1.3 비례 카운터

비례 카운터,이온화 방사선을 기록하기 위한 가스 방전 장치로, 진폭이 이온화로 인해 부피가 손실된 감지된 입자의 에너지에 비례하는 신호를 생성합니다.

이온화 챔버의 단점은 전류가 매우 낮다는 것입니다. 이온화 챔버의 이러한 단점은 가스 증폭 기능이 있는 이온화 검출기에서 극복되어 에너지로 입자를 등록할 수 있습니다.<10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах «тонут» в шумах усилителя.

비례 카운터의 작동은 가스 증폭 현상을 기반으로 합니다.

가스 증폭은 높은 전기장에서 양극으로 가는 1차 전자가 감지기 작동 매체의 중성 원자의 충격 이온화에 충분한 에너지를 획득한다는 사실로 인해 감지기 부피의 자유 전하 수가 증가하는 것입니다. . 이 경우 발생하는 새로운 전자는 충격에 의한 이온화에 충분한 에너지를 획득합니다. 따라서 증가하는 전자 눈사태는 양극쪽으로 이동할 것입니다. 이것이 바로 '자기강화'이다. 전자 전류(가스 이득)은 103 -104에 도달할 수 있습니다. 이 작동 모드는 해당합니다. 비례 카운터(챔버). 이름은 이 장치에서 전류 펄스(또는 수집된 총 전하)의 진폭이 검출기 매체의 1차 이온화에 하전 입자가 소비한 에너지에 비례한다는 사실을 반영합니다. 따라서 비례 계수기는 이온화실과 같은 분광계의 기능을 수행할 수 있습니다. 비례 카운터의 에너지 분해능은 섬광 카운터보다 우수하지만 반도체 카운터보다는 나쁩니다.

비례 계수기를 채우는 가스를 통과하는 하전 입자는 경로를 따라 이온-전자 쌍을 생성하며, 그 수는 가스에서 입자가 손실한 에너지에 따라 달라집니다. 비례 계수기에서 입자가 완전히 감속되면 운동량은 입자 에너지에 비례합니다. 이온화실에서와 마찬가지로 영향을 받습니다. 전기장전자는 양극으로 이동하고 이온은 음극으로 이동합니다. 이온화 챔버와 대조적으로, 비례 계수기의 양극 근처에 있는 전기장은 매우 강하여 전자가 2차 이온화에 충분한 에너지를 얻습니다. 결과적으로 각 1차 전자 대신 전자의 눈사태가 양극으로 오고 비례 계수기의 양극에 수집된 전자의 총 수는 1차 전자의 수보다 몇 배 더 많습니다. 완전한 태도

원래 수만큼 수집된 전자의 수를 가스 이득 계수라고 합니다(이온도 펄스 형성에 참여함).

쌀. 14. β 및 α 입자의 결합 소스로 얻은 비례 계수기의 계수 특성.

초기 이온수 n0에 대한 가스 증폭 결과 형성된 이온수 n의 비율,

입자에 의해 형성된 것을 가스 증폭 계수 M이라고 합니다.

10 ≤ M ≤ 10000. M 계수는 입자 에너지, 작업 유형(에너지 계산 또는 측정) 및 최적의 신호 대 잡음비에 따라 선택됩니다. 에너지를 측정할 때 그들은 M 값을 가능한 한 작게 취하려고 합니다. 이 경우 미터의 전압은 전류-전압 특성의 더 평평한 부분에 해당하며 전원의 전압 안정성이 너무 높을 필요는 없습니다. 입자를 계산할 때 높은 전압 안정성이 필요하지 않으며 비례가 제한된 영역을 포함하여 높은 M 값을 사용할 수 있습니다.

가스 강화는 언제든지 발생합니다.

그러나 전극 기하학은 다음과 같은 특징을 갖는 원통형 비례 카운터입니다.

낮은 작동 전압, 폭넓은 적용 가능성 및 소형화.

쌀. 15. 세로(a) 및 가로(b) 섹션의 비례 계수기 다이어그램(가이거 계수기와 원통형 이온화 챔버는 유사하게 구성됨): 1 - 양극 필라멘트, 2 -

원통형 음극, 3 – 절연체, 4 – 하전 입자의 궤적, 5 – 전자 눈사태. 희가스 원자의 1차 이온화 결과로 입자에 의해 생성된 전자와 이온은 각각 어두운 원과 흰색 원으로 표시됩니다.

구조적으로 비례 카운터는 일반적으로 실린더 축을 따라 얇은 금속 실 형태의 양극이 있는 원통형 커패시터 형태로 만들어지며, 이는 나머지 것보다 훨씬 더 높은 양극 근처의 전계 강도를 제공합니다. 감지기 영역의 모습입니다. 양극과 음극 사이의 전위차가 1000V인 경우 양극 필라멘트 근처의 전계 강도는 40,000V/cm에 도달할 수 있는 반면, 음극에서는 수백 V/cm에 이릅니다. 나사산(텅스텐 또는 강철)의 직경은 0.05~0.3mm 범위에서 선택됩니다. 작은 표면 거칠기로 인해 수집 전극 근처의 전기장이 크게 왜곡되기 때문에 실의 표면이 연마됩니다.

