Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК — газоразрядный детектор частиц, создающий сигнал, амплитуда к-рого пропорциональна энергии, выделенной в его объёме регистрируемой частицей. При полном торможении частицы в объёме П. с. амплитуда согнала пропорциональна энергии # частицы, т. е. П. с. является одновременно и спектрометром. П. с., как и др. газо-рез рядные детекторы, представляет собой газовый объём (от неси, см3 до неск. л) с 2 электродами. От конструкции ионизационной камеры П, с. отличает форма анода в виде тонкой нити или острия для обеспечения вблизи анода значительно большей напряжённости электрич. поля, чем в остальном пространстве между анодом и натодом. Наиб, распространены ци-лвндрич, П. c.t где катодом является металлич. цилиндр (корпус счётчика), внутри к-рого аксиально протянута тонкая проволока — анод (рис. 1).
Рве. 1. Схема пропорционального счётчика: И — источник
частиц.
Заряж. частица с энергией S создаёт в газе п0 = “ MfW электрон-ионных пар, где — ионизационные потери энергии частицы, W — ср. энергия образов аиия электрон-ионной пары. Импульс тока (напряжения), возникающий иа сопротивлении Я, пропорционален Д/; импульс (1—100 мВ) усиливается в поступает в регистрирующее (анализирующее или аапоминающее) электронное устройство.
Газовое усиление. Первичные электроны, образованные варяж. частицей в результате ионизации газа, под действием электрич. поля перемещаются к аноду, по пути многократно сталкиваясь с атомами (рис. 2). Эти соударения частично неупругне, т. к. электроны меряют значит, часть своей энергии и не могут наорать энергию, достаточную для нонизацин атомов газа (20—30 эВ). В цилиндрнч. П. с. электрич. поде
Рнс. 2. Механиам работы пропорционального счётчика: гк— гв—
зона дрейфа первичных электронов; г„ — га — зона лавин.
E ~ К-1, где г — расстояние частицы до нити (рис. 3). Поэтому между двумя последоват. столкновениями электроны, приближаясь к аиоду, получают всё воз-растающие значения кинетич. энергии, и на нек-ром расстоянии от нити гф энергия становится достаточной для ноннзации. Образующиеся вторичные электроны ?і вместе с первичными участвуют в последующей лавинной ионизации газа (г а-
з о в о е усиление).'
Коэф. газового усиления M — отношение кол-ва элек-тронов, пришедших на нить, к числу первичных электронов. Форма электронноионной лавины вблизи анода сильно зависит от значения Af: при 10 < M < 100 лавина приобретает форму
капли в направлении при- __
хода электронов иа аиод; а г« г
при IO2 < M < IO4 лавина 1>ис 3
становится сердцеобразной, вытянутой в направлении
прихода электронов; при Af > 10* лавина полностью охватывает анод — тогда и нарушается пропорциональность между U0 и амплитудой сигнала. Размер лавины вдоль проволочного анода растёт с увеличением Af OT долей MM до неск. им.
При столкновениях образуются также возбуждённые атомы, к-рые «высвечиваются» (УФ-излучение) за время ~10“®с. Энергия фотонов Aco почти всегда превосходит работу выхода электронов с поверхности катода, поэтому вырванные (с вероятностью — IO"4) фотоэлектроны также движутся к аноду, усложняя картину разряда и образуя лавинные серни — последовательно затухающую цепочку импульсов, отстоящих друг от друга на время дрейфа электронов от катода к аноду, фотоэлектронную эмиссию можно ослабить, если в состав газа кроме инертных (Ar, Kr,
Xe) ввести многоатомные газы (CH9, CsHs, COs и т. д.), поглощающие УФ-излучеиие. Т. н. электроны поглощают газы и парй со сродством к электрону (Os, H2O, галогены), то их в смеси П. с. должно быть мин. кол-во (концентрация Oa ~ Ю-5 см8).
Если пренебречь влиянием на лавину пространственного заряда от положит, ионов, прилипанием электронов и фотоэлектронной эмиссией, то
Tt
Л/=ехр ^ adr, о
где а — число нонизац. соударений электрона на пути ,
1 см (первый коэф. Таунсенда), а зависит от напря- 14/
10*
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ
жённости поля Е, давления р и рода газа. В приближении Роуза — Корфа, где а — N&K (К — характеристика газа, N — плотность газа, / — энергия электронов),
M= exp {2{KNCraVq)4*[(VqIV—1]}.
Здесь С = 2ле/1п(гв/рд) — ёмкость счётчика на единицу длины, V0 — напряжение ва электродах, Vc- напряжение, соответствующее началу лавины. При
V0 » Vc M CO ехр(СУо)1/. (рис. 4). Ввиду статистич. природы лавинвого процесса Vn ве является чёткой характеристикой П. с., поэтому Vc определяется по пересечению прямолинейного участка зависимости InAf(V0) с осью абсцисс. Линейная зависимость продолжается до M ~ IO4. При дальнейшем повышении V0 зависимость перестаёт быть линейной (гл. обр. из-за влияния фотоэлектронной эмиссии и пространственного заряда иовов). Область M ~ IO4-IO4 иаз. областью ограниченной пропорциональности. Большие M могут привести к пробою (рис. 5). Чтобы не допустить пробоя, применяют гасящие примеси — органич. газы
(CH4, пропав, изобутан,
Рис. 4. Зависимость коэффициента газового усиления от напряжения.
M
Область ограниченной пропорциональности[ .Ионизационная камера
