Ионизационная камера принцип работы кратко

Обновлено: 04.07.2024

детектор ч-ц, действие к-рого основано на способности заряж. ч-ц вызывать ионизацию газа. И. к. представляет собой электрич. конденсатор, заполненный газом, к электродам к-рого приложена разность потенциалов V. При попадании регистрируемых ч-ц в пр-во между электродами там образуются эл-ны и ионы, к-рые, перемещаясь в электрич. поле, собираются на электродах. В цепи камеры появляется электрич. ток. Применяются И. к. с параллельными плоскими электрода ми, цилиндрическими коаксиальными (рис. 1) электродами и сферич. электродами (две концентрич. сферы, иногда внутр. электрод — стержень).

Рис. 1. Сечение дилиндрич. ионизац. камеры: 1 —цилиндрич. корпус камеры, служащий отрицат. электродом; 2 — цилиндрич. стержень, служащий положит. электродом; 3 — изолятор.

В токовых И. к. измеряется ток I, создаваемый эл-нами и ионами. Зависимость Iот V (вольт-амперная характеристика) имеет горизонтальный рабочий участок АВ (ток насыщения), к-рый соответствует полному собиранию на электродах всех образовавшихся эл-нов и ионов. Токовые И. к. дают сведения об общем кол-ве ионов, образовавшихся в 1 с. Токи обычно малы (10-10— 10-15 А) и требуют усиления для регистрации (рис. 2).

В импульсных И. к. регистрируются и измеряются импульсы напряжения, к-рые возникают на сопротивлении R при протекании по нему ионизац.тока, вызванного прохождением ч-цы.

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

Амплитуда и длительность импульсов зависят от RC (рис. 3). Для импульсной И. к., работающей в области тока насыщения, амплитуда импульса пропорц. энергии, потерянной ч-цей в объёме И. к.

Рис. 3. Схема включения импульсной ионизац. камеры: С — ёмкость собирающего электрода; R — высокоомное сопротивление.

Часто объекты исследования для импульсных И. к.— короткопробежные ч-цы, способные полностью затормозиться в межэлектродном пр-ве (a-частицы, осколки делящихся ядер). В этом случае величина импульса И. к. пропорц. полной энергии ч-цы, и распределение импульсов по амплитудам воспроизводит распределение ч-ц по энергиям, то есть И. к. явл. спектрометром. Разрешающая способность И. к. для a-частиц с энергией 5 МэВ составляет ок. 0,5%.

Подбором R можно добиться того, чтобы импульсы И. к. соответствовали сбору только эл-нов, гораздо более подвижных, чем ионы. При этом удаётся уменьшить длительность импульса до 1 мкс.

В И. к. для исследования короткопробежных ч-ц источник помещают внутри камеры или в корпусе делают тонкие входные окошки из слюды или синтетич. материалов. В И. к. для исследования g-излучений ионизация обусловлена вторичными эл-нами (фотоэлектронами), выбитыми из атомов газа или из стенок И. к. Чем больше объём И. к., тем больше ионов образуют вторичные эл-ны. Поэтому для регистрации g-излучений малой интенсивности применяют И. к. большого объёма (неск. л). В случае детектирования нейтронов ионизация вызывается ядрами отдачи (обычно протонами), создаваемыми быстрыми нейтронами, либо a-частицами, протонами или g-квантами, возникающими при захвате медленных нейтронов ядрами 10В, 3Не, 113Cd, к-рые вводятся в газ или в стенки камеры. И. к.— один из самых старых детекторов, применявшихся ещё в первых опытах англ. физика Э. Резерфорда. Однако благодаря простоте она продолжает использоваться особенно в дозиметрии, для контроля за работой ускорителей и яд. реакторов, при исследовании косм. лучей и др. В физике ч-ц высоких энергий нашли применение И. к., наполненные жидким аргоном. Это увеличивает тормозную способность И. к. и усиливает её электрич. сигнал в 103 раз.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

