Пропорциональные счетчики. Большая советская энциклопедия - пропорциональный счетчик Рабочий объем счетчика

энергии регистрируемой частицы, теряемой в его объеме на ионизацию. Заряженная частица, проходя через газ, наполняющий Пропорциональный счётчик , создаёт на своём пути пары ион - электрон, число которых зависит от энергии, терямой частицей в газе. При полном торможении частицы в Пропорциональный счётчик импульс пропорционален энергии частицы. Как и в ионизационной камере , под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы - к катоду. В отличие от ионизационной камеры вблизи анода Пропорциональный счётчик поле столь велико, что электроны приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. В результате вместо каждого первичного электрона на анод приходит лавина электронов и полное число электронов, собранных на аноде Пропорциональный счётчик , во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного числа собранных электронов к первоначальному количеству называется коэффициентом газового усиления (в формировании импульса участвуют также и ионы). В Пропорциональный счётчик обычно катодом служит цилиндр, а анодом - тонкая (10-100 мкм ) металлическая нить, натянутая по оси цилиндра (см. рис. ). Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь электроны дрейфуют под действием поля без «размножения». Пропорциональный счётчик заполняют инертными газами (рабочий газ не должен поглощать дрейфующие электроны) с добавлением небольшого количества многоатомных газов, которые поглощают фотоны, образующиеся в лавинах.

Типичные характеристики Пропорциональный счётчик : коэффициент газового усиления ~ 10 3 -10 4 (но может достигать 10 6 и больше); амплитуда импульса ~ 10 -2 в при ёмкости Пропорциональный счётчик около 20 пкф ; развитие лавины происходит за время ~ 10 -9 - 10 -8 сек, однако момент появления сигнала на выходе Пропорциональный счётчик зависит от места прохождения ионизующей частицы, т. е. от времени дрейфа электронов до нити. При радиусе ~ 1 см и давлении ~ 1 атм время запаздывания сигнала относительно пролёта частицы ~ 10 -6 сек. По энергетическому разрешению Пропорциональный счётчик превосходит сцинтилляционный счётчик , но уступает полупроводниковому детектору . Однако Пропорциональный счётчик позволяют работать в области энергий < 1 кэв , где полупроводниковые детекторы неприменимы.

Пропорциональный счётчик используются для регистрации всех видов ионизирующих излучений. Существуют Пропорциональный счётчик для регистрации a- частиц, электронов, осколков деления ядер и т.д., а также для нейтронов, гамма- и рентгеновских квантов. В последнем случае используются процессы взаимодействия нейтронов, g- и рентгеновских квантов с наполняющим счётчик газом, в результате которых образуются регистрируемые Пропорциональный счётчик вторичные заряженные частицы (см. Нейтронные детекторы ). Пропорциональный счётчик сыграл важную роль в ядерной физике 30-40-х гг. 20 в., являясь наряду с ионизационной камерой практически единственным спектрометрическим детектором.

Второе рождение Пропорциональный счётчик получил в физике частиц высоких энергий в конце 60-х гг. в виде пропорциональной камеры, состоящей из большого числа (10 2 -10 3) Пропорциональный счётчик , расположенных в одной плоскости и в одном газовом объёме. Такое устройство позволяет не только измерять ионизацию частицы в каждом отдельном счётчике, но и фиксировать место её прохождения. Типичные параметры пропорциональных камер: расстояние между соседними анодными нитями ~ 1-2 мм, расстояние между анодной и катодной плоскостями ~1 см ; разрешающее время ~ 10 -7 сек. Развитие микроэлектроники и внедрение в экспериментальную технику ЭВМ позволили создать системы, состоящие из десятков тыс. отдельных нитей, соединённых непосредственно с ЭВМ, которая запоминает и обрабатывает всю информацию от пропорциональной камеры. Т. о., она является одновременно быстродействующим спектрометром и трековым детектором.

В 70-х гг. появилась дрейфовая камера, в которой для измерения места пролёта частицы используется дрейф электронов, предшествующий образованию лавины. Чередуя аноды и катоды отдельных Пропорциональный счётчик в одной плоскости и измеряя время дрейфа электронов, можно измерить место прохождения частицы через камеру с высокой точностью (~ 0,1 мм ) при числе нитей в 10 раз меньше, чем в пропорциональной камере. Пропорциональный счётчик применяются не только в ядерной физике, но и в физике космических лучей , астрофизике, в технике, медицине, геологии, археологии и т.д. Например, с помощью установленного на «Луноходе-1» Пропорциональный счётчик по рентгеновской флюоресценции производился химический элементный анализ вещества поверхности Луны.

Лит.: Векслер В., Грошев Л., Исаев Б., Ионизационные методы исследования излучений, М. - Л., 1949; Принципы и методы регистрации элементарных частиц, пер. с англ., М., 1963; Калашникова В. И., Козодаев М. С., Детекторы элементарных частиц, М., 1966 (Экспериментальные методы ядерной физики, [ч. 1]).

В. С. Кафтанов, А. В. Стрелков.

Статья про слово "Пропорциональный счётчик " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 4801 раз

ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК - газоразрядный детектор частиц, создающий сигнал, амплитуда к-рого пропорциональна энергии, выделенной в его объёме регистрируемой частицей. При полном торможении частицы в объёме П. с. амплитуда сигнала пропорциональна энергиичастицы, т. е. П. с. является одновременно и . П. с., как и др. газоразрядные детекторы, представляет собой газовый объём (от неск. см 3 до неск. л) с 2 электродами. От конструкции ионизационной камеры П. с. отличает форма анода в виде тонкой нити или острия для обеспечения вблизи анода значительно большей напряжённости электрич. поля, чем в остальном пространстве между анодом и катодом. Наиб. распространены ци-линдрич. П. с., где катодом является металлич. цилиндр (корпус счётчика), внутри к-рого аксиально протянута тонкая проволока - анод (рис. 1).

Рис. 1. Схема пропорционального счётчика: И - источник частиц.

Заряж. частица с энергиейсоздаёт в газе п 0 =/W электрон-ионных пар, где - ионизаци онные потери энергии частицы, W - ср. энергия образования электрон-ионной пары. Импульс тока (напряжения), возникающий на сопротивлении Л, пропорционаленимпульс (1-100 мВ) усиливается и поступает в регистрирующее (анализирующее или запоминающее) электронное устройство.

