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 энергиичастицы, т. е. П. с. является одновременно и . 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).

Рис. 1. Схема пропорционального счётчика: И - источник частиц.

Заряж. частица с энергиейсоздаёт в газе п 0 =/W электрон-ионных пар, где - ионизаци онные потери энергии частицы, W - ср. энергия образования электрон-ионной пары. Импульс тока (напряжения), возникающий на сопротивлении Л, пропорционаленимпульс (1-100 мВ) усиливается и поступает в регистрирующее (анализирующее или запоминающее) электронное устройство.

Газовое усиление. Первичные электроны, образованные заряж. частицей в результате 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 ~ , где- 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 нитиэнергия 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 10 2 <М<10 4 лавина становится сердцеобразной, вытянутой в направлении прихода электронов; при М >10 4 лавина полностью охватывает анод - тогда и нарушается пропорциональность между п 0 и амплитудой сигнала. Размер лавины вдоль проволочного анода растёт с увеличением М от долей мм до неск. мм.

Рис. 2. Механизм работы пропорционального счётчика:-- зона дрейфа первичных электронов;-- зона лавин.

При столкновениях образуются также возбуждённые атомы, к-рые "высвечиваются" (УФ-излучение) за время ~10 -8 с. Энергия фотонов 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 , СO 2 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 O 2 ~10 -5 см 3).

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

где- число ионизац. соударений электрона на пути 1 см (первый коэф. Таунсенда), зависит от напряжённости поля E , давления r и рода газа. В приближении Роуза - Корфа, где a = N К (К - характеристика газа, N - газа, - энергия электронов),

Здесь С= - ёмкость счётчика на единицу длины, - напряжение на электродах, - напряжение, соответствующее началу лавины. При

(рис. 4). Ввиду статистич. природы лавинного процесса V c не является чёткой характеристикой П. с., поэтому V c определяется по пересечению прямолинейного участка зависимости lnM(F 0) с осью абсцисс. Линейная зависимость продолжается до М ~ 10 4 . При дальнейшем повышении F 0 зависимость перестаёт быть линейной (гл. обр. из-за влияния фотоэлектронной эмиссии и пространственного заряда ионов).

Область М ~ 10 4 -10 6 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 V 0 , хо-тя само напряжение, необходимое для требуемого М , возрастает.

Формирование сигнала . Вклад в амплитуду импульса за счёт перемещения первичных ионов и электронов мал.

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 10%. Положит. ионы, большинство к-рых расположено от поверхности нити на расстоянии ср. пробега электронов в лавине (15 мкм), после окончания лавины начинают двигаться к катоду, индуцируя изменение потенциала на нём во времени t :

Здесь е - заряд электрона, - подвижность ионов (см. Подвижность электронов и ионов), n 0 - 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 (15)·10 -3 с с момента образования лавины (рис. 6). Половины значения от своего максимума импульс достигает за (15)·10 -6 с, поэтому для получения высокого временного разрешения во входных цепях усилителя стоят дифференцирующие цепи (= RC ) или линии задержки .Т. о., в случае траектории частицы (трека), параллельной аноду, удаётся получить импульсы длительностью < 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 .

Энергетическое разрешение . Статистич. флуктуации в кол-ве первичных ионов n 0 , 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 приближённо выражается соотношением

Увеличение разброса амплитуды импульсов могут вызывать конструкционные несовершенства, приводящие к искажению распределения электрич. поля у анода, причём наиб. важным является постоянствопо длине П. с., напр. 1 мкм может вызвать разброс амплитуд ~50%. Большое влияние на энергетич. разрешение оказывают стабильность V 0 (0,05%) и чистота газа. Для инертных газов, СO 2 , 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. 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 =10 4 10 5 макс. скорость счёта составляет 10 5 - 10 6 с -1 . Для П. с. практически нельзя указать интервал времени, в к-ром он вообще бы не реагировал на . 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 , 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 и с энергиями до 1 МэВ используются П. с. высокого давления (до r = 150 атм) в магн. поле. Измерение энергии g-квантов связано с в наполняющем газе. Длядо 1020 кэВ эффективность П. с. 80%, а для большихнеобходим Хе (рис. 7; см. Гамма-излучение ).

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 10 3 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 ~10-10 3 К.

П. с. применялся при изучении бета-распада ядер (оценки массы ), исследовании тонкой структуры-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 высоких энергий, М., 1988. А. П. Стрелков, Б. Ситар .

