книги из ГПНТБ / Мазин П.Н. Основы ядерной электроники учеб. пособие

двигаться к положительно заряженному электроду. На сво­ ем пути они дрейфуют в электрическом поле с постоянной скоростью и>_ . За время свободного пробега между

бы производить ионизацию. Благодаря ионизационным столк­ новениям число электронов возрастает при увеличении расстояния х , пройденного ими от отрицательного электрода. Образуется отрицательная лавина. Положитель­ ные ионы создают положительную лавину, двигающуюся в обратном направлении.

Определим закон образования отрицательной лавины,

190

висит от напряженности поля.

К электроду подходит число электронов, равное

/V =/10 еdid (4.1.12)

С возрастанием напряженности поля возрастает число ионизирующих соударений, т.е. увеличивается число элек­ тронов, приходящих к электроду. Это увеличение носит название газового усиления. Разряд на этом участке вольтамперной характеристики носит название лавинного несамостоятельного разряда. Отиоиение числа электронов, собирающихся на электроде, к числу первичных ионов на­ зывается коэффициентом газового усиления. 5 области 1У коэффициент газового усиления не зависит от числа первичных электронов, и, следовательно, максимальное

191

значение импульса ионизации будет прямо пропорциональ­ но первичной ионизации. Коэффициент газового усиления меняется здесь от I до 10^ ( в конце области). Доста­ точно одной заряженной частице попасть в газоразрядный промежуток, как в результате газового усиления образует­ ся мощный импульс, величина которого линейно связана с числом пар ионов, созданных ядерной частицей. Отсюда и название области - пропорциональная. На этом участке характеристики работают пропорциональные счетчики.

При дальнейшем увеличении напряжения начинает про­ являться зависимость коэффициента газового усиления от первичной ионизации. Чем больше пар ионов создает пер­ вичная частица, тем меньше коэффициент газового усиле­ ния и тем медленнее он растет с увеличением напряжения на электродах. Объясняется это явление конечным числом атомов, наполняющих детектор. При большом числе ионов в лавине акты взаимодействия электронов с нейтральными молекулами и атомами будут коррелированы. Этот участок У носит название ограниченной пропорциональности.

Кроме того, на данном участке начинает сказываться эффект излучения возбужденными атомами и молекулами фо­ тонов ультрафиолетового света. При распространении ла­ вины от катода к аноду одновременно с ионизацией атомов имеют место процессы их возбуждения, сопровождаемые из­ лучением фотонов, распространяющихся во всех направле­ ниях. Когда энергия фотонов достаточно велика, они на­ чинают, в свою очередь, ионизировать газ. Созданные ими электроны образуют новые лавины, что влияет на ко-

%эффициент газового усиления. Участок, занимаемый лави­ ной, увеличивается. Коэффициент газового усиления при этом достигает величины ГО6.

На участке У1 начинается область самостоятельного

192

разряда, под которым понимается разряд, существующий после прекращения действия ядерного излучения. При гра­ ничной напряженности поля лавины получают способность

мые электроны частично рекомбинируют, а частично начнут процесс образования новой электронной лавины. В межэлек­ тродном промежутке образуются идущие навстречу друг другу положительные и отрицательные лавины. В этой об­ ласти работают счетчики Гейгера-Мюллера. За счет рас­ пространения фотонов по всему объему счетчика и высокой напряженности поля разряд охватывает весь чувствитель­ ный объем счетчика. Для гашения разряда (иначе нельзя считать частицы) принимают специальные меры, заключаю­ щиеся в применении гасящих электронных схем или гасящих добавок в газовой смеси детектора.

3. Электронное равновесие.

При детектировании ЯИ, как уже говорилось, произво­ дится измерение параметров ионизационного эффекта, соз­ даваемого ЯИ, с целью получения количественной информа­ ции о нем. Естественно, в этом случае большое значение придается сохранению пропорциональности между измеряе­ мым ионизационным эффектом и соответствующим ему пара­ метром ядерного излучения. Для большинства детекторов ЯИ ионизация происходит не только в чувствительном объ­ еме детектора, который лучше назвать измерительным объ­ емом, но и в электродах и изолирующих элементах детек-

Теперь поглощенную энергию можно определить как раз­ ность между суммарной энергией ядерного излучения, х о ­ дящего в объем, и суммарной энергией ядерного излучения, покидающего объем У :

йЕ *

Первичные ядерные частицы, входящие в объем У , от­ дают свою энергию в процессе создания вторичных частиц на придание скорости этим частицам, а также первичным частицам, выходящим из объема у (процесс взаимодей­ ствия первичной частицы с веществом одноразовый), т.е.

