Исследование зависимости коэффициента газового

Лабораторная работа

Содержание

Введение…………………………………………………….4

Контрольное задание ….….......……………………….…11

Лабораторная установка…………….……………….…..11

Рабочее задание……………………...………………….....14

1. Исследование зависимости коэффициента газового

усиления от напряжения на электродах ……………...15

2. Исследование аппаратурной формы линии

детекторов, работающих в режиме газового

усиления и в режиме ионизационной камеры……..…18

Обработка результатов…………….…………………….19

Контрольные вопросы и задания…......……………….......20

Список литературы………………………………………...20

 

 

ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ

Цель работы: изучение принципа действия и основных характеристик пропорционального газонаполненного детектора, используемого для регистрации тепловых нейтронов.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Газонаполненный пропорциональный детектор относится к ионизационным детекторам, работающим в режиме газового усиления.

Принцип работы газового пропорционального детектора вначале рассмотрим на примере регистрации заряженных частиц.

При прохождении через газ заряженная частица, теряя энергию E _п, образует на своем треке в среднем N ₀ электронно-ионных пар (первичная ионизация), определяемых соотношением N ₀ = E _п/w, где w – средняя энергия, затраченная на образование одной пары. Электроны и ионы под действием внешнего электрического поля дрейфуют в газе. Если напряженность электрического поля в детекторе достаточно велика, то электроны, созданные частицей в рабочем объеме, на длине свободного пробега набирают энергию, достаточную для ионизации молекул или атомов газа при соударении с ними (ударная ионизация).

Если на пути в 1 см по направлению электрического поля электроны испытывают a соударений, приводящих к ионизации, то количество пар ионов, образованных N электронами в слое dx, определяется выражением:

dN = N a(x)dx,

где a - коэффициент ударной ионизации.

Тогда количество пар ионов во всей лавине составляет:

 

N = N ₀exp , (1)

где x ₁ – координата места первичной ионизации; х ₂ – координата конца лавины.

Увеличение числа пар ионов за счет ударной ионизации характеризуется коэффициентом газового усиления m, равным отношению полного числа пар ионов N в лавине к числу пар ионов N ₀, первоначально созданных регистрируемой частицей: m = N/N ₀.

Из формулы (1) видно, что количество пар ионов, образованных в лавине, определяется не только значениями N ₀ и a, но и местом первичной ионизации. Следовательно, величина заряда Q, индуцированного во внешней цепи ионизационного детектора с газовым усилением, которая пропорциональна числу дрейфующих зарядов Q ~ mN ₀~ N, будет также зависеть от координаты трека частицы.

Очевидно, что в детекторе с газовым усилением заряд Q, индуцированный во внешней цепи, будет пропорционален энергии потерянной заряженной частицей Е _п, только в случае, если каждый первичный электрон независимо от места его образования создает в процессе усиления в среднем одно и то же количество пар ионов. Такое условие выполняется, в частности, в детекторах цилиндрической формы, в которых диаметр катода – цилиндра много больше диаметра анода – металлической нити, натянутой по оси цилиндра (рис.1).

Действительно, электрическое поле E резко неоднородно вдоль направления r,т.к. E = U ₀/(rln (r _к/ r _а)), где U ₀ – разность потенциалов на электродах, r _к и r _а – радиусы катода и анода соответственно. Поэтому коэффициент ударной ионизации a оказывается отличным от нуля лишь в очень малом объеме, прилегающем к нити. Следовательно, для всех первичных электронов условия образования лавин одинаковы и не зависят от места прохождения частицы.

 

 

 

Рис.1. Зависимость напряженности электрического поля от радиуса в цилиндрическом детекторе

 

 

В этом случае для достаточно больших коэффициентов газового усиления m индуцированным зарядом от движения электронов первичной ионизации до места ударной ионизации можно пренебречь. Заряд Q во внешней цепи будет определяться числом электронов и ионов, образованных в области ударной ионизации, и, следовательно, только энергией частиц: Q ~ mN ₀ = mE _п / w. Поэтому детекторы с газовым усилением, имеющие цилиндрическую форму, являются пропорциональными детекторами.

