Импульсная ионизационная камера

Детекторы ядерных излучений

Конспект лекции

Наши задачи: познакомить с основными видами детекторов ядерных излучений.

Содержание

· Импульсная ионизационная камера

· Пропорциональный счетчик

· Счетчик Гейгера

· Сцинтилляционный детектор

· Полупроводниковый детектор

· Следовые детекторы

· Счетчик Черенкова

Детекторы ядерных излучений - это приборы для регистрации альфа- и бета-частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов, протонов и т.п. Служат для определения состава излучения и измерения его интенсивности, измерения спектра энергий частиц, изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами и процессов распада нестабильных частиц. В основе регистрации лежат процессы взаимодействия излучений с веществом.

Все детекторы ядерных излучений можно разделить на три группы: счетчики частиц, следовые детекторы и детекторы, у которых под действием излучений изменяются какие-либо измеряемые свойства.

Основными характеристиками детектора являются – эффективность (вероятность регистрации частицы при попадании её в детектор), временное разрешение (минимальное время, в течение которого детектор фиксирует две частицы как отдельные) и мёртвое время или время восстановления (время, в течение которого детектор после регистрации частицы либо вообще теряет способность к регистрации следующей частицы, либо существенно ухудшает свои характеристики). Если детектор определяет энергию частицы и (или) её координаты, то он характеризуется также энергетическим разрешением (точностью определения энергии частицы) и пространственным разрешением (точностью определения координаты частицы).

Импульсная ионизационная камера

Рис.1 Ионизационная камера

В простейшем случае ионизационная камера - это плоский конденсатор в объеме, наполненном газом (рис.1). При пролете заряженной частицы вдоль ее следа образуются положительные и отрицательные ионы. К пластинам конденсатора прикладывают напряжение (100 - -1000 В). В электрическом поле ионы устремляются к электродам, в цепи появляется ток, по которому и

Рис.2 Зависимость I(t)

происходит регистрация. Внутреннее сопротивление камеры очень велико и она является источником тока (ток во внешней цепи практически не зависит от сопротивления последней). Уравнение для напряжения U(t) на сопротивлении R (и, конечно, на емкости C, это емкость камеры) выглядит следующим образом:

Зависимость тока в цепи от времени i(t) определяется расположением траектории частицы в камере. В простейшем случае, когда траектория параллельна пластинам камеры (как на рисунке), ток постоянен, пока ионы, образованные регистрируемой частицей, не достигнут электродов (рис.2). Решение уравнения (1) в этом случае

где t₀ время собирания носителей заряда. Форма импульса показана на рис.3 Обычно камеру наполняют инертным газом, в котором

Рис.3 Форма импульса U(t)

при ионизации образуется положительный ион и электрон. Собирают электроны, которые обладают большой подвижностью и обеспечивают быстродействие камеры. Амплитуда импульса пропорциональна потери энергии заряженной частицы в объеме камеры ΔE

Здесь ω - работа образования одной пары ионов (~25 эВ для аргона). Нет проблем с усилением и регистрацией импульсов такой амплитуды. Энергетическое разрешение (точность определения значения энергии зарегистрированной частицы) определяется разбросом амплитуд, которое в свою очередь зависит от числа образованных пар ионов N, которое является случайным, возможны флуктуации числа N порядка √N

и составляет примерно 1%. Импульсные ионизационные камеры используют для регистрации тяжелых заряженных частиц (протонов, α -частиц...), пробег которых невелик и может уложиться в объеме камеры.