Газовое усиление. Первичные электроны, образованные заряж. частицей в результате газа, под действием электрич. поля перемещаются к аноду, по пути многократно сталкиваясь с атомами (рис. 2). Эти соударения частично неупругие, т. к. электроны теряют значит. часть своей энергии и не могут набрать энергию, достаточную для ионизации атомов газа (20-30 эВ). В цилиндрич. П. с. электрич. поле E ~ , где- расстояние частицы до нити (рис. 3). Поэтому между двумя последоват. столкновениями электроны, приближаясь к аноду, получают всё возрастающие значения кинетич. энергии, и на нек-ром расстоянии от нитиэнергия становится достаточной для ионизации. Образующиеся вторичные электроны вместе с первичными участвуют в последующей лавинной ионизации газа (га-зовое усиление). Коэф. газового усиления М - отношение кол-ва электронов, пришедших на нить, к числу первичных электронов. Форма электронно-ионной лавины вблизи анода сильно зависит от значения М: при 10 < М < 100 лавина приобретает форму капли в направлении прихода электронов на анод; при 10 2 <М<10 4 лавина становится сердцеобразной, вытянутой в направлении прихода электронов; при М >10 4 лавина полностью охватывает анод - тогда и нарушается пропорциональность между п 0 и амплитудой сигнала. Размер лавины вдоль проволочного анода растёт с увеличением М от долей мм до неск. мм.

Рис. 2. Механизм работы пропорционального счётчика:-- зона дрейфа первичных электронов;-- зона лавин.

При столкновениях образуются также возбуждённые атомы, к-рые "высвечиваются" (УФ-излучение) за время ~10 -8 с. Энергия фотонов почти всегда превосходит работу выхода электронов с поверхности катода, поэтому вырванные (с вероятностью ~10 -4) фотоэлектроны также движутся к аноду, усложняя картину разряда и образуя лавинные серии - последовательно затухающую цепочку импульсов, отстоящих друг от друга на время дрейфа электронов от катода к аноду. Фотоэлектронную эмиссию можно ослабить, если в состав газа кроме инертных (Аг, Кг, Хе) ввести многоатомные газы (СН 2 , С 2 Н 2 , СO 2 и т. д.), поглощающие УФ-излучение. Т. к. электроны поглощают газы и пары со сродством к электрону (О 2 , Н 2 О, галогены), то их в смеси П. с. должно быть мин. кол-во (концентрация O 2 ~10 -5 см 3).

Если пренебречь влиянием на лавину пространственного от положит. ионов, прилипанием электронов и фотоэлектронной эмиссией, то

где- число ионизац. соударений электрона на пути 1 см (первый коэф. Таунсенда), зависит от напряжённости поля E , давления r и рода газа. В приближении Роуза - Корфа, где a = N К (К - характеристика газа, N - газа, - энергия электронов),

Здесь С= - ёмкость счётчика на единицу длины, - напряжение на электродах, - напряжение, соответствующее началу лавины. При

(рис. 4). Ввиду статистич. природы лавинного процесса V c не является чёткой характеристикой П. с., поэтому V c определяется по пересечению прямолинейного участка зависимости lnM(F 0) с осью абсцисс. Линейная зависимость продолжается до М ~ 10 4 . При дальнейшем повышении F 0 зависимость перестаёт быть линейной (гл. обр. из-за влияния фотоэлектронной эмиссии и пространственного заряда ионов).

Область М ~ 10 4 -10 6 наз. областью ограниченной пропорциональности. Большие М могут привести к пробою (рис. 5). Чтобы не допустить пробоя, применяют гасящие примеси - органич. газы (СН 4 , пропан, изобутан, С 2 Н 5 ОН, метилаль и т. п.), к-рые обладают большим сечением фотопоглощения, диссоциации и передачи возбуждения сложной молекуле. Добавка органич. газа стабилизует процесс газового усиления в широком диапазоне V 0 , хо-тя само напряжение, необходимое для требуемого М , возрастает.

Формирование сигнала . Вклад в амплитуду импульса за счёт перемещения первичных ионов и электронов мал.

Время развития лавины <10 -9 с, однако вследствие того, что электроны в лавине проходят сравнительно малые расстояния (большинство электронов рождаются только на последних стадиях лавины), вклад электронной компоненты в полную амплитуду импульса 10%. Положит. ионы, большинство к-рых расположено от поверхности нити на расстоянии ср. пробега электронов в лавине (15 мкм), после окончания лавины начинают двигаться к катоду, индуцируя изменение потенциала на нём во времени t :

Здесь е - заряд электрона, - подвижность ионов (см. Подвижность электронов и ионов), n 0 - число первичных ионов. Величина DV, вызванная движением ионов, сначала растёт прямолинейно, затем логарифмически; достигает макс. значения (DV макс =еМп 0 /С) в момент прихода всех положит. ионов на катод спустя (15)·10 -3 с с момента образования лавины (рис. 6). Половины значения от своего максимума импульс достигает за (15)·10 -6 с, поэтому для получения высокого временного разрешения во входных цепях усилителя стоят дифференцирующие цепи (= RC ) или линии задержки .Т. о., в случае траектории частицы (трека), параллельной аноду, удаётся получить импульсы длительностью < 10 -7 с. При произвольной ориентации трека ширина импульса определяется разностью во временах дрейфа первичных электронов от начала (А )и конца (В )трека до анода (рис. 2). Эти времена могут достигать 0,1-10 мкс. Такого же порядка и время задержки импульса на выходе П. с. с момента первичной ионизации, что ограничивает возможности использования П. с. в совпадений методе .

Рис. 6. Временное развитие сигнала при различных .

Энергетическое разрешение . Статистич. флуктуации в кол-ве первичных ионов n 0 , а также флуктуации М "размывают" амплитуду импульсов и определяют предельно достижимое энергетич. разрешение П. с. (эти компоненты приблизительно равны по величине друг другу). Энергетич. разрешение приближённо выражается соотношением

Увеличение разброса амплитуды импульсов могут вызывать конструкционные несовершенства, приводящие к искажению распределения электрич. поля у анода, причём наиб. важным является постоянствопо длине П. с., напр. 1 мкм может вызвать разброс амплитуд ~50%. Большое влияние на энергетич. разрешение оказывают стабильность V 0 (0,05%) и чистота газа. Для инертных газов, СO 2 , СН 4 и т. д. не наблюдается прилипания электронов, но присутствие даже незначит. кол-ва (<0,1%) электроотрицат. молекул Н 2 О, СО, О 2 , С 2 и т. д. приводит к значит. ухудшению энергетич. разрешения, т. к. амплитуда импульса становится зависимой от места образования первичных электронов. Добавки нек-рых газов с потенциалом ионизации, меньшим потенциала ионизации осн. газа, могут приводить к уменьшению ср. энергии, затраченной на образование пары ионов, следовательно к улучшению разрешения.