Величина заряда Q, а также его изменение во времени, определяющее временные характеристики цилиндрического детектора с газовым усилением, зависят от сопротивления нагрузки R во внешней цепи и эквивалентной емкости С (суммарная емкость детектора и цепей, подключенных к нему).

Так как развитие лавин идет у анода на расстояниях, равных нескольким диаметрам нити, путь дрейфа электронов до анода оказывается малым. Поэтому основной вклад в величину заряда Q дает ток, возникающий во внешней цепи от дрейфа ионов к катоду.

Если выбрать RC >> Т ⁺ (Т ⁺ - время дрейфа ионов из области ударной ионизации до катода), то заряд во внешней цепи будет максимальным: Q _max = emN ₀, где e – заряд электрона. Однако необходимости выбирать RC >> Т ⁺ нет, так как основной вклад в амплитуду индуцированного заряда Q дает движение ионов в сильном поле вблизи анода. Оказывается, что уже при значениях RC ~ 10^-2 Т ⁺ (то есть, порядка нескольких микросекунд), величина заряда составляет около 50% от максимального значения. При этом, естественно, сохраняются пропорциональные свойства детектора, а его временное разрешение существенно улучшается.

С другой стороны, значение RC должно быть, по крайней мере на порядок больше Т ^- - времени дрейфа электронов первичной ионизации от катода к аноду. Действительно, если RC ≤ Т ^-, то в том случае, когда первичная ионизация производится частицами, пробеги которых сравнимы с размерами детектора, величина заряда Q будет зависеть от длины пробега ионизирующей частицы и ее направления, и пропорциональные свойства детектора нарушаются. Следует отметить, что на практике формирование импульсов с детектора достигается не изменением RC, а подбором полосы пропускания усилителя.

Эффект ударной ионизации является основным, но не единственным, определяющим развитие лавин в детекторе.

При дрейфе электронов в сильных электрических полях наряду с процессом ударной ионизации имеет место и возбуждение молекул или атомов газа. Возвращаясь в основное состояние, молекулы испускают фотоны, которые могут вызвать фотоэффект на катоде детектора. Фотоэлектрон, вышедший с поверхности катода, создает в области анода дополнительную ионизацию. Кроме того, если положительный ион, подходя к катоду из области ударной ионизации, имеет потенциальную энергию, которая превышает удвоенную работу выхода с поверхности катода, то может появиться еще один свободный электрон. Этот электрон на пути к аноду в свою очередь образует электронно-ионную лавину. Вероятность вторичных процессов на катоде в пропорциональном детекторе характеризуется коэффициентом γ, который существенно зависит от материала катода и свойств газа, наполняющего детектор (γ ~ 10^-4). Коэффициент газового усиления с учетом вторичных процессов M определяется как

М = m /(1-γ m)

Коэффициент газового усиления М зависит от напряжения U ₀, приложенного к электродам пропорционального детектора, причем так, что незначительная нестабильность (дрейф) источника питания может привести к существенным изменениям коэффициента М.

Коэффициент газового усиления М определяют экспериментально методом сравнения величин заряда на выходе газонаполненного пропорционального детектора Q _пд и того же детектора, работающего в режиме ионизационной камеры в отсутствие газового усиления Q _ик:

 

М = Q _пд/ Q _ик (2)

Соотношение (2) справедливо при условии полного собирания индуцированного заряда во внешней цепи детектора, то есть при RC >> Т ⁺. На практике для формирования сигнала величину RC обычно выбирают в границах Т ^- << RC << Т ⁺. Это приводит к неполному собиранию индуцированного заряда. Однако такой режим позволяет, во-первых, собрать значительную часть заряда от максимально возможного, во-вторых, уменьшить длительность импульса напряжения на выходе детектора по сравнению с режимом полного собирания, в-третьих, сохранить независимость амплитуды импульса от ориентации трека в объеме детектора, то есть сохранить режим пропорциональности. Очевидно, что при неполном собирании, соотношение (2) перестает быть корректным, так как доли собранного заряда в режиме ионизационной камеры и в режиме пропорционального детектора отличаются друг от друга. В этом случае можно ввести понятие экспериментального коэффициента внутреннего усиления детектора М _эксп, который является характеристикой не только процесса газового усиления в детекторе, но и способа формирования сигнала на его выходе.

