Динамические характеристики камеры в токовом режиме

Ток, проходящий через камеру, можно измерять по потенциалу на внешнем сопротивлении R. Чем меньше ток, тем необходимы большие величины внешнего сопротивления. Если интенсивность ионизирующего излучения изменяется, то и ток в камере, и, следовательно, потенциал на внешнем сопротивлении будут изменяться. Однако изменения последнего будут происходить с запозданием, время которого определяется постоянной RC, где С – суммарная емкость камеры и измерительного прибора. Инерционность камеры высокой чувствительности может достигать больших величин. Так, если сопротивление около 10¹² ом, а емкость примерно 10^-11 ф, то RC ~ 10 с, т.е. заметить изменения интенсивности ионизирующего излучения с частотой большей, чем 0, 05 гц, невозможно.

Флуктуации ионизационного тока в камере

Измеряемое напряжение в меньшей степени подвержено флуктуациям, чем вызывающие их флуктуации тока в ионизационной камере. При измерениях интенсивности излучения с помощью камер по величине ионизационного тока (или напряжения на выходном сопротив­лении камеры) мгновенные значения показаний приборов испытывают флуктуации даже в тех случаях, когда средняя интенсивность излучения остается постоянной. Флуктуации выходного сигнала обусловлены статистическими флуктуациями числа зарядов, образующихся в камере, а также флуктуациями, связанными, с процессами зарядки – разрядки выходной емкости.

Чтобы повысить точность измерения при малых значениях п, необходимо выбирать достаточно большие RС, а чтобы величина среднеквадратичного отклонении не превышала 1%, необходимо nRC > 5·10³. Точность измерения тока можно повысить, если усреднить показания прибора во времени. Если возможно усреднение за время t ₁, большее в несколько раз, чем величина RС, то величина среднеквадратичного отклонения измеренной величины уменьшится в раз.

Ионизационные камеры в импульсном режиме

Такая ионизационная камера позволяет измерить заряд или ток, который обусловлен движением ионов в камере, созданных отдельной ионизирующей частицей, при условии разумного выбора постоянной времени RC. Если постоянная RC больше времени движения ионов в камере, то амплитуда импульса напряжения определяется отношением числа пар ионом, образуемых в камере регистрируемой частицей, к сумме емкости камеры и паразитных емкостей. Так, если энергия заряженной частицы 5 МэВ, а эквивалентная емкость 20 пФ, то максимальное значение импульса на входе усилителя составит 1, 2 мв, если учесть, что для образования пары ионов необходима энергия 30 эВ. Считая, что число пар ионов, созданных в камере ионизирующей частицей, пропорционально ее энергии, можно исследовать с помощью ионизационной камеры в импульсном режиме не только распределение частиц во времени, но и их распределение по поглощенной в камере энергии. Форма импульса, его длительность определяются постоянной времени RC и скоростью движения электронов и ионов. Длительность импульса даже при малых значениях RC не может быть меньше времени движения электронов в камере. Это означает, что камера сможет регистрировать частицы как отдельные события, если временные интервалы между ними будут больше, чем время сбора носителей зарядов на электроды камеры. В противном случае импульсы от отдельных частиц будут налагаться, что искажает временное и энергетическое распределения регистрируемых частиц. Для устранения нежелательного эффекта наложения импульсов необходимо, чтобы среднее расстояние между импульсами, регистрируемыми камерой, было много меньше длительности импульсов. Форму импульсов в ионизационных камерах можно вычислить по теореме Рамо – Шокли.

Форма импульса в плоской камере

В плоской камере с расстоянием между плоскопараллельными электродами d электрическое поле постоянно и при единичном напряжении на собирающем электроде Е_v=1/d. Пусть заряженная частица проходит параллельно плоскости электродов на расстоянии х₀ от положительною собирающего электрода и создает п пар ионов. Тогда, учитывая, что скорости дрейфа электронов и ионов будут постоянными в плоской камере, и считая величину постоянной RС большой в сравнении с временем сбора ионов d/w⁺, получаем

и

Выражения для V ^-(t) и V⁺(t) справедливы при 0 < t < (d-x₀)/ w ⁺, соответственно. Максимальные значения импульса

.

Максимальное значение V (t) не зависит от места образования ионов в камере и равно пе/С. Но чтобы получить амплитуду пе/С, необходимо время около d/w⁺, т.е. порядка миллисекунд. Использование камер со столь длинными импульсами неудобно, так как временные характеристики прибора не могут удовлетворить многим задачам. Такие камеры с большими постоянными RС > d/w⁺ называют камерами с полным (или ионным) собиранием. Основное преимущество таких камер состоит в том, что максимальное значение амплитуды импульса определяется только числом образованных в камере пар ионов и не зависит от места попадания ионизирующей частицы в камеру и от ее ориентации. Камера может иметь значительно лучшие временные характеристики, если использовать меньшие значения RC и при этом выбрать газы для ее наполнения с малой вероятностью образования электроотрицательных ионов.

Поскольку скорость дрейфа электронов почти в 10³ раз больше скорости дрейфа ионов, то нетрудно подобрать такую величину RC, чтобы d/w^- < RC < < d/w⁺. Тогда отношение

при x ₀ < d и при x ₀ ≈ d.