Временные характеристики . Макс. скорость регистрации П. с. зависит от давления и состава газовой смеси и толщины анодной проволоки. При больших скоростях регистрации происходит ослабление электронной лавины, образовавшейся в нерелаксированном пространственном заряде от предыдущей лавины. Это ослабление распределено по случайному закону и вызывает не только уменьшение амплитуды импульсов, но и ухудшает энергетич. разрешение. При М =10 4 10 5 макс. скорость счёта составляет 10 5 - 10 6 с -1 . Для П. с. практически нельзя указать интервал времени, в к-ром он вообще бы не реагировал на . Это обстоятельство позволяет использовать П. с. для детектирования излучения высокой интенсивности. При этом часто достаточно регистрировать не отд. импульсы, а средний ионный ток с помощью интегрирующих схем.

Применение . Эффективность П. с. к a-частицам, осколкам , протонам, электронам и мягким g-квантам близка 100%. Для регистрации этих частиц в П.с. предусмотрены "окна" из тонкой слюды или органич. плёнок. Иногда источник излучения помещается внутри объёма П. с. Для регистрации и с энергиями до 1 МэВ используются П. с. высокого давления (до r = 150 атм) в магн. поле. Измерение энергии g-квантов связано с в наполняющем газе. Длядо 1020 кэВ эффективность П. с. 80%, а для большихнеобходим Хе (рис. 7; см. Гамма-излучение ).

П. с. используется для измерения малых уд. активностей. От Гейгера счётчика его выгодно отличает способность выделять моноэнергетич. линии от отд. радионуклидов на фоне непрерывно распределённого фона в широком энергетич. интервале от 1 до 10 3 кэВ.

Как спектрометр П. с. уступает полупроводниковым детекторам , однако надёжность и простота дают возможность применять его, если не требуется высоко-энергетич. разрешение. П. с. позволяет работать в области энергий ~0,2 кэВ, где полупроводниковый детектор неприменим. По сравнению со сцинтилляционным детектором П. с. имеет лучшее энергетич. разрешение, меньшие шумы, нечувствителен к магн. полю. П. с. работает в диапазоне темп-р ~10-10 3 К.

П. с. применялся при изучении бета-распада ядер (оценки массы ), исследовании тонкой структуры-спектра, изомерных состояний ядер (см. Изомерия ядерная ),при обнаружении захвата ядром L -электрона (см. Электронный захват ),исследовании слабых конверсионных пиков (см. Конверсия внутренняя )и в др. случаях. Он используется также в астрофизике, археологии, геологии, медицине и т. д. Нек-рое пром. применение основано на зависимости лавинного разряда от напряжённости поля у анода и чистоты наполняющего газа (контроль диаметра и качества поверхности микроприводов, газоанализатор в газовой хромографии и т. д.). С помощью установленного на "Луноходе-1" П. с. по рентг. флюоресценции производился элементный анализ вещества поверхности Луны. Лит.: Rice-Evans P., Spark, streamer, proportional and drift chambers, L., 1974; Sau1i F., Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers, Gen., 1977; 3aневский Ю. В., Проволочные детекторы элементарных частиц, М., 1978; Sanada J., Growth the avalanche about the anode wire in a gas counter, "Nucl. Instr. and Meth.", 1982, v. 196, p. 23; Sau1i F., Basic processes in time-projection like detectors, в кн.: Time projection chamber 1-th workshop., Vancouver, 1983, N. Y., 1984; Ионизационные намерения в высоких энергий, М., 1988. А. П. Стрелков, Б. Ситар .

1.3 Пропорциональный счётчик

Пропорциональный счётчик, газоразрядный прибор для регистрации ионизирующих излучений, создающий сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии регистрируемой частицы, теряемой в его объеме на ионизацию.

Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением, что даёт возможность регистрировать частицы с энергией <10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах «тонут» в шумах усилителя.

Работа пропорционального счётчика основана на явлении газового усиления.

Газовое усиление это увеличение количества свободных зарядов в объёме детектора за счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Возникшие при этом новые электроны в свою очередь успевают приобрести энергию достаточную для ионизации ударом. Таким образом, к аноду будет двигаться нарастающая электронная лавина. Это «самоусиление» электронного тока (коэффициент газового усиления) может достигать 103 -104 . Такой режим работы отвечает пропорциональному счётчику (камере) . В названии отражено то, что в этом приборе амплитуда импульса тока (или полный собранный заряд) остаётся пропорциональной энергии, затраченной заряженной частицей на первичную ионизацию среды детектора. Таким образом, пропорциональный счётчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых.

Заряженная частица, проходя через газ, наполняющий пропорциональный счётчик, создаёт на своём пути па ры ион - электрон, число которых зависит от энергии, теряемой частицей в газе. При полном торможении частицы в пропорциональном счётчике импульс пропорционален энергии частицы. Как и в ионизационной камере, под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы - к катоду. В отличие от ионизационной камеры вблизи анода пропорционального счётчика поле столь велико, что электроны приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. В результате вместо каждого первичного электрона на анод приходит лавина электронов и полное число электронов, собранных на аноде пропорционального счётчика, во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного

числа собранных электронов к первоначальному количеству называется коэффициентом газового усиления (в формировании импульса участвуют также и ионы).

Рис. 14. Счётная характеристика пропорционального счётчика, полученная с комбинированным источником β и α -частиц.

Отношение числа ионов n, образовавшихся в результате газового усиления, к первоначальному числу ионов n0 ,

образованных частицей, называется коэффициентом газового усиления М

10 ≤ М ≤ 10000 . Коэффициент М выбирается в зависимости от энергии частицы, рода работы (счёт или измерение энергии) и оптимального соотношение сигнал-шум. При измерении энергии величину М стремятся брать по возможности меньше, т.к. в этом случае напряжение на счётчике соответствует более пологому участку его вольт-амперной характеристики и не требуется слишком высокая стабильность напряжения от источника питания. При счёте частиц высокая стабильность напряжения не нужна, и можно использовать высокие значения М , включая и область ограниченной пропорциональности.

Газовое усиление имеет место при любой

геометрии электродов, однако наибольшее распространение получили цилиндрические пропорциональные счётчики, для которых характерны

низкие значения рабочего напряжения, широкие возможности применения и компактность.

Рис. 15. Схема пропорционального счётчика в продольном (а ) и поперечном (б ) разрезах (аналогично устроен счетчик Гейгера и цилиндрическая ионизационная камера): 1 − нить-анод, 2 −

цилиндрический катод, 3 − изолятор, 4 − траектория заряженной частицы, 5 − электронная лавина. Электроны и ионы, созданные частицей в результате первичной ионизации атомов инертного газа, показаны соответственно темными и белыми кружочками.