- прибор для регистрации и спектрометрии ионизирующих частиц методом измерения величины ионизации (числа пар ионов), производимой этими частицами в газе. Простейшая И. к. представляет собой два электрода, помещённых в заполненный газом объём. Конструктивно электроды могут быть выполнены в виде плоского, цилиндрич. или сферич. конденсатора. Рабочим объёмом И. к. является пространство между электродами. Частицы ионизуют газ в рабочем объёме, и образовавшиеся электроны и ионы движутся под действием пост, электрич. поля Е в направлении электродов, создавая ток в цепи И. к. Ток измеряется регистрирующим устройством (рис. 1). Величина Е должна быть достаточно большой для предотвращения рекомбинации электронов и ионов. В области Е Е₂ начинается процесс лавинного размножения ионов вблизи анода. И. к. отличается от др. газовых детекторов (пропорциональных камер, Гейгера счетчиков и др.) тем, что в ней не используется механизм газового усиления, т. е. размножение ионов за счёт лавинообразного процесса вблизианода. Ток через И. к. в области насыщения I₀ пропорционален энергии E, выделяемой ионизующей частицей в объёме И. к., т. е. потоку частиц j, падающему на И. к.: где е - заряд электрона, E₀ - энергия, затрачиваемая на образование одной электрон-ионной пары. 2, СН ₄ и др.). При работе с чистыми многоатомными газами для насыщения требуются существенно большие Е.Ионизирующие частицы могут проникать в рабочий объём И. к. через тонкие окна либо непосредственно через стенки камеры. Иногда радиоакт. источник помещают внутрь И. к. в виде тонкого слоя на поверхности электродов или вводят в виде радиоакт. примеси к газу. В др. случаях ионизирующие частицы образуются непосредственно в рабочем объёме камеры в результате ядерных реакций, идущих под действием внеш. облучения в наполняющем И. к. газе, либо в мишени на поверхности электрода [1, 2, 3].Различают импульсные и интегрирующие И. к. Первые И. к. служат для регистрации отд. импульсов, вызываемых каждой ионизирующей частицей. Если поток частиц через И. к. достаточно велик, импульсы на выходе сливаются и через камеру протекает ток I (рис. 1), к-рый пропорционален суммарному ср. энерговыделелию в И. к. в единицу времени. Интегрирующие И. к. применяются в радиометрии для измерения активности радиоакт. препаратов и для определения энергии излучения, поглощённой в единице массы вещества (см. Доза

Рис. 3. Схема включения импульсной ионизационной камеры.

излучения) [2], а также для измерения н контроля интенсивности выведенных из ускорителей пучков заряж. частиц. , где С=С _к+С _у+С',где С _к - ёмкость И. к., С _у - входная ёмкость усилителя, С' - паразитная ёмкость подводящих проводов, R - эквивалентное сопротивление нагрузки. Время дрейфа зависит от состава газовой смеси, приложенного напряжения и геометрии И. к. (рис. 3).

Рис. 4. Трёхэлектродная импульсная ионизационная камера.