М _эксп = Q _пд^эксп/ Q _ик^эксп,

где Q _пд^эксп и Q _ик^эксп - полученные в реальном эксперименте значения зарядов на выходе детектора, работающего в режиме пропорционального усиления и в режиме ионизационной камеры.

Газонаполненные пропорциональные детекторы нашли широкое применение в технике ядерно-физического эксперимента и, в частности, для регистрации медленных и тепловых нейтронов по (n, α) и (n,р) экзоэнергетическим реакциям. Заряженные частицы, образующиеся в результате таких реакций, теряют свою энергию и производят ионизацию рабочего вещества детектора. Таким образом, в отличие от процесса регистрации заряженных частиц регистрация медленных нейтронов идет в два этапа. На первом этапе происходит ядерная реакция с образованием заряженных частиц. Для этого в объем детектора необходимо ввести вещество, обладающее достаточно большим сечением (n,р) или (n,α) реакции.

На втором этапе происходит регистрация вторичных заряженных частиц – продуктов реакции. При этом выделившаяся энергия заряженных частиц преобразуется в электрический сигнал за счет ионизации вещества.

В газовых пропорциональных детекторах оба этапа регистрации удается реализовать при наполнении их газом ³Не или газом BF₃.

При захвате медленных нейтронов ядром ³Не идет реакция:

³Не + n ® ³Н + p,

W = 0,765 МэВ, где W – энергия реакции.

Сечение ³Не(n, p)³Н реакции для тепловых нейтронов составляет величину s₁ = 5327·10^-28м².

При захвате медленного нейтрона ядром ¹⁰В образуется ядро изотопа ¹¹В в возбужденном состоянии, которое практически мгновенно (10^-12с) распадается на альфа-частицу и ядро лития:

He + Li

^*

He + Li + γ

 

Сечение реакции для тепловых нейтронов (при комнатной температуре Е _n = 0,025 эВ) на изотопе ¹⁰В составляет величину s₂ = 3840·10^-28м², W = 2,78 МэВ. Для естественной смеси изотопов, в которой содержится 19,8% ¹⁰В и 80,2% ¹¹В, s₃(¹⁰В + ¹¹В) = 758·10^-28м².

Если образовавшееся ядро лития находится в основном состоянии, то в результате этой реакции выделяющаяся энергия W = 2,78 МэВ делится между ядром Li и альфа-частицей обратно пропорционально их массам. Однако при распаде ядра B ядро Li в 94% случаев оказывается в возбужденном состоянии. При переходе его в основное состояние испускается гамма-квант с энергией 0,48 МэВ (вероятность регистрации которого мала), и в виде кинетической энергии продуктов реакции выделяется энергия, равная 2,3 МэВ.

Заряженные частицы, образующиеся в (n,p), (n, α) реакциях, производят ионизацию в рабочем объеме газовых пропорциональных детекторов, и на их выходе индуцируется заряд Q _пд, величина которого пропорциональна числу пар ионов Q _пд ~ MN ₀, созданных ионизирующими частицами.

Поскольку в каждой из рассматриваемых ядерных реакций образуется одновременно две заряженные частицы (³Н + р или ⁴Не + ⁷Li), то сигнал на выходе вызван их суммарной ионизацией. Другими словами, величина Q _пд пропорциональна суммарной кинетической энергии W всех заряженных продуктов реакции и по отношению к этой энергии описанные выше "борный" и "гелиевый" детекторы обладают свойством пропорциональности. С другой стороны, сигнал на выходе рассматриваемых детекторов никакой информации об энергии регистрируемых медленных и тепловых нейтронов не несет, так как энергия нейтрона Е_n в этом случае значительно меньше энергии реакции W. Следовательно, Е_n + W ≈ W, т.е. величина заряда на выходе таких детекторов определяется только суммарной кинетической энергией всех заряженных продуктов реакции.

 

КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

При подготовке к лабораторной работе выполнить следующие задания.

1. Нарисовать ожидаемую зависимость амплитуды сигнала от напряжения на электродах газонаполненного пропорционального детектора в диапазоне напряжений 0,1–1,4 кВ. Предполагается, что детектор при малых напряжениях работает в режиме ионизационной камеры, а при больших напряжениях переходит в режим пропорционального газового усиления.

2. Нарисовать ожидаемое распределение импульсов по амплитудам для "борного" детектора, работающего в режиме пропорционального газового усиления и регистрирующего тепловые нейтроны. Учесть два канала реакции.

3. Как изменится рассмотренное в задании 2 распределение импульсов по амплитудам при увеличении энергии нейтронов в два раза?

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

 

Функциональная схема установки приведена на рис.2.

 

 

 

Рис.2. Функциональная схема установки

 

 

Исследуются характеристики двух газонаполненных цилиндрических детекторов, используемых для регистрации нейтронов. Первый детектор – счетчик СНМ-5 заполнен газом ВF₃ (давление ВF₃ – 0,027 МПа) с естественным содержанием изотопов ¹⁰В и ¹¹В и имеет диаметр катода d _к1= 35 мм, длину рабочей части h ₁ ≃ (250 ± 5) мм. Второй счетчик СНМ-16 заполнен смесью двух газов ³Не и аргон до давления 0,7 МПа (97% ³Не и 3% Ar), имеет диаметр катода d _к2=18,5 мм и длину рабочей части h ₂ ≃ (100 ± 5) мм. Счетчик СНМ-16 может работать как в пропорциональном режиме, так и в режиме коронного разряда. В данной работе изучается только пропорциональный режим работы СНМ-16.

Оба детектора размещены в каналах парафинового блока (диаметр блока 35 см, высота – 50 см). В центральном канале парафинового блока помещен радиоактивный препарат Pu-Be, испускающий быстрые нейтроны (активность 1,6·10⁵Бк), которые, проходя через слой парафина, теряют свою энергию и превращаются практически в тепловые нейтроны. Парафиновый блок окружен со всех сторон листовым кадмием, эффективно поглощающим тепловые нейтроны.

Счетчик СНМ-5 находится от источника нейтронов на расстоянии R ₁=(50±5) мм, СНМ-16 на расстоянии R ₂=(120±5)мм. В нерабочем положении источник нейтронов находится в нижней половине парафинового блока, отделенной от верхней половины прокладкой из кадмия. Во время измерений источник с помощью подвижного стержня, расположенного в центре крышки парафинового блока, следует поднять в верхнюю половину блока.

С помощью переключателя, размещенного в коробке на крышке парафинового блока, аноды детекторов поочередно подключаются к входу зарядочувствительного предусилителя БУС2-96. Коэффициент преобразования заряда в напряжение предусилителя БУС2-96 равен ~ 1,2·10¹² В/Кл.

Высокое напряжение отрицательной полярности одновременно подается на катоды детекторов от выпрямителя БНВ2-95 со стабилизацией напряжения ± 0,01%. Выходное напряжение блока регулируется в пределах от 0,1 до 2,5 кВ.

Полярность импульсов, поступающих от детекторов на предусилитель – отрицательная. С выхода предусилителя импульсы поступают на разъем «вход Б» основного усилителя БУС2-47, коэффициент усиления которого изменяется в пределах от 4 до 2048 с помощью ступенчатого переключателя коэффициента усиления «грубо» и регулятора плавного изменения коэффициента усиления «плавно» от 0,5 до 1 в пределах каждой ступени.

