Ионизационные детекторы, страница 3

Рис .10.Схема включения  импульсной ионизационной камеры с плоскими электродами.

Вероятность рекомбинации носителей заряда зависит от относительной скорости частиц в момент соударения. В инертных  газах электроны, образовавшиеся при ионизации, не захватываются нейтральными атомами  и могут существовать долго в свободном состоянии. Относительная скорость электрона и иона в момент соударения велика и коэффициент рекомбинации имеет величину порядка 10 - 10 см³/сек. В газах другого типа  (кислорода, пары воды, галоидные атомы) электроны захватываются нейтральными атомами и образуются отрицательные молекулы. Соударение двух ионов, имеющих друг относительно друга небольшую скорость, приводит к рекомбинации, коэффициент рекомбинации 10см/сек.

 Предположим, что все пары носителей в начале находятся на равном расстоянии от положительного электрода. Если скорость дрейфа электронов и ионов равна u^- и u⁺, то они попадают на соответствующие электроды через время t⁺=(d-xº)/u⁺  и  t^-=xº/u^-. При этом ток вызванный ионами и электронами будет  равен:

I⁺ =N˚eu⁺/d                 0 ≤ t  ≤ t⁺

I‾ =N˚eu^-/d                     0 ≤ t  ≤ tˉ

Скорость дрейфа электронов в 1000 раз превышает скорость дрейфа ионов, поэтому tˉ<< t⁺. За коротким электронным импульсом тока следует продолжительный ионный импульс.

Ионизационную камеру можно представить в виде эквивалентной электрической схемы. Рис.11

Рис.11.Эквивалентная электрическая схема ионизационной камеры.

Пользуясь законом Кирхгофа можно записать уравнение для тока:

I=I ⁺+I¯=CdV/dt + V/R.

Решить это дифференциальное уравнение можно, пользуясь методом вариации постоянной. V_а(t)=1/C* е^-t/RC∫I(t)е^t/RCdt

Рассмотрим случай, когда R_aC>>t⁺.    V⁺_a(t)=N₀eu⁺t/Cd для 0<t<t⁺, V^-_a(t)=N₀eu^-t/Cd   для 0<t<t^-.

Импульс тока вызванный электронами и ионами вначале растёт со временем,  пройдя максимум падает с большой постоянной времени R_aC. Рис.12

Рис.12. Импульс напряжения на выходе плоской ионизационной камеры.

 Электрическое поле постоянно.

 Ионы ещё практически не сдвинулись с места, а электроны уже достигли анода. Максимум импульса от электронного тока равен V_a^-(t^-)=N₀ex₀/Cd. После достижения этого максимума общее напряжение нарастает медленнее, до тех пор пока ионы не достигнут катода

V_a(t⁺)=N₀e(u⁺t⁺+u^-t^-)/Cd =N₀e/C.

Максимальное напряжение пропорционально количеству образовавшихся носителей и не зависит от места образования пары носителей. Медленный дрейф ионов (порядка нескольких миллисекунд) приводит к таким большим постоянным времени, что ионизационные камеры  в импульсном режиме могут регистрировать не более 1000 фотонов в секунду.

При меньшей постоянной времени t^-<R_aC.<<t⁺ можно ограничиваться электронным импульсом тока. Получающийся в этом случае импульс показан на рисунке Рис.12 штриховой линией. В этом случае высота импульса пропорциональна числу N₀ возникших носителей заряда а скорость счёта может быть в 1000 раз выше. Камеры с таким режимом работы носят название камер с электронным собиранием. К сожалению, в этом случае величина сигнала зависит от координаты возникновения носителей. Этот недостаток устраняется помещением сетки между катодом и анодом. Такие камеры называются сеточными. Зависимость амплитуды импульсов от места ионизации слабее выражена в камерах с непостоянным по объёму электрическим полем, то есть  в цилиндрических и сферических камерах.