Конструктивно пропорциональный счётчик обычно изготавливают в форме цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра, что обеспечивает вблизи анода напряженность электрического поля значительно бoльшую, чем в остальной области детектора. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт напряжённость поля вблизи нити-анода может достигать 40000 вольт/см., в то время как у катода она равна сотням в/см. Диаметр нити (вольфрам или сталь) выбирают в пределах от 0,05 до 0,3 мм. Поверхность нити полируют, так как незначительные шероховатости поверхности сильно искажают электрическое поле вблизи собирающего электрода.

Рис. 16. Конструкция цилиндрического пропорционального счётчика: 1 – собирающий электрод; 2 – охранное кольцо; 3 – изолятор; 4 – корпус.

Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь электроны дрейфуют под действием поля без «размножения». Пропорциональный счётчик заполняют инертными газами (рабочий газ не должен поглощать дрейфующие электроны) с добавлением небольшого количества многоатомных газов, которые поглощают фотоны, образующиеся в лавинах. Давление газа изменяется в широких пределах – от 50 до 760 мм рт. ст.

Для корпуса счётчика пригодны медь, латунь, алюминий и другие материалы. Минимальная толщина стенок δ 0,05 мм ограничивается прочностью материалов и условием герметичности рабочего объёма. Корпус счётчика, наполненного газом под небольшим давлением, должен выдерживать внешнее атмосферное давление.

Рис. 17. Конструкция 4π -счётчика для измерения абсолютной β -

активности: 1 – диафрагма; 2 – держатель источника; 3 – резиновое уплотнение; 4 – собирающий электрод.

Абсолютную β -активность источников измеряют 4π -счётчиками (Рис.17 ), представляющими собой спаренные полусферические пропорциональные счётчики. Внутрь каждой полусферы на фольге, расположенной симметрично относительно счётчиков. Он испускает β - частицы в телесный угол 4π . Почти все испущенные β -частицы регистрируются счётчиком, и его скорость счёта приблизительно равна активности источника. При определении активности 4π -счётчиком вводят поправки на поглощение β -частиц в фольге и слое активного вещества. Кроме сферических применяют и другие формы 4π -счётчиков. Катоды 4π - счётчиков могут быть прямоугольными и полуцилиндрическими.

Рис.18. Схема включения пропорционального счётчика.

Типичные характеристики пропорционального счётчика: коэффициент газового усиления ~ 103 -104 (но может достигать 106 и больше); амплитуда импульса ~ 10-2 в при ёмкости пропорционального счётчика с. около 20 пкф ; развитие лавины происходит за время ~ 10-9 - 10-8 сек, однако момент появления сигнала на выходе счётчика зависит от

места прохождения ионизующей частицы, т. е. от времени дрейфа электронов до нити. При радиусе ~ 1 см и давлении ~ 1 атм время запаздывания сигнала относительно пролёта частицы ~ 10-6 сек. По энергетическому разрешению пропорциональный счётчик превосходит сцинтилляционный счётчик, но уступает полупроводниковому детектору. Однако пропорциональные счётчики позволяют работать в области энергий < 1 кэВ , где полупроводниковые детекторы неприменимы.

Рис. 19. Блок-схема пропорционального счетчика: 1 –

пропорциональный счётчик; 2 – высоковольтный стабилизированный источник напряжения; 3 – широкополосный линейный усилитель; 3а – выносной блок усилителя (катодный повторитель); 4 – амплитудный дискриминатор; 5 – регулирующее устройство; 6 – импульсный осциллограф.

Если ещё больше увеличить разность потенциалов между анодом и катодом и увеличить коэффициент газового усиления до значений >104 , то начинает нарушаться пропорциональность между потерянной частицей в детекторе энергией и величиной импульса тока. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счётчик частиц. Временнoе разрешение пропорционального счетчика может достигать10-7 с.

Скорость счёта импульсов при постоянной интенсивности излучения и чувствительности системы зависит от напряжения на электродах. Эту зависимость называют счётной характеристикой. На участке напряжений U>U 0 счётная характеристика имеет горизонтальный участок (плато), на котором скорость счёта постоянна. Амплитуда импульса от всех заряженных частиц на плато больше порога чувствительности схемы. Поэтому схема регистрирует все заряженные частицы, поступающие в пропорциональный счётчик.

Плато пропорциональных счётчиков для α -частиц начинается при небольших напряжениях. Резкий выход на плато наблюдается только для параллельного пучка моноэнергетических α -частиц. Если α -частицы движутся в газе с неодинаковыми энергиями по различным направлениям, то происходит плавный подход к плато в более высокой области напряжений. Для β -частиц плато достигается или при использовании высокочувствительных схем, или при наполнении газом под давлением больше 1 атм. Это один из недостатков пропорциональных счётчиков, затрудняющих их применение для регистрации β -частиц.

Плато наклонно к оси напряжений под небольшим углом. Наклон плато (0,1%) объясняется появлением ложных разрядов в газе, обусловленных первичной ионизацией от посторонних источников.

Пропорциональный счётчик, работающий на плато, регистрирует все заряженные частицы. В области ниже плато не все частицы регистрируются счётчиком и его эффективность уменьшается. Поэтому наиболее приемлем режим работы пропорционального счётчика в области плато, на котором эффективность для заряженных частиц близка к 100%.

Пропорциональные счётчики используются для регистрации всех видов ионизирующих излучений. Существуют пропорциональные счётчики для регистрации α - частиц, электронов, осколков деления ядер и т.д., а также для нейтронов, гамма- и рентгеновских квантов. В последнем случае используются процессы взаимодействия нейтронов, γ - и рентгеновских квантов с наполняющим счётчик газом, в результате которых образуются регистрируемые пропорциональным счётчиком вторичные заряженные частицы.

Пропорциональный счётчик сыграл важную роль в ядерной физике 30 - 40-х гг. 20 в., являясь наряду с ионизационной камерой практически единственным спектрометрическим детектором. Второе рождение пропорциональный счётчик получил в физике частиц высоких энергий в конце 60-х гг. в виде пропорциональной камеры, состоящей из большого числа (102 -103 ) пропорциональных счётчиков, расположенных в одной плоскости и в одном газовом объёме. Такое устройство позволяет не только измерять ионизацию частицы в каждом отдельном счётчике, но и фиксировать место её прохождения. Типичные параметры пропорциональных камер: расстояние между соседними анодными нитями ~ 1 - 2 мм,

расстояние между анодной и катодной плоскостями ~1 см ; разрешающее время ~ 10-7 сек.

Рис. 20. Схема пропорционального счетчика: а - область дрейфа электронов; б - область газового усиления.