В схеме усилителя предусмотрен блок формирования импульсов, состоящий из интегрирующей t_и (t_и ³ 0,05 мкс) и дифференцирующей t_д (t_д ≤ 12,8 мкс) цепочек. Параметры формирующих цепей устанавливаются с помощью переключателей «Дифф. мкс» и «Интегр. мкс». С выхода усилителя БУС2-47 импульсы положительной полярности подаются на вход формирователя БУС2-06, который выполняет функции дискриминатора нижнего уровня, формирователя и усилителя сигналов. Коэффициент усиления тумблером «Усиление» в начале работы следует установить равным 1. «Выход экспанд.» блока БУС2-06 подключен к входу канала I осциллографа С1-83. С выхода «Выход формир.» блока БУС2-06 сформированные и усиленные в 2,5 раза сигналы подаются на вход многоканального амплитудного анализатора импульсов, который используется для измерения амплитуд импульсов, хранения и обработки информации. Анализатор выполнен на базе персонального компьютера, в системный блок которого встроена плата, содержащая амплитудно-цифровой преобразователь импульсов (АЦП) и память для хранения данных.

Максимальная амплитуда импульсов на входе анализатора не должна превышать 10 В.

Измерение индуцированного заряда во внешней цепи детектора, возникающего при регистрации нейтронов, основано на его сравнении с зарядом, поступающим в эту же цепь от генератора ВБ2-07, выход «ослабленный» которого через дозирующую емкость С _доз=1пФ (размещенную в предусилителе) соединен со входом предусилителя БУС2-96. Полярность импульсов генератора – отрицательная. Для измерения амплитуды импульсов от генератора используется канал II осциллографа С1-83.

Полученные экспериментальные амплитудные распределения студенты сохраняют в виде файлов на жестком диске персонального компьютера внутри папки «Student» в своей персональной папке.

 

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

Показать преподавателю результаты, полученные при выполнении контрольного задания, и, ответив на дополнительные вопросы, приступить к измерениям.

Перед началом работы проверить подключение блоков электронной аппаратуры в соответствии с функциональной схемой установки.

На передней панели блока БНВ2-95 установить переключатель высокого напряжения в положение 0,1 кВ.

ВНИМАНИЕ! В процессе работы не подавать на счетчики напряжение более 1400 В.

Включить тумблер «Сеть» на блоке низковольтного питания БНН2-22. Включить тумблер «Сеть» на всех остальных приборах. Дать приборам прогреться в течение 10-15 мин.

Порядок работы с амплитудным анализатором, программой обработки спектров, осциллографом С1-83 приводятся в отдельных инструкциях.

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. По результатам пункта 1 рабочего задания:

а) Построить зависимость заряда Q^эксп на выходе детектора от напряжения на его электродах для счетчиков СНМ-5 и СНМ-16. Отложить на графике ошибки.

б) Определить область работы детекторов в режиме ионизационной камеры и пропорционального усиления.

в) Рассчитать величину заряда Q _ик^расч, образующуюся на выходе детекторов, работающих в режиме ионизационной камеры, по формуле:

Q _ик^расч = eW/ w,

где e - заряд электрона; w(BF₃) = 35,3 эВ; w(³Не) = 30 эВ – средняя энергия ионообразования в газах BF₃ и ³Не; W – энергия продуктов соответствующих реакции.

Сравнить расчет с величиной Q _ик^эксп, полученной экспериментально.

г) Рассчитать и построить зависимость экспериментального коэффициента внутреннего усиления М _эксп от напряжения U ₀ для обоих детекторов. Вычислить ошибки полученных величин М _эксп.

2. По результатам пункта 2 рабочего задания:

а) Построить распределения импульсов по амплитудам для выбранных в процессе работы значений напряжений для детекторов СНМ-5 и СНМ-16.

б) Объяснить зависимость формы линии детекторов от режимов их работы.

в) Для счетчика СНМ-5, анализируя распределение, соответствующее пропорциональному режиму работы, установить связь между величиной энергии, выделенной в рабочем объеме детектора, и положениями максимумов в распределении.

г) Используя это же распределение, вычислить площади под максимумами, оценить их соотношение и сравнить с теоретическим значением, приведенным во введении.

 

Контрольные вопросы и задания

 

1. Почему в детекторах с газовым усилением используется цилиндрическая геометрия?