где Ек - кинетическая энергия вторичных частиц, воз­ никших в объеме У . Теперь для поглощен­ ной энергии можно написать

Л£ - t ‘n + EK + Et -

Как видно из формулы (4.1.17), поглощенная энергия численно равна разности между суммарной кинетической энергией всех входящих и возникающих в объеме V втвричных частиц и суммарной кинетической энергией вторич­ ных частиц, выходящих из этого объема. Анализируя фор-

195

мулу (4.1.17), можно отметить, что для установления строгого соответствия между поглощенной энергией ядерного излучения и ионизацией в измерительном объеме V детектора целесообразно добиваться равенства

няющего, и параметры входящего ядерного излучения. Для выполнения равенства (4.1.18) необходимо, очевидно, обеспечить равенство Eg = Eg • Другими словами, необ­ ходимо обеспечить равновесие между числом вторичных ядерных частиц, входящих в объем V , и числом выходя­ щих из него вторичных частиц. Это и есть так называемое электронное равновесие. Свое название условие (4.1.18) получило потому, что оно имеет большое значение при аб­ солютных измерениях гамма-излучения, когда энергия гам­ ма-квантов преобразуется в энергию электронов, произво­ дящих затем ионизацию среды.

Электронное равновесие обычно обеспечивается для конечного объема У вещества в том случае, когда этот объем окружен слоем того же вещества и толщина этого слоя равна максимальному пробегу вторичной частицы,соз­ данной в объеме У.

При соблюдении электронного равновесия влияние ио­ низации внутри объема, обусловленной вторичными части­

вторичными частицами, созданными внутри объема У , а измеряемая ионизация будет определяться суммарной кине­

196

деленную роль играют вторичные частицы, созданные в элементах детектора, окружающих чувствительный объем. При определенных условиях ионизация, производимая в объеме вторичными частицами, возникшими в электродах, во много раз превышает ионизацию от вторичных частиц, образованных в этом объеме. Процесс в детекторе тогда описывается теорией Брэгга-Грея, предложенной для про­ ектирования так называемых наперстковых ионизационных камер. Модель последней представляет собой газовую по­ лость внутри твердого тела. Теория Брэгга-Грея позволя­ ет установить связь между ионизацией внутри этой поло­ сти и энергией, поглощенной в твердом теле вблизи по­ лости:

£- средняя энергия, идущая на образование од­

ной пары ионов в воздухе.

Данное уравнение получено при следующих упрощениях: - размеры газовой полости малы по сравнению с про­

бегом в газе вторичных частиц, создаваемых в веществе твердого тела;

Х/Под тормозной способностью понимают среднюю потерю энергии на единице пути частицами, имеющими онер2-

гию Е ;

197

-толщина слоя твердого вещества, окружающего по­ лость, больше или равна величине пробега вторичной час­ тицы;

-интенсивность первичного излучения постоянна во

всех течках газовой полости и твердого тела» Первое предположение означает, что ионизация газо­

вой полости производится в основном вторичными части­ цами, созданными в твердом теле, так как они в преде­ лах полости теряют очень малую часть своей энергии.

Второе предположение означает, что вблизи газовой поло­ сти имеет место электронное равновесие, т.е. в любом элементарном объеме вещества около полости поглощенная энергия равна кинетической энергии вторичных частиц.А так как согласно третьему предположению плотность пото­ ка первичных частиц одинакова в любой точке, то и поток вторичных частиц также будет однородным. Грей показал, что при выполнении данных условий наличие малой поло­ сти в твердом теле не искажает пространственного и энергетического распределения вторичных частиц в твер­ дом теле, т.е. они ведут себя так, как будто бы поло­ сти нет, что и позволило установить зависимость

(4.1.19).

На основе теории Брэгга-Грея предъявляют специаль­ ные требования к толщине электродов детектора. Она дол­ жна быть равна пробегу вторичной частицы (исходя из ус­ ловий электронного равновесия). Если же толщина электро­ да больше пробега вторичной частицы, то первичное излу­ чение будет поглощаться, что приведет к ослаблению ин­ тенсивности потока первичных частиц. Детектор будет со­ здавать ионизационный эффект, пропорциональный не ин­ тенсивности измеряемого излучения, а интенсивности из­ лучения, прошедшего слой твердого тела, равный разности толщины электрода к пробега вторичного излучения.

198

§ 2. Газоразрядные детекторы ядепннх излучений

Как отмечалось выие, газоразрядные детекторы кон­ структивно представляют собой систему электродов с чув­ ствительным (рабочим) объемом между ними. При подаче напряжения на электроды и воздействии ядерных излуче­ ний на чувствительный объем в детекторах возникает не­ самостоятельный или самостоятельный разряд, параметры которого пропорциональны тем или иным параметром ядерного излучения. В зависимости от рода работы детекто­ ров их делят на следующие типы: ионизационные камеры (участок Швольтамперной характеристики электрического разряда в газах), пропорциональные счетчики ( участ­ ки 1У и У) и счетчики Гейгера-Мюллера (участок У1).Рас­ смотрим особенности отдельных детекторов.

I , Ионизационные камеры

Принципиальная схема включения ионизационной каме­ ры (Ж ) показана на рис. 4.3. Она состоит из трех элек­ тродов: высоковольтного (ВЭ), собирающего (СЭ) и охран­ ного (ОЭ). На высоковольтный электрод обычно подается напряжение 200 - 400 в. В зависимости от нужной величи­ ны напряженности это напряжение может быть, вообще гово­ ря, любой величины. Собирающий электрод обычно заземляет­ ся через резистор нагрузки. Охранный электрод имеет тот же потенциал, что и собирающий. Его назначение заклю­ чается в выравнивании электрического поля в чувствитель­ ном объеме, границы которого отмечены пунктиром и в ус­ транении его неоднородностей вследствие влияния изоля-

199