Пропорциональные счетчики. Большая советская энциклопедия - пропорциональный счетчик Сцинтилляционные и черенковские счетчики

Механизм разряда в пропорциональном счетчике заключается в следующем. Заряженная частица, проходя через газ, наполняющий пропорциональный счётчик, создаёт на своём пути пары ион–электрон, число которых зависит от энергии, теряемой частицей в газе. Как и в ионизационной камере, под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы – к катоду. Но в отличие от ионизационной камеры первичные электроны на своём пути к аноду в электрическом поле счетчика приобретают энергию, достаточную для вторичной ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Возникшие при этом новые электроны, в свою очередь, приобретают энергию, достаточную для следующей ионизации. В результате вместо каждого первичного электрона на анод приходит лавина электронов, и полное число электронов, собранных на аноде пропорционального счётчика, во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного числа электронов, достигших анода, к количеству первичных электронов называется коэффициентом газового усиления, который для пропорционального счетчика достигает 10 3 –10 4 . Электрический импульс, возникающий в пропорциональном счётчике вследствие попадания в него частицы, пропорционален энергии этой частицы, а точнее энергии, затраченной частицей на первичную ионизацию среды детектора.

Следует заметить, что, кроме основного процесса образования электронной лавины – ударной ионизации, в пропорциональном счетчике существуют еще два механизма образования электронов. Первый заключается в том, что молекулы газа, переходящие в возбужденное состояние под действием электронов, возвращаясь в основное состояние, могут испускать не только электроны, но и фотоны, которые, попадая на поверхность электродов, вызывают фотоэффект. Фотоэлектроны, образовавшиеся на катоде, двигаясь к аноду, создают электронно-ионные лавины. Второй механизм заключается в том, что положительный ион при подходе к катоду, обладая сравнительно высокой энергией, может вырвать электрон, который, двигаясь к аноду, создает дополнительную лавину. Но для пропорциональных счетчиков описанные процессы являются вторичными, так как их вклад по сравнению с ударной ионизацией очень мал.

В общем случае конструктивно пропорциональный счетчик выполнен в виде цилиндра (рис. 5.5) и представляет собой катод-корпус и собирающий электрод, выполненный в виде металлической нити (вольфрам или сталь) диаметром 0,05–0,3 мм, натянутой по оси цилиндра. Верхний предел диаметра нити ограничивается очень высоким напряжением, которое необходимо подводить к счетчику, нижний предел – прочностью материала нити. Давление газов в корпусе изменяется в широких пределах – от 50 до 760 мм Hg и выше. Для регистрации α- и β-частиц внешних источников в корпусе счетчика вырезают входное окно. Его закрывают тонкой фольгой.

Рис. 5.5 Конструкция цилиндрического пропорционального счетчика

В связи с тем, что в отличие от ионизационных камер (работающих в режиме насыщения) пропорциональный счетчик обладает сравнительно крутой ВАХ, к применяемым для него источникам питания предъявляют гораздо более жесткие требования. Этим и объясняется предпочтение, отдаваемое иногда ионизационным камерам перед пропорциональными счетчиками в тех случаях, когда применимы оба типа детекторов.

Преимущество пропорциональных счетчиков перед ионизационными камерами заключается в том, что здесь импульсы значительно интенсивнее, поэтому пропорциональные счетчики используются для подсчета отдельных частиц.

Благодаря газовому усилению можно проводить счет ядерных частиц данного типа, используя вторичное электронное оборудование с гораздо меньшим усилением, чем в случае ионизационных камер, что значительно упрощает оборудование. Кроме того, при помощи пропорциональных счетчиков можно регистрировать частицы с меньшей энергией, чем в ионизационных камерах (уровень шумов электронного усилителя ограничивает величину импульса). Зависимость величины импульсов от начальной ионизации позволяет дискриминировать излучения, которые различаются по производимой ими ионизации. Например, α-частицы можно легко считать в присутствии β-частиц, благодаря большому различию в величине удельной ионизации. Импульсы от β-частиц имеют меньшую амплитуду и могут быть легко отсортированы (дискриминированы).

Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых детекторов. Мертвое время пропорционального счетчика может достигать 10 -7 с.

Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном и применяют для регистрации α-, β-частиц, протонов, γ-квантов и нейтронов. При регистрации заряженных частиц и γ-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации, используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объём счетчика. Эффективность регистрации для мягких γ-квантов с энергией менее 20 кэВ более 80 %. Для повышения эффективности регистрации высоко энергетических γ-квантов используют ксенон.

В случае дальнейшего повышения напряжения на электродах газового ионизационного детектора его работа переходит из области пропорциональности в область ограниченной пропорциональности (см. рис. 5.4). Эта область характеризуется возникновением в объеме счетчика значительного положительного объемного заряда, который искажает электрическое поле вблизи анода. В результате чего последующие электронно-ионные лавины развиваются уже в ослабленном поле, и эффективное сечение коэффициента газового усиления будет ниже. Кроме того, эффективный коэффициент газового усиления в этой области зависит от типа регистрируемой частицы. Так, для α-частиц, обладающих большой плотностью ионизации, он значительно меньше, чем для электронов (вольт-амперные кривые сходятся, см. рис. 5.4). При дальнейшем увеличении напряжения, подаваемого на счетчик, последний переходит в режим самостоятельного (коронного) разряда (область Гейгера).

5.1.3. Счетчики Гейгера–Мюллера

Газовые ионизационные счетчики, работающие в области самостоятельного или коронного газового разряда и названные по имени их создателей счетчиками Гейгера–Мюллера, конструктивно сходны с пропорциональными счетчиками. Они заполняются либо благородным газом (несамогасящиеся счетчики), либо смесью благородного газа, например аргона (12 кПа), и гасящего газа, например паров спирта (1,3 кПа). Этот тип счетчиков характеризуется тем, что амплитуда электрического сигнала, который снят с нагрузочного сопротивления R 1 (см. рис. 5.3), зависит от напряжения питания счетчика, состава газовой среды, взятой для его наполнения, температуры и параметров RC счетчика (сопротивление–емкость).

Конструктивно счётчик Гейгера устроен так же, как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный инертным газом. К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал, к внешнему – отрицательный.

Функционально счётчик Гейгера в основном повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией (газовое усиление), который способен ионизовать всю область вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации, следовательно, счетчики Гейгера не различают частицы одного вида по энергиям. Также в отличие от пропорционального режима в гейгеровском режиме разряд распространяется по всей длине анодной проволочки. По это причине в таких детекторах невозможно одновременно зарегистрировать две заряженные частицы.

Принцип работы счетчика заключается в том, что ядерные частицы или γ-кванты, проникая в межэлектродное пространство счетчика, вызывают ионизацию молекул газа, образуя внутри счетчика положительные ионы и электроны, которые, ускоряясь в электрическом поле счетчика, приобретают энергию, достаточную для повторной ионизации нейтральных молекул. Вновь образующиеся ионы и электроны, ускоряясь в электрическом поле электродов счетчика, снова производят ионизацию и т.д. В результате происходит лавинообразное нарастание потока ионов и электронов. Одновременно с ионизацией образуются возбужденные атомы или молекулы, которые являются источником коротковолнового ультрафиолетового излучения. При взаимодействии фотонов с молекулами газа образуются фотоэлектроны, которые образуют новые центры разрядки. При этом электронная лавина распространяется вдоль всей нити. Величина импульсов больше не зависит от вида и энергии излучения, а определяется только напряжением и длиной нити счетчика. Коэффициент газового усиления лежит в интервале 10 8 –10 10 .Через очень короткий промежуток времени (~10 –8 с) весь объем счетчика охватывается разрядом. Так как подвижность положительных ионов на несколько порядков меньше подвижности электронов, электронная лавина собирается на аноде значительно раньше, чем перемещаются к катоду положительные ионы. При этом анод оказывается окруженным положительно заряженными ионами, что понижает напряженность электрического поля вблизи нити, в результате чего ионизация газа приостанавливается, а вместе с этим замедляется и активная стадия разряда.

