Бондаренко Импулсная ионизационная камера.Лаборторная работа 2009

ИМПУЛЬСНАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

МОСКВА 2009

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИМПУЛЬСНАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

Лабораторная работа

МОСКВА 2009

УДК 539.1.07(076.5) ББК 22.38я7 К 43

Импульсная ионизационная камера: Лабораторная работа. / Бонда-

ренко В.Г., Кирсанов М.А., Кушин В.В., Миханчук Н.А., Покачалов С.Г.

М.: МИФИ, 2009. – 24 с.

Пособие содержит лабораторную работу, в которой изучается принцип действия и основные характеристики газовой импульсной ионизационной камеры, а также рабочее задание для выполнения самостоятельного экспериментального исследования на базе стандартной аппаратуры.

Пособие предназначено для студентов, изучающих курс «Экспериментальные методы ядерной физики» в рамках специальностей «Физика атомного ядра и частиц», «Радиационная физика», «Медицинская физика».

Рецензент: доц., канд. физ.-мат. наук В.В. Шестаков

Рекомендовано редсоветом МИФИ в качестве учебно-методического пособия.

ISBN 978-5-7262-1162-6

Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2009

	Содержание
Введение......................................................................................		4
Контрольное задание................................................................		12
Лабораторная установка ...........................................................		13
Порядок проведения работы .....................................................		15
Задание 1.	Измерения в камере с двумя электродами............	15
Задание 2.	Измерения в камере с сеткой ................................	17
Задание 3.	Калибровка спектрометрического тракта ............	18
Обработка результатов .............................................................		19
Контрольные вопросы ..............................................................		20
Список рекомендуемой литературы .........................................		21
Приложение ..............................................................................		22

_________

3

ИМПУЛЬСНАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

Цель работы: изучение принципа действия и основных характеристик (аппаратурной формы линии, энергетического разрешения) импульсной ионизационной камеры, работающей в режиме электронного собирания.

ВВЕДЕНИЕ

Импульсная ионизационная камера – это детектор, действие которого основано на измерении заряда, создаваемого заряженными частицами в его рабочем веществе. Газовая ионизационная камера представляет собой замкнутый объем, наполненный рабочим веществом – газом, как правило, электроположительным, с размещенными в нем двумя или несколькими электродами различной конфигурации. Импульсные ионизационные камеры обычно применяются для регистрации сильноионизирующих короткопробежных частиц.

В данной работе изучаются характеристики импульсной ионизационной камеры с плоскими электродами. Эквивалентная схема включения такой камеры приведена на рис. 1.

d	-
+		i(t)	К усилителю
+	-
-	+
+	-	iC	iR
+-	+
	-
x		C	R
+	U0	-

Рис. 1. Эквивалентная схема включения импульсной ионизационной камеры

При прохождении через газ заряженная частица теряет свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов среды. Средняя энер-

4

гия ω, которая расходуется на образование одной электронноионной пары, практически не зависит от энергии и типа частицы, и для большинства газов, используемых в качестве рабочего вещества ионизационных камер, лежит в диапазоне ω = 20…40 эВ. Среднее число пар зарядов, образовавшихся в газе при поглощении энергии Еп, составляет N0 = Еп/ω. Пока образовавшиеся в результате ионизации заряды q0 = eN+ = eN- = eN0 под действием приложенного электрического поля движутся к соответствующим электродам, во внешней цепи камеры течет индуцированный электрический ток i(t).

Так как при регистрации отдельных частиц ток носит импульсный характер, при формировании сигнала, кроме последовательно подключенного активного сопротивления нагрузки R, необходимо учитывать емкостные параметры цепи камеры – так называемую эквивалентную емкость С, равную сумме емкостей самой камеры, емкости монтажа и входной емкости усилителя. На рис. 1 емкость С изображена пунктиром.

Индуцированный ток i(t) разветвляется на две составляющие: ток iC(t), характеризующий изменение заряда Q(t) на емкости С:

iC dQ(t) , и ток iR(t) через сопротивление R, определяемый зако- dt

ном Ома:

iR(t) U(t) Q(t) . R RC

В соответствии с законом Кирхгофа: i(t) = iC(t) + iR(t). Отсюда заряд Q(t) может быть получен решением дифференциального уравнении:

i(t)	dQ		Q	.	(1)
	dt		RC

Учитывая, что движения электронов и ионов не зависят друг от друга i(t) = i-(t) + i+(t), решение уравнения (1) с начальным условием Q(0) = 0 можно записать в виде:

Q(t) e	t t		t'	dt' e	t t		t'
		i (t')e				i (t')e		dt' .	(2)
	RC		RC		RC		RC
0				0

5

Первый член формулы (2) Q-(t) описывает накопление заряда на емкости С от электронной составляющей тока в интервале вре-

мени 0 T , второй член Q+(t) – от ионной составляющей тока в интервале 0 T , где T и T – время собирания электронов и

ионов в камере. Для t > T i-(t) = 0 и первый член в выражении (2) в соответствии с решением уравнения (1) с нулевой левой частью

		t T			> T
			. Аналогично для t
становится равным Q (t) Q (T )e RC
					t T
второй член в формуле (2)	преобразуется: Q (t) Q (T )e				RC ,

т.е. оба случая описывают процесс разрядки емкости С через сопротивление R. Величины электронной i-(t) и ионной i+(t) составляющих импульса индуцированного тока устанавливаются формулой Рамо – Шокли [1 – 3]:

i(t) q(t)	E		dx	,	(3)
U0			dt

где q+(t) = eN+(t) и q-(t) = eN-(t) – значения зарядов, дрейфующих в камере; E = U0/d – напряженность электрического поля в камере с расстоянием между электродами d, на которые подана разность потенциала U0; dx/dt = v± – скорость дрейфа зарядов.

