Детекторы корпускулярных излучений - Клайнкнехт К.
ISBN 5-03-001873-5
Скачать (прямая ссылка):
^ Подвижность я + ,
Газ Ион , . _Г
см В 1C 1
¦ If™ —" - — Не He + 10.2
Ar Ar + 1,7
H2O H2O + 0,7
Ar (OCHa)2CH2+ (OCHa)2CH2+ 1,51
изо-GtHio 0,55
(OCHa)2CH2 (OCHa)2CH2+ 0,256
Ar и з 0-C4 H из 1,56
И30-С4Ню HSO-C4H1Q 0,61
Ar CH4+ 1,87
CH4 CH4+ 2,26
Ar CO2+ 1,72
CO2 CO2+ 1,09
Для смеси п разных газов подвижность относящаяся к газу
сорта /, задается следующим образом:
п
1
^I+ ,t Рік
к -1
(1.52)
где Ck — объемная концентрация газа к, a fit% — подвижность ионов сорта і в газе к. Если присутствует несколько сортов ионов, то ионы с более высоким потенциалом ионизации нейтрализуются после 102 - 103 столкновений путем отрыва электронов от атомов с более низким потенциалом ионизации.
1.3.2. Диффузия ионов в газе в отсутствие поля
Согласно закону равномерного распределения энергии по степеням свободы, средняя энергия молекул газа с тремя степенями свободы' составляет Єт ~ (3/2) AT. При нормальных условиях
36
1 Физические основы регистрации излучений
(T = 273 К) єт ~ 0,035 эВ Распределение по кинетическим энергиям ? при температуре T есть
= cVeexp(-?/?T).
(1.53)
Заряд, который в момент времени t — 0 локализован в точке, размывается в окружающем пространстве из-за многократного рассеяния и распределение заряда приобретает вид распределения Гаусса. Коэффициент диффузии D определяется таким образом, что дифференциальное распределение плотности носителей заряда dN/N в зависимости от пространственной координаты х в момент времени t имеет вид
dN
1
- (x2/4d0
N \/4жОі
dx,
(1.54)
т. е. стандартное отклонение этого распределения по одной координате составляет ах = v2Dt. Коэффициент диффузии тем больше, чем больше средняя тепловая скорость и заряженных частиц. Поскольку и — \/3kT/m, D уменьшается с увеличением массы носителей заряда. Средняя длина свободного пробега в процессе диффузии X определяется сечением столкновения а(е), которое в общем случае является функцией кинетической энергии заряженных частиц:
Ms)
1
Na(e)
(1.55)
Здесь N-Nqq/A — это количество молекул в единице объема, А — молярная масса, q — плотность газа, iVo — число Авогадро. Для газов при нормальных условиях N= 2,69•1O19 молекул/см3.
Значения коэффициентов диффузии D для некоторых молекул и атомов приведены в табл. 7 вместе со средней длиной свободного пробега X и со средней тепловой скоростью ы.
Таблица 7 Тепловая скорость и, коэффициент диффузии Z)+, подвижность /*+ и
средняя длина свободного пробега ионов X в собственном газе при нормальных условиях
Газ
Массовое число
и, см/с
d+t cmvc
cm2c"1
B
-1
X, 10
-5
cm
H2 2,02 1,8 105 0,34 13,0 1,8
Не 4,00 1,3 105 0,26 10,2 2,8
Ar 39,95 0,41 105 0,04 1,7 1,0
O2 32,00 0,46 105 0,06 2,2 1,0
H2O 18,02 0,61 105 0,02 0,7 1,0
1 3 Электроны и ионы в газах
37
1.3,3. Рекомбинация и захват электронов
Рекомбинация. Ионы и электроны, образованные в результате первичной ионизации, могут нейтрализоваться, прежде чем они будут зарегистрированы. В этом процессе положительные ионы ре-комбинируют с отрицательными ионами или с электронами. Уменьшение со временем плотности положительных ионов п+ можно описать соотношением - dn + /dt = ап + п~, где п ~ — плотность отрицательных носителей заряда, а а — «коэффициент рекомбинации». В неблагоприятных случаях (О2, СО2) а может достигать значений до 10" 6 см3/с для рекомбинации с отрицательными ионами и значений до 10"7 см3/с для рекомбинации с электронами.
Электронный захват. Некоторые многоатомные молекулы могут при столкновении захватывать электроны низких энергий (порядка электронвольт). Вероятность Pa такого захвата в одном столкновении пренебрежимо мала для инертных газов и для N2, Н2, СЩ, но достаточно велика для электроотрицательных газов, таких как О2, CI2, nh3 и Н2О 1}. Эта вероятность (для газа в отсутствие электрического поля) для некоторых газов приведена в табл. 8. Если по средней тепловой скорости ие « ^ЪкТ/Ше и средней длине свободного пробега электрона \> (которая примерно в 4 раза больше, чем для ионов в том же газе) определить число столкновений в единицу времени nSy то, используя выражение ta - \/(pans), получаем среднее время жизни электрона до захвата. Для сильно электроотрицательных газов это время может уменьшаться до 5 не (см. табл. 8).
Таблица 8 Вероятность захвата электрона ра> число столкновений в секунду ns и среднее время до захвата ta при нормальных условиях в отсутствие электрического поля
Газ Pa л„ с 1 ta, HC
CO2 6,2 ИГ9 2,2 101? '¦¦1T' " 7, МО5
O2 2,5 1(Г5 2,1 10й 190
H2O 2,5 10"5 2,8 1011 140
CI2 4,8 Ю-4 4,5 1011 5,0
1} NH3 и H2O — не электроотрицательные газы, но они способствуют процессу захвата электронов, например молекулами O2 за счет эффективного снижения средней энергии электронов и большого значения константы трехчастичного захвата — Прим перев
38 1. Физические основы регистрации излучений
О
OA
QS 1,2 /,S 2ft %4
Рис. 1.5. Зависимрсть вероятности захвата электрона при одном столкновении в O2 от энергии электрона в [47].
Под действием электрического поля средняя энергия электронов возрастает. Вероятность электронного захвата ра в этом случае меняется при изменении энергии электронов, как показано на рис. 1.5 для Ог. Для других газов значение ра можно найти в литературе 147, 168]. Если рабочий газ содержит / долей электроотрицательного газа, то число столкновений электронов с электроотрицательными молекулами равно л/ = f-ue/\>> а средняя длина свободного пробега электронов до захвата электроотрицательными примесями
