ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК

ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК

       
газоразрядный детектор ч-ц, создающий сигнал, амплитуда к-рого пропорц. энергии, выделенной в его объёме, регистрируемой ч-цей. При полном торможении ч-цы в П. с. его импульс пропорц. энергии ч-цы. В отличие от ионизационной камеры, вблизи анода П. с. электрич. поле Е столь велико, что первичные эл-ны приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. В результате на анод приходит лавина эл-нов. Отношение полного числа собранных эл-нов к первоначальному их числу наз. к о э ф ф и ц и е н т о м г а з о в о г о у с и л е н и я М, к-рый тем больше, чем больше величина Е/р (р — давление газа; в формировании импульса участвуют и ионы). В П. с. обычно используют коаксиальные электроды: катод — цилиндр, анод — тонкая (10—100 мкм) нить, натянутая по оси цилиндра (рис.). Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь эл-ны дрейфуют в поле Е без «размножения». П. с., как правило, заполняют инертными газами с добавлением небольшого кол-ва многоатомных газов.
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК
Схема пропорц. счётчика: а — область дрейфа электронов; б — область газового усиления.
Типичные хар-ки П. с.: M=103—104 (но может достигать 106); амплитуда импульса =10-2 В при электрич. -ёмкости самого П. с. ок. 20 пФ; развитие лавины происходит за время =10-9—10-8 с, однако момент появления сигнала на выходе П. с. зависит -от места прохождения ионизующей ч-цы, т. е. от времени дрейфа первичных эл-нов до анода. При радиусе =1 см и давлении 1 атм время срабатывания П. с. относительно пролёта ч-цы =10-7—10-8 с достигает 10-6 с.
П. с. используются для регистрации всех видов ч-ц: a-частиц, эл-нов, осколков деления атомных ядер и т. д., а также для нейтронов, гамма- и рентг. квантов. В случае незаряж. ч-ц регистрируются вторичные заряж. ч-цы, возникающие в процессе вз-ствия нейтральных ч-ц с наполняющим счётчик газом (эл-ны, протоны отдачи и др.).
П. с. сыграл важную роль в развитии яд. физики довоенного времени, являясь наряду с ионизац. камерой практически единств. электронным спектрометрич. детектором.
В кон, 60-х гг. в физике ч-ц высоких энергий начала применяться п р о п о р ц и о н а л ь н а я к а м е р а, состоящая из большого числа (102—103) П. с., расположенных в одной плоскости и часто в одном газовом объёме. Такая геометрия позволяет по регистрации ч-ц в отдельных П. с. определить место прохождения ч-цы. Расстояние между соседними анодными нитями. =1—2 мм, расстояние между анодной и катодной плоскостями =1 см, разрешающее время =10-7 с. Развитие микроэлектроники и внедрение в эксперим. технику ЭВМ позволили создать камеры, состоящие из десятков тыс. нитей, соединённых -с ЭВМ, к-рая запоминает и обрабатывает всю информацию от пропорц. камеры. Такая камера — одновременно быстродействующий спектрометр и трековый детектор.
В 70-х гг. появилась д р е й ф о в а я к а м е р а, в к-рой для измерения координаты места пролёта ч-цы используется дрейф эл-нов, предшествующий образованию лавины. Чередуя аноды и катоды отд. П. с. в одной плоскости и измеряя время дрейфа эл-нов, можно измерить место прохождения ч-цы через камеру с высокой точностью (=0,1 мм) при числе нитей в =10 раз меньше, чем в пропорц. камере.
П. с. применяются в яд. физике и в физике ч-ц высоких энергий (в экспериментах на ускорителях и в косм. лучах), а также в астрофизике, геологии, археологии и др. С помощью П. с., установленного на «Луноходе-1», по спектру рентг. флюоресценции был произведён хим. элементный анализ в-ва поверхности Луны.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

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 энергии 4015-161.jpgчастицы, т. е. П. с. является одновременно и спектрометром. П. с., как и др. газоразрядные детекторы, представляет собой газовый объём (от неск. см 3 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 энергией 4015-163.jpgсоздаёт в газе п0=4015-164.jpg/W электрон-ионных пар, где 4015-165.jpg- ионизаци онные потери энергии частицы, W- ср. энергия образования электрон-ионной пары. Импульс тока (напряжения), возникающий на сопротивлении Л, пропорционален 4015-166.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, где 4015-173.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 нити 4015-174.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 ~10-8 с. 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 (СН 2, С 2 Н 2, СO2 и т. д.), поглощающие УФ-излучение. Т. к. электроны поглощают газы и пары со сродством к электрону (О 2, Н 2 О, галогены), то их в смеси П. с. должно быть мин. кол-во (концентрация O2~10-5 см 3).

