ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

       

детектор ч-ц, действие к-рого основано на способности заряж. ч-ц вызывать ионизацию газа. И. к. представляет собой электрич. конденсатор, заполненный газом, к электродам к-рого приложена разность потенциалов V. При попадании регистрируемых ч-ц в пр-во между электродами там образуются эл-ны и ионы, к-рые, перемещаясь в электрич. поле, собираются на электродах. В цепи камеры появляется электрич. ток. Применяются И. к. с параллельными плоскими электрода ми, цилиндрическими коаксиальными (рис. 1) электродами и сферич. электродами (две концентрич. сферы, иногда внутр. электрод — стержень).

Рис. 1. Сечение дилиндрич. ионизац. камеры: 1 —цилиндрич. корпус камеры, служащий отрицат. электродом; 2 — цилиндрич. стержень, служащий положит. электродом; 3 — изолятор.

В токовых И. к. измеряется ток I, создаваемый эл-нами и ионами. Зависимость Iот V (вольт-амперная характеристика) имеет горизонтальный рабочий участок АВ (ток насыщения), к-рый соответствует полному собиранию на электродах всех образовавшихся эл-нов и ионов. Токовые И. к. дают сведения об общем кол-ве ионов, образовавшихся в 1 с. Токи обычно малы (10-10— 10-15 А) и требуют усиления для регистрации (рис. 2).

В импульсных И. к. регистрируются и измеряются импульсы напряжения, к-рые возникают на сопротивлении R при протекании по нему ионизац. тока, вызванного прохождением ч-цы.

Рис. 2. Схема включения токовой ионизац. камеры: V — напряжение на электродах камеры; G — гальванометр, измеряющий ионизационный ток.

Амплитуда и длительность импульсов зависят от RC (рис. 3). Для импульсной И. к., работающей в области тока насыщения, амплитуда импульса пропорц. энергии, потерянной ч-цей в объёме И. к.

Рис. 3. Схема включения импульсной ионизац. камеры: С — ёмкость собирающего электрода; R — высокоомное сопротивление.

Часто объекты исследования для импульсных И. к.— короткопробежные ч-цы, способные полностью затормозиться в межэлектродном пр-ве (a-частицы, осколки делящихся ядер). В этом случае величина импульса И. к. пропорц. полной энергии ч-цы, и распределение импульсов по амплитудам воспроизводит распределение ч-ц по энергиям, то есть И. к. явл. спектрометром. Разрешающая способность И. к. для a-частиц с энергией 5 МэВ составляет ок. 0,5%.

Подбором R можно добиться того, чтобы импульсы И. к. соответствовали сбору только эл-нов, гораздо более подвижных, чем ионы. При этом удаётся уменьшить длительность импульса до 1 мкс.

В И. к. для исследования короткопробежных ч-ц источник помещают внутри камеры или в корпусе делают тонкие входные окошки из слюды или синтетич. материалов. В И. к. для исследования g-излучений ионизация обусловлена вторичными эл-нами (фотоэлектронами), выбитыми из атомов газа или из стенок И. к. Чем больше объём И. к., тем больше ионов образуют вторичные эл-ны. Поэтому для регистрации g-излучений малой интенсивности применяют И. к. большого объёма (неск. л). В случае детектирования нейтронов ионизация вызывается ядрами отдачи (обычно протонами), создаваемыми быстрыми нейтронами, либо a-частицами, протонами или g-квантами, возникающими при захвате медленных нейтронов ядрами 10В, 3Не, 113Cd, к-рые вводятся в газ или в стенки камеры. И. к.— один из самых старых детекторов, применявшихся ещё в первых опытах англ. физика Э. Резерфорда. Однако благодаря простоте она продолжает использоваться особенно в дозиметрии, для контроля за работой ускорителей и яд. реакторов, при исследовании косм. лучей и др. В физике ч-ц высоких энергий нашли применение И. к., наполненные жидким аргоном. Это увеличивает тормозную способность И. к. и усиливает её электрич. сигнал в 103 раз.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