Импульсные И. к. широко используются в ядерной физике. Возможности импульсных И. к. возросли в связи с прогрессом в технике усиления слабых сигналов, связанным с появлением малошумящих полевых транзисторов. В качестве импульсной И. к. обычно используют И. к. с сеткой (рис. 4). Рабочим объёмом является объём между катодом и сеткой. Образовавшиеся в рабочем объёме электроны под действием электрич. поля E (1) дрейфуют к сетке, проходят сквозь сетку, увлекаемыеболее сильным полем E (2) , действующим между анодом и сеткой, и собираются на аноде. Собирание электронов происходит за неск. мкс. За это же время положит, ионы, обладающие в 10 3 раз меньшей подвижностью, практически остаются на месте. Сетка экранирует анод от индукц. воздействия положит, ионов. Поэтому анодный сигнал оказывается пропорциональным собранному на аноде заряду, к-рый, в свою очередь, пропорционален энергии ионизирующей частицы. Такая И. к. позволяет также определить пространств, положение следа (трека) частицы путём регистрации катодного сигнала, времени его задержки по отношению к анодному и фронта нарастания анодного сигнала. Разбивая анод на неск. частей, можно получить информацию о длине трека. флуктуации Фано). Флуктуации Фано можно уменьшить, подбирая состав газа (Не+Аr; Ar+C₂H₂ [4]). Лучшее разрешение, достигнутое в И. к. при измерении спектра a-частиц 12 кэВ (полная ширина линии на половине высоты; при энергии a-частиц E _а=5,5МэВ. При этом газнаполнитель импульсной И. к. должен иметь высокую степень чистоты относительно эл.-отрицат. примесей (O₂, Н ₂O).Импульсные И. к. применяются при исследовании альфа-распада ядер (измерение энергетич. спектров a-частиц, угл. a-g-корреляций, детектирование слабых a-активностей); при исследовании деления ядер (измерении энергетич. и угл. распределений осколков спонтанного или вынужденного деления ядер; поиск новых спонтанно делящихся ядер [5]); при исследовании мюонного катализа ядерного синтеза; в спектрометрии заряж. продуктов катализируемой мюонами реакции d-d-синтеза в наполненной дейтерием И. к. высокого давления [6]; при исследовании упругого рассеяния частиц высокой энергии (спектрометрия ядер отдачи, возникающих в процессе рассеяния частиц высокой энергии на ядрах Н, D или Не, наполняющих рабочий объём И. к. [7]); в качестве т. н. DE- детектора для идентификации ядерных частиц [8]. Лит.:1) Векслер В., Грошев Л., Исаев Б., Ионизационные методы исследования излучений, 2 изд., М.- Л., 1950; 2) Аглинцев К. К., Дозиметрия ионизирующих излучений, 2 изд., М., 1957; 3) Wilkinsоn D. H., lonization chambersand counters, Camb., 1950; 4) Alkhazov G. D., Komar A. P., Vрrоbev A. A., lonization fluctuations and resolution of ionization chambers and semiconductor detectors, "Nucl. Instr. and Meth.", 1967, v. 48, p. 1; 5) Ivanоv M. P. и др.. Study of 238 U spontaneous fission using a double ionization chamber, там же, 1985, v. A234, p. 152; 6) Balin D. V. и др., Experimental investigation of the muon catalyzed dd-fusion, "Phys. Lett.", 1984, v. 141 B, N 3/4, p. 173; 7) Вurq J. P. и др., Soft p - pand pp elastic scattering in the energy range 30 to 345 GeV, "Nucl. Phys.", 1983, v. B217, p. 285; 8) Fulbright H. W., lonization chambers, "Nucl. Instr. and Meth.", 1979,v. 162, N 1/3, p. 21. А. А. Воробьев, Г. А. Королев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Ионизационная камера (англ. Ionization chamber) — газонаполненный детектор (датчик) для исследования и регистрации ядерных частиц и ионизирующих излучений, принцип работы которого основан на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа.

Ионизационная камера по своей сути является воздушным или газовым электрическим конденсатором, к электродам которого приложена разность потенциалов. При попадании ионизирующих частиц в пространство между электродами там образуются электроны и ионы газа, которые, перемещаясь в электрическом поле, создают электрический ток, пропорциональный скорости возникновения зарядов и, соответственно, и мощности дозы облучения, фиксируется аппаратурой регистрации. Характерной особенностью ионизационной камеры, в отличие от других газонаполненных датчиков, является сравнительно малая напряженность электрического поля в газовом промежутке, таким образом ток не зависит от напряжения на электродах и равна произведению заряда электрона на число пар ионов.

Конструктивные особенности

В более широком смысле к ионизационных камер относятся также и счетчики Гейгера. В этих приборах используется явление так называемого газового усиления за счет вторичной ионизации — в сильном электрическом поле электроны, высвободились при пролете ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа. В узком понимании ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления. В дальнейшем изложении этот термин используется именно в этом смысле.

Простой по конструкции является ионизационная камера с параллельными плоскими электродами (дисками). Диаметр диска в несколько раз превышает расстояние между ними. В цилиндрической ионизационной камере электродами есть два коаксиальные цилиндры, один из которых заземлен и служит корпусом ионизационной камеры. Сферическая ионизационная камера состоит из двух концентрических сфер (иногда внутренний электрод имеет форму стержня).

Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным газом (или их смесью) с добавлением соединений, легко подвергаются ионизации (обычно углеводороды, например метан или ацетилен). Открытые ионизационные камеры (например, ионизационные детекторы дыма) заполнены воздухом.

Классификация

Различают ионизационные камеры токовые и импульсные.

