Ионизационные камеры

Рис.2. Зависимость  амплитуды импульса от напряжения на счетчике:

I - YI - области  различных рабочих режимов 

В области  напряжений I происходит два противоположных  процесса: ионизация и собирание  зарядов на электродах и рекомбинация ионов. При возрастании напряжения U скорость ионов увеличивается, а рекомбинация уменьшается, что приводит к возрастанию амплитуды импульса. В области II доля рекомбинации пренебрежимо мала, все ионы, образованные частицей, собираются на электродах. Этот участок кривой называется областью насыщения или областью ионизационной камеры. Ионизационная камера может служить не только счетным, но и спектрометрическим детектором, т.е. позволяет определять энергию частицы. Это возможно вследствие независимости средней энергии, затрачиваемой в газе на образование одной пары электрон-ион, от энергии ионизирующей частицы и от производимой ею удельной ионизации, определяющейся зарядом и скоростью частицы. Поэтому величина заряда, образованного частицей в рабочем объеме камеры, пропорциональна энергии, потерянной частицей в газе, а в случае полного поглощения частицы в рабочем объеме камеры - ее энергии. В области больших напряжений III происходит ударная ионизация, в результате которой число ионов сильно увеличивается. Если каждый электрон на пути к аноду создает за счет ионизации соударениями А новых электронов, то А называется коэффициентом газового усиления. А может достигать величины 10⁷ и не зависит от первоначальной ионизации; амплитуда импульса при этом пропорциональна числу пар ионов, созданных первоначальной частицей. Эта область называется пропорциональной областью. В области IV при возрастании приложенного напряжения пропорциональность амплитуды импульса величине первоначальной ионизации нарушается, а коэффициент газового усиления начинает зависеть от числа первоначально образованных пар ионов. Это область ограниченной пропорциональности. При дальнейшем увеличении напряжения - область V - амплитуды импульсов от частиц с различной ионизацией становятся одинаковыми. В этой области регистрируется каждая частица, которая создала хотя бы одну пару ионов в объеме камеры. Прибор, работающий в таком режиме, называется счетчиком Гейгера-Мюллера. Область VI - это область непрерывного разряда. Ионизационная камера представляет собой воздушный или газовый электрический конденсатор, к электродам которого приложена разность потенциалов V. При попадании ионизирующих частиц в пространство между электродами там образуются электроны и ионы газа, которые, перемещаясь в электрическом поле, собираются на электродах и фиксируются регистрирующей аппаратурой. Наиболее простой является ионизационная камера с параллельными плоскими электродами (дисками). Диаметр диска в несколько раз превышает расстояние между ними. В цилиндрической ионизационной камере электроды — два коаксиальных цилиндра, один из которых заземлён и служит корпусом И. к. (рис. 1)

Рис. 1. Сечение  цилиндрической ионизационной камеры: 1 — цилиндрический корпус камеры, служащий отрицательным электродом; 2 — цилиндрический стержень, служащий положительным электродом; 3 — изоляторы.

Различают ионизационные камеры то́ковые и импульсные. В токовых ионизационных камерах гальванометром измеряется сила тока I, создаваемого электронами и ионами (рис. 2).

Рис. 2. Схема  включения токовой ионизационной  камеры: V — напряжение на электродах камеры; G — гальванометр, измеряющий ионизационный ток.

Зависимость I от V (рис. 3)

Рис. 3. Вольтамперная  характеристика ионизационной камеры.

вольтамперная характеристика ионизационной камеры — имеет горизонтальный участок AB, где ток не зависит от напряжения (ток насыщения I₀). Это соответствует полному собиранию на электродах ионизационной камеры всех образовавшихся электронов и ионов. Участок AB обычно является рабочей областью ионизационных камер. То́ковые ионизационные камеры дают сведения об общем интегральном количестве ионов, образовавшихся в 1 сек. Они обычно используются для измерения интенсивности излучений и для дозиметрических измерений. Так как ионизационные токи в ионизационных камерах обычно малы (10^-10—10^-15 а), то они усиливаются с помощью усилителей постоянного тока. В импульсных ионизационных камерах регистрируются и измеряются импульсы напряжения, которые возникают на сопротивлении R (рис. 4)

Рис. 4. Схема включения импульсной ионизационной камеры: С — ёмкость собирающего электрода; R — сопротивление.

