Рис. 1. Схема включения интегрирующей ионизационной камеры.
Рис. 2. Зависимость ионизационного тока I от приложенного электрического поля Е.
Ионизационная камера - 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<E1 (рис. 2) скорость дрейфа электронов мала и часть из них рекомбинирует по дороге. В интервале Е1<Е<Е2 все электроны достигают анода (режим насыщения),
Рис. 1. Схема включения интегрирующей ионизационной камеры.
Рис. 2. Зависимость ионизационного тока I от приложенного электрического поля Е.
а при 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 вблизи
анода. 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.
Режим насыщения достигается при достаточно большой скорости дрейфа
электронов и ионов. Скорость увеличивают в 10-40 раз, добавляя к чистому
Ar 2,5 - 30% многоатомных газов (Н2, СН4 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.
В импульсных И. к. длительность импульса зависит от времени дрейфа электронов и постоянной времени RС, где С=Ск+Су+С', где Ск - ёмкость И. к., Су
- 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, увлекаемые более 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 103 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. Энергетич. разрешение импульсных И. к. определяется шумом усилителя сигналов и флуктуацией числа пар ионов, образованных ионизирующими частицами фиксированной энергии (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 Eа=5,5МэВ. При этом газнаполнитель импульсной И. к. должен иметь высокую степень чистоты относительно эл--отрицат. примесей (O2, Н2O). 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].
А. А. Воробьев, Г. А. Королев
|
|
 |
