ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.02.2019
Просмотров: 5944
Скачиваний: 1
106
измерение потоков, интенсивности и спектра излучения.
Методы
регистрации
излучения
подразделяются
на
ионизационный, сцинтилляционный, калориметрический и др. В
каждом методе используется один из эффектов взаимодействия
излучения с веществом. Например, в ионизационном методе
измеряют заряд ионов, в калориметрическом – выделенное тепло,
сцинтилляционный метод основан на регистрации вспышек света.
Регистрирующий прибор состоит из чувствительного элемента –
детектора (датчика) и измерительной аппаратуры.
В детектор входит вещество, с которым взаимодействуют
частицы, и преобразователь эффектов взаимодействия в величины
(электрические импульс, ток и. т. д.), регистрируемые измерительной
аппаратурой. Обе части детектора могут быть объединены в одно
целое или разделены между собой.
Переходим к изложению ионизационного метода регистрации
излучения, который широко распространен в экспериментальной
физике, дозиметрии и других отраслях науки и техники.
Большинство измерительных приборов (детекторов) наполняют
газами, в объеме которых и происходит образование ионов. Такие
детекторы называют газонаполненными (газовыми). Конструкция
газонаполненных детекторов очень проста. Они представляют собой
наполненные
газами
баллоны
с
двумя
вмонтированными
электродами. Для собирания ионов из газа на электроды
газонаполненных детекторов подается электрическое напряжение.
Использование вместо газов жидкостей и металлов затрудняет
регистрацию излучения. Ионы, образованные излучением в металле,
зарегистрировать невозможно, так как в металле много свободных
электронов.
Поэтому
прохождение
тока
через
металл
обусловливается в основном не ионными парами, а свободными
электронами. Для собирания ионов из жидкостей необходимо
подводить к электродам огромные напряжения.
Недостатки металлов и жидкостей устранены в некоторых
полупроводниках. Полупроводники с определенным составом, как и
газ, не проводят электричества, пока на них не действует излучение.
На этом свойстве и основано применение полупроводников в
качестве детекторов. Атомы (молекулы) газов могут захватить
свободные электроны во время столкновения, в результате чего
образуются отрицательные ионы. Возникновение отрицательных
ионов
атомов
(молекул)
характеризуется
коэффициентом
107
прилипания ξ. Он показывает вероятность образования тяжелого
отрицательного иона при столкновении электрона с нейтральным
атомом (молекулой).
Коэффициент ξ зависит от строения внешней электронной
оболочки атома. Наименьшие значения коэффициента ξ имеют
инертные газы (гелий, аргон, криптон и др.). У атомов этих газов
заполненная внешняя электронная оболочка. Иначе ведут себя атомы
(молекулы) газов с незаполненной внешней электронной оболочкой
(хлор, бром, пары воды, кислород и др.). Они стремятся захватить
свободные электроны и заполнить свою внешнюю электронную
оболочку.
В зависимости от значения ξ газы подразделяют на
электроположительные
и
электроотрицательные.
У
электроположительных газов (аргон, гелий и др.) коэффициент ξ~0.
Образование тяжелых отрицательных ионов в инертных газах–
довольно редкое явление. Поэтому отрицательными ионами в таких
газах являются в основном электроны.
У электроотрицательных газов (хлор, бром, пары воды и др.)
коэффициент ξ заметно отличается от нуля. В этих газах при наличии
свободных электронов с большой вероятностью возникают
отрицательные ионы. Следовательно, отрицательные ионы в
электроотрицательных газах состоят из электронов и тяжелых
отрицательных ионов.
Рассмотрим принципы регистрации излучения на основе работы
плоской ионизационной камеры, включенной в электрическую цепь
(рисунок 9.1).
1
2
3
4
Рисунок 9.1 – Схема включения плоской ионизационной камеры
1 – поток частиц; 2 – ионизационная камера; 3 – измеритель тока;
108
4 – источник высокого напряжения.
Плоская ионизационная камера состоит из двух плоских
электродов, разделенных газом-наполнителем. К электродам
подведено напряжение, а последовательно с камерой в цепь включен
измеритель тока.
Газ вне поля излучения является электроизолятором. В нем нет
носителей зарядов, так как атомы и молекулы электрически
нейтральны. Под действием излучения в газе образуются ионные
пары.
Электрическое
поле
разделяет
положительные
и
отрицательные ионы. Первые ионы движутся к катоду, вторые–к
аноду. В электрической цепи начинает течь электрический ток,
который регистрируется измерителем тока. По значению этого тока и
судят об интенсивности излучения в газе.
Протекание ионизационного тока через газ продолжается до тех
пор, пока на газ действует излучение. Как только детектор удаляют
из поля излучений, газ становится электроизолятором и
электрическая цепь размыкается.
Ионизационный ток в газе зависит от типа, энергии и
интенсивности излучения, от свойств газов-наполнителей, а также от
напряжения на электродах. Поэтому для понимания законов газовой
проводимости выясним особенности движения ионов в газах,
находящихся в электрическом поле.