Токовые ионизационные камеры

В токовых (интегрирующих) ионизационных камерах гальванометром измеряется сила тока, создаваемого электронами и ионами. Зависимость тока от напряжения (вольтамперная характеристика) ионизационной камеры — имеет горизонтальный участок, где ток не зависит от напряжения (ток насыщения). Это соответствует полному собиранию на электродах ионизационной камеры всех электронов и ионов, образовавшихся. Этот участок обычно рабочей областью ионизационной камеры. Токовые ионизационные камеры дают информацию об общей интегральную количество ионов, образовавшихся в единицу времени. Они обычно используются для измерения интенсивности излучений и для дозиметрических измерений. Поскольку ионизационные токи в ионизационных камерах обычно малы (10 -10 … 10 -15 А), то они усиливаются с помощью усилителей постоянного тока.

Импульсные ионизационные камеры

В импульсных ионизационных камерах регистрируются и измеряются импульсы напряжения, которое возникает на резисторе при протекании по нему тока ионизации, вызванного прохождением каждой частицы. Амплитуда и длительность импульсов зависят от величины сопротивления, а также от емкости. Для импульсной ионизационной, что работает в области тока насыщения, амплитуда импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей в объеме ионизационной камеры. Обычно объектом исследования для импульсных ионизационных камер является сильно ионизирующие с коротким путем пробега частицы, которые способны полностью затормозиться в межэлектродном пространстве (α-частицы, осколки ядер при разделении). В этом случае величина импульса ионизационной камеры пропорциональна полной энергии частицы и распределение импульсов по амплитудами воспроизводит распределение частиц по энергиям, то есть дает энергетический спектр частиц. Важной характеристикой импульсной ионизационной камеры является ее разрешение, то есть точность измерения энергии отдельной частицы. Для α-частиц с энергией 5 МэВ разрешение достигает 0,5%.

В импульсном режиме работы важно максимально сократить время срабатывания ионизационной камеры. Подбором величины сопротивления резистора можно добиться того, чтобы импульсы в ионизационной камере отвечали сбора только электронов, которые намного подвижнее, чем ионы. При этом удается значительно уменьшить длительность импульса и достичь интервалов порядка 1 мкс.

В этом случае на аноде камеры собираются значительно подвижнее электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как менее подвижные тяжелые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры дополнительно вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода, которая экранирует его от положительных ионов.

Варианты конструкций

Варьируя форму электродов ионизационной камеры, состав и давление газа, наполняет ее, обеспечивают лучшие условия для регистрации определенного вида излучения. В ионизационных камерах для исследования частиц с коротким пробегом источник помещают внутри камеры или в корпусе делают тонкие входные окошки из слюды или синтетических материалов. В ионизационных камер для исследования гамма-излучений ионизация обусловлена вторичными электронами, выбитыми из атомов газа или стенок ионизационной камеры. Чем больше объем ионизационной камеры, тем больше ионов образуют вторичные электроны. Поэтому для измерения γ-излучения малой интенсивности применяют ионизационные камеры большого объема (несколько литров и более).

Особенности использования

Измерение потока нейтронов

Ионизационные камеры позволяют измерять не только альфа-, бета- или гамма-излучения, но и нейтронное излучение, достаточно трудно, так как нейтроны не несут заряда и их прохождения через газовый объем камеры не приводит к ионизации газа, которую можно было бы измерить.

Для измерения потока нейтронов камеру разделяют на две одинаковых части. В первой половине измеряют фоновую ионизацию газа от альфа-, бета- или гамма-излучения, во второй части камеры на стенки наносят бор-10 (для ионизационных камер, измеряющих большие потоки нейтронов в ядерных реакторах) или уран-235 (для камер, измеряющие малые потоки нейтронов). При захвате нейтрона ядром урана-235 происходит вынужден деление ядра и дополнительная ионизация газа в объеме камеры осколками деления. Бор-10 при захвате нейтрона распадается на ядро лития-7 и альфа-частицу. Разница в ионизации обоих объемов камеры пропорциональна потока нейтронов. Вариант ионизационной камеры с ураном-235 (или другим изотопом, испытывающего деления ядра) на электродах называется камерой разделения. Иногда камеру заполняют газообразным соединением 10 BF ₃ — трифторидами бора-10, позволяет повысить эффективность регистрации осколков.