В следующей стадии разряда катионы движутся от нити к катоду, вырывая из него электроны, образуя нейтральные молекулы и атомы газа. Возбужденные нейтральные молекулы и атомы, высвечиваясь ультрафиолетовым светом при достаточном приближении к катоду, могут вызвать появление новых электронов, которые способствуют образованию следующей лавины, и создают новую вспышку газового разряда. Разряд повторяется до тех пор, пока не будет прекращен какими-либо внешними причинами.

Для регистрации последующих заряженных частиц, попадающих в объем счетчика, разряд, вызванный предыдущей частицей, должен быть погашен в возможно малый интервал времени. Существуют два механизма гашения газового разряда, в связи с чем счетчики делятся на самогасящиеся и несамогасящиеся.

В случае несамогасящихся счетчиков, обычно заполненных аргоном, наиболее просто осуществить внешнее гашение, включая последовательно со счетчиком высокоомное сопротивление. Ток во внешней цепи счетчика заряжает выходную эквивалентную емкость С , напряжение V на счетчике в момент окончания разряда будет равно разности напряжения источника питания V ист и напряжения на выходной емкости V С . При минимальной разности потенциалов V мин на электродах счетчика, которая необходима для ускорения электронов до энергии ударной ионизации, в работе несамогасящихся счетчиков можно выбрать два режима.

Первый режим : емкость С заряжается во время первой ступени разряда до такого напряжения V С , что V < V мин, тогда разряд в счетчике прекращается. Выбитые в таком случае из катода вторичные электроны не могут вызвать вторичной ионизации.

Второй режим : емкость С зарядилась недостаточно. При этом вторичные электроны, возникшие у катода, будут вызывать новые лавины разряда до тех пор, пока не будет удовлетворяться неравенство V < V мин.

Первый режим счетчика выгоднее для работы, так как электрический сигнал на нагрузочном сопротивлении получится в несколько раз короче, чем во втором. Этот режим будет соблюдаться при условии, что величина емкости наименьшая, а сопротивление настолько большое, что разрядным током, проходящим через это сопротивление, во время зарядки емкости можно пренебречь.

С другой стороны, следует иметь в виду, что разряд, протекающий в счетчике, приводит к образованию возле нити положительно заряженного ионного облака. Напряженность электрического поля в пространстве между заряженным облаком и нитью счетчика настолько уменьшается, что последующее образование лавины становится невозможным, и счетчик в течение определенного времени, которое называется мертвым временем t м, не способен регистрировать другие ионизирующие частицы или γ-кванты. По истечении этого времени (t м) в счетчике может возникнуть самостоятельный разряд.

Однако вначале амплитуда импульса еще мала, и только когда пространственный заряд достигает поверхности анода, в счетчике образуются импульсы нормальной амплитуды. Отрезок времени между моментом, когда в счетчике возможен самостоятельный разряд, и моментом полного восстановления рабочего напряжения называется временем восстановления. Таким образом, дальнейший разряд с образованием последующего импульса может произойти лишь после восстановления прежнего напряжения на электродах счетчика. После чего счетчик готов к регистрации последующей частицы.

В самогасящихся счетчиках газовый разряд протекает иначе. В газовой смеси этих счетчиков, кроме аргона, содержатся пары многоатомных газов: спирта, углеводородов и т.п. При этом потенциал ионизации многоатомного газа должен быть ниже, чем потенциал ионизации основного газа, наполняющего счетчик. За время движения частицы через счетчик происходит ионизация; электроны, двигаясь к нити, вызовут лавинный разряд, в котором возникнут новые электроны, положительные ионы, возбужденные атомы и молекулы.

Ультрафиолетовое излучение возбужденных атомов аргона полностью поглощается молекулами спирта во всем объеме, окружающем нить. Поэтому в самогасящихся счетчиках не будет проходить фотоэмиссии электронов с катода. Разряд распространяется вдоль нити, переходя от точки к точке, так как фотоны создают электроны только вблизи места своего возникновения.

В результате разряда образуются положительные ионы спирта, спирт обладает меньшим потенциалом ионизации, чем аргон, поэтому ионов аргона при таком процессе ионизации будет очень мало. Положительные ионы спирта, двигаясь к катоду, вырывают из него электроны и превращаются в возбужденные молекулы. Длительность жизни возбужденной молекулы спирта мала по сравнению с временем, необходимым для того, чтобы эта молекула приблизилась к катоду на расстояние, достаточное для вторичной эмиссии.

Ионы аргона в результате столкновения с молекулами спирта захватывают электроны из этих молекул и превращаются в нейтральные атомы. Эти атомы переходят из возбужденного в нейтральное состояние, испуская фотон, который поглощается молекулами спирта.

Таким образом, ионы аргона не достигают катода и не могут вызвать вторичной эмиссии электронов, разряд в счетчике прекращается. В самогасящемся счетчике процесс разряда является одноступенчатым. Постоянная времени (RC ) слабо влияет на длительность разряда.

Важнейшим преимуществом самогасящихся счетчиков является то, что их разрешающее время значительно меньше. Однако, поскольку диссоциация многоатомных органических молекул – процесс необратимый, то в процессе работы количество газа-гасителя в счетчике уменьшается, и счетчик постепенно приходит в негодность. Т.е. срок службы самогасящегося счетчика существенно короче, чем несамогасящегося. Так же к недостаткам высоковольтных счетчиков можно отнести высокое рабочее напряжение и малую максимальную скорость счета (большое мертвое время).

Хорошим заменителем органических молекул в самогасящихся счетчиках служат галогены. Наиболее часто используются соединения типа этилбромида. Молекулы галогенов легко отдают электроны при столкновении с положительными ионами аргона. Возбужденные молекулы галогенов расходуют свою энергию возбуждения на диссоциацию, следовательно, галогены обладают гасящими свойствами. Счетчики Гейгера–Мюллера, в которых газом-гасителем служат галогены, называют галогенными.

Галогены имеют значительно больший порядковый номер, чем органические вещества. Они эффективнее поглощают фотоны. Поэтому добавка галогенов к аргону составляет всего 0,1 % вместо 10–15 % органических молекул. Кроме того, диссоциация молекул галогенов – обратимый процесс. Атомы галогенов при столкновении рекомбинируют в молекулу, вследствие чего число молекул галогенов в счетчике остается неизменным. Это выгодно отличает галогенные счетчики от счетчиков, где в качестве гасящих добавок используются пары органических веществ. Кроме того, эти счетчики в отличие от органических имеют высокую скорость счета (до 10 5 имп./мин), низкое рабочее напряжение (порядка 360–400 В) и практически неограниченный срок службы.

Недостатком же галогенных счетчиков является длительное время развития разряда с момента попадания ионизирующей частицы. Это время на два порядка выше, чем у высоковольтных счетчиков.

Для регистрации ионизирующих частиц в зависимости от их природы и энергии применяют счетчики Гейгера–Мюллера различных типов. Измерение мягкого β-излучения с энергией ниже 0,5 МэВ проводится торцевыми счетчиками. Счетчики этого типа имеют специальное окошко, закрытое слюдой толщиной порядка 0,9–6 мг/см 2 .

Счетчики с цилиндрическим корпусом из алюминия и толщиной стенки 0,1 мм используются для измерения β-излучения с энергией выше 0,4–0,5 МэВ.

