Детекторы корпускулярных излучений - Клайнкнехт К.
ISBN 5-03-001873-5
Скачать (прямая ссылка):
Из диаграммы на рис. 2.12 ясно, что в чувствительной области такого счетчика могут поглощаться а-частицы с энергией до 200 МэВ и электроны с энергией до 2 МэВ. В этой области энергий собранный заряд пропорционален энергии налетающей частицы Eo.
В этой области энергетическое разрешение полупроводниковых счетчиков лучше, чем у других детекторов. Количество свободных электрон-дырочных пар составляет п = EoZW19 где W1 — 3,6 эВ (2,8 эВ) для Si (Ge). Статистическая флуктуация этого числа есть Vw. На самом деле эта величина еще меньше из-за эффекта Фано, так что ап — VwF, где фактор Фано равен F « 0,09 - 0,14 для Si и F ^ 0,06 -н 0,12 для Ge при 77 К. Относительное энергетическое
2 5 Полупроводниковые детекторы
75
разрешение составляет
в(Е)/Е0 = ^FW1ZE0.
(2.35)
Следовательно, можно ожидать, что предельное разрешение германиевого счетчика для у-квантов с энергией Eo-S МэВ составит o(E)ZEq = 1,5•1O-4, а для 7-квантов с Eo = 122 кэВ 0(E)ZE0 = = 1,2* 10 ~3. В действительности было получено энергетическое разрешение 5,4-10"4 и 7,1•1O-3 соответственно, что значительно отличается от принципиально достижимого значения.
3, Измерение координаты
3.1. Многопроволочная пропорциональная камера
В пропорциональной камере принцип пропорционального счетчика (разд. 2.2) применен к детектору с большой площадью. Конфигурация электрического поля в пропорциональной камере показана на рис. 3.1. Основной вклад в импульс, возникающий в процессе образования лавины на анодной проволочке L9 как и в случае пропорционального счетчика, вносится ионами лавины. Этот импульс состоит из нескольких импульсов, каждый из которых вызван отдельной лавиной. Лавины инициируются группами электронов, образовавшимися в процессе первичной ионизации, и эти группы одна за другой дрейфуют в область высокой напряженности поля вблизи L. Временной ход формирования лавины вблизи анодной проволочки L показан на рис. 3.2. Временная структура анодного импульса, полученная с помощью осциллографа с высоким разрешением, показана на рис. 3.3 [105]. Отдельные импульсы имеют время нарастания около 0,1 не, а время спада определяется постоянной времени дифференцирующей цепочки RC Шарпак и др. [60J показали, что
Рис. 3.1. Многопроволочная ионизационная камера, а — схема конструкции; / — катодные плоскости; 2 — анодные проволочки L; б — эквипотенциальные поверхности (пунктирные линии) и линии электрического поля (сплошные линии) вблизи двух анодных проволочек в плоскости, перпендикулярной направлению проволочек [97].
3.1. Многопроволочная пропорциональная камера
77
Рис. 3.2. Развитие лавины во времени вблизи анодной проволочки пропорциональной камеры [63]. а — первичный электрон движется к аноду; 6 — электрон приобретает энергию в электрическом поле и ионизует атомы; в — электронное и ионное облака дрейфуют в противоположных направлениях; г, д — электронное облако дрейфует к проволочке, а ионное облако удаляется от проволочки в радиальном направлении.
анодные проволочки действуют как независимые детекторы. Из-за емкостной связи на соседней с L анодной проволочке А также индуцируется сягнал, которым, правда, можно пренебречь по сравнению
с тем положительным импульсом (от положительной лавины) на этой проволочке, который образуется при движении ионов от L
к Л.
Что касается механической конструкции пропорциональной камеры , то необходимо соблюдать следующее правило: диаметр анодной проволочки должен составлять около 1% от расстояния между проволочками (например, 20 мкм для 2 мм) для достижения напряженности электрического поля, достаточной для газового усиления. В качестве анодов используются тонкие проволочки из золоченого вольфрама. Каркасы рамок делают в основном из фибергласа. Катодные плоскости — это натянутые проволочки или металлические фольги.
Специфическая проблема больших камер — это механическая нестабильность анодных проволочек из-за электростатического отталкивания. Расчет этого эффекта показывает, что проволочки устойчивы, если натяжение Г превышает граничное значение То, которое задается геометрическими размерами камеры и разностью потенциалов V между анодом и катодом [233]:
Т> T0 = (К//2хо)24тге0, (3d)
где / — длина анодной проволочки, а — расстояние между анодом и катодом. Это означает, например, что для V = 4,3 кВ, а = 6 мм
78 3. Измерение координаты
Рис. 3.3. а — осциллограмма импульса напряжения в пропорциональной камере (5500 В, 25 Ом, 40% изобутана, 0 — фреона) Шкала: 50 мВ/см, 10 нс/см, б — импульс, смоделированный с помощью ЭВМ [105] / — импульс от одной лавины
и при натяжении 0,5 H максимальная длина проволочки (при которой сохраняется устойчивость) составляет 60 см. Для камер с большими размерами проволочки должны фиксироваться примерно через каждые 60 см, например, посредством переплетения проволочек тонкими нейлоновыми нитями в перпендикулярном направлении. Это в свою очередь приводит к образованию неэффективной зоны шириной около 5 мм вдоль нейлоновой нити [147].
Рабочие газы для пропорционального режима — это инертные газы аргон или ксенон с добавками СОг, СШ, изобутана, этилена или этана. С этими смесями можно получить газовое усиление ~105, прежде чем наступит напряжение пробоя.
