Газового разряда

По оси абсцисс отложено напряжение, подаваемое на электроды, а по оси ординат величина ионизационного тока (Рис.1).

Сложная зависимость тока от напряжения связана с особенностью физических процессов, протекающих в газе при движении ионов и свободных электронов в межэлектродном пространстве. Для понимания сущности этих процессов характеристика разбита на 7 участков.

На первом участке (О-А) в интервале напряжений от О до U₁, ток пропорционален напряжению. Этот участок называют областью закона Ома. В этой области не все ионы, образованные в газе, достигают электродов. Часть ионов, двигаясь в газе, рекомбинируют. С увеличением напряжения растет скорость направленного движения ионов и электронов, поэтому вероятность рекомбинации уменьшается и на электроды попадает все больше ионов и электронов. Однако с дальнейшим увеличением напряжения рост тока постепенно начинает замедляться, и, наконец наступает такой момент, когда с увеличением напряжения ток дальше не растет. Это говорит о том, что почти все образующиеся в газовом объеме ионы и электроны попадают на электроды. Ток при этом достигает постоянной величины и носит название тока насыщения (участок А-Б) в интервале напряжений от U₁ до U₂ , то есть ток практически постоянен, хотя кривая тока все же имеет небольшой подъем, вызванный небольшой рекомбинацией и другими второстепенными факторами. Этот участок носит название области ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ (областью насыщения). На этом участке число ионов пропорционально интенсивности излучения, а, следовательно и активности источника. Здесь ток насыщения обусловлен только первичной ионизацией (т.е. только зависит от энергии самой частицы).

В области насыщения кинетическая энергия, получаемая ионами и электронами от электрического поля, еще недостаточна для ионизации молекул.

По мере дальнейшего увеличения напряжения, где U больше U₂, легко подвижные электроны ускоряются до такой кинетической энергии, которой хватает для ионизации встречных молекул. Это участок кривой III (участок Б-В). Эту ионизацию в отличии от первичной называют ВТОРИЧНОЙ или УДАРНОЙ ионизацией.

Электроны вторичной ионизации вместе с электронами первичной в последующих столкновениях ионизируют другие молекулы. Таким образом, происходит лавинообразное размножение электронов и ионов. В создании ионизационного тока теперь принимают участие:

1.электроны и ионы образованные частицей

2.электроны и ионы созданные от первичных электронов

Рис.1. Вольтамперная характеристика газового разряда

Нарастание количества ионов и электронов (размножение), вызванное ударной ионизацией называют газовым усилением. Для его характеристики используют понятие коэффициента газового усиления. Это отношение числа электронов образовавшихся в результате газового усиления к первичным электронам от самой частички:

где N – число электронов в лавине;

n – число первичных электронов.

Эта область носит название пропорциональной, т.к. хотя число частиц в результате ударной ионизации и возрастает во много раз, но все же остается пропорциональной первичному числу электронов.

Участок (Б-В) обычно относят к пропорциональной области. Коэффициент газового усиления здесь составляет 10³—10⁴ раз.

Четвертый участок (В-Г) отвечает условиям, при которых как первичные, так и вторичные ионы и электроны достигают электродов. С увеличением напряжения в пределах плато (В-Г) увеличивается только скорость ионов и электронов, но не их количество, поэтому величина тока практически не меняется.

Если за областью В-Г увеличивать напряжение, то газовое усиление возрастает настолько, что пропорциональность не соблюдается, хотя величина ионизационного тока все еще зависит от энергии ионизирующей частицы. Это область V (Г-Д), с напряжениями от U₄до U₅. Она носит название области ограниченной пропорциональности, c коэффициентом усиления 10^{5 –}10 ⁶ раз.

При увеличении напряжения выше точки Д, участок VI (область Д-Е), каждая попавшая в детектор частица вызывает лавинный разряд. Причем величина этого разряда зависит не от числа первичных ионов или электронов или вида излучения, а только от напряжения между электродами. Это область Гейгера.

Отличие этой области от других в том, что газовый разряд в них несамостоятельный, а в этой самостоятельный, т.е. появление хотя бы одного электрона вызывает вспышку самостоятельного разряда.

Явлению развития самостоятельного разряда способствует то, что в первичной лавине из-за возбуждения атомов и молекул газа возникает ультрафиолетовое излучение. Попадая на катод, в результате фотоэффекта, они выбивают из него электроны, которые в свою очередь создают новые электронно-ионные лавины. Т.о. газовый разряд сам поддерживается и развивается.

Если напряжение перенести за точку Е (участок VII), то в детекторе начнется самостоятельный разряд, возникающий уже без наличия ионизирующего излучения. Напряженность электрического поля становится таким большим, что происходит вырывание электронов из катода и детектор быстро выходит из строя. Это область непрерывного разряда или стационарного коронного разряда.

Таким образом, существует несколько областей газового разряда для применения их в ионизационном методе регистрации ионизирующих излучений:

Область АБ — ионизационные камеры;

Область БГ — пропорциональные счетчики;

Область ДЕ — счетчики Гейгера – Мюллера;

В области ГД счетчиков не существует.

4.3. ГАЗОВЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Основные типы детекторов

При прохождении заряженных частиц в газах в результате ионизации образуются электроны и ионы. Если ионизация происходит в объеме между двумя электродами, которые имеют разность потенциалов, то за счет движения электронов и ионов к электродам в электрической цепи возникнет ток.