энергии регистрируемой частицы, теряемой в его объеме на ионизацию. Заряженная частица, проходя через газ, наполняющий Пропорциональный счётчик , создаёт на своём пути пары ион - электрон, число которых зависит от энергии, терямой частицей в газе. При полном торможении частицы в Пропорциональный счётчик импульс пропорционален энергии частицы. Как и в ионизационной камере , под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы - к катоду. В отличие от ионизационной камеры вблизи анода Пропорциональный счётчик поле столь велико, что электроны приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. В результате вместо каждого первичного электрона на анод приходит лавина электронов и полное число электронов, собранных на аноде Пропорциональный счётчик , во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного числа собранных электронов к первоначальному количеству называется коэффициентом газового усиления (в формировании импульса участвуют также и ионы). В Пропорциональный счётчик обычно катодом служит цилиндр, а анодом - тонкая (10-100 мкм ) металлическая нить, натянутая по оси цилиндра (см. рис. ). Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь электроны дрейфуют под действием поля без «размножения». Пропорциональный счётчик заполняют инертными газами (рабочий газ не должен поглощать дрейфующие электроны) с добавлением небольшого количества многоатомных газов, которые поглощают фотоны, образующиеся в лавинах.

Типичные характеристики Пропорциональный счётчик : коэффициент газового усиления ~ 10 3 -10 4 (но может достигать 10 6 и больше); амплитуда импульса ~ 10 -2 в при ёмкости Пропорциональный счётчик около 20 пкф ; развитие лавины происходит за время ~ 10 -9 - 10 -8 сек, однако момент появления сигнала на выходе Пропорциональный счётчик зависит от места прохождения ионизующей частицы, т. е. от времени дрейфа электронов до нити. При радиусе ~ 1 см и давлении ~ 1 атм время запаздывания сигнала относительно пролёта частицы ~ 10 -6 сек. По энергетическому разрешению Пропорциональный счётчик превосходит сцинтилляционный счётчик , но уступает полупроводниковому детектору . Однако Пропорциональный счётчик позволяют работать в области энергий < 1 кэв , где полупроводниковые детекторы неприменимы.

Пропорциональный счётчик используются для регистрации всех видов ионизирующих излучений. Существуют Пропорциональный счётчик для регистрации a- частиц, электронов, осколков деления ядер и т.д., а также для нейтронов, гамма- и рентгеновских квантов. В последнем случае используются процессы взаимодействия нейтронов, g- и рентгеновских квантов с наполняющим счётчик газом, в результате которых образуются регистрируемые Пропорциональный счётчик вторичные заряженные частицы (см. Нейтронные детекторы ). Пропорциональный счётчик сыграл важную роль в ядерной физике 30-40-х гг. 20 в., являясь наряду с ионизационной камерой практически единственным спектрометрическим детектором.

Второе рождение Пропорциональный счётчик получил в физике частиц высоких энергий в конце 60-х гг. в виде пропорциональной камеры, состоящей из большого числа (10 2 -10 3) Пропорциональный счётчик , расположенных в одной плоскости и в одном газовом объёме. Такое устройство позволяет не только измерять ионизацию частицы в каждом отдельном счётчике, но и фиксировать место её прохождения. Типичные параметры пропорциональных камер: расстояние между соседними анодными нитями ~ 1-2 мм, расстояние между анодной и катодной плоскостями ~1 см ; разрешающее время ~ 10 -7 сек. Развитие микроэлектроники и внедрение в экспериментальную технику ЭВМ позволили создать системы, состоящие из десятков тыс. отдельных нитей, соединённых непосредственно с ЭВМ, которая запоминает и обрабатывает всю информацию от пропорциональной камеры. Т. о., она является одновременно быстродействующим спектрометром и трековым детектором.

В 70-х гг. появилась дрейфовая камера, в которой для измерения места пролёта частицы используется дрейф электронов, предшествующий образованию лавины. Чередуя аноды и катоды отдельных Пропорциональный счётчик в одной плоскости и измеряя время дрейфа электронов, можно измерить место прохождения частицы через камеру с высокой точностью (~ 0,1 мм ) при числе нитей в 10 раз меньше, чем в пропорциональной камере. Пропорциональный счётчик применяются не только в ядерной физике, но и в физике космических лучей , астрофизике, в технике, медицине, геологии, археологии и т.д. Например, с помощью установленного на «Луноходе-1» Пропорциональный счётчик по рентгеновской флюоресценции производился химический элементный анализ вещества поверхности Луны.

Лит.: Векслер В., Грошев Л., Исаев Б., Ионизационные методы исследования излучений, М. - Л., 1949; Принципы и методы регистрации элементарных частиц, пер. с англ., М., 1963; Калашникова В. И., Козодаев М. С., Детекторы элементарных частиц, М., 1966 (Экспериментальные методы ядерной физики, [ч. 1]).

В. С. Кафтанов, А. В. Стрелков.

Статья про слово "Пропорциональный счётчик " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 4801 раз

Газоразрядный детектор ч-ц, создающий , амплитуда к-рого пропорц. энергии, выделенной в его объёме, регистрируемой ч-цей. При полном торможении ч-цы в П. с. его пропорц. энергии ч-цы. В отличие от ионизационной камеры, вблизи анода П. с. электрич. Е столь велико, что первичные эл-ны приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. В результате на 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 - 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.

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 =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 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 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 .

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 частицы, т. е. П. с. является одновременно и спектрометром. П. с., как и др. газоразрядные , 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).

Рис. 1. Схема пропорционального счётчика: И - источник частиц.

Заряж. частица с энергией создаёт в газе п 0 =/W электрон-ионных , где - ионизаци онные потери энергии частицы, W - ср. образования электрон-ионной пары. Импульс тока (напряжения), возникающий на сопротивлении Л, пропорционален импульс (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 ~ , где - 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 энергия 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 10 2 < М<10 4 . лавина становится сердцеобразной, вытянутой в направлении прихода электронов; при М >10 4 лавина полностью охватывает анод - тогда и нарушается пропорциональность между п 0 и амплитудой сигнала. Размер лавины вдоль проволочного анода растёт с увеличением М от долей мм до неск. мм.

Рис. 2. Механизм работы пропорционального счётчика:-- зона дрейфа первичных электронов;-- зона лавин.

При столкновениях образуются также возбуждённые атомы, к-рые "высвечиваются" (УФ-излучение) за время ~10 -8 с. Энергия фотонов 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 , СO 2 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 ( O 2 ~10 -5 см 3).

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

где - число ионизац. соударений электрона на пути 1 см (первый коэф. Таунсенда), зависит от напряжённости поля E, давления r и рода газа. В приближении Роуза - Корфа, где a = N К (К - характеристика газа, N - плотность газа, - энергия электронов),

Здесь С= - ёмкость счётчика на единицу длины, - напряжение на электродах, - напряжение, соответствующее началу лавины. При

(рис. 4). Ввиду статистич. природы лавинного процесса V c не является чёткой характеристикой П. с., поэтому V c определяется по пересечению прямолинейного участка зависимости lnM(F 0) с осью абсцисс. Линейная зависимость продолжается до М ~ 10 4 . При дальнейшем повышении F 0 зависимость перестаёт быть линейной (гл. обр. из-за влияния фотоэлектронной эмиссии и пространственного заряда ионов).

Область М ~ 10 4 -10 6 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 V 0 , хо-тя само напряжение, необходимое для требуемого М, возрастает.

Формирование сигнала. Вклад в амплитуду импульса за счёт перемещения первичных ионов и электронов мал.

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 в полную амплитуду импульса 10%. Положит. ионы, большинство к-рых расположено от поверхности нити на расстоянии ср. пробега электронов в лавине (15 мкм), после окончания лавины начинают двигаться к катоду, индуцируя изменение потенциала на нём во времени t :

Здесь е - заряд электрона, - подвижность ионов (см. Подвижность электронов и ионов), n 0 - 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 спустя (15)·10 -3 с с момента образования лавины (рис. 6). Половины значения от своего максимума импульс достигает за (15)·10 -6 с, поэтому для получения высокого временного разрешения во входных цепях усилителя стоят дифференцирующие цепи (= RC ) или линии задержки. Т. о., в случае траектории частицы (трека), параллельной аноду, удаётся получить импульсы длительностью < 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 .

