает SlO6 пар ионов с суммарным зарядом всего лишь 10~14 Кл. (см. с. 42). Для регистрации такого количества электричества надо применять специальные электронные усилители. В первые годы, когда создавались ионизационные детекторы, таких приборов еще не было и физики использовали более высокое напряжение для питания счетчиков и, следовательно, другие режимы газового разряда.
Поэтому перейдем к описанию процессов, возникающих в газе при изменении напряжения на счетчике в пределах от U2 до us (см. рис. 26).
Эта область носит название пропорциональной, а детекторы, работающие в таком режиме,— пропорциональные счетчики. Теперь поле вблизи от нити оказывается достаточным для того, чтобы электроны между двумя соударениями успели разогнаться до энергии Е, равной или
120
большей потенциала ионизации. С определенной вероятностью налетающий электрон ионизирует атом, выбивает* вторичный электрон, последний разгоняется и т. д. Процесс нарастает лавинообразно, пока электроны не соберутся на нити. Полный заряд, прошедший через сопро^ тивление, Q = KeN, где К — коэффициент газового усиления. Он может изменяться от единиц до десятков тысяч, в зависимости от режима работы. Важно, что Q все еще пропорционально E и несет информацию об энергии, оставленной частицей в детекторе *).
Первый счетчик Резерфорда и Гейгера работал в пропорциональном режиме. Он регистрировал только альфа-излучение, поскольку ионизационная способность ?-час-тиц значительно меньше, а электронные усилители, как мы уже говорили, появились много позже.
Пропорциональные счетчики широко применяются в настоящее время для регистрации мягкого рентгеновского и ?-излучений. Специальные их типы, наполненные газами BF3 или гелием-3, используются для регистрации медленных нейтронов. Нейтроны захватываются ядрами бора-10:
10B + n 4He + 7Li1 (41)
или гелия-3:
3He + л -j- 3H + р. (42)
В первом случае альфа-частицы и ядро лития уносят энергию 2,7 МэВ, во-втором продукты реакции имеют суммарную энергию a;0,8 МэВ. Так как пробеги образовавшихся заряженных частиц очень малы и, в большинстве случаев, полностью укладываются внутри чувствительного объема счетчика — энергетический спектр событий от захвата нейтронов имеет вид узкого пика. Это позволяет легко отличать нейтронные события оТ всяких других и регистрировать эти частицы борными и гелиевыми детекторами в условиях значительного гамма-фона.
Пропустим теперь область напряжений, носящую название области ограниченной пропорциональности, и обратимся к величинам и ^> и3. В таком режиме амплитуда импульса уже не зависит от первоначального числа ионов. Вызвано это следующими причинами. При увеличении