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

4015-177.jpg

где 4015-178.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.jpg К (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 (СН 4, пропан, изобутан, С 2 Н 5 ОН, 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 (DV макс= еМп 0/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)·10-6 с, 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 П. с. с момента первичной ионизации, что ограничивает возможности использования П. с. 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 постоянство 4015-202.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, СН 4 и т. д. не наблюдается прилипания электронов, но присутствие даже незначит. кол-ва (<0,1%) электроотрицат. молекул Н 2 О, СО, О 2, С 2 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 П. с. зависит от давления и состава газовой смеси и толщины анодной проволоки 4015-205.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. Эффективность П. с. 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. Для 4015-209.jpgдо 104015-210.jpg20 кэВ эффективность П. с. 4015-211.jpg 80%, а для больших 4015-212.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 241 Аm.

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 3 Не или 10BF3. Нейтроны захватываются ядрами 3 Не и 10 В 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 энергией 4015-214.jpg~10 кэВ с помощью П. с. можно измерить их энергию по величине смещения пика в амплитудном дифференц. спектре от захвата нейтронов ядром 3 Не либо по величине импульсов от ядер отдачи при заполнении счётчика лёгкими газами Н 2 или 4 Не (см. Нейтронные детекторы).

П. с. 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 темп-р ~10-103 К.

П. с. применялся при изучении бета-распада ядер (оценки массы антинейтрино), исследовании тонкой структуры 4015-215.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. Лит.: Rice-Evans P., Spark, streamer, proportional and drift chambers, L., 1974; Sau1i F., Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers, Gen., 1977; 3aневский Ю. В., Проволочные детекторы элементарных частиц, М., 1978; Sanada J., Growth the avalanche about the anode wire in a gas counter, "Nucl. Instr. and Meth.", 1982, v. 196, p. 23; Sau1i F., Basic processes in time-projection like detectors, в кн.: Time projection chamber 1-th workshop., Vancouver, 1983, N. Y., 1984; Ионизационные намерения в физике высоких энергий, М., 1988. А. П. Стрелков, Б. Ситар.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Нужно сделать НИР?

Полезное


Смотреть что такое "ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК" в других словарях:

  • ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК — газоразрядный детектор частиц, создающий сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии регистрируемой частицы. Пропорциональный счетчик цилиндрический конденсатор с нитью в качестве анода, заполнен инертным газом. Используется для… …   Большой Энциклопедический словарь

  • Пропорциональный счетчик — Пропорциональный счетчик  газовый детектор ионизирующего излучения, в основе принципа работы которого лежит процесс лавинного усиления заряда в цилиндрическом электрическом поле. Режим пропорционального усиления в таком счетчике позволяет, в …   Википедия

  • пропорциональный счетчик — Газоразрядный счетчик, работающий в режиме несамостоятельного газового разряда, в котором заряд в импульсе пропорционален первичной ионизации, а коэффициент газового усиления больше единицы и не зависит от первичной ионизации. [ГОСТ 19189 73]… …   Справочник технического переводчика

  • пропорциональный счетчик — proporcingasis skaitiklis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. proportional counter vok. Proportionalzähler, m rus. пропорциональный счетчик, m pranc. compteur proportionnel, m …   Automatikos terminų žodynas

  • пропорциональный счетчик — Детектор, использующий пропорциональное газовое усиление первоначальной ионизации …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • пропорциональный счётчик — газоразрядный детектор частиц, создающий сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии регистрируемой частицы. Пропорциональный счётчик  цилиндрический конденсатор с нитью в качестве анода, заполнен инертным газом. Используется для… …   Энциклопедический словарь

  • Электрический счетчик* — представляет прибор, служащий для определения общего количества Э. энергии, прошедшей чрез него в некоторый промежуток времени к месту потребления. Э. энергия (работа), израсходованная в известное время, определяется произведением Э. мощности… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • Электрический счетчик — представляет прибор, служащий для определения общего количества Э. энергии, прошедшей чрез него в некоторый промежуток времени к месту потребления. Э. энергия (работа), израсходованная в известное время, определяется произведением Э. мощности… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • HEAO-2 — (High Energy Astronomy Observatory) HEAO2/Обсерватория им. Эйнштейна Организация …   Википедия

  • ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ — приборы для регистрации атомных и субатомных частиц. Чтобы частица была зарегистрирована, она должна взаимодействовать с материалом детектора. Простейшие детекторы ( счетчики ) регистрируют только сам факт попадания частицы в детектор; более… …   Энциклопедия Кольера


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»