쌀. 16. 원통형 비례 카운터 설계: 1 – 수집 전극; 2 – 보안 링; 3 - 절연체; 4 – 몸.

가스 증폭은 필라멘트 직경과 비슷한 거리에 있는 양극 근처에서 수행되며, 나머지 방식에서는 전자가 "재생" 없이 장의 영향을 받아 표류합니다. 비례 계수기는 눈사태에서 생성된 광자를 흡수하는 소량의 다원자 가스를 추가하여 불활성 가스(작동 가스는 표류하는 전자를 흡수하지 않아야 함)로 채워져 있습니다. 가스 압력은 50~760mmHg까지 다양합니다. 미술.

미터 본체에는 구리, 황동, 알루미늄 및 기타 재료가 적합합니다. 최소 벽 두께 δ 0.05 mm는 재료의 강도와 작업 공간의 견고성 상태에 의해 제한됩니다. 저압의 가스로 채워진 계량기 본체는 외부 대기압을 견뎌야 합니다.

쌀. 17. 절대 β 측정을 위한 4π 카운터 설계 -

활동: 1 – 다이어프램; 2 – 소스 홀더; 3 – 고무 씰; 4 – 수집 전극.

소스의 절대 β-활성도는 한 쌍의 반구형 비례 카운터인 4π-카운터(그림 17)로 측정됩니다. 카운터를 기준으로 대칭으로 위치한 호일의 각 반구 내부. β 입자를 입체각 4π로 방출합니다. 방출된 거의 모든 β 입자는 카운터에 의해 기록되며, 그 계수 속도는 소스의 활동과 거의 동일합니다. 4π 카운터로 활성을 측정할 때 호일과 활성 물질 층의 β 입자 흡수에 대한 보정이 도입됩니다. 구형 카운터 외에도 다른 형태의 4π 카운터도 사용됩니다. 4π 카운터의 음극은 직사각형이거나 반원통형일 수 있습니다.

그림 18. 비례 카운터 연결 회로도.

비례 계량기의 일반적인 특성: 가스 이득 ~ 103 -104(그러나 106 이상에 도달할 수 있음) 펄스 진폭 ~ 10-2V, 비례 카운터 용량 c. 약 20pf; 눈사태의 발생은 ~ 10-9 - 10-8초의 시간에 발생하지만 신호가 카운터 출력에 나타나는 순간은 다음에 따라 달라집니다.

이온화 입자가 통과하는 위치, 즉 전자가 필라멘트로 표류하는 시점부터. 반경 ~ 1cm, 압력 ~ 1atm에서 입자 통과에 대한 신호 지연 시간은 ~ 10-6초입니다. 에너지 분해능 측면에서 비례 카운터는 섬광 카운터보다 우수하지만 반도체 검출기보다 열등합니다. 그러나 비례 계량기는 에너지 범위에서 작동을 허용합니다.< 1 кэВ , где полупроводниковые детекторы неприменимы.

쌀. 19. 비례 카운터의 블록 다이어그램: 1 –

비례 카운터; 2 – 고전압 안정화 전압 소스; 3 – 광대역 선형 증폭기; 3a – 원격 증폭기 장치(음극 팔로워); 4 – 진폭 판별기; 5 – 조절 장치; 6 – 펄스 오실로스코프.

양극과 음극 사이의 전위차가 더 증가하고 가스 이득 계수가 >104 값으로 증가하면 검출기의 입자에 의해 손실된 에너지와 전류 펄스의 크기 사이의 비례성이 깨지기 시작합니다. 아래에. 장치는 제한된 비례 모드로 전환되며 더 이상 분광계로 사용할 수 없고 입자 계수기로만 사용할 수 있습니다. 비례 카운터의 시간 분해능은 10-7초에 달할 수 있습니다.

일정한 방사선 강도와 시스템 감도에서 펄스 계수 속도는 전극의 전압에 따라 달라집니다. 이러한 의존성을 계수 특성이라고 합니다. 전압 구간 U>U 0에서 계수 특성은 계수 속도가 일정한 수평 구간(고원)을 갖습니다. 고원에 있는 모든 하전 입자의 펄스 진폭은 회로의 감도 임계값보다 큽니다. 따라서 회로는 비례 카운터에 들어가는 모든 하전 입자를 등록합니다.

α 입자에 대한 비례 카운터의 정체는 낮은 전압에서 시작됩니다. 고원으로의 급격한 출구는 단일 에너지 α 입자의 평행 빔에 대해서만 관찰됩니다. α 입자가 서로 다른 방향으로 에너지가 다른 가스 내에서 이동하는 경우 더 높은 전압 영역에서 안정 상태로 원활하게 접근합니다. β 입자의 경우 매우 민감한 회로를 사용하거나 1atm보다 큰 압력에서 가스를 채워서 안정 상태를 달성합니다. 이는 비례 계수기의 단점 중 하나이므로 베타 입자 검출에 사용하기가 어렵습니다.

고원은 응력 축에 대해 약간의 각도로 기울어져 있습니다. 고원의 기울기(0.1%)는 외부 소스로부터의 1차 이온화로 인해 가스에 거짓 방전이 나타나는 것으로 설명됩니다.

