1.2 Іонізаційна камера
Схема іонізаційнийкамери, яка збирає іони, що виникають в результаті іонізації газу. На два провідних електрода, катод і анод, подано високу напругу. Частка, що пролітає крізь газ, створює іони, при цьому позитивні іони рухаються до катода, а негативні - до анода.
Іонізаційна камера, прилад для дослідження і реєстрації ядерних частинок і випромінювання, дія якого заснована на здатності швидких заряджених частинок викликати іонізацію газу.
1.2.1 Принципи роботи і основні характеристики
Іонізаційній камерою вимірюють або іонізаційний струм, або заряди електрики, що виникають в газовому об'ємі. Для поділу різнойменних зарядів до газового обсягом прикладають певну різницю потенціалів. Електрична напруга подають на елементи іонізаційнийкамери, звані електродами. Вони обмежують робочий об'єм іонізаційнийкамери, тобто той обсяг газу, через який протікає іонізаційний струм. Напруга на електродах кожної конкретної іонізаційнийкамери обумовлюється конструкцією, тиском і природою газу-наповнювача. Воно повинно забезпечувати протікання через газ струму насичення. При такій напрузі всі іони, утворені ядерним випромінюванням в робочому обсязі, потрапляють на електроди, а іонізаційна камера характеризується максимальною
Мал. 3. Схема іонізаційнийкамери
Під чутливістю детектора розуміють мінімальний іонізаційний струм, який можна виміряти за допомогою детектора. Чим вище чутливість, тим меншу інтенсивність випромінювання виявляє детектор. високочутливими іонізаційними
камерами вимірюються струми до 10 -15 А.
Камери іонізаційні працюють при напрузі, відповідних тихому несамостійність розряду в газі (Рис. 2, ділянки I і II), як правило, в області струму насичення (ділянка II). Робоча напруга вибирають на середині плато.
При роботі іонізаційнийкамери під напругою в області плато струм насичення J н змінюється за лінійним законом в залежності від інтенсивності випромінювання I. Нехай за одиницю часу в кожній одиниці об'єму газу утворюється N = bE / ε іонних пар, де Е - енергія частинок, b - частка енергії частинки, що поглинається в одиниці об'єму газу, а ε енергія освіти іонної пари. Так як робочий об'єм конкретної камери постійний, то струм насичення
пропорційний інтенсивності випромінювання I.
Цю найважливішу закономірність використовують при вимірюванні ядерних випромінювань ионизационной камерою. Вимірювач струму можна градуювати нема на одиниці струму, а на одиниці інтенсивності випромінювання, що спрощує обробку результатів вимірювань.
Перш ніж з'ясувати особливості газового розряду в ионизационной камері, знайдемо зв'язок іонізаційного струму J з щільністю іонів N. Нехай в одиниці об'єму газу щомиті утворюється N іонних пар. Частина іонних пар, α N 2. рекомбинирует, а інша частина, N- α N 2 = N (1 - α N). збирається на електродах. Помноживши останній твір на елементарний заряд е і робочий об'єм V. отримаємо зв'язок струму J з струмом насичення J н = eNV. щільністю іонів N і коефіцієнтом рекомбінації α в областях закону Ома і струму насичення:
Іонізаційний струм представляється як добуток двох співмножників. Перший співмножник J н є струмом насичення. Він протікає в газі, якщо іони НЕ рекомбінують, і пропорційний щільності іонів N. Другий співмножник (1 α N) дорівнює частці іонів, що потрапляють з газу на електроди. Він залежить як від коефіцієнта рекомбінації а, так і від щільності іонів N. Якщо при постійному коефіцієнті α збільшувати щільність іонів N. то буде зростати не тільки струм J н. але і рекомбінація іонів. Тому щільність іонів впливає двояко на ток J. вона сприяє зростанню струму J. а разом з тим і гальмує це зростання. Від ступеня впливу кожного процесу залежить зміна струму J. З підвищенням напруги на електродах зменшується коефіцієнт рекомбінації α. і струм прагне до току насичення J н. В області насичення майже всі іони збираються на електродах. Однак плато має невеликий нахил, так як
коефіцієнт рекомбінації не дорівнює нулю. Тому невелика частка іонів рекомбинирует. З підвищенням напруги частка рекомбінуючих іонів стає менше, а струм J на плато трохи зростає.