- прибор для регистрации и спектрометрии ионизирующих частиц методом измерения величины ионизации (числа пар ионов), производимой этими частицами в газе. Простейшая И. к. представляет собой два электрода, помещённых в заполненный газом объём. Конструктивно электроды могут быть выполнены в виде плоского, цилиндрич. или сферич. конденсатора. Рабочим объёмом И. к. является пространство между электродами. Частицы ионизуют газ в рабочем объёме, и образовавшиеся электроны и ионы движутся под действием пост, электрич. поля Е в направлении электродов, создавая ток в цепи И. к. Ток измеряется регистрирующим устройством (рис. 1). Величина Е должна быть достаточно большой для предотвращения рекомбинации электронов и ионов. В области Е<E₁ (рис. 2) скорость дрейфа электронов мала и часть из них рекомбинирует по дороге. В интервале Е₁<Е<Е₂ все электроны достигают анода (режим насыщения),

Рис. 1. Схема включения интегрирующей ионизационной камеры.

Рис. 2. Зависимость ионизационного тока I от приложенного электрического поля Е .

а при Е>Е₂ начинается процесс лавинного размножения ионов вблизи анода. И. к. отличается от др. газовых детекторов (пропорциональных камер, Гейгера счетчиков и др.) тем, что в ней не используется механизм газового усиления, т. е. размножение ионов за счёт лавинообразного процесса вблизианода. Ток через И. к. в области насыщения I₀ пропорционален энергии E, выделяемой ионизующей частицей в объёме И. к., т. е. потоку частиц j, падающему на И. к.: где е - заряд электрона, E₀ - энергия, затрачиваемая на образование одной электрон-ионной пары. <Режим насыщения достигается при достаточно большой скорости дрейфа электронов и ионов. Скорость увеличивают в 10-40 раз, добавляя к чистому Ar 2,5 - 30% многоатомных газов (Н ₂, СН ₄ и др.). При работе с чистыми многоатомными газами для насыщения требуются существенно большие Е.Ионизирующие частицы могут проникать в рабочий объём И. к. через тонкие окна либо непосредственно через стенки камеры. Иногда радиоакт. источник помещают внутрь И. к. в виде тонкого слоя на поверхности электродов или вводят в виде радиоакт. примеси к газу. В др. случаях ионизирующие частицы образуются непосредственно в рабочем объёме камеры в результате ядерных реакций, идущих под действием внеш. облучения в наполняющем И. к. газе, либо в мишени на поверхности электрода [1, 2, 3].Различают импульсные и интегрирующие И. к. Первые И. к. служат для регистрации отд. импульсов, вызываемых каждой ионизирующей частицей. Если поток частиц через И. к. достаточно велик, импульсы на выходе сливаются и через камеру протекает ток I (рис. 1), к-рый пропорционален суммарному ср. энерговыделелию в И. к. в единицу времени. Интегрирующие И. к. применяются в радиометрии для измерения активности радиоакт. препаратов и для определения энергии излучения, поглощённой в единице массы вещества (см. Доза

Рис. 3. Схема включения импульсной ионизационной камеры.

излучения) [2], а также для измерения н контроля интенсивности выведенных из ускорителей пучков заряж. частиц. <В импульсных И. к. длительность импульса зависит от времени дрейфа электронов и постоянной времени RС , где С=С _к+С _у+С',где С _к - ёмкость И. к., С _у - входная ёмкость усилителя, С' - паразитная ёмкость подводящих проводов, R - эквивалентное сопротивление нагрузки. Время дрейфа зависит от состава газовой смеси, приложенного напряжения и геометрии И. к. (рис. 3).

Рис. 4. Трёхэлектродная импульсная ионизационная камера.