고원에서 작동하는 비례 카운터는 모든 하전 입자를 등록합니다. 고원 아래 영역에서는 모든 입자가 카운터에 등록되지 않으며 효율성이 감소합니다. 따라서 비례 카운터의 가장 적합한 작동 모드는 하전 입자의 효율이 100%에 가까운 고원 영역에 있습니다.

비례 카운터는 모든 유형의 전리 방사선을 등록하는 데 사용됩니다. α - 입자, 전자, 핵분열 파편 등은 물론 중성자, 감마 및 X선 양자를 기록하기 위한 비례 카운터가 있습니다. 후자의 경우 중성자, γ- 및 X선 양자와 카운터를 채우는 가스의 상호 작용 과정이 사용되며 그 결과 2차 하전 입자가 형성되어 비례 카운터에 등록됩니다.

비례계수는 1930~40년대 핵물리학에서 중요한 역할을 했습니다. 20세기에는 이온화실과 함께 사실상 유일한 분광 검출기였습니다. 비례 계수기는 60년대 후반 고에너지 입자 물리학에서 다시 태어났습니다. 다음으로 구성된 비례 챔버 형태 큰 수(102 -103) 동일한 평면 및 동일한 가스 부피에 위치한 비례 카운터. 이러한 장치를 사용하면 각 개별 계수기에서 입자의 이온화를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 입자의 통과 위치도 기록할 수 있습니다. 비례 챔버의 일반적인 매개변수: 인접한 양극 필라멘트 사이의 거리 ~ 1 - 2 mm,

양극과 음극 평면 사이의 거리는 ~1cm입니다. 해결 시간 ~ 10-7초

쌀. 20. 비례 카운터 회로: a - 전자 드리프트 영역; b - 가스 강화 영역.

마이크로 전자 공학의 발전과 컴퓨터의 실험 기술 도입으로 비례실의 모든 정보를 저장하고 처리하는 컴퓨터에 직접 연결된 수만 개의 개별 스레드로 구성된 시스템을 만드는 것이 가능해졌습니다. 따라서 이는 고속 분광계이자 궤도 검출기입니다. 70년대 드리프트가 나타났다

눈사태가 발생하기 전에 발생하는 전자 드리프트를 사용하여 입자의 통과 위치를 측정하는 챔버입니다. 동일한 평면에서 개별 비례 계수기의 양극과 음극을 교대로 배치하고 전자 드리프트 시간을 측정함으로써 챔버를 통과하는 입자의 위치를 ​​스레드 수로 고정밀도(~0.1mm)로 측정할 수 있습니다. 10 비례실보다 몇 배 더 적습니다. 비례계수는 핵물리학뿐만 아니라 우주선 물리학, 천체물리학, 공학, 의학, 지질학, 고고학 등에서도 사용됩니다. 예를 들어 루노호트 1호에 설치된 비례계수기를 이용해 달 표면 물질의 화학 원소 분석을 X선 형광을 이용해 진행했다.

비례 카운터에서 가스 증폭을 사용하면 이온화 챔버에 비해 측정 감도를 크게 높일 수 있으며

카운터에서 증폭의 비례성은 이온화실에서와 마찬가지로 핵입자의 에너지를 결정하고 그 성질을 연구하는 것을 가능하게 합니다.

비례 카운터는 해당 작동 모드가 있는 이온화 챔버와 유사하게 이온화 입자 수를 등록하고, 에너지(펄스 모드)를 결정하며, 평균 전류(적분 모드)로 방사선 플럭스를 측정하는 데 사용됩니다.

비례 카운터는 알파, 베타 입자, 양성자, 감마 양자 및 중성자를 등록하는 데 사용됩니다. 비례 계수기는 헬륨이나 아르곤으로 채워지는 경우가 가장 많습니다. 하전 입자 및 감마 양자를 등록할 때 등록 전에 입자에 의한 에너지 손실을 방지하기 위해 얇은 입구 창을 사용합니다. 때로는 소스가 카운터 볼륨에 배치되는 경우도 있습니다. 20keV 미만의 에너지를 갖는 연성 감마선의 검출 효율은 80% 이상입니다. 보다 강력한 감마선을 기록하는 효율성을 높이기 위해 크세논이 사용됩니다.

하전 입자 또는 γ-양자를 등록하는 데 필요한 조건은 카운터의 작업량에서 적어도 한 쌍의 이온 쌍이 생성되는 것입니다. 이온화 입자의 경우 그러한 사건이 발생할 확률은 1에 가깝습니다. 감마 양자는 높은 침투력을 가지며 가스에 2차 전자 카운터가 형성될 확률, 결과적으로 등록 확률은 작은 부분의 단위입니다.

감마 양자가 카운터의 작업 공간을 통과할 때 광전 효과와 쌍 형성 효과의 결과로 2차 전자를 생성합니다. 그러나 저에너지 감마선의 경우 광전 효과만 중요합니다(쌍 형성 효과의 임계 에너지는 1.01MeV입니다). 광전 효과의 단면적은 물질의 원자 번호가 Z 5 로 증가함에 따라 증가합니다. 따라서 광자 등록의 효율성을 높이려면 Z가 큰 가스(크립톤 또는 크세논)를 카운터에 채워야 합니다.