Развитие микроэлектроники и внедрение в экспериментальную технику ЭВМ позволили создать системы, состоящие из десятков тысяч отдельных нитей, соединённых непосредственно с ЭВМ, которая запоминает и обрабатывает всю информацию от пропорциональной камеры. Таким образом, она является одновременно быстродействующим спектрометром и трековым детектором. В 70-х гг. появилась дрейфовая

камера, в которой для измерения места пролёта частицы используется дрейф электронов, предшествующий образованию лавины. Чередуя аноды и катоды отдельных пропорциональных счётчиков в одной плоскости, и измеряя время дрейфа электронов, можно измерить место прохождения частицы через камеру с высокой точностью (~ 0,1 мм ) при числе нитей в 10 раз меньше, чем в пропорциональной камере. Пропорциональные счётчики применяются не только в ядерной физике, но и в физике космических лучей, астрофизике, в технике, медицине, геологии, археологии и т.д. Например, с помощью установленного на «Луноходе-1» пропорционального счётчика по рентгеновской флюоресценции производился химический элементный анализ вещества поверхности Луны.

Использование газового усиления в пропорциональных счётчиках даёт возможность значительно повысить чувствительность измерений по сравнению с ионизационными камерами, а наличие

пропорциональности усиления в счётчиках позволяет определять энергию ядерных частиц и изучать их природу, так же, как и в ионизационных камерах.

Пропорциональные счётчики используются для регистрации числа ионизирующих частиц, определения их энергии (импульсный режим), а также для измерения потоков излучения по среднему току (интегральный режим), аналогично ионизационным камерам с соответствующими режимами работы.

Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бета-частиц, протонов, гаммаквантов и нейтронов. Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном. При регистрации заряженных частиц и гамма-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объём счетчика. Эффективность регистрации для мягких гамма-квантов с энергией меньше 20 кэВ более 80%. Для повышения эффективности регистрации более энергетичных гамма-квантов используют ксенон.

Необходимым условием регистрации заряженной частицы или γ -кванта является создание ими в рабочем объеме счетчика хотя бы одной пары ионов. Для любой ионизирующей частицы вероятность такого события близка к единице. Гамма-кванты обладают большой проникающей способностью и для них вероятность образования в газе счетчика вторичного электрона, а, следовательно, и вероятность регистрации, составляет малые доли от единицы.

При прохождении гамма-кванта через рабочий объем счетчика он создает вторичный электрон в результате фотоэффекта и эффекта образования пар. Однако для гамма-квантов малых энергий имеет значение только фотоэффект (пороговая энергия для эффекта образования пар равна 1.01 МэВ). Сечение фотоэффекта увеличивается с увеличением атомного номера вещества как Z 5 . Поэтому, для увеличения эффективности регистрации фотонов, необходимо счетчик наполнять газом с большим Z (криптон или ксенон).

Поскольку пропорциональные счетчики используются в основном для измерения излучения малых энергий (порядка десятков килоэлектронвольт), то определенные требования предъявляются к материалу окна, пропускающего излучение в рабочий объем счетчика. Материал окна выбирается таким, чтобы поглощение в нем для исследуемого диапазона энергий было минимальным. Типичным пропорциональным счётчиком является детектор с бериллиевым окном толщиной 70 мкм, наполненный смесью газов 90% Xe + 10% CH4 до общего давления Р = 0,8 атм. Такой счётчик имеет почти 100% эффективность при энергии γ - квантов 10 кэВ.

При регистрации нейтронов пропорциональные счетчики заполняются газами 3 He или 10 BF3 . Используются реакции

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0.764 МэВ

n + 10 B → 7 Li* + 4 He 7 Li + 4He + (0.48 МэВ) +2.3 МэВ (93%) n + 10 B → 7 Li + 4 He + 2.8 МэВ (7%).

Эффективное сечение последней реакции для тепловых нейтронов очень велико.

Нейтроны регистрируются с помощью заряженных частиц, возникающих в результате этих реакций и вызывающих ионизацию в счетчике. Вероятность регистрации быстрых нейтронов значительно меньше, чем медленных, и эффективности счетчиков быстрых нейтронов не превышают долей процента.

Механизм разряда в пропорциональном счетчике заключается в следующем. Заряженная частица, проходя через газ, наполняющий пропорциональный счётчик, создаёт на своём пути пары ион–электрон, число которых зависит от энергии, теряемой частицей в газе. Как и в ионизационной камере, под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы – к катоду. Но в отличие от ионизационной камеры первичные электроны на своём пути к аноду в электрическом поле счетчика приобретают энергию, достаточную для вторичной ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Возникшие при этом новые электроны, в свою очередь, приобретают энергию, достаточную для следующей ионизации. В результате вместо каждого первичного электрона на анод приходит лавина электронов, и полное число электронов, собранных на аноде пропорционального счётчика, во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного числа электронов, достигших анода, к количеству первичных электронов называется коэффициентом газового усиления, который для пропорционального счетчика достигает 10 3 –10 4 . Электрический импульс, возникающий в пропорциональном счётчике вследствие попадания в него частицы, пропорционален энергии этой частицы, а точнее энергии, затраченной частицей на первичную ионизацию среды детектора.

Следует заметить, что, кроме основного процесса образования электронной лавины – ударной ионизации, в пропорциональном счетчике существуют еще два механизма образования электронов. Первый заключается в том, что молекулы газа, переходящие в возбужденное состояние под действием электронов, возвращаясь в основное состояние, могут испускать не только электроны, но и фотоны, которые, попадая на поверхность электродов, вызывают фотоэффект. Фотоэлектроны, образовавшиеся на катоде, двигаясь к аноду, создают электронно-ионные лавины. Второй механизм заключается в том, что положительный ион при подходе к катоду, обладая сравнительно высокой энергией, может вырвать электрон, который, двигаясь к аноду, создает дополнительную лавину. Но для пропорциональных счетчиков описанные процессы являются вторичными, так как их вклад по сравнению с ударной ионизацией очень мал.

В общем случае конструктивно пропорциональный счетчик выполнен в виде цилиндра (рис. 5.5) и представляет собой катод-корпус и собирающий электрод, выполненный в виде металлической нити (вольфрам или сталь) диаметром 0,05–0,3 мм, натянутой по оси цилиндра. Верхний предел диаметра нити ограничивается очень высоким напряжением, которое необходимо подводить к счетчику, нижний предел – прочностью материала нити. Давление газов в корпусе изменяется в широких пределах – от 50 до 760 мм Hg и выше. Для регистрации α- и β-частиц внешних источников в корпусе счетчика вырезают входное окно. Его закрывают тонкой фольгой.

Рис. 5.5 Конструкция цилиндрического пропорционального счетчика

В связи с тем, что в отличие от ионизационных камер (работающих в режиме насыщения) пропорциональный счетчик обладает сравнительно крутой ВАХ, к применяемым для него источникам питания предъявляют гораздо более жесткие требования. Этим и объясняется предпочтение, отдаваемое иногда ионизационным камерам перед пропорциональными счетчиками в тех случаях, когда применимы оба типа детекторов.

Преимущество пропорциональных счетчиков перед ионизационными камерами заключается в том, что здесь импульсы значительно интенсивнее, поэтому пропорциональные счетчики используются для подсчета отдельных частиц.

Благодаря газовому усилению можно проводить счет ядерных частиц данного типа, используя вторичное электронное оборудование с гораздо меньшим усилением, чем в случае ионизационных камер, что значительно упрощает оборудование. Кроме того, при помощи пропорциональных счетчиков можно регистрировать частицы с меньшей энергией, чем в ионизационных камерах (уровень шумов электронного усилителя ограничивает величину импульса). Зависимость величины импульсов от начальной ионизации позволяет дискриминировать излучения, которые различаются по производимой ими ионизации. Например, α-частицы можно легко считать в присутствии β-частиц, благодаря большому различию в величине удельной ионизации. Импульсы от β-частиц имеют меньшую амплитуду и могут быть легко отсортированы (дискриминированы).

Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых детекторов. Мертвое время пропорционального счетчика может достигать 10 -7 с.

Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном и применяют для регистрации α-, β-частиц, протонов, γ-квантов и нейтронов. При регистрации заряженных частиц и γ-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации, используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объём счетчика. Эффективность регистрации для мягких γ-квантов с энергией менее 20 кэВ более 80 %. Для повышения эффективности регистрации высоко энергетических γ-квантов используют ксенон.

В случае дальнейшего повышения напряжения на электродах газового ионизационного детектора его работа переходит из области пропорциональности в область ограниченной пропорциональности (см. рис. 5.4). Эта область характеризуется возникновением в объеме счетчика значительного положительного объемного заряда, который искажает электрическое поле вблизи анода. В результате чего последующие электронно-ионные лавины развиваются уже в ослабленном поле, и эффективное сечение коэффициента газового усиления будет ниже. Кроме того, эффективный коэффициент газового усиления в этой области зависит от типа регистрируемой частицы. Так, для α-частиц, обладающих большой плотностью ионизации, он значительно меньше, чем для электронов (вольт-амперные кривые сходятся, см. рис. 5.4). При дальнейшем увеличении напряжения, подаваемого на счетчик, последний переходит в режим самостоятельного (коронного) разряда (область Гейгера).

5.1.3. Счетчики Гейгера–Мюллера

Газовые ионизационные счетчики, работающие в области самостоятельного или коронного газового разряда и названные по имени их создателей счетчиками Гейгера–Мюллера, конструктивно сходны с пропорциональными счетчиками. Они заполняются либо благородным газом (несамогасящиеся счетчики), либо смесью благородного газа, например аргона (12 кПа), и гасящего газа, например паров спирта (1,3 кПа). Этот тип счетчиков характеризуется тем, что амплитуда электрического сигнала, который снят с нагрузочного сопротивления R 1 (см. рис. 5.3), зависит от напряжения питания счетчика, состава газовой среды, взятой для его наполнения, температуры и параметров RC счетчика (сопротивление–емкость).

Конструктивно счётчик Гейгера устроен так же, как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный инертным газом. К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал, к внешнему – отрицательный.

Функционально счётчик Гейгера в основном повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией (газовое усиление), который способен ионизовать всю область вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации, следовательно, счетчики Гейгера не различают частицы одного вида по энергиям. Также в отличие от пропорционального режима в гейгеровском режиме разряд распространяется по всей длине анодной проволочки. По это причине в таких детекторах невозможно одновременно зарегистрировать две заряженные частицы.

Принцип работы счетчика заключается в том, что ядерные частицы или γ-кванты, проникая в межэлектродное пространство счетчика, вызывают ионизацию молекул газа, образуя внутри счетчика положительные ионы и электроны, которые, ускоряясь в электрическом поле счетчика, приобретают энергию, достаточную для повторной ионизации нейтральных молекул. Вновь образующиеся ионы и электроны, ускоряясь в электрическом поле электродов счетчика, снова производят ионизацию и т.д. В результате происходит лавинообразное нарастание потока ионов и электронов. Одновременно с ионизацией образуются возбужденные атомы или молекулы, которые являются источником коротковолнового ультрафиолетового излучения. При взаимодействии фотонов с молекулами газа образуются фотоэлектроны, которые образуют новые центры разрядки. При этом электронная лавина распространяется вдоль всей нити. Величина импульсов больше не зависит от вида и энергии излучения, а определяется только напряжением и длиной нити счетчика. Коэффициент газового усиления лежит в интервале 10 8 –10 10 .Через очень короткий промежуток времени (~10 –8 с) весь объем счетчика охватывается разрядом. Так как подвижность положительных ионов на несколько порядков меньше подвижности электронов, электронная лавина собирается на аноде значительно раньше, чем перемещаются к катоду положительные ионы. При этом анод оказывается окруженным положительно заряженными ионами, что понижает напряженность электрического поля вблизи нити, в результате чего ионизация газа приостанавливается, а вместе с этим замедляется и активная стадия разряда.

В следующей стадии разряда катионы движутся от нити к катоду, вырывая из него электроны, образуя нейтральные молекулы и атомы газа. Возбужденные нейтральные молекулы и атомы, высвечиваясь ультрафиолетовым светом при достаточном приближении к катоду, могут вызвать появление новых электронов, которые способствуют образованию следующей лавины, и создают новую вспышку газового разряда. Разряд повторяется до тех пор, пока не будет прекращен какими-либо внешними причинами.

Для регистрации последующих заряженных частиц, попадающих в объем счетчика, разряд, вызванный предыдущей частицей, должен быть погашен в возможно малый интервал времени. Существуют два механизма гашения газового разряда, в связи с чем счетчики делятся на самогасящиеся и несамогасящиеся.

В случае несамогасящихся счетчиков, обычно заполненных аргоном, наиболее просто осуществить внешнее гашение, включая последовательно со счетчиком высокоомное сопротивление. Ток во внешней цепи счетчика заряжает выходную эквивалентную емкость С , напряжение V на счетчике в момент окончания разряда будет равно разности напряжения источника питания V ист и напряжения на выходной емкости V С . При минимальной разности потенциалов V мин на электродах счетчика, которая необходима для ускорения электронов до энергии ударной ионизации, в работе несамогасящихся счетчиков можно выбрать два режима.

Первый режим : емкость С заряжается во время первой ступени разряда до такого напряжения V С , что V < V мин, тогда разряд в счетчике прекращается. Выбитые в таком случае из катода вторичные электроны не могут вызвать вторичной ионизации.

Второй режим : емкость С зарядилась недостаточно. При этом вторичные электроны, возникшие у катода, будут вызывать новые лавины разряда до тех пор, пока не будет удовлетворяться неравенство V < V мин.

