ПРИЛОЖЕНИЕ М. Элементарные процессы в газовых детекторах

Газовый ионизационный детектор представляет собой наполненный газом сосуд, содержащий два электрода, между которыми приложена разность потенциалов U. Наиболее распространенной является коаксиальная геометрия электродов: цилиндрический катод и анод в виде тонкой нити по оси цилиндра. При такой конфигурации электрическое поле внутри детектора сильно неоднородно: напряженность поля быстро возрастает к аноду.

В отсутствие электрического поля движение электронов и ионов в газе имеет характер диффузии, результатом которой является выравнивание их концентраций во всем объеме. Однако в присутствии поля возникает общий дрейф электронов к аноду и положительных ионов к катоду. Средняя скорость дрейфа w связана с напряженностью электрического поля Е величиной K, называемой подвижностью носителей заряда:

. (М.1)

Подвижность электронов имеет различные значения для разных газов. Кроме того, она зависит от напряженности поля и давления газа p. Однако существует достаточно широкая область значений Е/р, при которых значения K практически постоянны. Подвижности положительных и отрицательных ионов на три порядка меньше подвижности электронов.

Под действием заряженных частиц происходит ионизация газа. При этом на пути частицы с начальной кинетической энергией Т_a образуется n_i = Т_a / W пар положительных ионов и свободных электронов, где W – средняя энергия ионообразования. Величина W практически не зависит от вида частиц и их энергии. Для α-частиц величина n_i обычно составляет десятки тысяч; для быстрых электронов она во много раз меньше.

Поведение образовавшихся заряженных частиц зависит от условий внутри детектора, в том числе от напряженности электрического поля и давления газа. Свободные электроны и ионы испытывают множество столкновений с молекулами газа и друг с другом. Путь между двумя последовательными столкновениями называется длиной свободного пробега. Эта величина носит вероятностный характер и определяется распределением сталкивающихся частиц по энергиям. Средняя длина свободного пробега пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению газа:

, (М.2)

где величина s называется транспортным сечением рассеяния.

При столкновениях электронов с молекулами и ионами наблюдается несколько конкурирующих процессов. Свободные электроны могут прилипать к нейтральным молекулам, образуя отрицательные ионы. Коэффициент прилипания определяется как вероятность присоединения электрона к нейтральной молекуле или атому при одном столкновении исоставляет ~10^–3 для галогенов, 10^–4 для кислорода и паров воды, 10^–6 и меньше для аргона, водорода, азота и других электроположительных газов. Прилипание электронов приводит к уменьшению подвижности отрицательных зарядов.

Положительные ионы и электроны (или отрицательные ионы), находящиеся в одной и той же области пространства, могут рекомбинировать, вновь образуя нейтральные частицы. Скорость рекомбинации пропорциональна локальным концентрациям ионов и электронов. Выделяющаяся энергия рекомбинации обычно идет на возбуждение атома (молекулы), однако при больших плотностях газа, когда вероятны тройные столкновения, эту энергию полностью или частично уносит третья частица.

Разряд в газе начинается с того, что свободные электроны, ускоряясь под действием разности потенциалов, приобретают энергию большую, чем потенциал ионизации молекул газа и, следовательно, достаточную для ударной ионизации. Если при столкновении электрона с нейтральной молекулой происходит ионизация, то образуется еще один электрон, который также может ионизировать, и процесс приобретает лавинный характер. Чтобы обеспечить развитие лавинной ионизации, на нить детектора подается положительный потенциал. В этом случае

, (М.3)

где r – расстояние до анода, R_K и R_A – радиусы катода (цилиндра) и анода (нити). Таким образом, напряженность поля максимальна вблизи анода.

Коэффициент ударной ионизации, численно равный числу актов ионизации, осуществляемых одним электроном на единице длины пути, является важнейшей характеристикой реакции, приводящей к развитию газового разряда. Вероятность ионизации молекулы электронным ударом тем выше, чем больше энергия электрона. Следовательно, коэффициент ударной ионизациирастет с ростом напряженности поля и длины свободного пробега электрона. Энергию, достаточную для ударной ионизации, электроны приобретают лишь тогда, когда подлетают к аноду на расстояние, равное нескольким свободным пробегам.