비례 계수기는 주로 저에너지 방사선(수십 킬로전자볼트 정도)을 측정하는 데 사용되므로 특정 요구 사항카운터의 작업 공간으로 방사선을 전달하는 창 재료에 적용됩니다. 창 재료는 연구 중인 에너지 범위에 대한 흡수가 최소화되도록 선택됩니다. 일반적인 비례 계수기는 70μm 두께의 베릴륨 창을 갖춘 검출기로, 전체 압력 P = 0.8atm에서 90% Xe + 10% CH4 가스 혼합물로 채워져 있습니다. 이러한 카운터는 10keV의 γ-양자 에너지로 거의 100% 효율을 갖습니다.

중성자를 등록할 때 비례 계수기는 3 He 또는 10 BF3 가스로 채워집니다. 사용된 반응

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0.764 MeV

n + 10 B → 7 Li* + 4 He 7 Li + 4He + (0.48 MeV) +2.3 MeV (93%) n + 10 B → 7 Li + 4 He + 2.8 MeV (7%).

열중성자에 대한 후자 반응의 유효 단면적은 매우 큽니다.

중성자는 이러한 반응으로 인해 발생하고 카운터에서 이온화를 일으키는 하전 입자에 의해 감지됩니다. 빠른 중성자를 등록할 확률은 느린 중성자보다 훨씬 낮으며 빠른 중성자 계수기의 효율성은 1%도 넘지 않습니다.

비례 카운터

이온화 챔버의 단점은 전류가 매우 낮다는 것입니다. 이온화 챔버의 이러한 단점은 가스 증폭 이온화 검출기에서 극복됩니다. 이를 통해 에너지로 입자를 감지할 수 있습니다.< 10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах "тонут" в шумах усилителя.
가스 증폭은 높은 전기장에서 양극으로 가는 1차 전자가 감지기 작동 매체의 중성 원자의 충격 이온화에 충분한 에너지를 획득한다는 사실로 인해 감지기 부피의 자유 전하 수가 증가하는 것입니다. . 이 경우 발생하는 새로운 전자는 충격에 의한 이온화에 충분한 에너지를 획득합니다. 따라서 증가하는 전자 눈사태는 양극쪽으로 이동할 것입니다. 전자 전류(가스 증폭 계수)의 이러한 "자체 증폭"은 10 3 -10 4에 도달할 수 있습니다. 이 작동 모드는 해당합니다. 비례 카운터(챔버). 이름은 이 장치에서 전류 펄스(또는 수집된 총 전하)의 진폭이 검출기 매체의 1차 이온화에 하전 입자가 소비한 에너지에 비례한다는 사실을 반영합니다. 따라서 비례 계수기는 이온화실과 같은 분광계의 기능을 수행할 수 있습니다. 비례 카운터의 에너지 분해능은 섬광 카운터보다 우수하지만 반도체 카운터보다는 나쁩니다.
구조적으로 비례 카운터는 일반적으로 원통 축을 따라 얇은 금속 실 형태의 양극이 있는 원통형 커패시터 형태로 만들어지며(그림 1), 이는 양극 근처에서 상당한 전계 강도를 제공합니다. 나머지 감지기 영역보다 높습니다. 양극과 음극 사이의 전위차가 1000V인 경우 양극 필라멘트 근처의 전계 강도는 40,000V/cm에 도달할 수 있는 반면, 음극에서는 수백 V/cm에 이릅니다.

양극과 음극 사이의 전위차가 더 증가하고 가스 이득 계수가 >10 4 값으로 증가하면 검출기의 입자에 의해 손실된 에너지와 전류 펄스의 크기 사이의 비례가 시작됩니다. 무너지다. 장치는 제한된 비례 모드로 전환되며 더 이상 분광계로 사용할 수 없고 입자 계수기로만 사용할 수 있습니다.
비례 카운터의 시간 분해능은 10 -7초에 달할 수 있습니다.
비례 카운터는 알파, 베타 입자, 양성자, 감마선 및 중성자를 등록하는 데 사용됩니다. 비례 계수기는 헬륨이나 아르곤으로 채워지는 경우가 가장 많습니다. 하전 입자 및 감마 양자를 등록할 때 등록 전에 입자에 의한 에너지 손실을 방지하기 위해 얇은 입구 창을 사용합니다. 때로는 소스가 카운터 볼륨에 배치되는 경우도 있습니다. 에너지가 있는 소프트 감마 양자에 대한 검출 효율성< 20 кэВ >80%. 보다 강력한 감마선을 기록하는 효율성을 높이기 위해 크세논이 사용됩니다.
중성자를 등록할 때 비례 계수기는 3 He 또는 10 BF 3 가스로 채워집니다. 사용된 반응