При измерении потоков нейтронов ионизационные камеры могут работать в трех режимах:

импульсном — при измерении малых потоков нейтронов;
токовой — при измерении больших потоков нейтронов;
флуктуационными — среднее между импульсным и токовой режимами.

Используется на АЭС в аппаратуре контроля нейтронного потока (АКНП) для измерения нейтронной мощности реактора.

Детекторы дыма

Ионизационные камеры используются также как детектор дыма. Воздух между электродами облучается альфа-частицами (как источник используется, например, америций-241) и за счет ионизации приобретает некоторую проводимости. Когда в межэлектродный пространство попадает дым, на частицах которого ионы нейтрализуются, ток утечки, обусловленный ионами, уменьшается.

В простейшем случае ионизационная камера представляет собой устройство из двух металлических пластин, изолированных одна от другой и разделенных газовым промежутком. Любой воздушный конденсатор может выполнять роль ионизационной камеры. Пространство между пластинами называют рабочим объемом камеры. Если на пластины подать постоянное напряжение, то в пространстве между ними образуется электрическое поле, силовые линии которого направлены от положительной пластины к отрицательной. На электрически заряженную частицу, помещенную в электрическое поле, будут действовать силы, под действием которых она будет двигаться по пути, совпадающем с направлением силовых линий. Направление движения положительно заряженных частиц совпадает с направлением силовых линий поля. Отрицательные частицы движутся в противоположном направлении, то есть навстречу силовым линиям поля.

Рассмотрим процессы, происходящие в рабочем объеме ионизационной камеры. При отсутствии напряжения на электродах камеры ионы и электроны, образованные в рабочем объеме в результате действия радиоактивного излучения, движутся беспорядочно вместе с нейтральными атомами, часть из них рекомбинируется, не достигая электродов, часть случайно попадает на электроды. Если теперь на электроды подать постоянное небольшое напряжение, то под действием электрического поля ионы и электроны приобретают направленное движение, соответствующее линиям поля (рис. 8). При этом электроны движутся к положительно заряженной пластине — аноду, а положительные ионы — к отрицательно заряженной пластине — катоду. Скорость движения тяжелых положительных ионов в тысячи и десятки тысяч раз меньше скорости движения легких электронов.

При малом напряжении на электродах поле между ними слабое и частицы движутся медленно. Поэтому большинство из них, не доходя до электродов, рекомбинирует, т. е. пре
вращается в нейтральные частицы газа. Вследствие этого во внешней цепи ток будет очень малым.

Сила ионизационного тока равна общему суммарному электрическому заряду, принесенному заряженными частицами к поверхности электрода в течение одной секунды. Чем больше ионов собирается у электродов, тем больше сила тока. Этот ток регистрируется с помощью какого-либо электроизмерительного прибора, включенного в цепь камеры.

С увеличением приложенного к пластинам напряжения увеличивается сила электрического поля и все большее

Силовые мша злешричес/сого лаля

Рис. 8. Принцип действия ионизационной камеры.

Число заряженных частиц, не успевая рекомбинировать, попадает на электроды. Сила тока во внешней цепи увеличивается (рис. 9, участок от О до Л).

Наконец, при некотором напряжении U сила электрического поля возрастает настолько, что все заряженные частицы, образованные внешним ионизатором в рабочем объеме камеры, будут попадать на электроды. В этом случае сила тока во внешней цепи определяется только ионизационной способностью данного радиоактивного излучения. Если ионизационная способность радиоактивного излучения не меняется, то и ток в цепи камеры течет неизменный (участок кривой А Б). Такой ток называют током насыщения камеры.

При дальнейшем увеличении напряжения за точку U2 Ток, протекающий в цепи камеры, начинает вновь возрастать сначала медленно, затем все быстрее и быстрее (участок кривой выше точки Б). Это объясняется тем, что при

2 а. В. Александров
напряжении выше точки U2 сила электрического поля внутри камеры возрастает настолько, что электроны под действием его приобретают скорости, достаточные для ионизации атомов нейтрального газа при их встрече. Поэтому сила тока во внешней цепи определяется общим числом зарядов, образованных под действием внешнего ионизатора и под действием ионизации ударами электронов внутри рабочего объема камеры.

Кривая зависимости ионизационного тока камеры от величины приложенного напряжения носит название вольт - амперной характеристики. На участке характеристики

/Улржж № жтрадая камеры

Рис. 9. Вольтамперная характеристика ионизационной камеры.

От О до Б в газоразрядном промежутке происходит так называемый тихий разряд.

Ионизационные камеры работают, как правило, в области тока насыщения. Так как величина этого тока пропорциональна числу образующихся ионов, она может служить мерой ионизационной способности радиоактивного излучения.

В зависимости от применения ионизационные камеры бывают двух типов. Камеры, используемые для измерения суммарной ионизации, вызванной прохождением через ее рабочий объем значительного количества ионизирующих частиц, называют интегрирующими ионизационными камерами. В такой камере, если она работает в области насыщения, спустя очень небольшой промежуток времени после начала действия излучения, наступает равновесие между числом пар ионов, возникающих в камере за единицу времени, и числом пар ионов, уходящих на электроды за то
же время. Величина тока насыщения равна произведению числа пар ионов, возникающих за секунду в одном кубическом сантиметре камеры, на ее рабочий объем и на заряд каждого иона. Поэтому величина тока насыщения может служить мерой мощности дозы излучения. Последняя пропорциональна числу пар ионов, образующихся в одном кубическом сантиметре в единицу времени.

Вторым типом являются счетно-ионизационные камеры, которые служат для регистрации и определения ионизационной способности одной какой-либо ионизирующей частицы (например, а-частицы), попавшей в рабочий объем камеры.

От ионизационной камеры до счетчика Гейгера — Мюллера

Рассмотрим устройство, представленное на рисунке 10, состоящее из металлического цилиндра, по оси которого

Радиоактивное излучение

Батарея питания

Рис. 10. Схема включения и работы ионизационного счетчика.

На изоляторах натянута проволока — нить. Такое устройство мы будем называть газоразрядным счетчиком. На рисунке показан поперечный разрез счетчика. Цилиндр соединим с отрицательным полюсом батареи и поэтому

2*
Назовем его катодом; нить через сопротивление нагрузки — с положительным полюсом и будем называть ее анодом.

Если через рабочий объем счетчика пройдет ионизирующая частица, то на пути ее движения возникнут положительные ионы и электроны[7]), которые под действием электрического поля перейдут на электроды: электроны на нить, ионы на цилиндр. Во внешней цепи пройдет импульс тока, который образует импульс падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Этот импульс напряжения можно зафиксировать с помощью регистрирующего устройства.

Рассмотрим, как будет изменяться количество электричества в импульсе тока в зависимости от величины приложенного к счетчику напряжения. Вначале, при очень малых напряжениях, так же как и в ионизационной камере, количество электричества в импульсе будет соответствовать неполному числу электронов, дошедших до нити, так как часть из них вследствие слабости электрического поля по пути успеет рекомбинировать. Поэтому с ростом напряжения на счетчике растет и количество электричества в импульсе. При некотором напряжении все электроны, образовавшиеся в процессе ионизации радиоактивной частицей, будут попадать на нить, и количество электричества в импульсе не возрастает. Наступает ток насыщения. Этому соответствует горизонтальный участок кривой / на рис. 11.

Количество электричества в импульсе на этом участке определяется только ионизационной способностью первичного ионизатора. Чем больше эта способность, тем больше количества электричества в импульсе. Так, а-частице, обладающей наибольшей ионизационной способностью, соответствует верхняя кривая. Область напряжения от О до Uu участок /, называют областью ионизационной камеры, так как на этом участке счетчик работает как ионизационная камера, т. е. величина собранного на электродах заряда равна суммарному заряду электронов, образованных в процессе ионизации.

Когда напряжение на счетчике превышает некоторую величину Uv при которой напряженность (сила) электрического поля возрастает настолько, что электроны приобретают скорость, достаточную для производства ударной ионизации, количество электричества в импульсе возрастает за счет дополнительной ионизации газа соударяющимися электронами. При медленном увеличении напряжения этот процесс ударной ионизации сначала происходит только около нити, где напряженность поля наибольшая. Нам известно, что ионизация атома электроном может произойти только в том случае, когда энергия электрона будет равна или больше потенциала ионизации газа, в котором он движется. При каждой встрече с нейтральным атомом электрон теряет большую часть своей кинетической энергии.

