©
Куцева Н. В. │ Сайт «Элементарные частицы»
разработан в рамках ВКР магистра |
Пропорциональный счётчик
Пропорциональный счётчик представляет собой газоразрядный прибор для регистрации ионизирующего излучения. По своей конструкции он во многом похож на счётчик Гейгера (см. рисунок ниже). Основными его частями являются: металлический цилиндр, играющий роль катода; тонкая металлическая нить ( ), натянутая вдоль оси цилиндра – анод. Пропорциональный счётчик заполняется инертным газам с добавлением небольшого количества многоатомного газа, необходимого для поглощения фотонов, образующиеся в ионизационных лавинах. Однако за счёт того что, амплитуда его сигнала пропорциональна энергии регистрируемой частицы, теряемой в его объёме на ионизацию, он способен не только регистрировать частицу, но и измерять её энергию.
Принцип действия пропорционального счётчика основан на умножении электронов в инертном газе. Так при прохождении заряженной частицы через инертный газ на её пути образуются ион-электронные пары, число которых зависит от энергии, теряемой частицей. Под действием электрического поля свободные электроны будут двигаться к аноду, а ионы – к катоду. Под действием сильного электрического поля вблизи анода эти свободные электроны в результате ускорения приобретают достаточно большую энергию для вторичной ионизации газа. В результате на анод приходит лавина электронов, но в отличие от счётчика Гейгера в данном случае коронного разряда не возникает. Ток через счётчик резко возрастает. По возникшему импульсу напряжения отмечается факт прохождения заряженной частицы через газоразрядный счётчик, а по его амплитуде энергию частицы.
Схема пропорционального счётчика: а – область дрейфа электронов; б – область газового усиления
Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь электроны дрейфуют под действием поля без «размножения».
В пропорциональном счетчике лавинообразный процесс заканчивается, как только новый свободный электрон достигает анода. Поскольку в таком детекторе электрон должен достичь уровня ионизации газа, существует пороговое напряжение, после которого начинается этот лавинообразный процесс. Для газов, используемых в пропорциональных счетчиках при атмосферном давлении этот пороговый уровень составляет порядка .
Пропорциональные счётчики
характеризуется коэффициентом газового усиления,
которое представляет собой отношение числа
электронов, полностью собранных на аноде к числу
первичных
электронов. Обычно оно составляет около
Пропорциональный счётчик используются для регистрации всех видов ионизирующих излучений. Существуют пропорциональные счётчики для регистрации α-частиц, электронов, осколков деления ядер и т.д., а также для нейтронов, гамма и рентгеновских квантов. В последнем случае используются процессы взаимодействия нейтронов, γ- и рентгеновских квантов с наполняющим счётчик газом, в результате которых образуются регистрируемые вторичные заряженные частицы. Пропорциональный счётчик сыграл важную роль в ядерной физике 30–40-х годах XX века, являясь наряду с ионизационной камерой практически единственным спектрометрическим детектором.
По мимо ядерной физики, областями применения пропорциональных счётчиков также являются: физика космических лучей, астрофизика, медицина, геология, археология и т. д. Так, например, с помощью пропорционального счётчика установленного на «Луноходе-1» по рентгеновской флюоресценции производился химический элементный анализ вещества поверхности Луны.
Второе рождение пропорциональный счётчик получил в физике частиц высоких энергий в конце 60-х годах в виде многопроволочной пропорциональной камеры (МПК), состоящей, грубо говоря, из большого числа () пропорциональных счётчиков, расположенных в одном газовом объёме в одной плоскости .
МПК были разработаны французским физиком Г. Чарпаком в ЦЕРНе в 1968 году. МПК представляет собой систему, состоящую из множества тонких (около ) параллельных проволочных электродов (анодов), расположенных в одной плоскости в газовом объёме между двумя плоскими параллельными друг другу и аноду катодами (сплошными или проволочными).
В типичном случае расстояние между анодными нитями составляет примерно , расстояние между анодной и катодной плоскостями около , разность потенциалов между анодом и катодом несколько кВ. Такие параметры МПК обеспечивают газовое усиление порядка и пропорциональность амплитуды сигнала энергии, оставленной частицей в объёме газа. Поэтому такое устройство позволяет не только измерять ионизацию частицы в каждом отдельном счётчике, но и фиксировать место её прохождения.
Схема МПК
Прохождение заряженной частицы через МПК ионизирует газ. Образовавшиеся вдоль её траектории свободные электроны дают начало лавинам, приходящим на анодные проволочки ближайшие к этим первичным электронам. Регистрация сигнала с каждой проволоки компьютером позволяет определить положение (координаты) частицы в МПК. Для получения трёхмерных координат частицы в большом объёме, используются системы из десятков МПК площадью до , располагающихся параллельно одна за другой, с общим числом проволочек несколько десятков тысяч, причём проволочки двух соседних МПК натянуты взаимно перпендикулярно. Типичное пространственное разрешение современной МПК . Временное разрешение несколько наносекунд. Энергетическое разрешение пропорциональной камеры составляет примерно . Таким образом, она является одновременно быстродействующим спектрометром и трековым детектором. МПК применяют, главным образом, в исследованиях элементарных частиц на ускорителях высоких энергий.
За изобретение МПК Г. Чарпаку в 1992 году была присуждена Нобелевская премия.