Первый режим счетчика выгоднее для работы, так как электрический сигнал на нагрузочном сопротивлении получится в несколько раз короче, чем во втором. Этот режим будет соблюдаться при условии, что величина емкости наименьшая, а сопротивление настолько большое, что разрядным током, проходящим через это сопротивление, во время зарядки емкости можно пренебречь.

С другой стороны, следует иметь в виду, что разряд, протекающий в счетчике, приводит к образованию возле нити положительно заряженного ионного облака. Напряженность электрического поля в пространстве между заряженным облаком и нитью счетчика настолько уменьшается, что последующее образование лавины становится невозможным, и счетчик в течение определенного времени, которое называется мертвым временем t м, не способен регистрировать другие ионизирующие частицы или γ-кванты. По истечении этого времени (t м) в счетчике может возникнуть самостоятельный разряд.

Однако вначале амплитуда импульса еще мала, и только когда пространственный заряд достигает поверхности анода, в счетчике образуются импульсы нормальной амплитуды. Отрезок времени между моментом, когда в счетчике возможен самостоятельный разряд, и моментом полного восстановления рабочего напряжения называется временем восстановления. Таким образом, дальнейший разряд с образованием последующего импульса может произойти лишь после восстановления прежнего напряжения на электродах счетчика. После чего счетчик готов к регистрации последующей частицы.

В самогасящихся счетчиках газовый разряд протекает иначе. В газовой смеси этих счетчиков, кроме аргона, содержатся пары многоатомных газов: спирта, углеводородов и т.п. При этом потенциал ионизации многоатомного газа должен быть ниже, чем потенциал ионизации основного газа, наполняющего счетчик. За время движения частицы через счетчик происходит ионизация; электроны, двигаясь к нити, вызовут лавинный разряд, в котором возникнут новые электроны, положительные ионы, возбужденные атомы и молекулы.

Ультрафиолетовое излучение возбужденных атомов аргона полностью поглощается молекулами спирта во всем объеме, окружающем нить. Поэтому в самогасящихся счетчиках не будет проходить фотоэмиссии электронов с катода. Разряд распространяется вдоль нити, переходя от точки к точке, так как фотоны создают электроны только вблизи места своего возникновения.

В результате разряда образуются положительные ионы спирта, спирт обладает меньшим потенциалом ионизации, чем аргон, поэтому ионов аргона при таком процессе ионизации будет очень мало. Положительные ионы спирта, двигаясь к катоду, вырывают из него электроны и превращаются в возбужденные молекулы. Длительность жизни возбужденной молекулы спирта мала по сравнению с временем, необходимым для того, чтобы эта молекула приблизилась к катоду на расстояние, достаточное для вторичной эмиссии.

Ионы аргона в результате столкновения с молекулами спирта захватывают электроны из этих молекул и превращаются в нейтральные атомы. Эти атомы переходят из возбужденного в нейтральное состояние, испуская фотон, который поглощается молекулами спирта.

Таким образом, ионы аргона не достигают катода и не могут вызвать вторичной эмиссии электронов, разряд в счетчике прекращается. В самогасящемся счетчике процесс разряда является одноступенчатым. Постоянная времени (RC ) слабо влияет на длительность разряда.

Важнейшим преимуществом самогасящихся счетчиков является то, что их разрешающее время значительно меньше. Однако, поскольку диссоциация многоатомных органических молекул – процесс необратимый, то в процессе работы количество газа-гасителя в счетчике уменьшается, и счетчик постепенно приходит в негодность. Т.е. срок службы самогасящегося счетчика существенно короче, чем несамогасящегося. Так же к недостаткам высоковольтных счетчиков можно отнести высокое рабочее напряжение и малую максимальную скорость счета (большое мертвое время).

Хорошим заменителем органических молекул в самогасящихся счетчиках служат галогены. Наиболее часто используются соединения типа этилбромида. Молекулы галогенов легко отдают электроны при столкновении с положительными ионами аргона. Возбужденные молекулы галогенов расходуют свою энергию возбуждения на диссоциацию, следовательно, галогены обладают гасящими свойствами. Счетчики Гейгера–Мюллера, в которых газом-гасителем служат галогены, называют галогенными.

Галогены имеют значительно больший порядковый номер, чем органические вещества. Они эффективнее поглощают фотоны. Поэтому добавка галогенов к аргону составляет всего 0,1 % вместо 10–15 % органических молекул. Кроме того, диссоциация молекул галогенов – обратимый процесс. Атомы галогенов при столкновении рекомбинируют в молекулу, вследствие чего число молекул галогенов в счетчике остается неизменным. Это выгодно отличает галогенные счетчики от счетчиков, где в качестве гасящих добавок используются пары органических веществ. Кроме того, эти счетчики в отличие от органических имеют высокую скорость счета (до 10 5 имп./мин), низкое рабочее напряжение (порядка 360–400 В) и практически неограниченный срок службы.

Недостатком же галогенных счетчиков является длительное время развития разряда с момента попадания ионизирующей частицы. Это время на два порядка выше, чем у высоковольтных счетчиков.

Для регистрации ионизирующих частиц в зависимости от их природы и энергии применяют счетчики Гейгера–Мюллера различных типов. Измерение мягкого β-излучения с энергией ниже 0,5 МэВ проводится торцевыми счетчиками. Счетчики этого типа имеют специальное окошко, закрытое слюдой толщиной порядка 0,9–6 мг/см 2 .

Счетчики с цилиндрическим корпусом из алюминия и толщиной стенки 0,1 мм используются для измерения β-излучения с энергией выше 0,4–0,5 МэВ.

Цилиндрические счетчики со стеклянным корпусом и металлизированной внутренней поверхностью предназначены для измерения γ-излучения. В случае регистрации γ-квантов ионизация в объеме счетчика возникает от электронов, которые выбиваются из корпуса стенок и вещества катода.

Из-за значительного разрешающего времени и отсутствия энергетического разрешения счетчики Гейгера–Мюллера имеют ограниченное применение в метрологии.

Кроме того, газонаполненные детекторы имеют два общих недостатка. Во-первых, низка плотность газа, и энергия, теряемая частицей в объёме детектора, мала, что не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизирующие частицы. Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон–ион в газе, велика (30–40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое разрешение.

Проанализируем сначала поведение газонаполненных газоразрядных трубок, которые схематически изображены на рис. 6.4. Что произойдет, если увеличивать напряжение между центральной проволочкой и корпусом камеры? Выходной сигнал меняется в зависимости от приложенного напряжения (рис. 6.5). На графике показан выходной сигнал устройства при прохождении через него электрона и -частицы. При этом различные участки кривых отражают следующее:

Рис. 6.4. Газонаполненный детектор и устройство для регистрации импульсов тока от ионизирующих частиц, проходящих через газовый объем .