Импульсные И. к. широко используются в ядерной физике. Возможности импульсных И. к. возросли в связи с прогрессом в технике усиления слабых сигналов, связанным с появлением малошумящих полевых транзисторов. В качестве импульсной И. к. обычно используют И. к. с сеткой (рис. 4). Рабочим объёмом является объём между катодом и сеткой. Образовавшиеся в рабочем объёме электроны под действием электрич. поля E⁽¹⁾ дрейфуют к сетке, проходят сквозь сетку, увлекаемыеболее сильным полем E⁽²⁾, действующим между анодом и сеткой, и собираются на аноде. Собирание электронов происходит за неск. мкс. За это же время положит, ионы, обладающие в 10³ раз меньшей подвижностью, практически остаются на месте. Сетка экранирует анод от индукц. воздействия положит, ионов. Поэтому анодный сигнал оказывается пропорциональным собранному на аноде заряду, к-рый, в свою очередь, пропорционален энергии ионизирующей частицы. Такая И. к. позволяет также определить пространств, положение следа (трека) частицы путём регистрации катодного сигнала, времени его задержки по отношению к анодному и фронта нарастания анодного сигнала. Разбивая анод на неск. частей, можно получить информацию о длине трека. <Энергетич. разрешение импульсных И. к. определяется шумом усилителя сигналов и флуктуацией числа пар ионов, образованных ионизирующими частицами фиксированной энергии (флуктуации Фано). Флуктуации Фано можно уменьшить, подбирая состав газа (Не+Аr; Ar+C₂H₂ [4]). Лучшее разрешение, достигнутое в И. к. при измерении спектра a-частиц 12 кэВ (полная ширина линии на половине высоты; при энергии a-частиц E _а=5,5МэВ. При этом газнаполнитель импульсной И. к. должен иметь высокую степень чистоты относительно эл.-отрицат. примесей (O₂, Н ₂O).Импульсные И. к. применяются при исследовании альфа-распада ядер (измерение энергетич. спектров a-частиц, угл. a-g-корреляций, детектирование слабых a-активностей); при исследовании деления ядер (измерении энергетич. и угл. распределений осколков спонтанного или вынужденного деления ядер; поиск новых спонтанно делящихся ядер [5]); при исследовании мюонного катализа ядерного синтеза; в спектрометрии заряж. продуктов катализируемой мюонами реакции d-d-синтеза в наполненной дейтерием И. к. высокого давления [6]; при исследовании упругого рассеяния частиц высокой энергии (спектрометрия ядер отдачи, возникающих в процессе рассеяния частиц высокой энергии на ядрах Н, D или Не, наполняющих рабочий объём И. к. [7]); в качестве т. н. DE- детектора для идентификации ядерных частиц [8]. Лит.:1) Векслер В., Грошев Л., Исаев Б., Ионизационные методы исследования излучений, 2 изд., М.- Л., 1950; 2) Аглинцев К. К., Дозиметрия ионизирующих излучений, 2 изд., М., 1957; 3) Wilkinsоn D. H., lonization chambersand counters, Camb., 1950; 4) Alkhazov G. D., Komar A. P., Vрrоbev A. A., lonization fluctuations and resolution of ionization chambers and semiconductor detectors, "Nucl. Instr. and Meth.", 1967, v. 48, p. 1; 5) Ivanоv M. P. и др.. Study of ²³⁸U spontaneous fission using a double ionization chamber, там же, 1985, v. A234, p. 152; 6) Balin D. V. и др., Experimental investigation of the muon catalyzed dd-fusion, "Phys. Lett.", 1984, v. 141 B, N 3/4, p. 173; 7) Вurq J. P. и др., Soft p^-pand pp elastic scattering in the energy range 30 to 345 GeV, "Nucl. Phys.", 1983, v. B217, p. 285; 8) Fulbright H. W., lonization chambers, "Nucl. Instr. and Meth.", 1979,v. 162, N 1/3, p. 21. А. А. Воробьев, Г. А. Королев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.