Из формулы (3) видно, что амплитуда и форма тока, его длительность зависят от скорости дрейфа зарядов в камере и от того, где и как в межэлектродном пространстве прошла частица. Действительно, если заряженная частица пролетела параллельно электродам камеры на расстоянии x от положительного электрода (см. рис. 1), то составляющие индуцированного тока при условии, что число электронов и положительных ионов в процессе дрейфа не меняется, имеют вид:

			v			x
eN				,	0 t			;
			d			v
										(4)
i (t)							x
		0 ,			t				,
							v

6

		v			d x
eN			,	0 t			;
		d				v
									(5)
i (t)						d x
	0 ,			t				.
						v

Если частица той же энергии пролетела перпендикулярно электродам, то число электронов и ионов в камере при условии, что пробег равен межэлектродному расстоянию d, а плотность ионизации постоянна вдоль трека, убывает линейно со временем, и составляющие тока имеют вид:

				v				v
	i	(t) eN0	1			t			;		(6)
				d				d
				v				v
	i	(t) eN0	1			t					(7)
				d				d

в интервалах времен 0 ≤ t ≤ d/v- и 0 ≤ t ≤ d/v+ соответственно.

На рис. 2 приведены формы электронной и ионной составляющих импульсов индуцированного тока во внешней цепи камеры

для треков, ориентированных параллельно (а) и перпендикулярно (б) электродам*.

i(t)

i(t)

i-(t)

i-(t)

i+(t)

i+(t)

x t

d

d

t

x

d

ν

а

ν

ν

б

ν

Рис. 2. Составляющие импульсов индуцированного тока: трек ориентирован параллельно (а) и перпендикулярно (б) электродам. Масштаб по осям искажен, реально i+(t) ≈ 10-3i-(t), так как v+ ≈ 10-3v-

* Реальная форма импульсов тока в случае б имеет более сложный вид, так как плотность ионизации вдоль трека неравномерна и изменяется в соответствии с кривой Вульфа–Брэгга.

7

В зависимости от параметров R и С и соотношения RC и вре-

мени собирания зарядов в камере T величина и форма Q(t) оказываются пропорциональны току i(t) или интегралу от тока. Если

выбрать RC << T , тогда ток в основном будет протекать через сопротивление нагрузки R, и зарядкой емкости, т.е. изменением

заряда dQ на ней в соответствии с уравнением (1) можно пренеб- dt

речь, и Q(t) ≈ RC∙i(t). Так как амплитуда тока i+(t) ≈ 10-3i-(t) (v+ ≈ 10- 3v-), Q(t) = Q-(t) ≈ RC∙i-(t), т.е. в этом режиме сигнал Q(t) практиче-

ски пропорционален электронной компоненте тока. Использование этого режима для измерения энергии частицы

имеет два существенных недостатка. Во-первых, индуцированный заряд Q существенно меньше величины заряда, образованного час-

тицей в камере q0. Действительно, если выбрать RC ≈ 0,1T , то

Q q0 vd RC q0 RC 0,1q0 . T

Во-вторых, значение заряда Q- зависит не только от заряда q0, образованного частицей, но и от скорости дрейфа электронов

(i (t) q(t) v ). d

При выборе RC >> T разрядкой емкости через сопротивление R за время собирания зарядов можно пренебречь, и решение уравнения (1) имеет вид:

t	t
Q(t) i (t')dt'	i (t')dt' .	(8)

0 0

Такой режим работы камеры называется режимом полного собирания, при котором максимальный заряд, индуцированный на емкости С независимо от ориентации трека частицы в камере, определяется только числом зарядов N0:

Q(T ) = eN0.

Так, подставляя в уравнение (8) выражения для тока (4) и (5) имеем:

Q eN		x	eN		d x	eN		.
max	d			d			0

8

Аналогично, при подстановке в (8) линейно убывающего со временем тока, образованного треком, ориентированным перпендикулярно электродам, получим Qmax = eN0. Поскольку N0 = Eп/ω, индуцированный заряд в режиме полного собирания пропорционален энергии Еп, поглощенной в камере: Qmax= eEп/ω и не зависит от ориентации трека частицы.

Время собирания зарядов в импульсной камере определяет ее временное разрешение, т.е. тот минимальный временной интервал, который должен разделять две следующие друг за другом частицы для того, чтобы не произошло наложения импульсов во внешней цепи и изменения их амплитуды.

Рассмотренный режим полного собирания имеет существенный недостаток, связанный с наложением импульсов даже при малой интенсивности облучения n0 (n0 – среднее число частиц, попадающих в камеру в единицу времени).

Действительно, амплитуды импульсов от частиц могут быть измерены без искажения только тогда, когда промежуток времени между частицами будет, по крайней мере, не меньше полного времени собирания ионов.

Так как скорости дрейфа ионов в газах приблизительно на три порядка меньше скоростей электронов, в камерах с d ~ 1 см время собирания ионов составляет 10-3 с. Тогда, если принять, что вероятность наложения импульсов за время 10-3 с не должна превышать 10 %, максимальная интенсивность для пуассоновского потока частиц, попадающих в камеру, определяется из соотношения

p 0,10 3 e n010 3	0,9. Отсюда находим	n0		10 1	102 част/с.
			10 3

Ясно, что в режиме полного собирания камера обладает плохим временным разрешением.

Обеспечить хорошее временное разрешение камеры можно

выбирая T ≤ RC << T . В этом случае величиной индуцированного заряда на емкости от дрейфа ионов можно пренебречь, и в выражении (2) остается составляющая, связанная только с электронной компонентой тока:

t t t'

Q (t) e RC i (t')eRC dt' .

0

9