Файл: Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие.pdf

598 ПРИЛОЖЕНИЯ

V. ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ И СЧЕТЧИКИ

§ 1. Введение

Счетчики Гейгера и ионизационные камеры служат для регистра­ ции и исследования быстрых частиц. Они представляют собой на­ полненные газом сосуды с двумя электродами. Схема устройства такого прибора приведена на рис. 314.

Обычно стенки прибора образуют один из электродов системы. Второй электрод вводится в газ через изолирующую пробку. К элек­

ральных частиц (нейтронов, у-квантов) ионы создаются вто­ ричными заряженными частицами, которые образуются в стенках прибора или в самом газе при взаимодействии с первичными нейт­ ральными частицами.

Для обеспечения надежной работы ионизационной камеры (или счетчика) нужно правильно выбрать состав рабочего газа. Очень важно, чтобы электроны, образующиеся при ионизации, оставались свободными, а не захватывались соседними молекулами (не «при­

даже в небольших количествах, вызывают резкое ухудшение рабо­ чих параметров прибора.

На рис. 315 схематически изображена типичная вольт-амперная характеристика рассматриваемого прибора. По оси абсцисс отло­ жено напряжение на его электродах, по оси ординат — величина импульса, образующегося на измерительном сопротивлении при прохождении через прибор быстрой заряженной частицы.

При небольших напряжениях величина импульса зависит как от рода пролетающей частицы, так и от величины напряжения на электродах. Альфа-частицы отличаются от ß-частиц (электронов) величиной заряда и скоростью. Количество пар ионов, образую­ щихся на единице пути в газе (плотность ионизации), пропорцио­ нально квадрату заряда пролетающей частицы. У а-частицы Z2

в четыре раза больше, чем у электрона. Плотность ионизации быстро увеличивается с уменьшением скорости (как 1/у2). При одинаковой энергии а-частицы имеют существенно меньшую скорость, чем электроны. Обе указанные причины приводят к тому, что плот­ ность ионизации по следу а-частицы в тысячи раз превосходит плотность ионизации по следу электрона. Аналогичные рассужде­ ния применимы ко всем другим частицам. При скоростях, близких к скорости света, частицы меньше всего ионизируют газ (мини­ мальная ионизация). При небольших напряжениях на электродах

Рис. 315. Характеристики газового счетчика при работе в различных режимах.

Кривая а — для сильноионизируюідих частиц (например, а-частиц), кривая б — для частиц с меньшей удельной ионизацией (ß-частиц).

зависимость величины импульса от напряжения объясняется из­ менением вероятности рекомбинации ионов. При малых напряже­

образовавшиеся ионы достигают электродов. Прибор, работающий в области плато, называют и о н и з а ц и о н н о й к а м е р о й .

При дальнейшем повышении напряжения величина импульсов снова начинает расти. Это возрастание связано со вторичной иони­ зацией, которую производят на пути к аноду электроны, разгоняю­ щиеся в электрическом поле. Вторичная ионизация оказывается возможной, когда на длине свободного пробега электроны успевают набрать энергию, достаточную для того, чтобы ионизировать встреч­

600 ПРИЛОЖЕНИЯ

ные атомы. Чем выше напряжение на камере, тем большее число раз успевает произойти такая ионизация. Вместо каждого первич­ ного электрона на анод приходит целая лавина. Число электронов, приходящих к аноду (и соответственно ионов, достигающих катода) в этой области оказывается существенно больше числа первоначально образовавшихся пар ионов, но остается ему пропорциональным, причем коэффициент пропорциональности зависит от напряжения на камере. Происходит, как говорят, газовое усиление импульса. Рассмотренная область называется поэтому п р о п о р ц и о н а л ь ­ но й, а прибор, работающий в этом режиме, носит название п р о ­ п о р ц и о н а л ь н о г о с ч е т ч и к а .

Перемена названия — счетчик вместо камеры — связано с из­ менением характера работы прибора. Импульсы, возникающие при прохождении отдельных частиц через ионизационную камеру, особенно если речь идет о быстрых частицах, столь малы, что обычно не используются для регистрации. Камеры чаще всего измеряют суммарный ток, возникающий от прохождения многих частиц. Более мощные импульсы, возникающие в пропорциональном счет­ чике, используются для счета числа частиц, пересекающих прибор. Прибор, работающий в пропорциональной области, естественно поэтому называть счетчиком.

За пропорциональной областью располагается область о г р а н и ­ ченной пропорциональности. Импульсы, возникающие при про­ хождении отдельных частиц, при этом оказываются еще больше, чем у пропорциональных счетчиков. Увеличение импульса покупается, однако, ценой нарушения пропорциональности между величиной импульса и числом первичных ионов, образованных в газе при про­ хождении регистрируемой частицы. Различать частицы разной природы оказывается при этом все более трудно.

Нарушение пропорциональности при увеличении напряжения связано с появлением пространственного заряда положительных ионов у анода счетчика. Поле медленно движущихся ионов иска­ жает распределение потенциала и прекращает образование лавины. Чувствительность счетчика восстанавливается лишь после ухода

ным импульсом. Величина этого импульса зависит от напря­ жения.

Если продолжать повышать напряжение на счетчике, то после прохождения первой же частицы начинается непрерывный разряд, довольно быстро приводящий к порче счетчика. В этой области прибор не используется.

ки лишь в самых общих чертах. В зависимости от назначения при­ бора меняется его конструкция, габариты, наполнение и схема включения.

§ 2. Ионизационные камеры

Устройство ионизационной камеры изображено на рис. 316. Быстрые частицы пронизывают газ, которым наполнена камера, и ионизируют его. Образовавшиеся ионы движутся в электрическом поле, которое создано заземленным через сопротивление R измери­ тельным электродом ИЭ и наружным высоковольтным электродом ВЭ. Сила тока I, протекающего через камеру, и, следовательно, напря­ жение V, образующееся на сопротивлении R, определяются иони­ зацией газа и служат для ее измерения. Измерительный электрод ИЭ укреплен в высоковольтном с помощью изоляторов Иг и Я2. Ох­ ранный электрод ОЭ заземлен. Основные токи утечки направляются

от высоковольтного электрода к охранному и не попадают на изме­ рительный. Разность потенциалов между ОЭ и ИЭ, зависящая от падения напряжения на R, обычно не превышает долей вольта, и поэтому утечки через изолятор Иг малы и не искажают результа­ тов измерений.

Поставим вблизи камеры источник ионизирующего излучения и начнем постепенно увеличивать напряжение на ней. Ток, проте­ кающий через камеру, сначала будет резко возрастать, а затем, начиная с некоторого напряжения Fu, станет постоянным или, как говорят, выйдет на плато (рис. 317). Предельный ток / 0 равен, очевидно,

Іо — пе,

где п — число пар ионов, образуемых в секунду в объеме камеры, а е — заряд электрона.

При-недостаточном напряжении сила тока оказывается заметно меньше / 0. Это происходит в основном из-за того, что часть ионов