при протекании по нему ионизационного тока, вызванного прохождением каждой частицы. Амплитуда  и длительность импульсов зависят  от величины R, а также от ёмкости С (рис. 4). Для импульсной ионизационной камеры, работающей в области тока насыщения, амплитуда импульса пропорциональна энергии E, потерянной частицей в объёме ионизационной камеры. Обычно объектом исследования для импульсных ионизационных камер являются сильно ионизирующие короткопробежные частицы, способные полностью затормозиться в межэлектродном пространстве (α-частицы, осколки делящихся ядер). В этом случае величина импульса ионизационной камеры пропорциональна полной энергии частицы и распределение импульсов по амплитудам воспроизводит распределение частиц по энергиям, т. е. даёт энергетический спектр частиц. Важная характеристика импульсной ионизационной камеры — её разрешающая способность, т. е. точность измерения энергии отдельной частицы. Для α-частиц с энергией 5 Мэв разрешающая способность достигает 0,5%.В импульсном режиме работы важно максимально сократить время τ срабатывания ионизационной камеры. Подбором величины R можно добиться того, чтобы импульсы И. к. соответствовали сбору только электронов, гораздо более подвижных, чем ионы. При этом удаётся значительно уменьшить длительность импульса и достичь τ Ионизационная камера 1 мксек. Варьируя форму электродов ионизационной камеры, состав и давление наполняющего её газа, обеспечивают наилучшие условия для регистрации определённого вида излучении. В ионизационной камере для исследования короткопробежных частиц источник помещают внутри камеры или в корпусе делают тонкие входные окошки из слюды или синтетических материалов. В ионизационной камере для исследования гамма-излучений ионизация обусловлена вторичными электронами, выбитыми из атомов газа или стенок ионизационной камеры. Чем больше объём ионизационной камеры, тем больше ионов образуют вторичные электроны. Поэтому для измерения γ-излучении малой интенсивности применяют ионизационные камеры большого объёма (несколько л и более). Ионизационная камера может быть использована и для измерений нейтронов. В этом случае ионизация вызывается ядрами отдачи (обычно протонами), создаваемыми быстрыми нейтронами, либо α-частицами, протонами или γ-квантами, возникающими при захвате медленных нейтронов ядрами ¹⁰B, ³He, ¹¹³Cd. Эти вещества вводятся в газ или стенки ионизационной камеры. Для исследования частиц, создающих малую плотность ионизации, используются ионизационные камеры с газовым усилением ионизационные камеры применяют также при исследовании космических лучей. 
 

1.4 Ионизационная камера Вильсона и Пузырьковая камера 

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.  
 
 
 

1.5 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 как пропорциональный 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.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.6 Работы ионизационной камеры при постоянной ионизации

Допустим, что ионизационная камера облучается источником ионизации, и пусть n0(x,y,z)- число пар ионов, создаваемых  в единице объема за единицу времени  в точке с координатами x,y,z. Пусть n+(x,y,z) и n-(x,y,z)-плотности положительных и отрицательных носителей электричества, а w+(x,y,z) и w-(x,y,z)- соответствующие скорости дрейфа. Для простоты считаем, что все отрицательные носители тока-одного рода, т.е. имеются или только свободные электроны или только отрицательные ионы. Если пренебречь диффузией, то векторы потока для положительных и отрицательных частиц будут иметь следующий вид:

Считая  что рекомбинация отсутствует, получим:

Плотность электрического тока можно выразить следующим образом:

Из соотношения (4,2) следует тогда, что

Если  пренебречь диффузией, то вектор j будет параллелен силовым линиям, а тогда из уравнения (4,4) получим, что полный ток через любую поверхность, выделенную боковыми границами рабочего объема, имеет одинаковую величину. Эту величину можно назвать ионизационным током камеры. Следует ожидать, что ток равен произведению величины заряда одного иона e на число пар ионов n0, образованных в камере в 1 сек., т.е.

Где А – рабочий объем камеры.

Соотношение (4,5) не трудно вывести из выражений  (4,1) (4,2) и (4,3). Пусть, например, собирающий электрод отрицательный, тогда

где S-поверхность, ограничивающая рабочий объем, а - составляющая вектора в направлении перпендикулярном к S, ориентированная в сторону внешней нормали рабочего объема. Далее, вдоль боковой поверхности, а на поверхности высоковольтного электрода, который считается положительным. Положительные ионы с момента их образования удаляются от положительного электрода, не замещаясь другими ионами. Обозначив через S поверхность собирающего электрода получим

Что и  доказывает соотношение (4,5). 
 
 

2.Постановка задачи

Целью курсовой работы является, найти недостатки камер и решить проблемы этих недостатков. Оценить величину тока от -частицы с энергией E, полностью остановившейся в объёме ионизационной камеры рассматривая энергетическое разрешение Е/Е ионизационной камеры ограниченного флуктуациями ионизационных потерь частицы в газообразной среде детектора. 
 
 

3. Практическая часть 

Задача 1.

Оценить предельное энергетическое разрешение ионизационной камеры для -частиц с энергией E = 5 МэВ.

Решение

Энергетическое  разрешение Е/Е ионизационной камеры ограничено флуктуациями ионизационных потерь частицы в газообразной среде детектора. Поскольку эти флуктуации подчиняются распределению Пуассона, то предельное энергетическое разрешение находится из соотношения.

где n –  число электрон-ионных пар. Для 

 Недостатком  ионизационной камеры являются  очень низкие токи. Этот недостаток  ионизационной камеры преодолевается  в ионизационных детекторах с  газовым усилением. Для регистрации нейтронов используют специальную модификацию ионизационной камеры .