Детектори іонізуючих випромінювань, дозиметричні і радіометричні прилади

В результаті лавинного розмноження носіїв струму їх кількість при попаданні в газ зарядженої частинки високої енергії може перевищувати кількість носіїв струму, утворених самою зарядженою частинкою. Коефіцієнт газового підсилення є відношення повного числа пар носіїв, утворених в лічильнику, до числа пар носіїв, які утворилися безпосередньо  зарядженою іонізуючою частинкою.

В результаті газового підсилення створюється імпульс струму, який може реєструватись вимірювальним приладом. У формуванні цього імпульсу беруть участь всі заряджені частинки: електрони, позитивні й негативні іони. Але основний струм переноситься електронами, оскільки вони завдяки малій масі мають велику рухливість.

При U >U2 суттєву роль відіграє ударна іонізація і газове підсилення. На ділянці ВАХ U2 – U3 пропорційність між струмом і початковою іонізацією виконується. В цій області працюють пропорціональні лічильники, які використовуються для визначення енергії заряджених частинок. Чим більшу енергію має заряджена частинка, тим більша початкова іонізація і більший імпульс струму. Вимірявши величину імпульсу, можна знайти енергію зарядженої частинки. Пропорціональність між струмом і початковою іонізацією виконується і при менших напругах. Але при менших напругах відсутнє газове підсилення, що зменшує чутливість лічильника. Наявність газового підсилення дозволяє досягти чутливості, достатньої для реєстрації окремої зарядженої частинки.

Область простору, в якій відбувається лавинне розмноження носіїв, займає невелику частинку газового об’єму лічильника біля анода (товщина порядку  ).

Під дією електричного поля електрони швидко залишають цю область. Іони мають велику масу і рухаються набагато повільніше. Тому за час   після розвитку лавини в газі біля анода будуть лише іони, в більшості позитивні. Це викликає появу об’ємного заряду, який зменшує напруженість поля біля анода, що зменшує газове підсилення. Чим більша початкова іонізація, тим більше утворюється позитивних іонів, тим менше газове підсилення.

Область ВАХ U3 – U4 на рис.4, де суттєві ці ефекти, називають областю обмеженої пропорціональності. В точці U4 струм взагалі не залежить від початкової іонізації, але вона, хоч мінімальної величини, необхідна для того, щоб почався розряд в газі.

Така ж ситуація спостерігається в області ВАХ U4 – U5. В цій області працюють лічильники Гейгера-Мюлера, які ефективно реєструють заряджені частинки, але не дозволяють визначити їх енергію. В області Гейгера-Мюлера газовий розряд є незатухаючим, але залишається вимушеним, тобто самовільного пробою газу не відбувається. В цій області суттєву роль відіграє також іонізація газу ультрафіолетовими фотонами ( ), які виникають при ударному збудженні атомів газу в лавині. Цей процес приводить до швидкого утворення електронно-іонних лавин по всій області трубки біля анода. Газовий розряд охоплює весь об’єм поблизу анода при появі в газі як одної, так і декількох тисяч заряджених частинок.

Для нормальної роботи лічильника Гейгера-Мюлера необхідно обірвати тривалий газовий розряд зразу ж після першої основної лавини. Тоді появі зарядженої частинки в газі буде відповідати один імпульс напруги на резисторі R рис.3. В повільних несамогасних лічильниках газовий розряд гаситься вибором постійної часу схеми   так, щоб вона приблизно на 2 порядки перевищувала час руху позитивних іонів від анода до катода. Тоді після початку газового розряду напруга на опорі падає настільки, що напруга між катодом і анодом стає меншою порогового значення (напруга, при якій газовий розряд охоплює всю область вздовж катода). Така напруга підтримується приблизно  . Позитивні іони першої лавини підходять до катода через  , після чого в газі з’являються електрони, вирвані з катода. Оскільки напруга менша порогової, то в газі відбувається затухаючий газовий розряд. На протязі   газовий розряд в лічильнику затухає і лічильник знову може зареєструвати іонізуючу заряджену частинку.

Роздільна здатність по часу несамогасних лічильників складає величину  . Тому такими лічильниками можна реєструвати невеликі потоки частинок.

У швидких самогасних лічильниках розряд гаситься всередині самого лічильника. Для цього до чистого газу (аргон, неон, гелій і ін.) додають гасячу домішку органічних багатоатомних молекул (СН4, етилен, метилен, пари спирту) або галогенних молекул Cl2, Br2, J2. Молекул домішок мають більш низькі потенціали іонізації у порівнянні з основними газами.

Розглянемо процеси, що відбуваються в самогасному лічильнику, наповненому аргоном з добавкою парів спирту (аргон 90%, пари спирту 10%, загальний тиск 133гПа). В такому лічильнику електрони, утворені в результаті іонізації збуджують і іонізують поблизу анода атоми аргону і молекули спирту. Фотони, які випускаються атомами аргону в збудженому стані, ефективно поглинаються атомами спирту (середня довжина вільного пробігу фотонів до поглинання молекулами спирту біля 1мм при тиску 13гПа). Тому фотони не доходять до катода і не виривають з нього електронів, які народжують нові лавини.

Під час дрейфу позитивних іонів до катода відбувається біля   співударів їх з молекулами спирту, при цьому можлива іонізація молекул спирту й нейтралізація іонів аргону. Цей процес має порівняно велику ймовірність (біля   в одному зіткненні). Тому до катода доходять тільки іони спирту.

Іони спирту на віддалі   від катода нейтралізуються і молекули спирту, які