Цилиндрические счетчики со стеклянным корпусом и металлизированной внутренней поверхностью предназначены для измерения γ-излучения. В случае регистрации γ-квантов ионизация в объеме счетчика возникает от электронов, которые выбиваются из корпуса стенок и вещества катода.

Из-за значительного разрешающего времени и отсутствия энергетического разрешения счетчики Гейгера–Мюллера имеют ограниченное применение в метрологии.

Кроме того, газонаполненные детекторы имеют два общих недостатка. Во-первых, низка плотность газа, и энергия, теряемая частицей в объёме детектора, мала, что не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизирующие частицы. Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон–ион в газе, велика (30–40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое разрешение.

Содержание статьи

ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ, приборы для регистрации атомных и субатомных частиц. Чтобы частица была зарегистрирована, она должна взаимодействовать с материалом детектора. Простейшие детекторы («счетчики») регистрируют только сам факт попадания частицы в детектор; более сложные позволяют также определить тип частицы, ее энергию, направление движения и т.д.

Взаимодействие с материалом детектора чаще всего сводится к процессу ионизации – отрыву электронов от некоторых атомов материала детектора, в результате чего они приобретают электрический заряд. Регистрируется либо непосредственно ионизация, либо связанные с ней явления – испускание света, а также фазовые или химические превращения.

Взаимодействие частиц с веществом.

Проходя сквозь вещество, частица сталкивается с атомами этого вещества. Число столкновений зависит в основном от электрического заряда и скорости частицы. Масса частицы и природа самого вещества играют лишь второстепенную роль. При каждом столкновении существует некоторая вероятность того, что атом потеряет электрон и превратится в положительно заряженный ион. Поэтому частица, движущаяся в веществе, оставляет за собой след из электронов и положительных ионов. Этот процесс, называемый ионизацией, схематически изображен на рис. 1. Например, очень быстрый протон (скорость которого близка к скорости света) при движении в воде оставляет на каждом сантиметре пути примерно 70 000 пар электронов и положительных ионов. Одновременно с ионизацией атомы при столкновении могут излучать свет или приобретать импульс, что ведет к нагреву вещества и возникновению в нем разного рода дефектов. Любое из этих явлений может использоваться в детекторе частиц.

ТИПЫ ДЕТЕКТОРОВ

Ионизационные приборы.

Действие ионизационной камеры основано на сборе (в форме электрического тока) ионов, образующихся при прохождении через камеру заряженных частиц. Схема прибора представлена на рис. 2. Электрический ток, возникающий в результате ионизации, дается выражением

i = nq /t ,

где n – число образовавшихся ионов, q – электрический заряд каждого иона, а t – время, необходимое для того, чтобы собрать ионы. Ток можно преобразовать в падение напряжения, разряжая заряженный им конденсатор или пропуская его через резистор. Ток, создаваемый одной частицей, составляет обычно доли микроампера, а падение напряжения измеряется милливольтами. Полные потери энергии частицы при прохождении ее через камеру даются формулой

E = nk ,

где n – число образованных ионов, которое можно определить по току или падению напряжения в камере, а k – средняя энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Величина k для обычных газов составляет около 30 эВ (1 эВ есть энергия, которую приобретает электрон, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В.) Образование ионных пар – случайный процесс, а поэтому возможны флуктуации числа n порядка . Все измеренные величины, основанные на показаниях счетчика, тоже будут обнаруживать флуктуации, и поэтому точность таких измерений повышается с увеличением их длительности.

Основное требование к чувствительному веществу ионизационных приборов состоит в том, чтобы ионы, создаваемые излучением, с большой вероятностью достигали собирающих электродов. Кроме того, это вещество должно обладать высоким удельным сопротивлением, чтобы в нем не было других токов, кроме связанных с ионизацией. Для этих целей хорошо подходят газы, особенно инертные, такие, как гелий и аргон, но можно использовать и другие диэлектрики. Твердотельными аналогами ионизационной камеры являются полупроводниковые детекторы. Подобный прибор с p – n -переходом показан на рис. 3. Для создания перехода в полупроводник (обычно кристалл германия или кремния, по удельному сопротивлению занимающих промежуточное положение между металлами и диэлектриками) вводят небольшие количества определенных примесей. Благодаря этому в области перехода возникает электрическое поле, а при наложении дополнительного внешнего поля образуется обедненная область, в которой отсутствуют свободные носители заряда, необходимые для создания электрического тока. Но если через обедненную область проходит ионизующая частица, в ней возникают свободные носители (электроны и «дырки»), движение которых и создает ток. Средняя энергия, необходимая для образования пары носителей заряда в полупроводниковом детекторе, составляет примерно 3 эВ, тогда как в газовом – 30 эВ. Следовательно, при одинаковых потерях энергии в полупроводниковом детекторе возникает электрический сигнал, в 10 раз превышающий сигнал ионизационной камеры. Соответственно этому возрастает и точность, с которой измеряются потери энергии.

Полупроводниковые детекторы во многом аналогичны полупроводниковым диодам, которые тоже представляют собой полупроводниковые приборы с p – n -переходом. Однако их конструкция имеет свои особенности. Один из широко распространенных типов детекторов, поверхностно-барьерный, изготавливается путем нанесения тонкого слоя золота на кремний или германий. Он имеет вид круглой пластинки диаметром около 1 см с обедненным слоем толщиной менее 1 мм. Такие детекторы применяются для измерения полной энергии сильно ионизующих частиц, например альфа-частиц и протонов с низкой энергией. Благодаря большому сигналу, отвечающему одному акту ионизации, такие приборы измеряют энергию частиц точнее детекторов всех других типов. Кроме того, благодаря небольшим размерам и простоте в обращении они идеально подходят для космических экспериментов.

Еще один тип полупроводникового детектора – литий-дрейфовый детектор с p – i – n -переходом – изготавливается методом диффузии ионов лития в полупроводниковый материал (германий или кремний). Это дает возможность получать обедненные области толщиной в несколько сантиметров и создавать детекторы значительно больших размеров, чем поверхностно-барьерные. Такие детекторы применяются для регистрации частиц с большими энергиями, а также рентгеновского и гамма-излучения, сравнительно слабо взаимодействующего с веществом.

Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера.

Серьезным недостатком полупроводниковых детекторов и ионизационных камер является малый ток, создаваемый в них ионизующей частицей. Он настолько мал, что для его измерения необходимы электронные усилители с большими коэффициентами усиления. Но если увеличить высокое напряжение на ионизационной камере, то электроны, возникающие при первичной ионизации, будут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приведет к увеличению сигнала. Детектор, работающий в таком режиме, называют пропорциональным счетчиком, поскольку импульсы напряжения, снимаемые со счетчика, пропорциональны числу первоначально возникших ионов. Число вторичных ионов, создаваемых в среднем каждым первичным ионом, зависит от напряженности электрического поля в счетчике. В плоскопараллельной камере электрическое поле однородно и его напряженность равна разности потенциалов между пластинами, деленной на расстояние между ними. В такой геометрии трудно получить поля с высокой напряженностью, необходимые для вторичной ионизации. В камерах же с центральной нитью в качестве анода, окруженной цилиндрическим катодом, поле неравномерно и увеличивается вблизи анода. В такой геометрии удается достичь коэффициента усиления в несколько тысяч.

При повышении напряжения на пропорциональном счетчике коэффициент усиления сигнала не возрастает до бесконечности. С какого-то момента сигнал счетчика перестает быть пропорциональным первичной ионизации и ненамного увеличивается с повышением напряжения. Прибор, работающий в таком режиме, называется счетчиком Гейгера. По конструкции он сходен с пропорциональным счетчиком. Более того, можно сконструировать счетчик, который будет работать либо как ионизационная камера, либо какпропорциональный счетчик, либо как счетчик Гейгера в зависимости от напряжения, приложенного между катодом и анодом.

Импульс тока, возникающий в счетчике Гейгера после прохождения заряженной частицы, сходен с электрическим искровым разрядом. Как и в других ионизационных приборах, основной вклад в ток вносят электроны. Присутствующие при этом в больших количествах положительные ионы электрически экранируют анод от катода и тем самым ослабляют поле, действующее на электроны. С увеличением тока экранирование усиливается и достигается насыщение, ограничивающее максимальный ток. Одновременно с насыщением протекает другой процесс – распространение разряда по всему объему счетчика Гейгера. Он обусловлен свечением разряда, свет которого производит в счетчике дополнительную ионизацию за счет фотоэффекта. Повсюду, где происходит фотоионизация, возникает новый разряд. В конечном итоге сигнал уже не зависит от первичной ионизации и может достигать 100 В. Таким образом, разряд усиливает первичный сигнал более чем в миллион раз.

Для гашения разряда в счетчике Гейгера приходится принимать особые меры. Можно уменьшить внешнее напряжение и поддерживать его ниже уровня, при котором возможен устойчивый разряд, пока все ионы не будут выведены из объема счетчика. Более простой способ – ввести в счетчик пар , которые поглощали бы свет, испускаемый разрядом, и рассеивали энергию не за счет фотоэффекта, а, например, за счет диссоциации. Для этого обычно добавляют газообразные галогены (промышленность выпускает, как правило, счетчики именно такого типа).

Пропорциональные счетчики можно использовать для измерения низкой энергии излучения, например электронов или рентгеновского излучения. Счетчик Гейгера лишь фиксирует появление частицы. Иначе говоря, при наличии излучений разных видов счетчик Гейгера дает лишь общее число частиц, прошедших через детектор, а пропорциональный счетчик позволяет анализировать излучение по его виду и энергии. Такими же возможностями обладают и полупроводниковые детекторы, а также многие из рассматриваемых ниже детекторов других типов.

Сцинтилляционные и черенковские счетчики.

Испускание света некоторыми веществами при прохождении сквозь них быстрых заряженных частиц называют сцинтилляцией. На долю испускаемого света может приходиться 5–10% всей энергии, теряемой частицами. Его испускание – частный случай люминесценции – обусловлено атомной структурой вещества, сквозь которое проходит частица. На регистрации света, испускаемого средой при прохождении через нее частицы, основаны сцинтилляционные счетчики.

В современных сцинтилляционных счетчиках, появившихся примерно в 1947, для регистрации сцинтилляций используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие вспышку света в электрический сигнал и одновременно усиливающие этот сигнал. Сцинтилляционный счетчик с ФЭУ схематически изображен на рис. 4.

При выборе сцинтиллирующего вещества встает вопрос о сборе света из кристалла. Известно, что вещества, испускающие свет определенной частоты, поглощают свет той же частоты. Поэтому в очень чистом кристалле сцинтилляционное свечение будет непрерывно поглощаться и вновь испускаться атомами кристалла, пока свет не выйдет наружу через поверхность кристалла или же не будет поглощен в виде тепла. Последнее чаще всего происходит в кристаллах достаточно больших размеров, и по этой причине чистые кристаллы оказываются плохими сцинтилляторами. Ситуация значительно улучшается при введении специальных примесей. Такие активирующие примеси, смещающие длину волны, поглотив свет, испускают его с несколько большей длиной волны, благодаря чему он может выйти наружу. Из неорганических кристаллов обычно используют иодиды натрия и цезия, активированные таллием. Успешно применяются в роли сцинтилляторов также активированные пластмассы и органические жидкости. Типичным примером может служить полистирол, активированный пара-терфенилом. Применяются и некоторые чистые органические кристаллы.

У сцинтилляционных счетчиков имеется ряд преимуществ перед другими детекторами частиц. Твердые и жидкие сцинтилляционные материалы в тысячи раз плотнее газов, используемых в ионизационных счетчиках. Соответственно этому значительно возрастают потери энергии ионизующей частицей на единицу длины и сигнал. Кроме того, ФЭУ обеспечивают такое усиление первичного сигнала, которого не достичь с помощью электронных схем. К тому же длительность сигнала на выходе сцинтилляционного счетчика может составлять всего лишь 10 –9 с, тогда как от ионизационной камеры удается в лучшем случае получить сигнал длительностью примерно 10 –7 с.

Сигнал на выходе сцинтилляционного счетчика, как и у ионизационных приборов, пропорционален энергии, теряемой падающей частицей в веществе сцинтиллятора. Эта энергия может достигать нескольких сотен мегаэлектронвольт и представлять собой полную кинетическую энергию падающей частицы. Сигнал от счетчика можно также использовать для измерения временн х интервалов между моментами появления разных частиц. Примером может служить измерение среднего времени жизни нестабильных частиц, таких, как p - или К -мезон. Суть эксперимента – в регистрации временнóго интервала между сигналом счетчика, соответствующим попаданию в него мезона, и сигналом, соответствующим появлению продукта распада. Время жизни p -мезона примерно 25Ч 10 –9 с, и для точного его измерения нужен счетчик с гораздо меньшим временем отклика.

Сцинтилляционные счетчики широко применяются в экспериментах с пучками частиц в ускорителях на высокие энергии. Такие пучки обычно состоят из сгустков частиц, и чтобы выделить в этих сгустках отдельные частицы, необходимо высокое «временнóе разрешение» (малое время отклика), обеспечиваемое сцинтилляционными счетчиками.

Используя в качестве сцинтилляционных материалов обычные органические жидкости и пластмассы, можно изготавливать счетчики практически любых размеров и форм. Для экспериментов с космическими лучами, где потоки частиц крайне малы, создаются гигантские системы детекторов, содержащие тонны чувствительных материалов. Столь же огромное количество вещества используется для регистрации нейтрино, нейтральных частиц, вероятность взаимодействия которых с веществом исключительно мала. В эксперименте может использоваться и система из большого числа отдельных сцинтилляционных счетчиков. В таких случаях они зачастую выполняют ту же роль, что и счетчики Гейгера, т.е. служат индикаторами наличия частиц. Сцинтилляционные счетчики могут работать значительно надежнее счетчиков Гейгера и благодаря своему высокому временнóму разрешению точно регистрировать гораздо более интенсивные потоки частиц.

Черенковский счетчик представляет собой детектор, внешне сходный со сцинтилляционным счетчиком. Он регистрирует так называемое черенковское излучение – свечение, испускаемое заряженной частицей, которая движется в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Это явление аналогично ударной волне, возникающей в воздухе, когда снаряд летит быстрее звука. В любой преломляющей среде скорость света равна с /n , где с – скорость света в пустоте (3Ч 10 8 м/с), а n – показатель преломления среды. Таким образом, в стекле, показатель преломления которого равен 1,5, скорость света составляет всего лишь 2Ч 10 8 м/c. Любая частица, движущаяся в стекле с большей скоростью, будет испускать черенковское излучение. (Здесь нет противоречия с частной теорией относительности, согласно которой скорость любой частицы, независимо от среды, в которой она движется, не может превышать скорость света в пустоте.) Поэтому черенковский счетчик, чувствительное вещество которого имеет показатель преломления n , будет реагировать на частицы, скорости которых превышают с /n . Интенсивность свечения пропорциональна величине (1 – v 2 /c 2 n 2), которая равна нулю при пороговом значении скорости с /n и быстро возрастает до максимального значения, когда скорость v регистрируемой частицы приближается к скорости света с . Особенность черенковского излучения состоит в том, что оно сосредоточено в переднем конусе относительно направления движения частицы. Угол при вершине конуса дается выражением

cosq = v /cn .

