к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Пропорциональный счетчик

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 энергии4015-161.jpgчастицы, т. е. пропорциональный счетчик является одновременно и спектрометром. П. с., как и др. газоразрядные детекторы, представляет собой газовый объём (от неск. см3 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).

4015-162.jpg

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

Заряж. частица с энергией4015-163.jpgсоздаёт в газе п0=4015-164.jpg/W электрон-ионных пар, где 4015-165.jpg- ионизационные потери энергии частицы, W - ср. энергия образования электрон-ионной пары. Импульс тока (напряжения), возникающий на сопротивлении Л, пропорционален4015-166.jpgимпульс (1-100 мВ) усиливается и поступает в регистрирующее (анализирующее или запоминающее) электронное устройство.

Газовое усиление. Первичные электроны, образованные заряж. частицей в результате ионизации 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 ~4015-172.jpg, где4015-173.jpg- 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 нити4015-174.jpgэнергия 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 102<М<104 лавина становится сердцеобразной, вытянутой в направлении прихода электронов; при М>104 лавина полностью охватывает анод - тогда и нарушается пропорциональность между п0 и амплитудой сигнала. Размер лавины вдоль проволочного анода растёт с увеличением М от долей мм до неск. мм.


4015-167.jpg

Рис. 2. Механизм работы пропорционального счётчика:4015-168.jpg-4015-169.jpg- зона дрейфа первичных электронов;4015-170.jpg-4015-171.jpg- зона лавин.

4015-175.jpg

При столкновениях образуются также возбуждённые атомы, к-рые "высвечиваются" (УФ-излучение) за время ~10-8с. Энергия фотонов 4015-176.jpg 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 (СН2, С2Н2, СO2 и т. д.), поглощающие УФ-излучение. Т. к. электроны поглощают газы и пары со сродством к электрону (О2, Н2О, галогены), то их в смеси П. с. должно быть мин. кол-во (концентрация O2~10-5 см3).

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

4015-177.jpg

где4015-178.jpg- число ионизац. соударений электрона на пути 1 см (первый коэф. Таунсенда), 4015-179.jpg зависит от напряжённости поля E, давления r и рода газа. В приближении Роуза - Корфа, где a = N4015-180.jpgК (К - характеристика газа, N - плотность газа, 4015-181.jpg- энергия электронов),

4015-182.jpg

Здесь С=4015-183.jpg- ёмкость счётчика на единицу длины, 4015-184.jpg- напряжение на электродах, 4015-185.jpg- напряжение, соответствующее началу лавины. При

4015-186.jpg М4015-187.jpg

(рис. 4). Ввиду статистич. природы лавинного процесса Vc не является чёткой характеристикой П. с., поэтому Vc определяется по пересечению прямолинейного участка зависимости lnM(F0) с осью абсцисс. Линейная зависимость продолжается до М ~ 104. При дальнейшем повышении F0 зависимость перестаёт быть линейной (гл. обр. из-за влияния фотоэлектронной эмиссии и пространственного заряда ионов).

4015-188.jpg

Область М ~ 104-106 наз. областью ограниченной пропорциональности. Большие М могут привести к пробою (рис. 5). Чтобы не допустить пробоя, применяют гасящие примеси - органич. газы (СН4, пропан, изобутан, С2Н5ОН, 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 V0, хо-тя само напряжение, необходимое для требуемого М, возрастает.

Формирование сигнала

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

4015-189.jpg

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 4015-190.jpg10%. Положит. ионы, большинство к-рых расположено от поверхности нити на расстоянии ср. пробега электронов в лавине (14015-191.jpg5 мкм), после окончания лавины начинают двигаться к катоду, индуцируя изменение потенциала на нём во времени t:

4015-192.jpg

Здесь е - заряд электрона, 4015-193.jpg- подвижность ионов (см. Подвижность электронов и ионов), n0 - число первичных ионов. Величина DV, вызванная движением ионов, сначала растёт прямолинейно, затем логарифмически; достигает макс. значения (DVмакс=еМп0/С) в момент прихода всех положит. ионов на катод спустя (14015-194.jpg5)·10-3 с с момента образования лавины (рис. 6). Половины значения от своего максимума импульс достигает за (14015-195.jpg5)·10-6с, поэтому для получения высокого временного разрешения во входных цепях усилителя стоят дифференцирующие цепи (4015-196.jpg= RC) или линии задержки .Т. о., в случае траектории частицы (трека), параллельной аноду, удаётся получить импульсы длительностью 4015-197.jpg< 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 пропорционального счетчика с момента первичной ионизации, что ограничивает возможности использования пропорциональных счетчиков в совпадений методе.