9.2
Физические основы газовой проводимости
9.2.1
Подвижность ионов
Если в газе нет электрического поля, то ионы участвуют только в
тепловом движении, как и все молекулы газа. Ионы, сталкиваясь с
молекулами, изменяют направление своего движения. В результате
многочисленных столкновений с молекулами ионы движутся
хаотично в объеме газа.
Средний пробег иона λ, от одного столкновения до другого
зависит от плотности молекул, т. е. от числа молекул в единице
объема газа. Плотность молекул пропорциональна давлению газа р.
Чем больше давление газа, тем чаще сталкивается ион с молекулами
и тем меньше средний пробег иона λ. При давлении газа 1 атм
пробег иона в газах составляет примерно 10
-6
см.
В электрическом поле напряженностью Е на однократно
заряженный ион действует сила:
109
F=e
E,
(9.1)
где е – элементарный электрический заряд. Положительные ионы
движутся по направлению поля, а отрицательные – против. С
увеличением напряженности Е скорость направленного движения
иона v возрастает и с некоторого значения Е тепловое движение
практически не влияет на перемещение ионов в газе. Все ионы
начинают двигаться только вдоль направления электрического поля.
На расстоянии λ электрическое поле ускоряет ионы. В
последующих упругих столкновениях с молекулами газа ионы
теряют часть энергии, полученной от электрического поля. Так как
скорость ионов в газе вдоль напряженности электрического поля
непрерывно изменяется, то их движение в этом направлении удобно
характеризовать
средней
скоростью
v.
Она
зависит
от
напряженности поля Е и давления газа р:
v = u
E/p
(9.2)
Коэффициент пропорциональности и, называемый подвижностью
ионов, выражают в см
2
/(В с). Он численно равен средней скорости
ионов при напряженности поля Е=1 В/см и давлении р = 1 атм
(таблица 9.1).
Таблица 9.1 – Подвижность ионов и в газах при р = 760 мм pm. cm.
Газ
Подвижность, см
2
/(В
*
с)
Положительные ионы
Отрицательные ионы
Водород
6,7
8,2
Гелий (чистый)
5-20
до 500
Гелий (технический)
5,1
6,3
Аргон (чистый)
1,6—2,6
до 200
Аргон (технический)
1,4
1,7
Азот (чистый)
1,3
до 145
Азот (технический)
1,3
1,8
Кислород (технический)
1,3
1,8
Воздух
1,4
1,87
Подвижность ионов–важнейшая характеристика движения ионов
в газе. Она влияет на время собирания на электродах детектора
ионов из газа. Легкие отрицательные ионы (электроны) удаляются из
газа за время, примерно в 10
2
меньшее, чем время удаления тяжелых
ионов (таблица 9.1).
Значительное отличие подвижностей электронов и тяжелых ионов
объясняется небольшой массой электронов и особенностями обмена
энергией при столкновениях ионов с атомами (молекулами) газа.
110
Тяжелые ионы могут передавать атомам (молекулам) до половины
энергии, полученной от электрического поля. Вследствие этого
средняя скорость тяжелых ионов v остается сравнительно
небольшой. Электрическое поле обусловливает только направленное
движение тяжелых ионов к катоду Легкие электроны до
определенных скоростей испытывают лишь упругие столкновения с
атомами (молекулами). После таких столкновений электроны
практически сохраняют энергию, полученную от электрического
поля. Вследствие слабого влияния упругих столкновений на
изменение энергии электронов средняя скорость электронов v
больше их скорости теплового движения. Замедление ускоренных
электронов происходит лишь тогда, когда их энергия становится
больше энергии возбуждения атомов (молекул). При таких энергиях
электроны в неупругих столкновениях расходуют часть своей
энергии на возбуждение и ионизацию атомов газа.
На подвижность отрицательных ионов влияет степень чистоты
газов. В электроположительных газах, которыми обычно наполняют
детекторы, всегда есть небольшие примеси электроотрицательных
газов
(пары
воды,
кислород,
азот
и
др.).
Молекулы
электроотрицательных газов, присоединяя к себе электроны,
превращаются в тяжелые отрицательные ионы. Поэтому средняя
подвижность отрицательных ионов снижается, а время собирания их
на аноде резко увеличивается. Поэтому газы перед заполнением
детекторов тщательно очищают от примесей.
С повышением давления сильнее сказывается возможность
прилипания свободных электронов к молекулам. Во–первых,
электрон чаще сталкивается с электроположительными молекулами,
поэтому возрастает вероятность его прилипания к одной из таких
молекул. Во–вторых, увеличивается вероятность столкновения с
примесными электроотрицательными молекулами. Обе причины в
совокупности уменьшают подвижность отрицательных ионов.
9.2.1.1 Рекомбинация ионов
Ионы сталкиваются не только с молекулами газа, но и между
собой. При столкновениях отрицательных и положительных ионов
происходит процесс рекомбинации, в котором ионы превращаются в
нейтральные атомы и молекулы. Рекомбинация уменьшает число
ионов и ионизационный ток в газе. Процесс рекомбинации
характеризуется коэффициентом рекомбинации α. Он численно