Энергетическое разрешение. Статистич. в кол-ве первичных ионов n 0 , 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 приближённо выражается соотношением

Увеличение разброса амплитуды импульсов могут вызывать конструкционные несовершенства, приводящие к искажению распределения электрич. поля у анода, причём наиб. важным является постоянство по длине П. с., напр. 1 мкм может вызвать разброс амплитуд ~50%. Большое влияние на энергетич. разрешение оказывают стабильность V 0 (0,05%) и чистота газа. Для инертных газов, СO 2 , 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. регистрации П. с. зависит от давления и состава газовой смеси и толщины анодной проволоки . 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 =10 4 10 5 макс. скорость счёта составляет 10 5 - 10 6 с -1 . Для П. с. практически нельзя указать времени, в к-ром он вообще бы не реагировал на . Это обстоятельство позволяет использовать П. с. для детектирования излучения высокой интенсивности. При этом часто достаточно регистрировать не отд. импульсы, а средний ионный 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. слюды или органич. плёнок. Иногда источник излучения помещается внутри объёма П. с. Для регистрации и 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 до 1020 кэВ эффективность П. с. 80%, а для больших необходим 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.

Рис. 7. Амплитудный дифференциальный 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 10 BF 3 . 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 ~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 10 3 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 неприменим. По сравнению со сцинтилляционным детектором П. с. имеет лучшее энергетич. разрешение, меньшие , нечувствителен к магн. полю. П. с. работает в диапазоне темп-р ~10-10 3 К.

П. с. применялся при изучении бета-распада ядер (оценки массы ), исследовании тонкой структуры -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 . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

• 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 - 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

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

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

Пропорциональный счётчик

Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Это позволяет регистрировать частицы с энергией < 10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах "тонут" в шумах усилителя.
Газовое усиление это увеличение количества свободных зарядов в объёме детектора за счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Возникшие при этом новые электроны в свою очередь успевают приобрести энергию достаточную для ионизации ударом. Таким образом, к аноду будет двигаться нарастающая электронная лавина. Это “самоусиление” электронного тока (коэффициент газового усиления) может достигать 10 3 -10 4 . Такой режим работы отвечает пропорциональному счётчику (камере) . В названии отражено то, что в этом приборе амплитуда импульса тока (или полный собранный заряд) остаётся пропорциональной энергии, затраченной заряженной частицей на первичную ионизацию среды детектора. Таким образом, пропорциональный счётчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых.
Конструктивно пропорциональный счётчик обычно изготавливают в форме цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра (рис.1), что обеспечивает вблизи анода напряженность электрического поля значительно бoльшую, чем в остальной области детектора. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт напряжённость поля вблизи нити-анода может достигать 40 000 вольт/см., в то время как у катода она равна сотням в/см.

Если ещё больше увеличить разность потенциалов между анодом и катодом и увеличить коэффициент газового усиления до значений >10 4 , то начинает нарушаться пропорциональность между потерянной частицей в детекторе энергией и величиной импульса тока. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счётчик частиц.
Временнoе разрешение пропорционального счетчика может достигать10 -7 с.
Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бета-частиц, протонов, гамма-квантов и нейтронов. Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном. При регистрации заряженных частиц и гамма-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объём счетчика. Эффективность регистрации для мягких гамма-квантов с энергией < 20 кэВ > 80%. Для повышения эффективности регистрации более энергетичных гамма-квантов используют ксенон.
При регистрации нейтронов пропорциональные счетчики заполняются газами 3 He или 10 BF 3 . Используются реакции

Газовые счетчики ионизирующего излучения представляют собой детектор и предназначены для регистрации ионизирующего излучения. Для усиления используют газовый разряд. Данный класс детекторов имеет высокую чувствительность, следовательно, они способны детектировать отдельные частицы, возникающие в объеме газонаполненного счетчика. В зависимости от типа газового разряда выделяю следующие газовые счетчики:

Пропорциональные (основаны на явлении несамостоятельного газового разряда);

Счетчики Гейгера-Мюллера (основаны на самостоятельном газовом разряде).