Рис. 6. Временное развитие сигнала при различных 4015-198.jpg.


4015-199.jpg

Энергетическое разрешение

Статистич. флуктуации в кол-ве первичных ионов n0, 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 4015-200.jpg приближённо выражается соотношением

4015-201.jpg

Увеличение разброса амплитуды импульсов могут вызывать конструкционные несовершенства, приводящие к искажению распределения электрич. поля у анода, причём наиб. важным является постоянство4015-202.jpgпо длине П. с., напр. 4015-203.jpg1 мкм может вызвать разброс амплитуд ~50%. Большое влияние на энергетич. разрешение оказывают стабильность V0 (4015-204.jpg0,05%) и чистота газа. Для инертных газов, СO2, СН4 и т. д. не наблюдается прилипания электронов, но присутствие даже незначит. кол-ва (<0,1%) электроотрицат. молекул Н2О, СО, О2, С2 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 пропорционального счетчика зависит от давления и состава газовой смеси и толщины анодной проволоки4015-205.jpg. 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=1044015-206.jpg105 макс. скорость счёта составляет 105- 106 с-1. Для П. с. практически нельзя указать интервал времени, в к-ром он вообще бы не реагировал на излучение. 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 пропорционального счетчика

Эффективность пропорционального счетчика к a-частицам, осколкам деления ядер, 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 4015-207.jpgи 4015-208.jpg с энергиями до 1 МэВ используются П. с. высокого давления (до r = 150 атм) в магн. поле. Измерение энергии g-квантов связано с фотоэффектом в наполняющем газе. Для4015-209.jpgдо 104015-210.jpg20 кэВ эффективность П. с. 4015-211.jpg 80%, а для больших4015-212.jpgнеобходим Хе (рис. 7; см. Гамма-излучение).

При исследовании космических лучей создают большие площади регистрации. Используя большое временное разрешение П. с., удаётся отличить одну частицу от неск. ливневых частиц, проходящих через П. с.

4015-213.jpg

Рис. 7. Амплитудный дифференциальный спектр пропорцио-нального счётчика, наполненного Хе, от частоты характеристического излучения Си и источника 241Аm.

Большие флуктуации в образовании d-электронов не позволяют получить хорошее энергетич. разрешение от малых долей энергии, оставленных в П. с. быстрой частицей.

Для регистрации нейтронов П. с. заполняется газами 3Не или 10BF3. Нейтроны захватываются ядрами 3Не и 10В с последующим вылетом из них заряж. частиц с энергией порядка 1 МэВ. Ионизация от этих частиц во много раз превосходит ионизацию от g-квантов, постоянно присутствующих в нейтронных потоках. Т. о., введя амплитудную дискриминацию, удаётся полностью сделать П. с. нечувствительными к g-фону. Для нейтронов с энергией4015-214.jpg~10 кэВ с помощью П. с. можно измерить их энергию по величине смещения пика в амплитудном дифференц. спектре от захвата нейтронов ядром 3Не либо по величине импульсов от ядер отдачи при заполнении счётчика лёгкими газами Н2 или 4Не (см. Нейтронные детекторы).

Пропорциональный счетчик 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 103 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 температур ~10-103 К.

Пропорциональный счетчик применялся при изучении бета-распада ядер (оценки массы антинейтрино), исследовании тонкой структуры4015-215.jpg-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.

Литература по пропорциональным счетчикам

  1. Rice-Evans P., Spark, streamer, proportional and drift chambers, L., 1974;
  2. Sau1i F., Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers, Gen., 1977;
  3. 3aневский Ю. В., Проволочные детекторы элементарных частиц, М., 1978;
  4. Sanada J., Growth the avalanche about the anode wire in a gas counter, "Nucl. Instr. and Meth.", 1982, v. 196, p. 23;
  5. Sau1i F., Basic processes in time-projection like detectors, в кн.: Time projection chamber 1-th workshop., Vancouver, 1983, N. Y., 1984;
  6. Ионизационные намерения в физике высоких энергий, М., 1988. А.

П. Стрелков, Б. Ситар

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 09.06.2020 - 19:25: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
09.06.2020 - 19:24: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
09.06.2020 - 19:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Пламена Паскова - Карим_Хайдаров.
09.06.2020 - 19:17: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Фурсова - Карим_Хайдаров.
09.06.2020 - 18:26: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
09.06.2020 - 18:13: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
09.06.2020 - 06:30: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
09.06.2020 - 06:04: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
08.06.2020 - 18:18: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
08.06.2020 - 18:14: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова - Карим_Хайдаров.
08.06.2020 - 18:08: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> КОМПЬЮТЕРНО-СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
08.06.2020 - 07:32: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution