Детекторы на основе ионизации газов

Работа детекторов этого типа основана на ионизации газов и собирании образовавшихся ионов при прохождении через газ ионизирующего излучения. При этом происходят два процесса: ионизация и рекомбинация.

Полезный объем газа находится между двумя электродами, к которым приложена постоянная разность потенциалов. Падающее излучение ионизирует газ, высвобождая электрические заряды, собираемые на электродах. Каждая частица образует N0 ионов.

Если поле между электродами велико, то электроны получают достаточно энергии для образования новых пар ионов в результате столкновения с молекулами газа. В зависимости от приложенной разности потенциалов различают разные режимы функционирования детектора. На рис. 1 показана зависимость числа ионов, достигающих анода, от разности потенциалов на электродах.

Зона 1: поле слабое; вероятность рекомбинации электрон – положительный ион велика. Число ионов N, достигших электродов, меньше числа ионов N 0, образуемых падающей частицей (N < N0). В этом случае сначала наблюдается пропорциональная зависимость между током и напряженностью электрического поля, а затем характеристика отклоняется от линейной входит в насыщение).

Зона 2: все высвободившиеся заряды достигают электродов независимо от величины U (N = N0). Рекомбинацией ионов можно пренебречь. Величина тока зависит только от числа пар ионов, образующихся в объеме камеры. Измеряя ток, можно определить интенсивность ионизирующего излучения.

Рис. 1. Зависимость числа ионов, достигающих анода, от разности потенциалов на электродах

Зона 3: при повышении напряжения первичные ионы приобретают такую энергию, что сами ионизируют молекулы газа, в результате чего происходит умножение носителей заряда (N = M*N0). Коэффициент умножения M может достигать 10^3 и не зависит от N0 (режим пропорционального счетчика).

Зона 4: множитель M зависит от N0 (полупропорциональный режим).

Зона 5: выходной сигнал детектора не зависит от N0. Так функционирует счетчик Гейгера – Мюллера.

Зона 6: функционирование неустойчиво, наступает пробой, когда напряжение достигает величины напряжения пробоя U п.

Ионизационная камера. Газ в детекторе испытывает воздействие частиц n в сек. На аноде возникает ток I = q е nN0, где q е – заряд электрона. Этот ток составляет 10^-15 ÷ 10^-14 A и не зависит от приложенного напряжения U (режим 2) в диапазоне нескольких сотен вольт. Измеряемый сигнал представляет собой падение напряжения на большом сопротивлении R н > 10^10 Ом.

Газ, давление и тип окна ионизационной камеры подбираются в зависимости от природы исследуемого излучения. При регистрации α и β излучения заполняющим газом является воздух при давлении p ниже атмосферного p атм; окно тонкое из алюминия или бериллия. При регистрации рентгеновского излучения используются тяжелые газы (Ar, Xe) при p ≤ p атм и тонкое окно из бериллия. При регистрации γ -излучения также используются тяжелые газы (Ar, Xe) при p ≤ p атм. Толщина стенок порядка средней длины пробега выбиваемых из них электронов, которые попадают в полезный объем, внося свой вклад в ионизацию газа.

Пропорциональный счетчик. Сигнал на выходе пропорционален числу соударений исходного количества ионов N0. Коэффициент М= 10^2 ÷ 10^3 и зависит от природы газа и возрастает от его давления и напряжения U на электродах. Такое усиление оказывается достаточным для детектирования отдельной частицы. Например: при M = 500, N0 = 200, C = 10 пФ, U вых = 1, 6 мВ. Амплитуда выходного импульса пропорциональна энергии, которую теряет частица, проходя через полезный объем. Сравнение амплитуд выходных импульсов позволяет разделить сигналы различных видов излучения. Можно детектировать α частицы (большой N0) в присутствии β - и γ -излучений (малое N0).

Счетчик Гейгера – Мюллера. Если электрическое поле достаточно велико, то первичные ионы, образуемые падающим излучением, приобретают энергию, достаточную для того, чтобы вторичные ионы, возникающие в результате соударений, перевести в возбужденное состояние. Эти ионы испускают фотоны в ультрафиолетовой (УФ) области спектра, в свою очередь, в результате фотоэлектрического эффекта вызывают ионизацию газа и испускание электронов металлическим катодом. Такой лавинообразный процесс приводит к образованию выходного сигнала, амплитуда которого (1÷ 10 В) не зависит от числа первичных ионов, образованных активной частицей. Поэтому счетчик Гейгера – Мюллера используется только для детектирования частиц, а не для измерения их энергии. Чтобы остановить лавинный процесс, инертный газ счетчика смешивают с газомгалогеном, который поглощает ультрафиолетовое излучение, и в анодную цепь включают сопротивление R1 = (2÷ 10) M Ом, так что при зарождении лавины напряжение анодкатод резко уменьшается и лавинный процесс прерывается. Конструкция трубки Гейгера – Мюллера и ее электрическая схема представлены на рис. 2 а, где 1 – входное окно, 2 – корпус, 3 – анод. Сопротивление R2 = (0, 1÷ 1) M Ом. Амплитуда импульса на выходе определяется выражением: U ВЫХ = [ R2 (E – U пор)]/(R1 + R2), где U пор – пороговое напряжение, при котором прекращается лавинный процесс, Е – напряжение питания. На рис. 2, б емкости Сп1 и Сп2 – паразитные. Чтобы избежать искажения импульсов, параллельно им подключаются С1 и С2, так чтобы (Сп1 + С2) R 1 = (Сп2 + C2) R 2. Выходные импульсы имеют малое время нарастания (мкс) и медленный спад (50÷ 150 мкс).

а б

Рис. 2. Конструкция трубки Гейгера – Мюллера (а) и ее электрическая схема включкения (б)

Время разрешения – интервал между двумя импульсами, которые могут быть зарегистрированы, составляет для различных трубок от десятков до сотен мкс. Эффективность детектирования α и β частиц ограничивается прозрачностью входного окна, а для частиц, попавших в рабочий объем, достигает 100 %. Эффективность детектирования γ квантов составляет менее 1%. Тепловые нейтроны могут быть обнаружены при использовании трубки, заполненной 10 В F 3, в которой на один из электродов нанесен тонкий слой бора.