Wstęp do fizyki jądra atomowego/Oddziaływanie promieniowania z materią: Różnice pomiędzy wersjami

{{Rysunek|Obszary pracy komory jonizacyjnej.png|8.6|Zależność amplitudy sygnału od napięcia anodowego, B obszar pracy komory jonizacyjnej, C-obszar pracy licznika proporcjonalnego, D-obszar pracy licznika-Geigera-Müllera, za obszarem Geigera-Müllera znajduje się obszar wyładowań nie zaznaczonej na rysunku}}

{{Rysunek|Wykres przedstawiający obszary pracy licznika jonizacyjnego.jpg|8.7|Wykres przedstawiający obszary pracy licznika jonizacyjnego.}}

{{CentrujWzór|<MATH>I=I^++I^-\;</MATH>|8.54a}}

Detektory jonizacyjne jest to pomiar uwolnionego ładunku wywołanej procesem jonizacji ośrodka przez przejście naładowanej cząstki. Aby liczba zarejestrowanych cząstek była wprost proporcjonalna do ilości energii straconej przez cząstkę i zdeponowanej w detektorze, w materiale detektora nie powinna zachodzić wzajemna rekombinacja cząstek, ani też napięcie na elektrodach nie powinno być duże by nie występowało lawinowe powielanie ładunku. Aby cząstki ze sobą nie rekombinowały stosuje się pole elektryczne o odpowiednio dużym natężeniu, która zapewnia ruch ładunku do odpowiednich elektrod, w ten sposób zmniejsza się prawdopodobieństwo rekombinacji. Przy niewielkiej energii jonizacja gazu, zanim elektrony dojdą do anody nastąpi rekombinacja elektronów z jonami, i nie wszystkie wtedy elektrody dojdą do elektrody. Przy większym napięciu pomiędzy elektrodami, już nie występuje niemal rekombinacja jonów z elektronami i prawie wszystkie elektrony i jony dojdą do odpowiednich elektrod, a sygnał odpowiada wytworzonej jonizacji, jest to obszar jonizacji. Przy dalszym wzroście może dojść do wtórnej jonizacji powodującej zwiększenie liczby jonów dotartych do elektrod, a więc zwiększenie prądu płynącego prądu od komory jonizacyjnej. Ten obszar nazywamy obszarem proporcjonalności komory jonizacyjnej. W tym obszarze elektrony pierwotne uzyskują dostateczną energię by wywołać dalszą jonizację na swej drodze, dzięki tej jonizacji zwiększa się wytworzony ładunek. Uzyskuje się wzmocnienie sygnału sięgającego 10² do 10⁴. Przy niezbyt wysokich napięciach wzmocnienie jest stałe i jego natężenie zależy od liczby wytworzonych jonów, a zatem od energii. Wytworzone napięcie sygnału zależy silnie od przyłożonego napięcia do elektrod i dlatego napięcie należy stabilizować. Dla uzyskania wtórnej jonizacji elektron musi być przyspieszony do dużych prędkości na stosunkowo małej drodze, to istnieje pewne graniczne pola elektrycznego poniżej, której wtórna jonizacja nie następuje. Np. dla argonu krytyczne napięcie jest 10kV/cm. Gdy natężenie pola elektrycznego przekracza wartość krytyczną elektrony są zdolne do wytworzenia wtórnej jonizacji. Impuls powstaje w obszarze dużego spadku napięcia w pobliżu anody. Ponieważ impuls zależy od ruchu jonów w pobliżu anody, więc natężenie nie zależy od anody, a więc wysokość jego nie zależy od miejsca, w którym powstała jonizacja pierwotna. W obszarze ograniczonej proporcjonalności występującym w liczniku wzmocnienie gazowe nie jest stałe i zależy od energii cząstek. Dla obszaru Geigera-Müllera, stosuje się detektory dla pomiaru cząstek naładowanych jak i promieniowania &gamma; lub promieniowania rentgenowskiego.

Całkowita zmiana natężenia sygnału wyrażamy poprzez pierwszy z lewej wzór poniżej, a także napiszemy w tej samej linijce zmiany szerokości połówkowej napięcia anodowego, którą liczymy z {{linkWzór|8.56}} podzielonej przez pojemność kondensatora "C" pod wpływem zewnętrznego sygnału, co w rezultacie:

{{ElastycznyWiersz|1={{CentrujWzór|<MATH>\Delta J\sim\Delta n_je={{e}\over{E_0}}\Delta E\;</MATH>|8.57}}|2={{CentrujWzór|<MATH>\Delta U\sim{{e}\over{E_0C}}\Delta E\;</MATH>|8.58}}}}

 

Komora jonizacyjna pozwala:

Liczniki proporcjonalne pracują zwykle przy natężeniach 10⁴V/cm, wtedy wzmocnienie sygnału pochodzącego od cząstek naładowanych trafiającego do komory licznika jest 10⁴. Osiąga się to biorąc druty anodowe o średnicy 10-50&mu;m. W tych licznikach stosuje się druty anodowe położone w odległości od siebie o 2mm. Płaszczyznę anodową umieszcza się pomiędzy dwiema foliami lub też siatkami metalowymi. Te siatki lub folie umieszcza się od tych drutów o mniej niż 1cm. Podczas przechodzenia cząstki naładowanej przez komorę licznika, wtedy gaz się jonizuje i do anod trafiają elektrony i jednocześnie na katodzie indukuje się sygnał. Numer drutu, przy którym nastąpiło oddziaływania cząstki z gazu pozwala określić położenie cząstki w przestrzeni jednowymiarowej. Zastosowanie dwuwymiarowej lub nawet trójwymiarowej konfiguracji szeregu anod pozwala określić położenie cząstki w przestrzeni dwuwymiarowej lub trójwymiarowej przestrzeni. Poprzez druty anodowe można określić położenie cząstki w odrębnie pola magnetycznego i bez pola. W ten sposób pozwala określić tor zakrzywiony w polu magnetycznym i linie prostą w przestrzeni bez pola magnetycznego.

{{Rysunek|Schemat elektrycznego prostego licznika proporcjonalnego.png|8.11|Schemat elektryczny prostego licznika proporcjonalnego}}

Przy zwiększaniu napięcia pracy licznika zwiększa się energia jonów powstałych przy jonizacji przy przejściu cząstki naładowanej, wtedy liczba jonów wzrasta lawinowo wyniku lawinowej jonizacji gazu. Oznaczmy przez n_a liczbę jonów pierwotnych. Emisja fotonów przez cząstki gazu w komorze jonizacyjnej jest powodowana w wyniku zderzeń z jonami i elektronami, wtedy atom gazu zostaje wzbudzony do bardzo wysokiego poziomu energetycznego, aby on przeszedł do stanu niższego potrzebna jest emisja fotonu. W pierwszym etapie jonizacji zostaje wytworzonych jonów i elektronów n₁=n₀k₀ w wyniku zderzeń z cząstką jonizującą z cząstkami gazu znajdującej się komorze gazowym, wtedy zostają z nich wybite n₁ elektronów, w drugim akcie w wyniku zderzeń z fotonami (powstałych w wyniku jego emisji przez wzbudzone atomy powstałych w wyniku zderzeń z jonami i elektronami), wtedy elektron zostaje wybity ze swojej powłoki elektronowej, w której się znajdował, wtedy w wyniku zderzeń z &omega;<SUB>&gamma;</SUB> fotonami powstaje n₂=n₀k₀k₀&omega;<SUB>&gamma;</SUB> elektronów, a w i-etapie zostaje wytworzonych elektronów (w wyniku zderzeń z fotonami wytworzonych we wcześniejszych aktach jonizacji):

{{CentrujWzór|<MATH>n_i=n_0k_0^i\omega^{i-1}_{\gamma}\;</MATH>|8.59}}

Przy dużych napięciach zasilania impulsami prostokątnymi o napięciu szczytu U&ge;10kV o czasie trwania impulsu 10^-5÷10^-7s generowanej przez generator WN i w czasie gdy przez licznik przejdzie cząstka naładowana lub cząstka &gamma; następuje wtedy lawinowa jonizacja gazu i następuje przeskok iskry elektrycznej z katody do anody. W tym liczniku nie występują wyładowania ciągłe, ponieważ to by spowodowało zniszczenie licznika, i dlatego licznik jest zasilany impulsami prostokątnymi. Rejestracja momentu przejścia cząstki jest możliwa dla najmniejszej szerokości połówkowego czasu trwania impulsu 2&tau;₀&sim;10^-8s. Jeśli liczniki rozłożone są jedna po drugim, wtedy tworzą tzw. komorę iskrową, w której można rejestrować tor cząstki jonizacyjnej na podstawie świecenia iskry. Opornik R musi być duży w miarę duży, by wygaszanie impulsu następowało szybko. W komorze gazowej występuje gaz szlachetny plus pary gazów wieloatomowych i to wszystko pod ciśnieniem 1 atm.

{{Rysunek|Specyfika czułości komory iskrowej od opóźnienia impulsu napięcia przy chwili przejścia cząstki dla różnych napięć oczyszczających.png|8.14|Specyfika czułości komory iskrowej od opóźnienia impulsu napięcia przy chwili przejścia cząstki dla różnych napięć oczyszczających}}

 

===Detektory scyntylacyjne===