Используя эту зависимость угла испускания от скорости, можно сконструировать счетчик, на катоде ФЭУ которого будет фокусироваться только излучение частиц, движущихся с определенной скоростью.

Световая вспышка черенковского излучения по интенсивности примерно в 100 раз слабее сцинтилляции. Поэтому при выборе чувствительного вещества для черенковского счетчика приходится ограничиваться материалами, в которых не происходят сцинтилляции. Обычно это вода и оргстекло. Для регистрации частиц со скоростями, приближающимися к скорости света, используются газы, показатель преломления которых очень близок к 1. Например, черенковский счетчик с воздухом при атмосферном давлении будет реагировать лишь на частицы со скоростями не менее 0,9997 с .

Используется и зависимость сигнала черенковских счетчиков от скорости. Появление сигнала свидетельствует о прохождении заряженной частицы со скоростью, превышающей пороговую, а схема с двумя счетчиками позволяет выделить частицы, лежащие в узком интервале скоростей. Это дает возможность исследовать спектр частиц с высокими скоростями, а не только регистрировать их появление. Выходной сигнал сцинтилляционного счетчика, как и любого ионизационного прибора, почти постоянен для всех частиц со скоростями выше 2Ч 10 8 м/с (0,67 скорости света).

Детекторы нейтронов и гамма-квантов.

Ионизационные приборы, сцинтилляционные и черенковские счетчики непосредственно реагируют только на заряженные частицы. Нейтральные же частицы, например нейтроны и гамма-кванты, должны сначала как-то подействовать на вещество, чтобы возникли заряженные частицы, на которые может реагировать счетчик. При взаимодействии гамма-излучения с веществом электроны возникают за счет фотоэффекта, комптон-эффекта или рождения электронно-позитронных пар. Фотоэффект – это процесс, обратный испусканию света: гамма-квант поглощается атомом, из которого вылетает электрон с той же энергией, что и у гамма-кванта, за вычетом энергии связи электрона в атоме. Фотоэффект значителен при энергии гамма-квантов, меньшей примерно 1 МэВ. Комптон-эффект – это рассеяние гамма-квантов на электронах. При этом электрон выбивается из атома и приобретает кинетическую энергию в диапазоне от нуля до почти полной энергии гамма-кванта. Этот процесс играет важную роль в области энергий порядка 1 МэВ и для веществ с малым атомным номером, таких, как углерод. Рождение пар происходит в результате взаимодействия гамма-кванта с сильным электрическим полем вблизи ядра. Полная энергия рождающихся электрона и позитрона (кинетическая энергия + энергия покоя) равна энергии гамма-кванта. Рождение пар не происходит при энергиях ниже 1 МэВ. При более высоких энергиях оно доминирует, особенно в веществах с большими атомными номерами, такими, как свинец.

Главная задача при регистрации гамма-квантов – найти вещество, которое легко поглощало бы их и одновременно было бы чувствительно к испускаемым электронам. Ионизационные приборы сравнительно мало чувствительны к гамма-квантам из-за низкой плотности газового наполнения, хотя в какой-то степени преобразование происходит в стенках счетчика. Наиболее подходящими приборами для регистрации гамма-квантов и измерения их энергии оказались сцинтилляционные счетчики с кристаллами высокой плотности, содержащими элементы с большими атомными номерами. Сравнительно небольшие кристаллы иодида натрия дают почти 100%-ную эффективность регистрации гамма-квантов в широком диапазоне энергий. В равной степени подходят и другие сцинтилляционные материалы. Их выбор обычно зависит от исследуемого излучения. Черенковские счетчики тоже применяются для регистрации гамма-квантов, особенно в области высоких энергий. При этом в качестве черенковских излучателей широко применяются свинцовое стекло и бромоформ.

Нейтроны – незаряженные ядерные частицы, поэтому они взаимодействуют с веществом лишь в прямых столкновениях с ядрами его атомов. При столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон может передать всю свою энергию протону, который, будучи заряженной частицей, может быть зарегистрирован обычным способом. Такой процесс, называемый упругим рассеянием, широко используется для регистрации нейтронов с энергиями, превышающими примерно 0,1 МэВ. Благодаря высокому содержанию водорода сцинтилляционные пластмассы и жидкости пригодны для регистрации нейтронов с эффективностью 10–20%. Иногда под действием нейтронов происходят ядерные реакции с испусканием заряженных частиц или гамма-квантов. Некоторые из таких реакций отличаются исключительно большой вероятностью, особенно при энергиях нейтронов порядка 1 эВ. Примером может служить реакция с бором, сопровождающаяся испусканием альфа-частиц. Поэтому высокую эффективность регистрации нейтронов обеспечивает счетчик Гейгера, наполненный трифторидом бора. Еще один пример такой реакции – деление ядер. Применяются ионизационные камеры с внутренним слоем делящего материала, такого, как уран-235. По большому энерговыделению, характерному для деления ядер, можно выявлять нейтроны на фоне других частиц.

Регистрацию нейтронов часто осложняют трудности отделения нейтронов от гамма-излучения. У детекторов медленных нейтронов эффективность регистрации нейтронов, как правило, гораздо выше, чем для гамма-излучения. Но у используемых для регистрации быстрых нейтронов сцинтилляционных счетчиков эффективность обычно примерно одинакова в обоих случаях. Нейтроны можно отличить по форме регистрируемого импульса, поскольку в случае нейтрона импульс оказывается более широким во времени. Но это различие невелико и для его выявления требуется довольно сложная электроника.

Камеры Вильсона и пузырьковые камеры.

При подходящих условиях ионизация, произведенная в веществе заряженной частицей, может вызвать в нем фазовый переход. В так называемой камере Вильсона используется конденсация жидкости из пара. Прибор был изобретен в 1912 Ч.Вильсоном, в течение многих лет исследовавшим физику образования облаков в атмосфере. Вильсон установил, что пересыщенный пар конденсируется в капельки вокруг центров зародышеобразования, которыми служат положительные и отрицательные ионы. Проходя через перенасыщенный пар, заряженная частица оставляет за собой след из капелек. За 1 мс капельки вырастают до видимых размеров.

Пузырьковую камеру изобрел и усовершенствовал в начале 1950-х годов Д.Глейзер. Исходя из аналогии с камерой Вильсона, он нашел иной фазовый переход, который тоже позволяет визуализировать следы частиц. В его приборе используется перегретая жидкость, которая вскипает вблизи центров зародышеобразования, которыми служат ионы. Проходя через такую жидкость, частица оставляет за собой след из пузырьков. Оба эти прибора принесли их создателям Нобелевские премии и дали исследователям возможность почти что «воочию» наблюдать ядерные явления.

Пузырьковые камеры и камеры Вильсона позволяют видеть следы частиц. Это означает, что положение частицы может быть определено с точностью до размера видимой капельки или пузырька, т.е. примерно до 1 мм. Камеры часто помещают в магнитное поле. Это приводит к искривлению траекторий заряженных частиц, обратно пропорциональному их импульсу. При этом положительно заряженные частицы отклоняются в одном направлении, а отрицательно заряженные – в другом. Таким образом, в дополнение к пространственной картине, которую дают эти приборы, они позволяют измерить импульс частицы и определить знак ее заряда.

Ядерные эмульсии.

Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатины с диспергированными в ней зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом. Большие потоки ионизующего и неионизующего излучения вызывают вуалирование эмульсии, видимое простым глазом, как на обычных рентгеновских снимках.

