Ионизационный метод

Введение

Ионизационный метод регистрации ИИ основан на обнаружении ионных пар в чувствительной среде. Способ детектирования может быть различным и в зависимости от этого датчики имеют разную конструкцию.

Рис. 1. Принципиальная схема устройства газоразрядного датчика.

Цифрами обозначены: 1 - траектория частицы, 2 - чувствительный объем датчика, 3 - электроды, 4 - регистратор.

Газоразрядные датчики получили очень широкое распространение благодаря простоте конструкции. Датчик имеет чувствительный объем, заполненный газом в котором находятся два электрода. К электродам приложена разность потенциалов. Работа такого датчика основана на определении силы ионизационного тока, возникающего в чувствительном объеме под действием ИИ.

Газоразрядные датчики работают в различных областях вольтамперной характеристики (ВАХ) газового разряда, которая имеет несколько ясно различимых участков (рис.2). (Газовым разрядом называют прохождение электрического тока через газ).

Рис. 2. Вольтамперные характеристики газового разряда для частиц с разной удельной ионизацией.

Цифрами обозначены области: I - закона Ома, II - ионизационной камеры, III - пропорциональная, IV - ограниченной пропорциональности, V - Гейгера, VI - спонтанного газового разряда.

Область закона Ома. В этой области наряду с первичной ионизацией молекул газа, вызванной ионизирующей частицей имеет место рекомбинация ионов. Вследствие этого не все образовавшиеся ионы достигают электродов, поэтому увеличение напряжения на электродах приводит к пропорциональному росту силы тока.

Область ионизационной камеры. Увеличение силы тока продолжается до некоторого значения напряжения и далее выходит на плато. На этом участке она не зависит от разности потенциалов на электродах, а определяется только количеством ионов, которые образуются под действием ионизирующей частицы в объеме датчика.

Пропорциональная область (область несамостоятельного газового разряда). В этой области напряжение на электродах столь велико, что ионы, образовавшиеся в результате первичной ионизации, приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы на пути своего пробега произвести вторичную (ударную) ионизацию. В свою очередь, вновь образованные ионы ускоряются электрическим полем и ионизируют новые молекулы. Возникает лавинный разряд, который получил название несамостоятельного. Он прекращается, как только все носители зарядов достигнут соответствующих электродов. Нарастание ионизационного тока в результате несамостоятельного газового разряда называется газовым усилением, которое характеризуется коэффициентом газового усиления k. Коэффициент газового усиления численно равен отношению числа ионов N, достигших электродов, к первоначальному числу ионов N₀, образовавшихся при первичной ионизации. Коэффициент газового усиления в этой области не зависит от первоначального числа ионов, образованных частицей и изменяется от единицы в начале области и до 1000 в конце ее.

Область ограниченной пропорциональности. В этой области коэффициент газового усиления сильно возрастает по абсолютной величине и зависит от начальной ионизации – чем меньше первичная ионизация, тем быстрее растет коэффициент газового усиления. Это приводит к сближению кривых с разной начальной ионизацией в конце этой области.

Гейгеровская область (область самостоятельного газового разряда). На этом участке ВАХ сила тока не зависит от величины первичной ионизации. Каждый электрон, возникший в объеме датчика под действием ионизирующей частицы, вызывает вспышку самостоятельного разряда, который поддерживается за счет вновь образующихся носителей заряда.

Область самопроизвольного разряда Дальнейшее повышение напряжения приводит к развитию самопроизвольного газового разряда, возникающего без первичной ионизации. В этом случае датчик не пригоден для измерения и может выйти из строя вследствие пробоя.

В зависимости от рабочего напряжения на электродах газоразрядные датчики делят на две большие группы: ионизационные камеры, работающие во 2-ой области ВАХ газового разряда и газовые счетчики, работающие в 3-ей (пропорциональные счетчики) и 5-ой области (счетчики Гейгера-Мюллера).

Ионизационный принцип регистрации ИИ находит применение не только в газоразрядных, но и в полупроводниковых датчиках. Чувствительным объемом в них является кристалл полупроводника, в котором под действием ИИ образуются электроны и дырки. Эти носители заряда разделяются электрическим полем и собираются на границах кристалла, создавая разность потенциалов, которую регистрируют.

Рис. 3. Схема регистрации ионизирующих частиц в камере Вильсона.

Цифрами обозначены: 1 – фото-камера, 2 - источник света, 3 - трек частицы, 4 - чувствительный объем камеры, 5 - поршень.

Трековые приборы - камера Вильсона и пузырьковая камера предназначены для визуализации траектории движения частиц с целью определения их физических характеристик и особенностей взаимопревращений.

Камера Вильсона представляет собой замкнутый объем, в котором находятся насыщенные пары какой-либо жидкости. Периодически, путем резкого охлаждения, за счет адиабатического расширения объема камеры, пары переводят в пересыщенное состояние. При попадании в камеру ионизирующей частицы образующиеся ионы становятся центрами конденсации молекул пересыщенного пара. Таким образом, вдоль траектории движения частицы образуется цепочка капель. Фотографирование при вспышке позволяет фиксировать ионные следы ионизирующих частиц - треки. Сходным образом работает и пузырьковая камера, используемая для получения треков частиц высоких энергий. Рабочий объем в ней вместо насыщенного пара содержит прозрачную перегретую жидкость (жидкий водород, пропан, фреоны). Ионизирующая частица, попадая в камеру, вызывает резкое вскипание жидкости в узком канале вдоль своего пути. Возникающая при этом цепочка пузырьков фотографируется, как в камере Вильсона.