liczniki jonizacyjne

Kiedy cząstka naładowana porusza się z dużą prędkością w ośrodku materialnym, traci energię między innymi na jonizację atomów tego ośrodka. Jeśli ośrodek jest dielektrykiem to może w nim istnieć pole elektryczne nie powodujące nadmiernego upływu prądu. Wykrycie jonizacji przez przelatującą cząstkę można zaobserwować dzięki powstaniu dodatkowego prądu w zewnętrznym obwodzie, gdzie znajduje się źródło wysokiego napięcia zasilające pole dielektryka. Wskutek przemieszczania się elektronów oraz dodatnich jonów lub dziur w dielektryku ładunek gromadzi się na elektrodach. Możemy mierzyć natężenie średniego prądu jonizacji wywołanego przez strumień cząstek lub impulsy pochodzące od poszczególnych cząstek. Urządzeniem rejestrującym jest kondensator naładowany przyłożonym na jego okładki napięciem. Przejście cząstki jonizującej przez kondensator powoduje krótkotrwały impuls prądu. Na połączonym w szereg z kondensatorem oporze wystąpi przy tym impuls napięcia, który może być wzmocniony i zarejestrowany. Dielektryk na skutek jonizacji staje się elektrycznie przewodzący, a stan taki trwa, dopóki wszystkie jony nie zostaną z niego usunięte.

Liczniki jonizacyjne można rozróżnić w zależności od przyłożonego napięcia oraz od wielkości impulsu. (Rysunek 1 Obszary pracy licznika jonizacyjnego. )W zależności od tego detektory jonizacyjne można podzielić na obszary pracy, w których one działają

Obszar komory jonizacyjnej. Liczba wytworzonych par jonów jest proporcjonalna do traconej przez cząstkę energii. Jeżeli cały powstający w komorze ładunek zbieramy na elektrodach, to otrzymujemy impulsy o wysokości proporcjonalnej do tej energii. W komorze jonizacyjnej (Rysunek 2) wykorzystuje się jonizację pierwotną. Im więcej cząstka wytworzy par jonów tym ma większą energię. Znając ilość par jonów i energię wytworzenia jednej pary jonów można określić energię cząstki.

Impulsy uzyskiwane w komorze jonizacyjnej są niewielkie, tak, że komory nadają się do rejestracji cząstek silnie jonizujących. Komory jonizacyjne buduje się przeważnie w formie płaskiego kondensatora i często zaopatruje cienkościennym okienkiem, aby ciężkie cząstki nie traciły zbyt dużo energii przy wejściu do ich wnętrza.

Jednakże w przypadku komór jonizacyjnych pojawia się problem ruchliwości jonów dodatnich, która znacznie różni się od ruchliwości elektronów. Elektrony poruszają się szybko w kierunku anody. Przemieszczanie jonów dodatnich w kierunku katody jest bardzo powolne. Wytwarzają one w jej pobliżu ładunek przestrzenny, który osłabia efektywne pole zbierające elektrony co wydłuża czas ich zbierania. Ponieważ czas potrzebny do wytworzenia ładunku przestrzennego zależy od położenia toru cząstki w komorze to również czas zbierania elektronów zależy od tegoż położenia. (Rysunek 3) Częstość zmian napięcia na elektrodach i prądu w obwodzie zewnętrznym zależy od położenia toru cząstki w komorze.

Aby uniezależnić impulsy wyjściowe od rozmieszczenia torów rejestrowanych cząstek zastosowano siatkę, którą umieszczono w poprzek komory. Zadaniem siatki jest ekranowanie elektronów, które znajdują się w obszarze miedzy siatką a anodą, od dodatniego ładunku przestrzennego tworzącego się w pobliżu katody. Wówczas czas zbierania elektronów jest niezależny od położenia toru cząstki. (Rysunek 4) Przy konstrukcji komory z siatką należy uwzględnić dwa aspekty

ekranowanie elektronów od dodatniego pola jonów powinno być jak najsilniejsze,
przekrój czynny na zderzania elektronów z siatką powinien być jak najmniejszy.

Aby uzyskać jak najlepszą wydajność należy kierować się wzorami:

, wzor4

gdzie: E_C - pole utworzone pomiedzy siatką i anodą (pole zbierające), E_P - pole dodatniego ładunku przestrzennego, r - promień drutu siatki, d - odległość między drutami siatki, c - odległość siatka - anoda, a - odległość siatka - katoda, V_A, V_S, V_K - odpowiednio potencjał anody, siatki, efektywny potencjał katody uwzględniający ładunek przestrzenny. W przypadku detektorów cylindrycznych wpływ ładunku przestrzennego na zbieranie elektronów jest minimalny, wiec siatki są mało przydatne.

Obszar licznika proporcjonalnego. (Rysunek 5) W tym obszarze napięć wytworzone przez cząstkę w liczniku elektrony pierwotne uzyskują dostatecznie wysokie energie, aby wywołać jonizację dalszych atomów gazu na swej drodze do anody. Dzięki tej wtórnej jonizacji powiększa się znacznie wytworzony ładunek i wysokość impulsu. Uzyskujemy tzw. wzmocnienie gazowe, które wynosić może od 10² do 10⁴. Przy niezbyt wysokich napięciach wzmocnienie to jest stałe i wysokość impulsu pozostaje proporcjonalna do liczby pierwotnie wytworzonych jonów, a zatem do energii. Wielkość impulsu zależy jednak silnie od wysokości przyłożonego napięcia i dlatego napięcie zasilające licznik należy dobrze stabilizować.

Ponieważ dla uzyskania wtórnej jonizacji i wzmocnienia gazowego elektron musi być przyspieszony do dużych prędkości na małej stosunkowo drodze, istnieje pewne krytyczne natężenie pola elektrycznego w liczniku, poniżej którego wtórna jonizacja nie następuje. Przykładowo dla argonu to krytyczne natężenie pola jest rzędu 10 kV/cm. Najłatwiej tak duże natężenie pola można uzyskać dla cylindrycznej konfiguracji elektrod w pobliżu centralnej elektrody dodatniej mającej postać cienkiego drucika. W małym obszarze o promieniu rzędu ułamka milimetra natężenie pola przekracza wartość krytyczną i elektrony uzyskują dostateczne prędkości do wywołania jonizacji wtórnej. Impuls powstaje na skutek ruchów jonów dodatnich w obszarze dużego spadku napięcia, a zatem znowu w niewielkim obszarze w pobliżu anody, dzięki czemu czas potrzebny do tego aby impuls osiągnął znaczną część swojej pełnej wysokości nie jest duży, rzędu kilku us. Ponieważ impuls powstaje na skutek ruchu ładunku w małym obszarze tylko w pobliżu anody, wysokość jego nie zależy od miejsca w którym powstała jonizacja pierwotna.

Obszar ograniczonej proporcjonalności. W tym obszarze napięć występuje w liczniku wzmocnienie gazowe, nie jest ono jednak stałe lecz zależy od energii cząstek, dlatego nie stosuje się detektorów w tym obszarze.

Obszar licznika Geigera - Mullera. (Rysunek 6) Licznik ten stosuje się do detekcji zarówno cząstek jonizujących jak i promieniowania gamma lub rentgenowskiego. Zasadniczymi częściami tego licznika są: cylindryczna katoda i przeciągnięta wzdłuż jej osi metalowa nić, stanowiąca anodę. Elektrody te są umieszczone w hermetycznie zamkniętym naczyniu, wypełnionym gazem ( np. argonem, powietrzem , wodorem ) pod ciśnieniem ok. 100 - 200 mm słupa rtęci. W niektórych przypadkach katodą może być cylindryczna metalowa ścianka naczynia.

Taki kształt elektrod pozwala uzyskać duże natężenie pola elektrycznego w pobliżu anody. Promieniowanie jądrowe powoduje jonizację gazu między elektrodami licznika. Elektrony powstające w wyniku jonizacji są przyspieszane w silnym polu elektrycznym i uzyskują dostateczną energię aby wywołać dalsze akty jonizacji i wzbudzenia cząstek gazu. W wyniku lawinowo rozwijającego się procesu jonizacji do anody podąża coraz więcej elektronów. W procesie rozwoju wyładowania istotną rolę odgrywają fotony promieniowania ultrafioletowego wzbudzonych cząsteczek gazu. Wskutek zjawiska fotoelektrycznego, szczególnie zachodzącego na katodzie, pojawiają się następne elektrony, zapoczątkowujące kolejne lawiny elektronowe podążające ku anodzie. W opisanym procesie narasta również liczba jonów dodatnich, które jako znacznie cięższe od elektronów, poruszają się o wiele wolniej i tworzą w gazie ładunek przestrzenny. Obecność ładunku przestrzennego zmniejsza natężenie pola elektrycznego w obszarze między anodą i chmurą jonów przesuwających się w kierunku katody. W wyniku tego wyładowanie zanika. Jednakże jony dodatnie po osiągnięciu katody wybijają z niej elektrony i jeżeli tylko dodatni ładunek z katody zostanie dostatecznie szybko odprowadzony, lawiny elektronowe zaczną rozwijać się od nowa. W ten sposób wyładowanie w liczniku jest stale podtrzymywane i licznik nie może rejestrować następnych cząstek promieniowania jądrowego.