Методика ядерных эмульсий наиболее привлекательна тем, что они довольно компактны. Эмульсии, почти такие же, как и в фотографии, поставляются в виде листков толщиной 0,1 мм. Отдельные листки складывают в стопки нужного объема (характерный размер – порядка десятков сантиметров). После облучения в потоке частиц стопки разделяют на листки для проявления и анализа. Благодаря большой концентрации серебра плотность фотоэмульсий довольно велика, а поэтому потери энергии ионизующих частиц даже на сравнительно небольшом пробеге в эмульсии могут достигать сотен мегаэлектронвольт. Ширина следа частицы составляет лишь несколько микрометров, что позволяет измерять положение частицы с гораздо большей точностью, чем в пузырьковой камере и камере Вильсона. Плотность следа (число почерневших зерен на единицу его длины) прямо пропорциональна ионизации, производимой падающей частицей и, следовательно, зависит от ее скорости. Кроме того, в результате многочисленных столкновений с атомами эмульсии траектория частицы обнаруживает отклонения. По результатам измерения плотности следа и его отклонений можно определить массу частицы, оставившей след, а тем самым идентифицировать ее. Путем таких же измерений можно определить заряд частицы. Так были обнаружены ядра железа с высокой энергией в космических лучах.

Искровые камеры.

Искровая камера представляет собой набор параллельных проводящих пластин, разделенных газом и электрически изолированных друг от друга. Заряженная частица, проходящая через камеру, создает ионы в газе между пластинами. Возникающий при этом импульс запускает внешнюю схему, которая подает на чередующиеся пластины импульс высокого напряжения порядка 10 000 В. В момент подачи этого импульса пары пластин камеры действуют как счетчики Гейгера, и в тех местах, где прошла частица, проскакивают искры. Искры хорошо видны (и слышны).

Твердотельные трековые детекторы.

Проходя сквозь вещество, частицы могут буквально «расталкивать» атомы на своем пути и оставлять за собой след, видимый в электронном микроскопе. Впервые подобные треки наблюдались в слюде. Эти слабые следы можно выявлять селективно разъедающими материал агрессивными средами. След от частицы возникает, только если она создает на своем пути много ионов. Поэтому такие ядерные частицы, как протоны и альфа-частицы, не оставляют следов. Видимыми будут лишь треки целых ядер (например, ядер железа) и осколков их деления.

Специфика таких детекторов определяется их чувствительностью к очень тяжелым частицам, а также способностью сохранять следы событий, произошедших в далекой древности. Для исследования космических лучей большие листы пластиков поднимают на стратостатах. Таким способом регистрировались ядра урана и других тяжелых элементов, проникающие с первичным космическим излучением в земную атмосферу. Треки в минералах позволяют точно определить их возраст. Этим методом исследовались породы не только земного, но и метеоритного, а также лунного происхождения.

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 сигнала пропорциональна энергиичастицы, т. е. П. с. является одновременно и . П. с., как и др. газоразрядные детекторы, представляет собой газовый объём (от неск. см 3 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 катодом. Наиб. распространены ци-линдрич. П. с., где катодом является металлич. цилиндр (корпус счётчика), внутри к-рого аксиально протянута тонкая проволока - анод (рис. 1).

Рис. 1. Схема пропорционального счётчика: И - источник частиц.

Заряж. частица с энергиейсоздаёт в газе п 0 =/W электрон-ионных пар, где - ионизаци онные потери энергии частицы, W - ср. энергия образования электрон-ионной пары. Импульс тока (напряжения), возникающий на сопротивлении Л, пропорционаленимпульс (1-100 мВ) усиливается и поступает в регистрирующее (анализирующее или запоминающее) электронное устройство.

Газовое усиление. Первичные электроны, образованные заряж. частицей в результате газа, под действием электрич. поля перемещаются к аноду, по пути многократно сталкиваясь с атомами (рис. 2). Эти соударения частично неупругие, т. к. электроны теряют значит. часть своей энергии и не могут набрать энергию, достаточную для ионизации атомов газа (20-30 эВ). В цилиндрич. П. с. электрич. поле E ~ , где- расстояние частицы до нити (рис. 3). Поэтому между двумя последоват. столкновениями электроны, приближаясь к аноду, получают всё возрастающие значения кинетич. энергии, и на нек-ром расстоянии от нитиэнергия становится достаточной для ионизации. Образующиеся вторичные электроны вместе с первичными участвуют в последующей лавинной ионизации газа (га-зовое усиление). Коэф. газового усиления М - отношение кол-ва электронов, пришедших на нить, к числу первичных электронов. Форма электронно-ионной лавины вблизи анода сильно зависит от значения М: при 10 < М < 100 лавина приобретает форму капли в направлении прихода электронов на анод; при 10 2 <М<10 4 лавина становится сердцеобразной, вытянутой в направлении прихода электронов; при М >10 4 лавина полностью охватывает анод - тогда и нарушается пропорциональность между п 0 и амплитудой сигнала. Размер лавины вдоль проволочного анода растёт с увеличением М от долей мм до неск. мм.

Рис. 2. Механизм работы пропорционального счётчика:-- зона дрейфа первичных электронов;-- зона лавин.

При столкновениях образуются также возбуждённые атомы, к-рые "высвечиваются" (УФ-излучение) за время ~10 -8 с. Энергия фотонов почти всегда превосходит работу выхода электронов с поверхности катода, поэтому вырванные (с вероятностью ~10 -4) фотоэлектроны также движутся к аноду, усложняя картину разряда и образуя лавинные серии - 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 (Аг, Кг, Хе) ввести многоатомные газы (СН 2 , С 2 Н 2 , СO 2 и т. д.), поглощающие УФ-излучение. Т. к. электроны поглощают газы и пары со сродством к электрону (О 2 , Н 2 О, галогены), то их в смеси П. с. должно быть мин. кол-во (концентрация O 2 ~10 -5 см 3).

Если пренебречь влиянием на лавину пространственного от положит. ионов, прилипанием электронов и фотоэлектронной эмиссией, то

где- число ионизац. соударений электрона на пути 1 см (первый коэф. Таунсенда), зависит от напряжённости поля E , давления r и рода газа. В приближении Роуза - Корфа, где a = N К (К - характеристика газа, N - газа, - энергия электронов),

Здесь С= - ёмкость счётчика на единицу длины, - напряжение на электродах, - напряжение, соответствующее началу лавины. При

(рис. 4). Ввиду статистич. природы лавинного процесса V c не является чёткой характеристикой П. с., поэтому V c определяется по пересечению прямолинейного участка зависимости lnM(F 0) с осью абсцисс. Линейная зависимость продолжается до М ~ 10 4 . При дальнейшем повышении F 0 зависимость перестаёт быть линейной (гл. обр. из-за влияния фотоэлектронной эмиссии и пространственного заряда ионов).

Область М ~ 10 4 -10 6 наз. областью ограниченной пропорциональности. Большие М могут привести к пробою (рис. 5). Чтобы не допустить пробоя, применяют гасящие примеси - органич. газы (СН 4 , пропан, изобутан, С 2 Н 5 ОН, метилаль и т. п.), к-рые обладают большим сечением фотопоглощения, диссоциации и передачи возбуждения сложной молекуле. Добавка органич. газа стабилизует процесс газового усиления в широком диапазоне V 0 , хо-тя само напряжение, необходимое для требуемого М , возрастает.

Формирование сигнала . Вклад в амплитуду импульса за счёт перемещения первичных ионов и электронов мал.