^ ^ i/s % 1Г

Лалряжете т Cvmvit/Re В вом/лаз? Рис. 11. Зависимость величины собранного на электроде заряда от напряжения на газоразрядном промежутке для больших и малых начальных ионизаций:

/—область ионизационной камеры; //—область пропорционального усиления; ///—область ограниченной пропорциональности; IV— область самостоятельного разряда или область Гейгера; V— область непрерывного разряда.

Количество их быстро нарастает, наподобие грозных снежных лавин, скатывающихся по крутым склонам гор. Этот процесс поэтому и называют процессом образования электронных лавин. В результате этого процесса с увеличением напряжения количество электричества в импульсе быстро нарастает (участок II на рис. 11).

Усиление достигает десятков тысяч раз. Число, в которое увеличивается количество протекающего через счетчик электричества по сравнению с участком напряжений /, принято называть коэффициентом газового усиления. Величина коэффициента газового усиления может изменяться в пределах от единицы, в случае когда счетчик работает в режиме ионизационной камеры (участок кривой /), и приблизительно до нескольких тысяч в конце участка II. На этом участке величина коэффициента газового усиления не зависит от числа первичных электронов. Независимо от того, создан ли первичный импульс от укванта> ^-частицы или ос-частицы, он усиливается в постояннее число раз.

Поэтому здесь, так же как и в камере, величина импульса будет пропорциональна ионизирующей способности радиоактивного излучения, вследствие чего эту область называют областью пропорционального усиления. А счетчик, работающий в этой области, называют пропорциональным счетчиком. Пропорциональные счетчики характеризуются не только тем, что величина коэффициента газового усиления б них не зависит от первоначального числа пар, созданных внешним ионизатором, а также и тем, что разряд в них прекращается сразу же после прекращения внешней ионизации. Такой вид разряда называется несамостоятельным разрядом. С увеличением напряжения коэффициент газового усиления возрастает.

При дальнейшем увеличении напряжения выше U2 коэффициент усиления начинает зависеть от величины начальной ионизации. Для импульсов, получающихся в результате прохождения частиц с большой ионизирующей способностью, коэффициент усиления меньше, чем для импульсов от частиц с малой ионизирующей способностью Поэтому область напряжений от U2 до Uz называют областью ограниченной пропорциональности.

Если продолжать увеличивать напряжение на счетчике, то величина количества электричества в импульсе уже не зависит от величины начальной ионизации. В этом случае счетчик вступает в режим самостоятельного разряда, т. е. такого разряда, при котором, если не принять специальных мер, возникающий разряд не прекращается после удаления внешнего ионизатора, т. е. разряд сам себя поддерживает. Область напряжений от Uz до получила название области Гейгера, а счетчики, работающие в этом режиме,— счетчиков Гейгера — Мюллера, или газоразрядных счетчиков.

У этих счетчиков величина импульса напряжения на нагрузочном сопротивлении не зависит от первоначальной ионизации. Вследствие этого такие счетчики не могут служить непосредственно для измерения ионизирующего действия излучения. Но эти счетчики обладают огромной чувствительностью: достаточно в счетчике появиться хотя бы одному электрону, как в нем рождается электронная лавина и во внешней цепи пройдет импульс тока.

Если напряжение на счетчике поднять выше точки £/4, счетчик вступает в область непрерывного разряда и становится непригодным для регистрации ионизирующих частиц.

Таким образом, в зависимости от приложенного напряжения счетчик может работать как ионизационная камера, как пропорциональный счетчик и как газорязрядный счетчик Гейгера — Мюллера. Однако на практике они представляют собой три типа различных приборов с различными конструкциями и в зависимости от назначения применяют тот или иной прибор.

В дальнейшем мы остановимся на рассмотрении только счетчиков с самостоятельным разрядом — газоразрядных счетчиков.

ИОНИЗАЦИО́ННАЯ КА́МЕРА, детектор частиц, действие которого основано на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа; служит для определения энергии частиц и их идентификации. И. к. применялась ещё в первых опытах Э. Резерфорда по изучению радиоактивности. Широко используется в дозиметрии, для контроля за работой ускорителей и ядерных реакторов, в эксперим. ядерной физике, в исследованиях космич. лучей и др.

Читайте также: