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

602 ПРИЛОЖЕНИЯ

успевает рекомбинировать и не доходит до электродов камеры. Лишь при достаточно больших напряжениях (порядка сотни или нескольких сотен вольт при обычных размерах камер) ионы дви­ жутся достаточно быстро, и рекомбинация не играет существенной роли. При использовании камер для регистрации ионизирующего излучения всегда стремятся работать в области плато, так как при этом сила тока не зависит от небольших изменений напряжения на камере.

Сделаем некоторые численные оценки. При измерении напряже­ ний, меняющихся не очень быстро, чувствительность аппаратуры обычно не удается сделать больше чем несколько милливольт. Это связано с тем, что контактные разности потенциалов на проводах, сопротивлениях и деталях аппаратуры составляют десятые доли вольта и несколько меняются с температурой и со временем. Изме­ ряемые напряжения лишь в том случае будут зарегистрированы на­ дежно, если они существенно превышают указанную нестабиль­ ность. Положим поэтому, что минимальное измеримое значение на­ пряжения равно Итіп = ІО” 2 В.

При данном Ѵтіп минимальная обнаружимая сила тока /mm определяется, очевидно, величиной сопротивления R. Практически никогда не применяют сопротивленій больше чем 101] Ом. Это связано с тем, что при больших сопротивлениях схема очень мед­ ленно откликается на изменение интенсивности измеряемого излу­ чения. Постоянная времени схемы, изображенной на рис. 316, равна RC, где С — емкость измерительного электрода и соединяю­ щих проводов. Эта емкость обычно составляет не менее 20 пФ. При R = 10п Ом имеем

Увеличивать R — и вместе с ним т — в большинстве случаев не­ целесообразно. При наших параметрах схемы имеем поэтому

Поскольку заряд электрона равен 1,6-ІО” 19 Кл, найдем, что камера способна эффективно регистрировать излучение лишь в том случае,

если в ней за секунду образуется ~ ) 6 ° іо~ 19 — Ю6 паР ионов-

Быстрые частицы, пролетающие через камеру, создают в ней, вообще говоря, заметное число ионов. Это число достигает ІО5 на частицу для а-частиц и составляет около 1 0 0 для быстрых электронов. Как бы ни были велики эти числа, они все-таки существенно меньше, чем 1 0 е, так что ионизационная камера способна надежно регистри­ ровать лишь суммарный эффект от прохождения большого числа частиц.

Положение существенно изменяется, если в сочетании с иониза­ ционной камерой применять не измеритель тока, а регистратор

отдельных импульсов. Найдем импульс напряжения, возникающий на камере, при прохождении через нее одной а-частицы, создающей ІО5 пар ионов. Заряд, перенесенный образованными ионами, равен ІО5 *1,6 -1СГ19 = 1,6 • 10“ 14 Кл, и изменение потенциала емкости С составит

Как было отмечено выше, такое изменение напряжения было бы невозможно заметить, если бы оно происходило медленно. Соби­ рание ионов в камере продолжается, однако, не более миллисе­ кунды, контактные разности потенциалов за такие времена меняются крайне незначительно, и сигнал 1 мВ измерить в этих условиях нетрудно. Импульсная ионизационная камера позволяет, таким образом, регистрировать отдельные а-частицы. Измерение импуль­ сов, вызванных прохождением одиночных быстрых электронов, и в этом случае оказывается, однако, невозможным. Эту задачу позволяют решить только счетчики.

Заметим, что в (5.3) величина сопротивления R не входит. В этом случае, следовательно, нет смысла выбирать его особенно большим.

При дальнейшем уменьшении R величина импульса начинает падать. Оценка (5.4) справедлива для времен собирания ионов по­ рядка 10 3 секунды. Во многих случаях удается это время суще­ ственно уменьшить и соответственно сократить величину R.

§ 3. Пропорциональные счетчики

Как показано на рис. 315, при дальнейшем увеличении напря­ жения на камере за участком плато начинается участок нового подъ­ ема. Число ионов, приходящих на электроды, возрастает при этом вследствие вторичной ионизации и оказывается существенно больше числа первичных ионов, образованных в газе ионизирующим излу­ чением. Вторичная ионизация возможна, если энергия, приобре­ таемая электронами в электрическом поле на пути между двумя последовательными столкновениями с атомами газа, оказывается достаточной для того, чтобы ионизировать эти атомы. Она позво­ ляет, таким образом, усиливать импульсы, возникающие при про­ хождении частиц через газ. Ионизационные камеры, использующие газовое усиление, носят название счетчиков. Устройство обычного счетчика изображено на рис. 318. Катодом служит проводящий слой 1 из графита или из какого-либо металла, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянной цилиндрической трубки 2.

в натянутом состоянии. Второй конец нити соединен с проволокой, которая сваривается со стеклом. Для уменьшения краевых эффек­ тов нить проходит через тонкие стеклянные трубки 5 с плавно за­ кругленными краями. Трубка 6 служит для откачки счетчика и для заполнения его газом.

Напряженность электрического поля в цилиндрическом счет­ чике обратно пропорциональна расстоянию от его оси:

V 1

(6.5)

Г2 Г

Здесь rt — радиус нити, г2 — внутренний радиус катода, V — раз­ ность потенциалов между нитью и катодом. Поле достигает больших

Рис. 318. Схема устройства пропорционального и гейгеров­ ского счетчиков.

значений около нити и невелико у катода. Условие вторичной иони­ зации может быть записано в виде

где Еат— напряженность электрического поля, при которой ста­ новится возможной вторичная ионизация.

Это условие выполняется при

Формула (5.7) определяет радиус, при котором электроны на­ чинают ионизировать атомы газа. Эта формула имеет смысл, ко­ нечно, лишь при г0 > гѵ Если вторичная ионизация произошла до­ статочно далеко от нити, то вторичные электроны, набрав в элек­ трическом поле достаточную энергию, способны сами ионизировать газ наравне с первичными. Вместо каждого первичного электрона в этом случае к аноду приходит целая лавина. Число электронов,

ІО’ 7 -ь 10‘ 6 секунды успевают закончить свой путь к аноду. Мед­ ленные положительные ионы за этот промежуток времени практи­ чески не успевают сдвинуться с места. Они образуют в газе прост­ ранственный заряд. Величина этого заряда особенно велика около нити, где происходит нарастание лавины. Поле положительных ионов искажает первоначальное поле в счетчике и делает его более равно­ мерным. Поле в окрестности нити при этом падает. При больших импульсах ослабление оказывается столь существенным, что ве­ личина газового усиления начинает падать.

§ 4. Счетчики Гейгера

Как было выяснено выше, при увеличении напряжения на счет­ чике коэффициент газового усиления быстро возрастает, и счетчик переходит из пропорционального режима в режим ограниченной пропорциональности. При еще больших напряжениях возникнове­ ние хотя бы одной пары ионов приводит к началу самостоятельного разряда. Сигналы, выдаваемые счетчиком, достигают при этом не­ скольких вольт и могут использоваться без предварительного уси­ ления.

Самостоятельный разряд в счетчике не может быть объяснен одним только разрастанием лавины. В самом деле, как бы ни была велика лавина, образующие ее вторичные электроны приходят на анод вместе с первичными, — и новым электронам взяться, каза­ лось бы, неоткуда. Разряд, таким образом, должен был бы прекра­ титься вплоть до появления новых электронов, возникновение ко­ торых связано с внешними причинами. Существуют, однако, два явления, способные вызвать возникновение новых электронов в силу одних только внутренних причин.

Отметим прежде всего, что при нейтрализации ионизированных атомов у катода освобождается заметное количество энергии. По­ тенциалы ионизации атомов почти всегда выше работы выхода электронов из металла, так что энергии хватает и на то, чтобы вы­ рвать из металла электрон, необходимый для нейтрализации иона, и на освобождение еще одного электрона. Этот электрон начинает двигаться к нити, рождает на своем пути новую лавину и т. д. Возникновения самостоятельного разряда при малых А не проис­ ходит лишь благодаря тому, что вероятность вырывания элек­ трона из катода очень мала. Только при огромном числе положи­ тельных ионов, сталкивающихся с катодом (порядка ІО4), появляется заметная вероятность того, что из него будет выбит хоть один элек­ трон. Если каждая лавина приводит к появлению у катода больше чем одного электрона (в среднем), создаются условия для возникно­ вения самостоятельного разряда. Самостоятельный разряд в счет­ чике может поддерживаться поэтому лишь при достаточно большом ионном токе.