Время развития лавины <10 -9 с, однако вследствие того, что электроны в лавине проходят сравнительно малые расстояния (большинство электронов рождаются только на последних стадиях лавины), вклад электронной компоненты в полную амплитуду импульса 10%. Положит. ионы, большинство к-рых расположено от поверхности нити на расстоянии ср. пробега электронов в лавине (15 мкм), после окончания лавины начинают двигаться к катоду, индуцируя изменение потенциала на нём во времени t :

Здесь е - заряд электрона, - подвижность ионов (см. Подвижность электронов и ионов), n 0 - число первичных ионов. Величина DV, вызванная движением ионов, сначала растёт прямолинейно, затем логарифмически; достигает макс. значения (DV макс =еМп 0 /С) в момент прихода всех положит. ионов на катод спустя (15)·10 -3 с с момента образования лавины (рис. 6). Половины значения от своего максимума импульс достигает за (15)·10 -6 с, поэтому для получения высокого временного разрешения во входных цепях усилителя стоят дифференцирующие цепи (= RC ) или линии задержки .Т. о., в случае траектории частицы (трека), параллельной аноду, удаётся получить импульсы длительностью < 10 -7 с. При произвольной ориентации трека ширина импульса определяется разностью во временах дрейфа первичных электронов от начала (А )и конца (В )трека до анода (рис. 2). Эти времена могут достигать 0,1-10 мкс. Такого же порядка и время задержки импульса на выходе П. с. с момента первичной ионизации, что ограничивает возможности использования П. с. в совпадений методе .

Рис. 6. Временное развитие сигнала при различных .

Энергетическое разрешение . Статистич. флуктуации в кол-ве первичных ионов n 0 , а также флуктуации М "размывают" амплитуду импульсов и определяют предельно достижимое энергетич. разрешение П. с. (эти компоненты приблизительно равны по величине друг другу). Энергетич. разрешение приближённо выражается соотношением

Увеличение разброса амплитуды импульсов могут вызывать конструкционные несовершенства, приводящие к искажению распределения электрич. поля у анода, причём наиб. важным является постоянствопо длине П. с., напр. 1 мкм может вызвать разброс амплитуд ~50%. Большое влияние на энергетич. разрешение оказывают стабильность V 0 (0,05%) и чистота газа. Для инертных газов, СO 2 , СН 4 и т. д. не наблюдается прилипания электронов, но присутствие даже незначит. кол-ва (<0,1%) электроотрицат. молекул Н 2 О, СО, О 2 , С 2 и т. д. приводит к значит. ухудшению энергетич. разрешения, т. к. амплитуда импульса становится зависимой от места образования первичных электронов. Добавки нек-рых газов с потенциалом ионизации, меньшим потенциала ионизации осн. газа, могут приводить к уменьшению ср. энергии, затраченной на образование пары ионов, следовательно к улучшению разрешения.

Временные характеристики . Макс. скорость регистрации П. с. зависит от давления и состава газовой смеси и толщины анодной проволоки. При больших скоростях регистрации происходит ослабление электронной лавины, образовавшейся в нерелаксированном пространственном заряде от предыдущей лавины. Это ослабление распределено по случайному закону и вызывает не только уменьшение амплитуды импульсов, но и ухудшает энергетич. разрешение. При М =10 4 10 5 макс. скорость счёта составляет 10 5 - 10 6 с -1 . Для П. с. практически нельзя указать интервал времени, в к-ром он вообще бы не реагировал на . Это обстоятельство позволяет использовать П. с. для детектирования излучения высокой интенсивности. При этом часто достаточно регистрировать не отд. импульсы, а средний ионный ток с помощью интегрирующих схем.

Применение . Эффективность П. с. к a-частицам, осколкам , протонам, электронам и мягким g-квантам близка 100%. Для регистрации этих частиц в П.с. предусмотрены "окна" из тонкой слюды или органич. плёнок. Иногда источник излучения помещается внутри объёма П. с. Для регистрации и с энергиями до 1 МэВ используются П. с. высокого давления (до r = 150 атм) в магн. поле. Измерение энергии g-квантов связано с в наполняющем газе. Длядо 1020 кэВ эффективность П. с. 80%, а для большихнеобходим Хе (рис. 7; см. Гамма-излучение ).

П. с. используется для измерения малых уд. активностей. От Гейгера счётчика его выгодно отличает способность выделять моноэнергетич. линии от отд. радионуклидов на фоне непрерывно распределённого фона в широком энергетич. интервале от 1 до 10 3 кэВ.

Как спектрометр П. с. уступает полупроводниковым детекторам , однако надёжность и простота дают возможность применять его, если не требуется высоко-энергетич. разрешение. П. с. позволяет работать в области энергий ~0,2 кэВ, где полупроводниковый детектор неприменим. По сравнению со сцинтилляционным детектором П. с. имеет лучшее энергетич. разрешение, меньшие шумы, нечувствителен к магн. полю. П. с. работает в диапазоне темп-р ~10-10 3 К.

П. с. применялся при изучении бета-распада ядер (оценки массы ), исследовании тонкой структуры-спектра, изомерных состояний ядер (см. Изомерия ядерная ),при обнаружении захвата ядром L -электрона (см. Электронный захват ),исследовании слабых конверсионных пиков (см. Конверсия внутренняя )и в др. случаях. Он используется также в астрофизике, археологии, геологии, медицине и т. д. Нек-рое пром. применение основано на зависимости лавинного разряда от напряжённости поля у анода и чистоты наполняющего газа (контроль диаметра и качества поверхности микроприводов, газоанализатор в газовой хромографии и т. д.). С помощью установленного на "Луноходе-1" П. с. по рентг. флюоресценции производился элементный анализ вещества поверхности Луны. Лит.: Rice-Evans P., Spark, streamer, proportional and drift chambers, L., 1974; Sau1i F., Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers, Gen., 1977; 3aневский Ю. В., Проволочные детекторы элементарных частиц, М., 1978; Sanada J., Growth the avalanche about the anode wire in a gas counter, "Nucl. Instr. and Meth.", 1982, v. 196, p. 23; Sau1i F., Basic processes in time-projection like detectors, в кн.: Time projection chamber 1-th workshop., Vancouver, 1983, N. Y., 1984; Ионизационные намерения в высоких энергий, М., 1988. А. П. Стрелков, Б. Ситар .

Проанализируем сначала поведение газонаполненных газоразрядных трубок, которые схематически изображены на рис. 6.4. Что произойдет, если увеличивать напряжение между центральной проволочкой и корпусом камеры? Выходной сигнал меняется в зависимости от приложенного напряжения (рис. 6.5). На графике показан выходной сигнал устройства при прохождении через него электрона и -частицы. При этом различные участки кривых отражают следующее:

Рис. 6.4. Газонаполненный детектор и устройство для регистрации импульсов тока от ионизирующих частиц, проходящих через газовый объем .

Рис. 6.5. Выходной импульс газонаполненного детектора, показанного на рис. 6.4, как функция напряжения Штриховая горизонтальная линия - уровень дискриминации для счетчика Гейгера - Мюллера. Две кривые являются откликом на быстрый электрон и ядро гелия а. Диапазоны описаны в тексте .

Рис. 6.6. Принцип устройства пропорционального счетчика, используемого в рентгеновской астрономии.

A. Имеется заметная рекомбинация, так что не все свободные электроны, появившиеся в результате прохождения заряженной частицы, достигают анода.