2. Обосновать выбор параметров формирующих цепей усилительного тракта, подключенного к газовому пропорциональному детектору.

3. Как осуществляется регистрация тепловых нейтронов газовыми детекторами?

4. Коротко изложить механизм газового усиления в пропорциональных детекторах.

5. Перечислить ядерные реакции, используемые для регистрации тепловых нейтронов.

 

Список литературы

 

1. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Ляпидевский В.К. Методы детектирования излучений. М.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Ободовский И.М. Сборник задач по экспериментальным

методам ядерной физики. М.: Энергоатомиздат, 1987.

Лабораторная работа

Содержание

Введение…………………………………………………….4

Контрольное задание ….….......……………………….…11

Лабораторная установка…………….……………….…..11

Рабочее задание……………………...………………….....14

1. Исследование зависимости коэффициента газового

усиления от напряжения на электродах ……………...15

2. Исследование аппаратурной формы линии

детекторов, работающих в режиме газового

усиления и в режиме ионизационной камеры……..…18

Обработка результатов…………….…………………….19

Контрольные вопросы и задания…......……………….......20

Список литературы………………………………………...20

 

 

ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ

Цель работы: изучение принципа действия и основных характеристик пропорционального газонаполненного детектора, используемого для регистрации тепловых нейтронов.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Газонаполненный пропорциональный детектор относится к ионизационным детекторам, работающим в режиме газового усиления.

Принцип работы газового пропорционального детектора вначале рассмотрим на примере регистрации заряженных частиц.

При прохождении через газ заряженная частица, теряя энергию E _п, образует на своем треке в среднем N ₀ электронно-ионных пар (первичная ионизация), определяемых соотношением N ₀ = E _п/w, где w – средняя энергия, затраченная на образование одной пары. Электроны и ионы под действием внешнего электрического поля дрейфуют в газе. Если напряженность электрического поля в детекторе достаточно велика, то электроны, созданные частицей в рабочем объеме, на длине свободного пробега набирают энергию, достаточную для ионизации молекул или атомов газа при соударении с ними (ударная ионизация).

Если на пути в 1 см по направлению электрического поля электроны испытывают a соударений, приводящих к ионизации, то количество пар ионов, образованных N электронами в слое dx, определяется выражением:

dN = N a(x)dx,

где a - коэффициент ударной ионизации.

Тогда количество пар ионов во всей лавине составляет:

 

N = N ₀exp , (1)

где x ₁ – координата места первичной ионизации; х ₂ – координата конца лавины.

Увеличение числа пар ионов за счет ударной ионизации характеризуется коэффициентом газового усиления m, равным отношению полного числа пар ионов N в лавине к числу пар ионов N ₀, первоначально созданных регистрируемой частицей: m = N/N ₀.

Из формулы (1) видно, что количество пар ионов, образованных в лавине, определяется не только значениями N ₀ и a, но и местом первичной ионизации. Следовательно, величина заряда Q, индуцированного во внешней цепи ионизационного детектора с газовым усилением, которая пропорциональна числу дрейфующих зарядов Q ~ mN ₀~ N, будет также зависеть от координаты трека частицы.

Очевидно, что в детекторе с газовым усилением заряд Q, индуцированный во внешней цепи, будет пропорционален энергии потерянной заряженной частицей Е _п, только в случае, если каждый первичный электрон независимо от места его образования создает в процессе усиления в среднем одно и то же количество пар ионов. Такое условие выполняется, в частности, в детекторах цилиндрической формы, в которых диаметр катода – цилиндра много больше диаметра анода – металлической нити, натянутой по оси цилиндра (рис.1).

Действительно, электрическое поле E резко неоднородно вдоль направления r,т.к. E = U ₀/(rln (r _к/ r _а)), где U ₀ – разность потенциалов на электродах, r _к и r _а – радиусы катода и анода соответственно. Поэтому коэффициент ударной ионизации a оказывается отличным от нуля лишь в очень малом объеме, прилегающем к нити. Следовательно, для всех первичных электронов условия образования лавин одинаковы и не зависят от места прохождения частицы.