이는 이온화로 인해 부피에서 손실된 감지된 입자의 에너지에 비례합니다. 충전 가스를 통과하는 하전 입자. pp.는 경로를 따라 이온-전자 쌍을 생성하며, 그 수는 가스의 입자에 의해 손실된 에너지에 따라 달라집니다. P.의 입자가 완전히 감속될 때. 운동량은 입자의 에너지에 비례합니다. 이온화 챔버에서와 마찬가지로 전기장의 영향으로 전자는 양극으로 이동하고 이온은 음극으로 이동합니다. P. s의 양극 근처의 이온화 챔버와는 대조적입니다. 자기장이 너무 강해서 전자가 2차 이온화에 충분한 에너지를 얻습니다. 결과적으로, 각각의 1차 전자 대신에 전자의 눈사태가 양극에 도달하고, PS의 양극에 수집된 전자의 총 수는 1차 전자의 수보다 몇 배 더 많습니다. 수집된 전자의 총 수와 초기 수의 비율을 가스 이득 계수라고 합니다(이온도 펄스 형성에 참여함). 추신에서. 일반적으로 음극은 원통형이고 양극은 원통형 축을 따라 뻗어 있는 얇은(10-100 마이크론) 금속 실입니다(그림 참조). 가스 증폭은 필라멘트 직경과 비슷한 거리에 있는 양극 근처에서 수행되며, 나머지 방식에서는 전자가 "재생" 없이 장의 영향을 받아 표류합니다. 추신 눈사태에서 생성된 광자를 흡수하는 소량의 다원자 가스를 추가하여 불활성 가스(작업 가스는 표류하는 전자를 흡수해서는 안 됨)로 채워져 있습니다. P. s.의 일반적인 특성: 가스 이득 계수 비례 카운터 103-104(그러나 106 이상에 도달할 수 있음); 펄스 진폭 비례 카운터 10-2V, 커패시턴스 P.s. 약 20pf; 눈사태의 발생은 10-9-10-8 초 내에 발생합니다. 그러나 P.s의 출력에 신호가 나타나는 순간. 이온화 입자의 통과 위치에 따라 달라집니다. 전자 드리프트 시간부터 필라멘트까지. 비례 카운터의 반경이 1cm이고 비례 카운터의 압력이 1atm인 경우 비례 카운터의 입자 통과에 대한 신호의 지연 시간은 10-6초입니다. P.s.의 에너지 해상도에 따르면. 섬광 계수기보다는 우수하지만 반도체 검출기보다는 열등합니다. 그러나 추신. 에너지 영역에서 작업할 수 있도록 해주는 이 장치는 고속 분광계이자 궤도 감지기입니다. 70년대 눈사태가 발생하기 전 전자 드리프트를 사용하여 입자 통과 위치를 측정하는 드리프트 챔버가 나타났습니다. 개별 P.s의 양극과 음극을 교대로 사용합니다. 한 평면에서 전자 드리프트 시간을 측정함으로써, 비례 챔버보다 10배 적은 스레드 수로 챔버를 통과하는 입자의 위치를 ​​높은 정확도(비례 카운터 0.1mm)로 측정할 수 있습니다. 추신 핵물리학뿐만 아니라 우주선 물리학, 천체 물리학, 기술, 의학, 지질학, 고고학 등에서도 사용됩니다. 예를 들어 Lunokhod-1에 설치된 P.s. 달 표면의 물질에 대한 화학 원소 분석은 X선 형광을 사용하여 수행되었습니다. Lit.: Veksler V., Groshev L., Isaev B., 방사선 연구를 위한 이온화 방법, . -L., 1949; 등록 원칙 및 방법 기본 입자, 트랜스. 영어, M., 1963에서; 칼라시니코프. I., Kozodaev M.S., 기본 입자 검출기, M., 1966(실험 방법 핵물리학, . 1). V. S. 카프타노프, . V. Strelkov.

가스 이온화 방사선 측정기는 검출기이며 전리 방사선을 등록하도록 설계되었습니다. 증폭에는 가스 방전이 사용됩니다. 이 종류의 감지기는 감도가 높으므로 가스가 채워진 카운터의 부피에서 발생하는 개별 입자를 감지할 수 있습니다. 가스 배출 유형에 따라 다음 가스 계량기를 구별합니다.

비례 (자립적이지 않은 가스 방전 현상에 기초);

가이거-뮬러 계수기(자체 유지 가스 방전 기반)

비례 카운터

비례 카운터는 가스 방전 감지기 그룹에 속합니다. 이 이름은 입자의 경로가 완전히 내부에 있는 경우 카운터 출력의 전기 신호가 작업 공간에서 감지된 입자에 의해 손실된 에너지에 진폭이 비례하기 때문에 붙여졌습니다. 비례 카운터를 사용하여 측정할 수 있습니다. 에너지 스펙트럼전리 방사선 분야. 비례 계수기는 원통형 이온화 챔버와 구조적으로 다르지 않지만 가스 충전(보통 아르곤 90%, 메탄 10%)과 작동 모드가 다릅니다. 펄스형 이온화 챔버와 달리 비례 계수기는 전극의 더 높은 전압, 즉 2차 충격 이온화의 시작을 위해 얇은 양극 전극의 표면 근처에서 조건이 발생하는 전류-전압 특성 영역에서 작동합니다. (2차 충격 이온화는 1차 이온화의 결과로 형성된 전자가 충분한 이온화로 인해 스스로 이온화를 생성할 수 있는 과정입니다. 운동에너지). 미터는 동축 원통형 기하학으로 설계되는 경우가 많습니다. 양극은 얇은 금속 실(0.1mm) 형태로 만들어지며 원통형 몸체의 축을 따라 엄격하게 늘어납니다. 미터의 부피는 다원자 가스를 추가하여 불활성 가스로 채워져 있습니다. 가스 압력은 대기압에 가깝거나 약간 더 높게 선택됩니다. 음극에 비해 수백 V의 양의 전압 U 0 가 양극에 인가됩니다. 카운터의 부피에는 불균일한 전기장이 나타나며, 1/r 법칙에 따라 양극에 접근함에 따라 강도가 변합니다. 여기서 r은 카운터 부피의 반경의 현재 값입니다. 전계 강도의 변화로 인해 전자가 양극을 향해 가속됩니다. 양극 표면 근처에서 전자는 작동 가스의 2차 충격 이온화를 생성하는 능력을 획득할 수 있는 에너지로 가속됩니다. 2차 이온화 동안 이온 증식 과정은 여러 세대에 걸쳐 제한되지만 통제할 수 없는 눈사태로 발전하지는 않습니다. 1차 이온화가 멈추자마자 방전도 멈춥니다. 이러한 유형의 가스 방전을 비자립적이라고 합니다. 즉, 추가 영향 없이 중지할 수 있습니다. 가스 감지기의 전압에 대한 펄스 크기의 의존성을 그래프로 살펴 보겠습니다 (그림 1).