B. Напряжение достигло достаточной величины, чтобы рекомбинация стала незначительной.

C. Это очень важная область. При таких напряжениях свободные электроны, достаточно близко подошедшие к аноду, приобретают энергию, достаточную для образования новых электрон-ионных пар. Это может привести к очень сильному увеличению амплитуды импульса напряжения на выходе, который далее регистрируется электронной схемой счетчика. На практике стараются подавать на эти устройства как можно более высокое напряжение. Его поднимают до тех пор, пока сохраняется линейность выходного сигнала счетчика, т.е. прка полное число вторичных электрон-ионных пар пропорционально числу электрон-ионных пар, образовавшихся при прохождении космической частицы. Этот участок называют областью пропорциональности, а устройства, работающие в таком режиме, - пропорциональными счетчиками.

D. Пропорциональность исчезает.

E. При самых высоких напряжениях любая частица, производящая даже минимальную ионизацию, даст на выходе импульс большой амплитуды. В этом случае устройство работает в режиме насыщения.

Пропорциональные счетчики по своей важности стоят далеко впереди всех таких устройств. Правда, из-за малости их размеров по сравнению с пробегами энергичных частиц они редко используются для регистрации заряженных частиц (хотя, конечно, они срабатывают, когда частица космических лучей проходит через их чувствительный объем). Они находят применение главным образом как детекторы рентгеновского излучения в области энергии Именно с помощью таких детекторов было сделано большинство последних крупнейших открытий в рентгеновской астрономии (см. ниже). Рассмотрим более подробно конструкцию, чувствительность и частотную характеристику детекторов, устанавливаемых на спутниках и ракетах (рис. 6.6). Рентгеновский фотон проникает через входное

окно в объем внутри корпуса и поглощается вследствие фотоэффекта в газе, выбивая фотоэлектрон. Возбужденный атом переходит в основное состояние, излучив флуоресцентный рентгеновский квант, либо испустив электрон Оже. Фотоэлектрон обладает достаточной энергией, чтобы ионизовать другие атомы газа, так что в конце концов, как и в случае ионизационных потерь, на каждые энергии падающего рентгеновского фотона образуется одна электрон-ионная пара. Эти пары дрейфуют в область большой напряженности, где число пар увеличивается в раз, после чего регистрируется сигнал. Такой коэффициент усиления достаточен, чтобы возник ощутимый для регистрации электронной схемой сигнал.

Рассмотрим энергетическую функцию отклика детектора. Вероятность поглощения фотона с энергией Ни в газе счетчика равна

где коэффициенты поглощения, толщина окна и глубина газового промежутка соответственно. Рассмотрим процесс поглощения на -оболочки атомов различных материалов. Типичная кривая массового коэффициента поглощения показана на рис. 4.1. Между пределами

Рис. 6.7. Вероятность поглощения рентгеновского фотона в базовом объеме пропорционального счетчика с аргоновым наполнением без учета поглощения в окне; сечение фотоэлектрического поглощения, толщина слоя газа.

Рис. 6.8. Вероятность поглощения рентгеновского фотона в газовом объеме пропорционального счетчика (рис. 6.7) с окном из органического материала, такого, как майлар.

поглощения сечение поглощения о пропорционально а поэтому для входного окна подбирается материал с малым а газ - с максимально возможным

Рассмотрим теперь как функцию энергии для детектора, наполненного аргоном, и входного окна, изготовленного из майлара (органической пластмассы). Если учитывать только аргон, то выходной сигнал имел бы вид, показанный на рис. 6.7. Поглощение в окне влияет на его форму и он имеет вид, как на рис. 6.8. Мы наблюдаем скачок, когда подходим к Копределу поглощения углерода, но в остальном выходной сигнал детектора в значительной мере определяется типом газа и материалом входного окна. Можно изготовить майларовую пленку толщиной до что составит толщина слоя аргона может достигать При производстве таких устройств, конечно, возникают значительные проблемы, например неизбежная для таких тонких окон утечка газа. Для работы на спутниках приходится использовать более толстые окна, что ограничивает рабочий диапазон энергий, так как для наблюдений доступны только фотоны с энергией выше Иногда окна изготавливаются из бериллиевой фольги. Для работы на самых низких энергиях, применяются очень тонкие окна, в этом случае необходима газопроточная система, поддерживающая давление газа в детекторе постоянным. Энергетическое разрешение можно улучшить с помощью фильтров, и, конечно, поскольку счетчик пропорциональный, мы получаем информацию об энергии каждого приходящего фотона по амплитуде выходного сигнала. Точность определения энергии фотона ограничена статистическими флуктуациями числа выбиваемых электронов. К примеру, при энергии фотона даже если бы эффективность детектора достигала 100%, образуется около 300 электрон-ионных пар, а статистическая точность должна быть хуже, чем т.е. в самом лучшем случае 5%. Обычно она несколько хуже.

Отметим, что устройства заполняются инертными газами, а это означает, что большая часть энергии фотона переходит в кинетическую энергию электронов. Если бы использовался молекулярный газ, то какая-то часть его энергии перераспределялась между уровнями, соответствующими колебательным и вращательным степеням свободы.

В пропорциональных счетчиках облако электронов довольно компактно, поэтому можно придумать такую схему прибора, которая позволяла бы определять место регистрации каждого рентгеновского кванта. Это осуществляется в позиционно-чувствительных детекторах. Положение точки, в которой облако электронов достигает анода, можно измерить по отношению зарядов, снимаемых с каждого конца проволочки, так как заряд, растекаясь вдоль проволочки в противоположных направлениях, распределяется обратно пропорционально длине отрезка от точки собирания до конца проволочки. Чтобы определить вторую координату места регистрации, можно использовать многопроволочные аноды, и та проволочка, по которой течет заряд, как раз и дает координату в направлении, ортогональном аноду. Альтернативной схемой является установка двух плоскостей взаимно перпендикулярных анодных и катодных проволочек, по которым локализуется каждое событие.

Такая модификация особенно важна для рентгеновских телескопов, в которых производится фокусировка рентгеновских лучей в фокальной плоскости и регистрируется двумерное изображение рентгеновского неба.

Пропорциональный счётчик

Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Это позволяет регистрировать частицы с энергией < 10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах "тонут" в шумах усилителя.
Газовое усиление это увеличение количества свободных зарядов в объёме детектора за счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Возникшие при этом новые электроны в свою очередь успевают приобрести энергию достаточную для ионизации ударом. Таким образом, к аноду будет двигаться нарастающая электронная лавина. Это “самоусиление” электронного тока (коэффициент газового усиления) может достигать 10 3 -10 4 . Такой режим работы отвечает пропорциональному счётчику (камере) . В названии отражено то, что в этом приборе амплитуда импульса тока (или полный собранный заряд) остаётся пропорциональной энергии, затраченной заряженной частицей на первичную ионизацию среды детектора. Таким образом, пропорциональный счётчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых.
Конструктивно пропорциональный счётчик обычно изготавливают в форме цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра (рис.1), что обеспечивает вблизи анода напряженность электрического поля значительно бoльшую, чем в остальной области детектора. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт напряжённость поля вблизи нити-анода может достигать 40 000 вольт/см., в то время как у катода она равна сотням в/см.

Если ещё больше увеличить разность потенциалов между анодом и катодом и увеличить коэффициент газового усиления до значений >10 4 , то начинает нарушаться пропорциональность между потерянной частицей в детекторе энергией и величиной импульса тока. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счётчик частиц.
Временнoе разрешение пропорционального счетчика может достигать10 -7 с.
Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бета-частиц, протонов, гамма-квантов и нейтронов. Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном. При регистрации заряженных частиц и гамма-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объём счетчика. Эффективность регистрации для мягких гамма-квантов с энергией < 20 кэВ > 80%. Для повышения эффективности регистрации более энергетичных гамма-квантов используют ксенон.
При регистрации нейтронов пропорциональные счетчики заполняются газами 3 He или 10 BF 3 . Используются реакции