 

 

 

Рис.1. Зависимость напряженности электрического поля от радиуса в цилиндрическом детекторе

 

 

В этом случае для достаточно больших коэффициентов газового усиления m индуцированным зарядом от движения электронов первичной ионизации до места ударной ионизации можно пренебречь. Заряд Q во внешней цепи будет определяться числом электронов и ионов, образованных в области ударной ионизации, и, следовательно, только энергией частиц: Q ~ mN ₀ = mE _п / w. Поэтому детекторы с газовым усилением, имеющие цилиндрическую форму, являются пропорциональными детекторами.

Величина заряда Q, а также его изменение во времени, определяющее временные характеристики цилиндрического детектора с газовым усилением, зависят от сопротивления нагрузки R во внешней цепи и эквивалентной емкости С (суммарная емкость детектора и цепей, подключенных к нему).

Так как развитие лавин идет у анода на расстояниях, равных нескольким диаметрам нити, путь дрейфа электронов до анода оказывается малым. Поэтому основной вклад в величину заряда Q дает ток, возникающий во внешней цепи от дрейфа ионов к катоду.

Если выбрать RC >> Т ⁺ (Т ⁺ - время дрейфа ионов из области ударной ионизации до катода), то заряд во внешней цепи будет максимальным: Q _max = emN ₀, где e – заряд электрона. Однако необходимости выбирать RC >> Т ⁺ нет, так как основной вклад в амплитуду индуцированного заряда Q дает движение ионов в сильном поле вблизи анода. Оказывается, что уже при значениях RC ~ 10^-2 Т ⁺ (то есть, порядка нескольких микросекунд), величина заряда составляет около 50% от максимального значения. При этом, естественно, сохраняются пропорциональные свойства детектора, а его временное разрешение существенно улучшается.

С другой стороны, значение RC должно быть, по крайней мере на порядок больше Т ^- - времени дрейфа электронов первичной ионизации от катода к аноду. Действительно, если RC ≤ Т ^-, то в том случае, когда первичная ионизация производится частицами, пробеги которых сравнимы с размерами детектора, величина заряда Q будет зависеть от длины пробега ионизирующей частицы и ее направления, и пропорциональные свойства детектора нарушаются. Следует отметить, что на практике формирование импульсов с детектора достигается не изменением RC, а подбором полосы пропускания усилителя.

Эффект ударной ионизации является основным, но не единственным, определяющим развитие лавин в детекторе.

При дрейфе электронов в сильных электрических полях наряду с процессом ударной ионизации имеет место и возбуждение молекул или атомов газа. Возвращаясь в основное состояние, молекулы испускают фотоны, которые могут вызвать фотоэффект на катоде детектора. Фотоэлектрон, вышедший с поверхности катода, создает в области анода дополнительную ионизацию. Кроме того, если положительный ион, подходя к катоду из области ударной ионизации, имеет потенциальную энергию, которая превышает удвоенную работу выхода с поверхности катода, то может появиться еще один свободный электрон. Этот электрон на пути к аноду в свою очередь образует электронно-ионную лавину. Вероятность вторичных процессов на катоде в пропорциональном детекторе характеризуется коэффициентом γ, который существенно зависит от материала катода и свойств газа, наполняющего детектор (γ ~ 10^-4). Коэффициент газового усиления с учетом вторичных процессов M определяется как

М = m /(1-γ m)

Коэффициент газового усиления М зависит от напряжения U ₀, приложенного к электродам пропорционального детектора, причем так, что незначительная нестабильность (дрейф) источника питания может привести к существенным изменениям коэффициента М.

Коэффициент газового усиления М определяют экспериментально методом сравнения величин заряда на выходе газонаполненного пропорционального детектора Q _пд и того же детектора, работающего в режиме ионизационной камеры в отсутствие газового усиления Q _ик:

 

М = Q _пд/ Q _ик (2)

Соотношение (2) справедливо при условии полного собирания индуцированного заряда во внешней цепи детектора, то есть при RC >> Т ⁺. На практике для формирования сигнала величину RC обычно выбирают в границах Т ^- << RC << Т ⁺. Это приводит к неполному собиранию индуцированного заряда. Однако такой режим позволяет, во-первых, собрать значительную часть заряда от максимально возможного, во-вторых, уменьшить длительность импульса напряжения на выходе детектора по сравнению с режимом полного собирания, в-третьих, сохранить независимость амплитуды импульса от ориентации трека в объеме детектора, то есть сохранить режим пропорциональности. Очевидно, что при неполном собирании, соотношение (2) перестает быть корректным, так как доли собранного заряда в режиме ионизационной камеры и в режиме пропорционального детектора отличаются друг от друга. В этом случае можно ввести понятие экспериментального коэффициента внутреннего усиления детектора М _эксп, который является характеристикой не только процесса газового усиления в детекторе, но и способа формирования сигнала на его выходе.

М _эксп = Q _пд^эксп/ Q _ик^эксп,

где Q _пд^эксп и Q _ик^эксп - полученные в реальном эксперименте значения зарядов на выходе детектора, работающего в режиме пропорционального усиления и в режиме ионизационной камеры.

Газонаполненные пропорциональные детекторы нашли широкое применение в технике ядерно-физического эксперимента и, в частности, для регистрации медленных и тепловых нейтронов по (n, α) и (n,р) экзоэнергетическим реакциям. Заряженные частицы, образующиеся в результате таких реакций, теряют свою энергию и производят ионизацию рабочего вещества детектора. Таким образом, в отличие от процесса регистрации заряженных частиц регистрация медленных нейтронов идет в два этапа. На первом этапе происходит ядерная реакция с образованием заряженных частиц. Для этого в объем детектора необходимо ввести вещество, обладающее достаточно большим сечением (n,р) или (n,α) реакции.

На втором этапе происходит регистрация вторичных заряженных частиц – продуктов реакции. При этом выделившаяся энергия заряженных частиц преобразуется в электрический сигнал за счет ионизации вещества.

В газовых пропорциональных детекторах оба этапа регистрации удается реализовать при наполнении их газом ³Не или газом BF₃.

При захвате медленных нейтронов ядром ³Не идет реакция:

³Не + n ® ³Н + p,

W = 0,765 МэВ, где W – энергия реакции.

Сечение ³Не(n, p)³Н реакции для тепловых нейтронов составляет величину s₁ = 5327·10^-28м².

При захвате медленного нейтрона ядром ¹⁰В образуется ядро изотопа ¹¹В в возбужденном состоянии, которое практически мгновенно (10^-12с) распадается на альфа-частицу и ядро лития:

He + Li

^*

He + Li + γ

 

Сечение реакции для тепловых нейтронов (при комнатной температуре Е _n = 0,025 эВ) на изотопе ¹⁰В составляет величину s₂ = 3840·10^-28м², W = 2,78 МэВ. Для естественной смеси изотопов, в которой содержится 19,8% ¹⁰В и 80,2% ¹¹В, s₃(¹⁰В + ¹¹В) = 758·10^-28м².

Если образовавшееся ядро лития находится в основном состоянии, то в результате этой реакции выделяющаяся энергия W = 2,78 МэВ делится между ядром Li и альфа-частицей обратно пропорционально их массам. Однако при распаде ядра B ядро Li в 94% случаев оказывается в возбужденном состоянии. При переходе его в основное состояние испускается гамма-квант с энергией 0,48 МэВ (вероятность регистрации которого мала), и в виде кинетической энергии продуктов реакции выделяется энергия, равная 2,3 МэВ.

Заряженные частицы, образующиеся в (n,p), (n, α) реакциях, производят ионизацию в рабочем объеме газовых пропорциональных детекторов, и на их выходе индуцируется заряд Q _пд, величина которого пропорциональна числу пар ионов Q _пд ~ MN ₀, созданных ионизирующими частицами.

Поскольку в каждой из рассматриваемых ядерных реакций образуется одновременно две заряженные частицы (³Н + р или ⁴Не + ⁷Li), то сигнал