1 – 이온화 챔버 영역. 낮은 전압에서 비례 카운터는 이온화 챔버처럼 작동합니다. 전류는 전압에 의존하지 않고 가스 부피에 형성되는 이온 수에 따라 결정됩니다. 그러면 전압이 증가함에 따라 충격 이온화 현상으로 인해 펄스가 증가합니다.

2 – 비례 영역. 비례 카운터는 가스 증폭을 고려하여 펄스의 진폭이 이온화에 비례하도록 작동합니다.

3 – 비례가 제한된 지역. 전압이 추가로 증가하면 가스 이득*이 절대값으로 증가하고 초기 이온화에 따라 달라지는 영역입니다.

4 – 가이거 지역. 이 영역에서 각 2차 전자는 가스에서 방전을 유발합니다. 즉, 이 영역에서 임펄스의 크기는 더 이상 초기 이온화에 의존하지 않습니다. Geiger-Muller 계수기처럼 작동합니다.

가스의 전압이 추가로 증가하면 이온화와 관련이없는 방전 증가, 즉 자연 방전이 관찰됩니다. 이 경우 가스에 고장이 발생하므로 계량기를 사용할 수 없습니다.

가스 이득 계수

카운터의 작업 본체로 날아가는 감지된 입자에 의해 생성된 이온 쌍의 수가 n과 같으면 2차 충격 이온화에 의해 생성된 이온 쌍의 수는 K ⋅ n과 같습니다. K의 값을 가스 이득 계수라고 합니다. 신호 형성 중 카운터 볼륨에 존재하는 이온 쌍의 수를 통해 가스 이득 계수를 결정할 수 있습니다. K = n/n 0, 여기서 n 0은 이온화 입자에 의해 생성된 이온 쌍의 수입니다. N - 총 수이온 쌍.

탐지 효율성

탐지 효율은 탐지기의 작업 공간에 들어가는 모든 입자 수에 대한 탐지된 입자 수의 비율(%)로 표시됩니다. 탐지기 벽의 재질, 두께, 방사선 에너지에 따라 달라집니다.

비례 카운터 적용

비례 카운터의 적용 범위는 매우 광범위하며 이는 해당 속성에 따라 결정됩니다. 알파 입자, 핵분열 파편, 양성자 및 소프트 감마 탐지 효율성 엑스레이 방사선(최대 10~20keV의 에너지 사용)은 100%에 가깝습니다. 이러한 측정(특히 하전 입자 측정)을 위해 얇은 운모 또는 유기 필름으로 만들어진 창이 있는 센서가 사용됩니다. 때로는 방사선원이 볼륨 내부에 배치되는 경우도 있습니다. 비례 계수기는 신체 표면, 의복, 신발 등의 오염을 모니터링하는 시스템을 포함하여 표면의 오염을 검사하는 데 적극적으로 사용됩니다. 중성자를 등록하기 위해 비례 계수기는 3 He 또는 10 BF 3 으로 채워집니다.

분광법에 비례 카운터를 사용하는 것은 제한되어 있습니다. 대부분의 경우 이를 기반으로 하는 시스템은 반도체 및 섬광 시스템보다 열등합니다. 그러나 신뢰성과 단순성으로 인해 높은 에너지 분해능이 필요하지 않은 경우 반도체 검출기가 적용되지 않는 ~0.2keV의 에너지 영역에서의 작업에 사용할 수 있습니다. 섬광 검출기에 비해 비례 카운터는 에너지 분해능이 더 좋고 잡음이 낮으며 자기장에 둔감합니다.

비례 카운터- 가스 방전 탐지기신호를 생성하는 입자로, 그 진폭은 감지된 입자에 의해 부피에서 방출되는 에너지에 비례합니다. P. s의 부피에서 입자가 완전히 감속됩니다. 신호의 진폭은 입자의 에너지에 비례합니다. 즉, P.s. 은 및 입니다. P.s.는 다른 가스방전 감지기와 마찬가지로 전극이 2개 있는 가스량(수 cm 3 ~ 수 리터)입니다. 디자인에서 이온화실추신 양극 근처의 훨씬 더 높은 전압을 보장하기 위해 얇은 실이나 팁 형태의 양극 모양으로 구별됩니다. 양극과 음극 사이의 나머지 공간보다 필드가 더 큽니다. 나이브. 원통형이 일반적입니다. PS, 여기서 음극은 금속입니다.