Таким образом, амплитуды импульсов, обусловленные движением электронов, будут во много раз больше амплитуд импульсов, обусловленных движением ионов (кроме случаев первичной ионизации при x ₀ < < d).

Другими словами, можно пренебречь током, индуцированным движением положительных ионов. Камеры с таким режимом работы носят название камер с электронным собиранием. В камерах с электронным собиранием, когда величина RC ≥ d/w^-, максимальное значение импульса зависит от места ионизации и от ориентации пути частицы в камере. Зависимость амплитуды импульса в камерах с электронным собиранием от места попадания и направления движения частицы обычно называют индукционным эффектом. Этот эффект – очень нежелательное явление, поскольку частицы с одинаковой энергией могут создать импульсы с различными амплитудами.

Имеется много способов уменьшения индукционного эффекта. Предположим, что RC «d/w^-, тогда амплитуда импульса для всех частиц, создавших ионизацию на таком расстоянии х₀ от собирающего электрода, когда x₀/w^-> 3 RC. Таким образом, для всех этих частиц амплитуда импульса не зависит от места ионизации. Но амплитуда импульса в этом случае будет в RCw^-/d раз меньше, чем амплитуда при полном собирании. В этом случае импульс нарастает до своего максимального значения за время порядка 4 RC и затем имеет плато до t = x₀/w^-, после чего спадает по экспоненте с постоянной RC.

Максимальное значение импульса зависит от выбранного значения RC и тем больше, чем больше RC. Но чем больше RC, тем меньше область камеры, в которой не будет индукционного эффекта. Если потребовать чтобы индукционный эффект не влиял на амплиту­ду импульса в 0, 9 объема камеры, то

Индукционный эффект можно уменьшить (и даже совсем от него избавиться), если отделить область, где происходит образование ионов и электронов, от области, где движение электронов индуцирует ток на собирающем электроде. Объем камеры разделяется третьим электродом – сеткой. Расположение сетки и схема включения такой камеры показаны на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема плоской камеры с сеткой

Образованные в объеме I электроны дрейфуют в направлении собирающего электрода. Но пока дрейф происходит в области I, возникает лишь сеточный ток, поскольку собирающий электрод экранирован сеткой. Движение электронов в объеме II будет индуцировать ток на собирающем электроде.

Таким образом, независимо от места ионизации в объеме I все электроны будут индуцировать ток на собирающем электроде в течение времени движения но объему II. Очевидно, что собранный заряд в данном случае будет пропорционален числу пар ионов, созданных ионизирующей частицей, а максимальное значение импульса

Сетку следует делать достаточно прозрачной, чтобы электроны не оседали на ней, но, с другой стороны, достаточно плотной, чтобы обеспечить надежное экранирование собирающего электрода. Оседание электронов на сетке уменьшается, если увеличивать электрическое поле между сеткой и собирающим электродом. Наконец поле в области I должно быть достаточно большим, чтобы препятствовать рекомбинации и образованию электроотрицательных ионов.

Индукционный эффект слабее выражен в камерах с непостоянным по объему электрическим полем. С этих позиций особое внимание заслуживают цилиндрические и сферические камеры.

Форма импульса в ци­линдрической камере

Напряженность ноля в такой камере (рис. 2.5) зависит от расстояния до центра камеры и определяется следующим выражением:

где u₀ – напряжение, приложенное к камере; r – расстояние от оси камеры, на котором определяется напряженность поля; r₂ и r ₁ радиусы внешнего и внутреннего электродов камеры.

Зависимость V(t) на центральном электроде камеры получим при следующих условиях: постоянная времени RC > > r₂/w⁺, ионизирующая частица проходит в камере на расстоянии r ₀ от центра камеры параллельно оси симметрии и создает п пар ионов, потенциал собирающего электрода выше потенциала внешнего электрода.

Максимальное значение импульса достигается при r = r ₂

Скорость дрейфа электронов сложным образом зависит от напряженности поля, и эта зависимость различна для разных газов. В первом приближении можно считать, что для таких газов, как водород, гелий, кислород и азот скорость дрейфа пропорциональна корню квадратному из напряженности поля, поэтому можно, принять, что . Следует помнить, что вид зависимости от напряженности поля не повлияет на величину , а скажется только на зависимости .

Рис. 2.5. Схема цилиндрической камеры в импульсном режиме и зависимость от времени амплитуды импульса на аноде

Максимальное значение импульса достигается при r = r₀

На рис. 2.5 показаны зависимости V (t) для нескольких зна­чений r₀. Из полученных выражений для формы импульса и рис. 6 видно, что максимальное значение амплитуды импульса за счет движения электронов слабее зависит от места образования электронов и ионов, чем это было в плоской камере. Таким образом, в цилиндрической камере зависимость амплитуды электронного импульса от места образования ионов (индукционный эффект) слабее, чем в плоской. В цилиндрической камере влияние индукционного эффекта тем слабее, чем больше отношение радиусов электродов камеры r₂/r₁.

Форма импульса меняется при различных величинах постоянной RC. Форму импульса с учетом малых значений RC вычислить трудно, поскольку скорость дрейфа электронов не имеет аналитической связи с величиной напряженности поля.