После прохождения первой лавины могут возникать повторные, причем за счет двух основных механизмов вторичной ионизации. Первый механизм обусловлен тем, что при развитии лавины электроны возбуждают нейтральные молекулы, которые, возвращаясь в основное состояние, испускают фотоны. Эти фотоны выбивают из катода путем фотоэффекта электроны, которые и являются родоначальниками новых лавин. Второй механизм заключается в том, что положительные ионы, доходя до катода, выбивают из него электроны в процессе нейтрализации (ионно-электронная эмиссия). Необходимая для выбивания энергия выделяется в процессе нейтрализации иона, поскольку потенциал ионизации газа, заполняющего детектор, всегда в несколько раз выше потенциала ионизации металла, из которого изготовлен катод (4-5 эВ). Например, потенциал ионизации аргона равен 15,7 эВ, так что при нейтрализации иона аргона на катоде выделяется энергия около 11 эВ, которая более чем достаточна для выбивания электрона.

Если интенсивность вторичной ионизации слабая и для поддержания воспроизводства электронов требуется действие внешнего ионизатора, то такой газовый разряд называется несамостоятельным. В случае, когда процессы ионизации развиваются и при прекращении действия внешнего ионизатора, возникает самостоятельный разряд. Отношение числа электронов N, собирающихся на аноде, к первоначальному числу электронов n_i, образованных ионизирующим излучением, называется коэффициентом газового усиления М. Изменение разности потенциалов между электродами газового детектора при пролете через него ионизирующей частицы (электрический импульс) равно

, (М.4)

где eN – заряд, собранный на электродах, С – суммарная электрическая емкость детектора и подводящих проводов. Именно этот импульс поступает в усилитель и, в конечном счете, измеряется. На рис. М представлена зависимость величины D U (числа собираемых пар ионов) от U для различных ионизирующих частиц, проходящих через детектор.

На начальном участке М < 1 вследствие рекомбинации электронов и ионов. C ростом разности потенциалов увеличивается скорость дрейфа и соответственно уменьшается вероятность рекомбинации. Зависимость D U от U близка к линейной. При увеличении U практически все образовавшиеся электроны и ионы собираются на электродах, величина импульса постоянна и определяется только количеством ионов, которые образуются в объеме детектора ионизирующим излучением (М = 1). В этой области работают ионизационные камеры.

При дальнейшем увеличении U величина импульса вновь возрастает, так как растет вероятность ударной ионизации. Образуется лавинный разряд, который прекращается, как только все электроны и ионы достигают электродов. В этой области М > 1, а амплитуда импульса все еще пропорциональна первичной ионизации. Поэтому детекторы, работающие в этой области, называются пропорциональными счетчиками.

Если продолжать увеличивать напряжение на счетчике, то коэффициент газового усиления очень сильно возрастет по абсолютной величине. При некотором значении U величина импульса перестает зависеть от начальной ионизации: все импульсы, независимо от вида ионизирующего излучения имеют одинаковую величину. Иными словами, каждый свободный электрон, образовавшийся в газе, вызывает самостоятельный разряд. В области самостоятельного разряда работают счетчики Гейгера-Мюллера. Наконец, при значениях U порядка нескольких кВ наступает режим, при котором возникновение разряда уже не связано с действием ионизирующего излучения.

В области самостоятельного разряда коэффициент газового усиления формально становится равным бесконечности (реально – более 10⁶). Это означает, что достаточно попадания одного электрона в рабочее пространство счетчика, чтобы вызвать непрерывный разряд. В результате ударной ионизации образуется лавина, за ней следует вторая, и т.д. При этом происходит быстрое собирание электронов, но не положительных ионов, подвижность которых во много раз меньше. Прекращение разряда наступает примерно через 10^-7 с, когда чехол положительных ионов вокруг анода настолько снижает напряженность электрического поля, что образование следующей лавины становится невозможным. Однако в результате дрейфа положительных ионов через 10^-4 с напряженность электрического поля вблизи анода вновь возрастает и образование лавин возобновляется, если не приняты специальные меры.

Для подавления повторного развития разряда применяются гасящие добавки к основному газу: органические соединения (спирты, эфиры и т.д.) или галогены (Cl₂, Br₂), потенциал ионизации которых меньше потенциала ионизации основного газа. Основной целью введения добавок является нейтрализация ионов инертного газа, что предотвращает выбивание электрона, вызывающее повторный разряд. При дрейфе ионов Ar⁺ к катоду происходит много соударений с молекулами добавок. Ионы захватывают электроны добавок и нейтрализуются. В результате на катоде разряжаются ионы добавок, которые не выбивают электроны, а диссоциируют. При этом органические ионы диссоциируют необратимо, поэтому счетчики с органическими гасящими добавками имеют ограниченный срок службы. Диссоциация хлора и брома обратима, и срок службы галогенных счетчиков значительно дольше.