Рис. 6.5. Выходной импульс газонаполненного детектора, показанного на рис. 6.4, как функция напряжения Штриховая горизонтальная линия - уровень дискриминации для счетчика Гейгера - Мюллера. Две кривые являются откликом на быстрый электрон и ядро гелия а. Диапазоны описаны в тексте .

Рис. 6.6. Принцип устройства пропорционального счетчика, используемого в рентгеновской астрономии.

A. Имеется заметная рекомбинация, так что не все свободные электроны, появившиеся в результате прохождения заряженной частицы, достигают анода.

B. Напряжение достигло достаточной величины, чтобы рекомбинация стала незначительной.

C. Это очень важная область. При таких напряжениях свободные электроны, достаточно близко подошедшие к аноду, приобретают энергию, достаточную для образования новых электрон-ионных пар. Это может привести к очень сильному увеличению амплитуды импульса напряжения на выходе, который далее регистрируется электронной схемой счетчика. На практике стараются подавать на эти устройства как можно более высокое напряжение. Его поднимают до тех пор, пока сохраняется линейность выходного сигнала счетчика, т.е. прка полное число вторичных электрон-ионных пар пропорционально числу электрон-ионных пар, образовавшихся при прохождении космической частицы. Этот участок называют областью пропорциональности, а устройства, работающие в таком режиме, - пропорциональными счетчиками.

D. Пропорциональность исчезает.

E. При самых высоких напряжениях любая частица, производящая даже минимальную ионизацию, даст на выходе импульс большой амплитуды. В этом случае устройство работает в режиме насыщения.

Пропорциональные счетчики по своей важности стоят далеко впереди всех таких устройств. Правда, из-за малости их размеров по сравнению с пробегами энергичных частиц они редко используются для регистрации заряженных частиц (хотя, конечно, они срабатывают, когда частица космических лучей проходит через их чувствительный объем). Они находят применение главным образом как детекторы рентгеновского излучения в области энергии Именно с помощью таких детекторов было сделано большинство последних крупнейших открытий в рентгеновской астрономии (см. ниже). Рассмотрим более подробно конструкцию, чувствительность и частотную характеристику детекторов, устанавливаемых на спутниках и ракетах (рис. 6.6). Рентгеновский фотон проникает через входное

окно в объем внутри корпуса и поглощается вследствие фотоэффекта в газе, выбивая фотоэлектрон. Возбужденный атом переходит в основное состояние, излучив флуоресцентный рентгеновский квант, либо испустив электрон Оже. Фотоэлектрон обладает достаточной энергией, чтобы ионизовать другие атомы газа, так что в конце концов, как и в случае ионизационных потерь, на каждые энергии падающего рентгеновского фотона образуется одна электрон-ионная пара. Эти пары дрейфуют в область большой напряженности, где число пар увеличивается в раз, после чего регистрируется сигнал. Такой коэффициент усиления достаточен, чтобы возник ощутимый для регистрации электронной схемой сигнал.

Рассмотрим энергетическую функцию отклика детектора. Вероятность поглощения фотона с энергией Ни в газе счетчика равна

где коэффициенты поглощения, толщина окна и глубина газового промежутка соответственно. Рассмотрим процесс поглощения на -оболочки атомов различных материалов. Типичная кривая массового коэффициента поглощения показана на рис. 4.1. Между пределами

Рис. 6.7. Вероятность поглощения рентгеновского фотона в базовом объеме пропорционального счетчика с аргоновым наполнением без учета поглощения в окне; сечение фотоэлектрического поглощения, толщина слоя газа.

Рис. 6.8. Вероятность поглощения рентгеновского фотона в газовом объеме пропорционального счетчика (рис. 6.7) с окном из органического материала, такого, как майлар.

поглощения сечение поглощения о пропорционально а поэтому для входного окна подбирается материал с малым а газ - с максимально возможным

Рассмотрим теперь как функцию энергии для детектора, наполненного аргоном, и входного окна, изготовленного из майлара (органической пластмассы). Если учитывать только аргон, то выходной сигнал имел бы вид, показанный на рис. 6.7. Поглощение в окне влияет на его форму и он имеет вид, как на рис. 6.8. Мы наблюдаем скачок, когда подходим к Копределу поглощения углерода, но в остальном выходной сигнал детектора в значительной мере определяется типом газа и материалом входного окна. Можно изготовить майларовую пленку толщиной до что составит толщина слоя аргона может достигать При производстве таких устройств, конечно, возникают значительные проблемы, например неизбежная для таких тонких окон утечка газа. Для работы на спутниках приходится использовать более толстые окна, что ограничивает рабочий диапазон энергий, так как для наблюдений доступны только фотоны с энергией выше Иногда окна изготавливаются из бериллиевой фольги. Для работы на самых низких энергиях, применяются очень тонкие окна, в этом случае необходима газопроточная система, поддерживающая давление газа в детекторе постоянным. Энергетическое разрешение можно улучшить с помощью фильтров, и, конечно, поскольку счетчик пропорциональный, мы получаем информацию об энергии каждого приходящего фотона по амплитуде выходного сигнала. Точность определения энергии фотона ограничена статистическими флуктуациями числа выбиваемых электронов. К примеру, при энергии фотона даже если бы эффективность детектора достигала 100%, образуется около 300 электрон-ионных пар, а статистическая точность должна быть хуже, чем т.е. в самом лучшем случае 5%. Обычно она несколько хуже.

Отметим, что устройства заполняются инертными газами, а это означает, что большая часть энергии фотона переходит в кинетическую энергию электронов. Если бы использовался молекулярный газ, то какая-то часть его энергии перераспределялась между уровнями, соответствующими колебательным и вращательным степеням свободы.

В пропорциональных счетчиках облако электронов довольно компактно, поэтому можно придумать такую схему прибора, которая позволяла бы определять место регистрации каждого рентгеновского кванта. Это осуществляется в позиционно-чувствительных детекторах. Положение точки, в которой облако электронов достигает анода, можно измерить по отношению зарядов, снимаемых с каждого конца проволочки, так как заряд, растекаясь вдоль проволочки в противоположных направлениях, распределяется обратно пропорционально длине отрезка от точки собирания до конца проволочки. Чтобы определить вторую координату места регистрации, можно использовать многопроволочные аноды, и та проволочка, по которой течет заряд, как раз и дает координату в направлении, ортогональном аноду. Альтернативной схемой является установка двух плоскостей взаимно перпендикулярных анодных и катодных проволочек, по которым локализуется каждое событие.

Такая модификация особенно важна для рентгеновских телескопов, в которых производится фокусировка рентгеновских лучей в фокальной плоскости и регистрируется двумерное изображение рентгеновского неба.