얇은 와이어가 축 방향으로 늘어나는 실린더 (미터 본체)-양극 (그림 1).

쌀. 1. 비례 카운터 구성: 및 - 입자 소스. 요금 에너지를 가진 입자가 가스에서 생성됩니다. 0 N=/W - 전자-이온 쌍, 여기서이온화손실 입자 에너지,여

- 수요일 전자-이온쌍 형성 에너지. 펄스(1-100mV)에 비례하는 저항 L에서 발생하는 전류(전압) 펄스는 증폭되어 기록(분석 또는 저장) 전자 장치로 전송됩니다. 가스 부스트. 전하에 의해 형성된 1차 전자. 가스의 결과로 발생하는 입자, 전기의 영향을 받는 입자. 필드는 양극을 향해 이동하며 도중에 원자와 반복적으로 충돌합니다(그림 2). 이러한 충돌은 전자를 잃기 때문에 부분적으로 비탄성적입니다. 에너지의 일부이며 가스 원자(20-30eV)를 이온화하기에 충분한 에너지를 얻을 수 없습니다. 원통형추신 전기 같은 필드 에~, 입자와 스레드 사이의 거리는 어디에 있습니까 (그림 3). 따라서 둘 사이에는 일관성이 있습니다. 충돌이 발생하면 양극에 접근하는 전자는 계속 증가하는 운동학적 값을 받습니다. 에너지, 그리고 필라멘트로부터 특정 거리에서 에너지는 이온화에 충분해집니다. 생성된 2차 전자는 1차 전자와 함께 후속 가스의 애벌런치 이온화(가스 증폭)에 참여합니다. 계수. 가스 부스트중< - 필라멘트에 도달하는 전자 수와 1차 전자 수의 비율. 양극 근처의 전자이온 눈사태의 모양은 값에 따라 크게 달라집니다.< 중:<10시에<10 중 에~ 100 눈사태는 양극에 전자가 도달하는 방향으로 떨어지는 형태를 취합니다. 10시 2분 요금 에너지를 가진 입자가 가스에서 생성됩니다.중 에~ 4 눈사태는 하트 모양이 되고 전자가 도달하는 방향으로 길어집니다. ~에

>10 4 눈사태가 양극을 완전히 덮습니다.

0 및 신호 진폭. 와이어 양극을 따른 눈사태의 크기는 증가함에 따라 증가합니다. mm 단위에서 몇 단위까지. mm.따라서 찢어진(~10-4의 확률로) 광전자도 양극으로 이동하여 방전 그림을 복잡하게 만들고 눈사태 시리즈를 형성합니다. 이는 연속적으로 감쇠된 펄스 체인입니다. 음극에서 양극으로 전자가 이동하는 현상. 광전자 방출불활성 가스(Ar, Kr, Xe) 외에도 UV 방사선을 흡수하는 다원자 가스(CH 2, C 2 H 2, CO 2 등)가 가스 구성에 도입되면 약화될 수 있습니다. 전자는 전자 친화력 (O 2, H 2 O, 할로겐)으로 가스와 증기를 흡수하기 때문에 P.s의 혼합물에 있습니다. 분이어야 합니다.

양(O 2 농도 ~10 -5 cm 3). 눈사태에 대한 공간적 요인의 영향을 무시한다면. 이온,달라붙는

전자와 광전자 방출, 그 다음 이온화 수는 어디에 있습니까? 1cm 경로에서의 전자 충돌(첫 번째 타운센드 계수)은 전계 강도에 따라 달라집니다.이자형 , 압력 r 및 가스 유형. Rose-Korff 근사에서 a =N K(K , 압력 r 및 가스 유형. Rose-Korff 근사에서 a =- 가스 특성,

- 가스, - 전자 에너지), 여기C=

- 단위 길이당 미터 용량 - 전극의 전압 - 눈사태의 시작에 해당하는 전압 ~에 (그림 4). 통계로 인해 눈사태 과정의 본질 Vc (그림 4). 통계로 인해 눈사태 과정의 본질 P.s.의 명확한 특성은 아니므로 에~의존성 lnM(F 0)의 직선 부분과 가로축의 교차점에 의해 결정됩니다. 선형 관계는 다음까지 계속됩니다.

~ 10 4 . F 0가 더 증가하면 의존성은 선형적이지 않습니다(주로 광전자 방출과 이온의 공간 전하의 영향으로 인해). 지역엠~ 에~ 10 4 -10 6이 호출되었습니다. 제한된 비례의 영역. 크기가 큰 고장이 발생할 수 있습니다(그림 5). 고장을 방지하기 위해 담금질 불순물이 사용됩니다 - 유기.광흡수, 해리 및 여기를 복잡한 분자로 전달하기 위한 큰 단면적을 갖는 가스(CH 4, 프로판, 이소부탄, C 2 H 5 OH, 메틸알 등). 유기첨가제 가스는 넓은 범위에 걸쳐 가스 증폭 과정을 안정화합니다. 에~ V 0

, 필요한 전압 자체가 필요하지만, 증가합니다.

