ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА ПРОПОРЦІЙНИЙ ЛІЧИЛЬНИК ГАЗОВІ

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА ПРОПОРЦІЙНИЙ ЛІЧИЛЬНИК ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ - ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА Іонізаційний метод – один з основних методів детектування іонізуючого випромінювання Він базується на реєстрації розділених носіїв заряду (іонів, електронів, «дірок» і т. п. ), які утворюються в результаті дії іонізуючого випромінювання. Цей метод використовують зовсім різні за конструкцією і методикою вимірювань детектори. найбільшу групу детекторів цього типу складають газові іонізаційні детектори МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 1

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА Загальна схема іонізаційного газового детектора а) б) 1 - катод, 2 – анод; а) циліндричний детектор; б) детектор з плоскими електродами МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 2

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА • інтегральний (струмовий) та імпульсний режими роботи • режим газового підсилення Вольт-амперна характеристика газового іонізаційного детектора МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 3

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА « 0» - область роботи іонізаційної камери в режимі неповного збирання заряду « 1» - основний робочий режим іонізаційної камери (режим повного збирання заряду) « 2» - режим роботи пропорційного лічильника « 3» - область нелінійного газового підсилення « 4» - режим газорозрядного лічильника (лічильник Гейгера-Мюллера). « 5» - область емісії електронів з електродів під дією прикладеного поля МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 4

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА Заряджена частинка спочатку вибиває електрони з атомів з достатньо великою енергією. Такі електрони називають первинними електронами. Якщо вони мають достатньо велику енергію, вони мають назву δ-електрони (дельтаелектрони). Кожен з цих електронів як достатньо високоенергетична заряджена частинка, може вибивати вторинні електрони. Відношення енергії ΔE, яку втратила іонізуюча частинка в певному об’ємі до загальної кількості пар іон-електрон, які утворилися в результаті такої втрати називається ефективною енергією іонізації: Заряд іонів (чи електронів), який при цьому утворюється дорівнює: МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 5

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА Основні властивості газів, які використовують в газових іонізаційних детекторах МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 6

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА Електронегативні іони Енергії зв’язку для надлишкових електронів Коефіцієнт прилипання h, який визначається як відношення перерізу утворення електронегативного іона до повного перерізу взаємодії електрона з атомом. Коефіцієнт прилипання для молекул кисню і води складає порядку 10 -4 – 10 -5. Оцінимо кількість електронегативних іонів Імовірність уникнути захоплення електрона молекулою при одному зіткненні дорівнює 1 -h при ν актах взаємодії така ймовірнність дорівнює Кількість зіткнень νnt за одиницю часу можна виразити через середню швидкість руху електрона V і середню довжину вільного пробігу λ між зіткненнями: νnt=V/ λ. МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 7

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА Електронегативні іони Кількість зіткнень νnt за одиницю часу можна виразити через середню швидкість руху електрона V і середню довжину вільного пробігу λ між зіткненнями: νnt=V/ λ. λ обернено пропорційна кількості молекул газу на одиницю об’єму, яка прямо пропорційна тиску газу p. пересвідчимося в такій залежності: Якщо знехтувати розмірами електрона (порівняно з розмірами молекул газу) і не враховувати тепловий рух молекул середовища (реально це призведе лиш до домноження кінцевого виразу на невеликий коефіцієнт), то можна розглянути таку картину. Електрон рухається від зіткнення до зіткнення з швидкістю V , тобто він проходить за секунду шлях V. - e e МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 8

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА Електрон рухається від зіткнення до зіткнення з швидкістю V , тобто він проходить за секунду шлях V. - e e При цьому всі молекули на його шляху, центр яких буде відстояти від електрону менше ніж на радіус молекули r, будуть з ним зіштовхуватися Об’єм, через який пройде електрон за одну секунду, дорівнюватиме πr 2 V, де πr 2 - площа поперечного перерізу «коридору» , в якому пролітає електрон і всі молекули, центри яких попадають в цей «коридор» , зіштовхуються з ним. Якщо кількість молекул газу на одиницю об’єму дорівнює n, тоді кількість зіткнень за секунду дорівнюватиме добутку цього об’єму на n - πr 2 Vn, а середній шлях λ між зіткненнями дорівнюватиме добутку середнього часу між зіткненнями на швидкість руху електрона МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 9

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА Якщо кількість молекул газу на одиницю об’єму дорівнює n, тоді кількість зіткнень за секунду дорівнюватиме добутку цього об’єму на n - πr 2 vn, а середній шлях λ між зіткненнями дорівнюватиме добутку середнього часу між зіткненнями на швидкість руху електрона p ~ n МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 10

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА Тому можна записати λ= λ 0/p, де λ 0 – середня довжина вільного пробігу при одиничному тиску (більш зрозуміло, коли записати , де p 0 - референтний тиск при якому ). Тоді кількість зіткнень електрона з атомами за час t з моменту його утворення і до моменту «прилипання» буде дорівнювати ν = νnt·t =V/λ·t = t·p·V/λ 0. Тому імовірність того, що вільний електрон проживе час t до захоплення його нейтральною молекулою, буде МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 11

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА Тому імовірність того, що вільний електрон проживе час t до захоплення його нейтральною молекулою, буде а імовірність утворення електронегативного іона в момент t дорівнює або більш точно, враховуючи формулу МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 12

Для газів з простими молекулами ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА В результаті можна визначити середній час життя електрона до «прилипання» до молекули (розклад в ряд Тейлора логарифма ( ln(1 -h)≈h ) і використання визначення середнього значення випадкової величини (математичного сподівання) як нормованого інтегралу від добутку самого значення часу на густину ймовірності Pприлип) Для газів з простими молекулами При p 0=1, 3 г. Па (гектопаскаль), середня швидкість електронів порядку 107 см/с. В таких умовах час життя електрону до захоплення в таких газах, як кисень може складати 10 -5 – 10 -6 с. Оскільки негативні іони рухаються повільніше, то підвищується імовірність передати свій надлишковий електрон позитивному іону МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 13

ГАЗОВІ ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА Якщо в газі домішки газів, які схильні до створення електронегативних іонів матимуть концентрацію C у відсотках (%), тоді формула модифікується Це неважко зрозуміти, розглядаючи, що в інших атомах коефіцієнт прилипання дорівнює 0. Якщо взяти С=1%, час руху електронів 2· 10 -6 с, значення при p 0 = 1, 3 г. Па, то при p = 105 Па (1 бар) отримуємо величину . Тобто, навіть невеликі домішки кисню (чи пари води) можуть призводити до суттєвих втрат заряду при його збиранні. МРІВ, Безшийко О. А. , лекція 3 14