Пропорциональные счетчики

Пропорциональные счетчики относятся к группе газоразрядных детекторов. Такое название было присвоено им потому, что электрический сигнал на выходе счетчика по амплитуде пропорционален энергии, потерянной регистрируемой частицей в рабочем объеме, при условии, что пробег частицы полностью в нем укладывается. С помощью пропорционального счетчика можно измерять энергетические спектры полей ионизирующих излучений. Пропорциональные счетчики конструктивно не отличаются от цилиндрических ионизационных камер, но их газовое наполнение (обычно 90% аргона и 10% метана) и режим работы – различны. Пропорциональный счетчик, в отличие от импульсной ионизационной камеры, работает при более высоком напряжении на электродах, то есть в той области вольтамперной характеристики, в которой вблизи поверхности тонкого анодного электрода возникают условия для начала вторичной ударной ионизации (Вторичная ударная ионизация – процесс, при котором электроны, образовавшиеся в результате первичной ионизации, сами способны производить ионизацию за счет достаточной кинетической энергии). Счетчик часто выполняется в коаксиальной цилиндрической геометрии. Анод изготавливается в виде тонкой металлической нити (0,1 мм), натянутой строго по оси цилиндрического корпуса. Объем счетчика наполняется инертным газом с добавкой многоатомных газов. Давление газа выбирается близким к атмосферному или немного большим. На анод подается положительное напряжение U 0 несколько сотен В относительно катода. В объеме счетчика возникает неоднородное электрическое поле, напряженность которого изменяется по мере приближения к аноду по закону1/r, где r – текущее значение радиуса в объеме счетчика. Изменение напряженности поля приводит к ускорению электронов по направлению к аноду. Вблизи поверхности анода электроны ускоряются до таких энергий, что приобретают способность производить вторичную ударную ионизацию рабочего газа. Процесс размножения ионов при вторичной ионизации ограничен несколькими поколениями, но не развивается в неуправляемую лавину. Разряд прекращается, как только прекращается первичная ионизация. Газовый разряд такого сорта называют несамостоятельным, то есть способным прекратиться без дополнительного на него воздействия. Рассмотрим график зависимости величины импульса от напряжения на газовом детекторе (рис. 1).

1 – Область ионизационной камеры. При малых напряжениях пропорциональный счетчик работает как ионизационная камера, ток не зависит от напряжения, а будет определяться количеством ионов, которые образуются в объеме газа. Затем, при повышении напряжения, импульс будет возрастать за счет явления ударной ионизации;

2 – Пропорциональная область. Пропорциональный счетчик работает таким образом, что амплитуда импульсов пропорциональна ионизации с учетом газового усиления;

3 – Область ограниченной пропорциональности. Область, к которой при дальнейшем повышении напряжения коэффициент газового усиления* возрастает по абсолютной величине и зависит от первоначальной ионизации.

4 – Область Гейгера. В этой области каждый вторичный электрон будет вызывать разряд в газе т. е. в этой области величина импульс уже не зависит от первоначальной ионизации. Работает как счетчик Гейгера-Мюллера.

При дальнейшем повышении напряжения в газе будет наблюдаться повышение разряда, не связанное с ионизацией – самопроизвольный разряд. В этом случае счетчик не может быть использован, так как происходит пробой в газе.

Коэффициент газового усиления

Если число пар ионов, созданных влетевшей в рабочее тело счетчика регистрируемой частицей, равно n, то число пар ионов, рожденных вторичной, ударной ионизацией будет равно K ⋅ n. Величину K называется коэффициентом газового усиления. Можно определить коэффициент газового усиления через число пар ионов, имевшихся в объеме счетчика во время формирования сигнала: К = n/n 0 , где n 0 – число пар ионов, созданных ионизирующей частицей; n – общее число пар ионов.

Эффективность детектирования

Эффективностью детектирования называется выраженное в процентах отношение числа регистрируемых частиц к числу всех частиц, попавших в рабочий объем детектора. Зависит от материала стенок детектора, их толщины и энергии излучения.

Применение пропорциональных счетчиков

Область применения пропорциональных счетчиков достаточно обширна, что определяется их свойствами. Эффективность регистрации ими альфа-частиц, осколков деления, протонов, и мягкого гамма- и рентгеновского излучения (с энергией до 10–20 кэВ) близка к 100 %. Для таких измерений (особенно для измерений заряженных частиц) используют датчики с окнами из тонкой слюды или органических пленок. Иногда источник излучения помещается внутри объёма. Пропорциональные счетчики активно используются для исследования поверхностей на загрязнения, включая системы мониторинга загрязнения поверхности тела, одежды, обуви и так далее. Для регистрации нейтронов пропорциональные счетчики заполняются 3 Не или 10 BF 3 .

Использование пропорциональных счетчиков для спектрометрии ограничено. В большинстве случаев системы на их основе уступают полупроводниковым и сцинтилляционным. Однако надёжность и простота дают возможность применять их, если не требуется высоко–энергетическое разрешение, для работы в области энергий ~0,2 кэВ, где полупроводниковый детектор неприменим. По сравнению со сцинтилляционным детектором пропорциональные счетчики имеют лучшее энергетическое разрешение, меньшие шумы, нечувствительны к магнитному полю.