신호 컨디셔닝<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 . 1차 이온과 전자의 이동으로 인한 펄스 진폭에 대한 기여도는 작습니다.:

- 가스, - 전자 에너지), 눈사태 개발 시간티 이자형- 전자 전하, - 이온 이동성(참조. 유동성전자와 이온), n 0도착하는 순간 모두가 쉬게 될 것입니다. 눈사태가 발생한 순간부터 (15)·10 -3 초 후에 이온이 음극으로 이동합니다(그림 6). 펄스는 (15) 10 -6 s의 최대값에서 절반 값에 도달하므로 높은 시간 분해능을 얻기 위해 증폭기의 입력 회로는 다음과 같습니다. 차별화 체인 (=RC) 또는 지연선.티. 따라서 양극에 평행한 입자(트랙) 궤적의 경우 지속 시간이 있는 펄스를 얻을 수 있습니다.< 10 -7 с. При произвольной ориентации трека ширина импульса определяется разностью во временах дрейфа первичных электронов от начала (에이) 및 끝( 안에) 양극으로 추적합니다(그림 2). 이 시간은 0.1~10μs에 달할 수 있습니다. PS 출력에서 ​​펄스의 지연 시간은 동일한 차수입니다. P.s 사용 가능성을 제한하는 1차 이온화 순간부터. 다섯 일치 방법.

쌀. 6. 서로 다른 신호의 일시적인 발전.

에너지 분해능. 통계 1차 이온 수의 변동 N 0 및 변동 에~펄스의 진폭을 "흐리게" 하고 달성 가능한 최대 에너지를 결정합니다. 허가 추신. (이러한 구성 요소의 크기는 서로 거의 동일합니다.) 에너지 해상도는 대략 다음 관계식으로 표현됩니다.

펄스 진폭 확산의 증가는 구조적 결함으로 인해 발생하여 전기 분포가 왜곡될 수 있습니다. 양극의 필드 및 최대. 예를 들어 중요한 것은 P.s. 길이의 일관성입니다. 1μm는 ~50%의 진폭 확산을 유발할 수 있습니다. 에너지에 큰 영향을 미칩니다. 분해능은 V 0 (0.05%)의 안정성과 가스 순도에 따라 결정됩니다. 불활성 가스인 CO 2, CH 4 등의 경우 전자 부착이 관찰되지 않지만 그 존재는 미미합니다. 수량 (<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.

타이밍 특성. 최대. 등록 속도 추신. 가스 혼합물의 압력과 구성, 양극선의 두께에 따라 달라집니다. 에~높은 등록율에서는 이전 눈사태로 인해 이완되지 않은 공간 전하에 형성된 전자 눈사태가 약해집니다.

이러한 감쇠는 무작위 법칙에 따라 분포되며 펄스 진폭의 감소뿐만 아니라 에너지 저하도 유발합니다. 허가. ~에. 추신의 효율성. a-입자, 파편, 양성자, 전자 및 부드러운 g-양자에 대한 비율은 100%에 가깝습니다. 이러한 입자를 P.s. 얇은 운모 또는 유기물로 만들어진 "창"이 제공됩니다. 영화 때로는 방사선원이 P. s의 부피 내부에 배치되는 경우도 있습니다. 등록 및 최대 1 MeV의 에너지를 위해 광전지가 사용됩니다. 고압(최대 r = 150 atm)(mag).).

필드. g-양자 에너지의 측정은 충전 가스와 연관되어 있습니다. 최대 1020keV의 경우 P.s. 80%, 더 큰 것에는 Xe가 필요합니다(그림 7; 참조).감마선

추신 작은 비트를 측정하는 데 사용됩니다. 활동. 에서가이거 계수기 단일 에너지 에너지를 방출하는 능력으로 구별됩니다. Dep의 라인. 넓은 에너지 범위에서 연속적으로 분포된 배경의 방사성 핵종. 범위는 1 ~ 10 3 keV입니다.

분광계로서 P.s. 밑에 붙이는 반도체 검출기그러나 신뢰성과 단순성으로 인해 고에너지가 필요하지 않은 경우에도 사용할 수 있습니다. 허가. 추신 반도체 검출기가 적용되지 않는 ~0.2keV의 에너지 영역에서 작업할 수 있습니다. 에 비해 섬광 검출기추신 최고의 에너지를 가지고 있습니다. 해상도, 노이즈 감소, 자기장에 둔감함. 필드. 추신 ~10-10 3 K의 온도 범위에서 작동합니다. 추신 공부에 사용베타붕괴 핵(질량 추정), 미세 구조 스펙트럼 연구, 핵의 이성질체 상태(참조.핵 이성질체 ), 핵에 의한 포획이 감지되면엘 -전자 (참조 Rice-Evans P., Spark, 스트리머, 비례 및 드리프트 챔버, L., 1974; Sau1i F., 다중선 비례 및 드리프트 챔버의 작동 원리, Gen., 1977; 3anevsky Yu. V., 기본 입자의 와이어 검출기, M., 1978; Sanada J., 가스 카운터의 양극 와이어에 대한 눈사태의 성장, "Nucl. Instr. and Meth.", 1982, v. 196, p. 23; Sau1i F., 검출기와 같은 시간 투영의 기본 프로세스, 책: Time Projection Chamber 1st Workshop., Vancouver, 1983, N. Y., 1984; 고에너지에서의 이온화 의도, M., 1988..