Все газовые ионизационные детекторы представляют собой конденсаторы, в которых пространство между электродами заполнено каким-либо газом. В зависимости от величины и распределения напряженности электрического поля в газовом промежутке – эти детекторы обладают разными свойствами. Так, при сравнительно малых напряженностях электрического поля ток, протекающий в электрической цепи, не зависит от напряжения на конденсаторе и равен числу пар ионов, которые возникают в единицу времени в объеме детектора, умноженных на заряд электрона. Такие детекторы называют ионизационными камерами. При более высоких значениях напряженности поля в результате газового усиления ток в электрической цепи может быть во много раз больше, чем число зарядов, возникающих в детекторе в единицу времени. При этом ток зависит от напряжения на конденсаторе и пропорционален ионизационному эффекту, создаваемого излучением. Такие детекторы называют пропорциональными счетчиками. Наконец, при еще более высоких значениях напряженности поля в конденсаторе возникает разряд, если в объем детектора попадает заряженная частица. Такие детекторы называют газоразрядными счетчиками.

Ионизационные методы регистрации основаны на измерении заряда или тока, создаваемого заряженными частицами при прохождении в газовой полости конденсатора. Рассмотрим связь между энергией заряженной частицы и созданной ею ионизацией. Это очень существенная зависимость, поскольку в ионизационных камерах и пропорциональных счетчиках по ионизационному эффекту определяют энергию частицы. Экспериментально было установлено, что средняя энергия W, расходуемая на создание одной пары ионов, слабо зависит от энергии заряженной частицы, от ее массы и заряда. Этот факт можно объяснить тем, что отношение вероятностей возбуждения и ионизации атомов не зависят от свойств частиц, поскольку в каждом акте взаимодействия частица теряет очень малую долю своей энергии.

Для спектрометрических измерений наиболее существенно знать с большой точностью связь W с энергией частицы. Многочисленные исследования показали, что в аргоне, например, с точностью до 0, 5% W не зависит от энергии заряженных частиц. Для воздуха величина W зависит заметно от энергии частиц. Так, для α -частиц при изменении энергии от 3…4 Мэвдо 50 кэвсредняя энергия W меняется примерно на 10%.

Более интересно другое обстоятельство – энергия, расходуемая на создание пары ионов, в различных газах почти одинакова. Например, в аргоне она даже меньше, чем в кислороде, хотя энергия, необходимая для ионизации атомов аргона, больше, чем для ионизации атомов кислорода. Это странное на первый взгляд явление можно объяснить тем, что энергии, необходимые для возбуждения, и вероятности возбуждения атомов и молекул различных газов могут заметно отличаться. В частности, в благородных газах энергии возбужденных состояний более высокие, но вероятности их возбуждения оказываются сравнительно малыми. Напротив, у кислорода уровни возбужденных состояний расположены ниже, но вероятности их возбуждения больше. В табл. 2.1 приведены значения W для разных газов и видов заряженных частиц.

Таблица 2.1. Энергия, расходуемая на образование пары ионов, В

Методы регистрации без газового усиления

Для корректного измерения энергии частиц необходимо, чтобы все образовавшиеся электроны и ионы достигли электродов камеры конденсатора. Последнее не всегда осуществляется, поскольку электроны и ионы помимо движения вдоль силовых линий электрического поля находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении, что мешает всем носителям заряда собраться на соответствующие электроды. Кроме того, при соударениях электронов с молекулами образуются электроотрицательные ионы, происходит рекомбинация, ионизация ударом. Все эти явления: и диффузия, и рекомбинация, и образование электроотрицательных ионов – меняют величины среднего тока или импульса.

То, что перечисленные явления имеют существенное значение, убедительно показывает зависимость тока от напряжения для камеры (конденсатора), облучаемой заряженными частицами (рис. 2.1).

В области I поле, создаваемое внешним источником с напряжением u₀, еще недостаточно, чтобы все электроны и ионы попадали на собирающие электроды, в области II (область работы ионизационных камер) поле достаточно, чтобы эффекты от рекомбинации и диффузии были пренебрежимо малы.

При дальнейшем увеличении напряжения электроны могут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приводит к увеличению тока.

Относительная протяженность плато в вольтамперной характеристике существенным образом зависит от газа, наполняющего камеру, давления, температуры, плотности ионизации. При больших давлениях и большой плотности ионизации, особенно в случаях наполнения камер газами с большой вероятностью образования электроотрицательных ионов, вольтамперная характеристика может даже не иметь плато.

Рис. 2.1. Зависимость тока в камере от разности потенциалов на ее

электродах при постоянном ионизационном эффекте

Верхняя граница плато определяется такими величинами напряженности поля в камере, при которых электроны могут приобрести на пути между двумя соударениями энергию, достаточную для ионизации молекул газа. Очевидно, что чем больше свободный пробег электрона и чем ниже потенциал ионизации, тем раньше наступают эффекты вторичной ионизации. Нижняя граница плато зависит от того, насколько велико значение процессов диффузии и рекомбинации. Рассмотрим количественные характеристики процессов диффузии, рекомбинации и образования электроотрицательных ионов.