Щільність іонів N і коефіцієнт рекомбінації α визначаються кількома факторами. Щільність іонів пов'язана з інтенсивністю випромінювання, природою і тиском газу. Коефіцієнт α є функцією не тільки напруги на електродах, а й властивостей газу (природа, тиск, температура). Отже, іонізаційний струм залежить від декількох величин. При дослідженні впливу однієї величини на ток J інші вважають постійними. З ростом інтенсивності випромінювання I збільшується щільність іонів N. а значить, і їх рекомбінація. Щоб зменшити рекомбінацію, необхідно підвищувати напругу. Тоді швидкість іонів зростає, а коефіцієнт рекомбінації зменшується. Внаслідок цього різниця в дужках рівняння (2) прагне до одиниці, а іонізаційний струм - до току насичення. Зміна швидкості рекомбінації іонів зі збільшенням інтенсивності I зрушує початок плато в область більш високих напруг. Так як межа області пропорційності залишається незмінною, то ширина плато коротшає.
Робочу точку бажано завжди вибирати на плато, щоб зберегти пропорційність іонізаційного струму і інтенсивності випромінювання. Однак в іонізаційних камерах, поміщених в поле високих інтенсивностей випромінювання, рекомбінація іонів може бути настільки суттєвою, що до самого кордону області пропорційності не вдається досягти режиму насичення. Область закону Ома в цьому випадку безпосередньо переходить в область пропорційності, а вольт-амперна характеристика не має плато. Щільність молекул газу пропорційна тиску. Тому при різних тисках ядерне випромінювання постійної інтенсивності створює неоднакове кількість іонних пар в одиниці об'єму. З підвищенням тиску щільність іонів стає більше і рекомбінація іонів збільшується. Отже, з підвищенням тиску збільшується щільність іонів і зменшується частка іонів, які не беруть участі в процесі рекомбінації.
Конкуренцією цих двох ефектів пояснюється залежність іонізаційного струму J від тиску (Рис. 4). Спочатку струм монотонно зростає. У невеликому інтервалі тисків, який є характеристикою кожного газу, іонізаційний струм пропорційний тиску р. Наприклад, для аргону лінійність зміни струму J від тиску р спостерігається в інтервалі 0,5-1,2 атм, для повітря - від 1 до 40 атм і т. Д. Потім струм J досягає максимуму. При тиску, відповідному максимуму струму J макс. зміни швидкостей освіти і рекомбінації іонів рівні за абсолютною величиною і протилежні за знаком. Після максимуму струму рекомбінація іонів стає дуже великою. При подальшому підвищенні тиску швидкість рекомбінації іонів зростає швидше за швидкість утворення іонів, тому іонізаційний струм починає монотонно падати. Тиск газу змінює як нижня, так і верхня граничні напруги області насичення. При підвищенні тиску початкова напруга стає більше. Однак і верхнє напруга зсувається в більш високу область. Електрони в більш щільних газах мають менший вільний пробіг, ніж в менш щільних. Енергія, яку отримує електрон від електричного поля на
вільному пробігу, в першому випадку менше, ніж у другому. Щоб прискорити електрон до енергії, більшої енергії іонізації молекул, необхідно більш високу напругу.
Мал. 4. Залежність іонізаційного струму від тиску газу в ионизационной камері.
Кількість іонів, що утворюються в 1 см 3 робочого обсягу при інших рівних умовах (тиску, інтенсивності випромінювання і т. Д.), Залежить від природи газу (від щільності атомних електронів газу, що дорівнює числу атомних електронів в 1 см 3 газу, і від енергії освіти іонної пари). При одних і тих же тиску і об'ємі газу іонізаційний струм в ионизационной камері, наповненій аргоном (Z = 18, ε = 27 еВ), вище, ніж в
ионизационной камері, наповненій азотом (Z = 7, ε = 32 еВ).
Середня швидкість теплового руху молекул і іонів в газі пропорційна температурі. Нагрівання газу викликає більш інтенсивне теплове рух іонів, і рекомбінація іонів зростає. У режимі насичення цей ефект малий, так як швидкості руху іонів в напрямку електричного поля набагато перевищують швидкість теплового руху.