Istnieje jednak parę sposobów powstrzymania wyładowania ciągłego w liczniku. Jednym z nich jest włączenie w obwód licznika dostatecznie dużego oporu R, rzędu 10⁹ omów. Tak duży opór nie pozwala na szybkie odprowadzenie ładunku ujemnego z anody, co obniża jej potencjał aż do chwili, gdy jony dodatnie zostaną zebrane na katodzie. To obniżenie potencjału a zarazem zmniejszenie napięcia między katodą a anodą wystarcza, aby elektrony wybite przez jony nie wywoływały nowych lawin. Prowadzi to do wygaśnięcia wyładowania. Po czasie rzędu setnej części sekundy ładunek z anody zostaje odprowadzony, a licznik jest zdolny do zarejestrowania następnej cząstki.

Inny sposób wygaszania wyładowania polega na wypełnieniu licznika wymienionymi powyżej gazami z domieszką gazów lub par o cząsteczkach wieloatomowych ( metan, etan, pary alkoholu ). Przy odpowiedniej proporcji domieszki wyładowania po krótkim czasie wygasają same. Gaszenie następuje dzięki silnemu pochłanianiu promieniowania ultrafioletowego przez cząsteczki wieloatomowe oraz dzięki temu, że jony cząsteczek wieloatomowych nie wybijają z katody elektronów. Jeżeli rodzaj domieszki jest tak dobrany , ażeby energia jonizacji jej cząsteczek była mniejsza niż cząsteczek ( atomów ) gazu podstawowego, to przy zderzeniach jonów gazu podstawowego z cząsteczkami wieloatomowymi następuje jonizacja cząsteczek wieloatomowych. W rezultacie tego do katody będą docierały tylko jony domieszek nie wybijające elektronów. Licznik z domieszką gazu o cząsteczkach wieloatomowych nosi nazwę samogasnącego. Impulsowi prądu wyładowania w liczniku odpowiada impuls napięcia na oporze, który włączony jest w obwód licznika, niezależnie od jego rodzaju. Impuls napięcia przekazywany jest do elektronowego urządzenia zliczającego, zwanego przelicznikiem. W przypadku licznika Geigera - Mullera, na skutek jonizacji wtórnej amplituda impulsów napięcia nie zależy od energii straconej przez cząstkę w liczniku tj. od liczby par jonów wytworzonych przez nią. Dlatego też licznik ten nie może służyć do wyznaczania energii cząstek. Stosuje się go wyłącznie do rejestracji liczby cząstek.

Liczniki Geigera - Mullera charakteryzują się czasem martwym pochodzącym stąd , że powłoka jonów wytworzona w wyładowaniu lawinowym w obszarze w pobliżu anody obniża tam natężenie pola do wartości mniejszej od krytycznej koniecznej dla jonizacji wtórnej w czasie występowania tego ładunku przestrzennego, który to czas może dochodzić do kilkuset ľs . W czasie tym licznik nie może zarejestrować nowej cząstki.

Jeżeli dla licznika Geigera - Mullera zbadamy zależność liczby zliczeń od przyłożonego napięcia przy stałym natężeniu padającego promieniowania gamma to otrzymamy nastepujacą charakterystykę. (Rysunek 7) W pewnym przedziale napięć liczba zliczeń się nie zmienia. Ten obszar nazywa się plateau geigerowskim. Napięcie pracy licznika Geigera - Mullera wybiera się w połowie plateau. Taki wybór podyktowany jest tym, że w obszarze plateau detektor jest najmniej wrażliwy na wahania napięcia zasilającego.

Obszar wyładowania ciągłego . Przy bardzo wysokich napięciach między elektrodami licznika wystąpić może wyładowanie ciągłe. Licznik przestaje zasadniczo działać i może ulec zniszczeniu. W tym obszarze mogą pracować tylko liczniki iskrowe. (Rysunek 8) Przy przejściu silnie jonizującej cząstki, np. cząstki alfa, powstaje wyładowanie iskrowe między płaską elektrodą ujemną i elektrodą dodatnią złożoną zwykle z równoległych cienkich drucików.