Механизм газового разряда

Процесс усиления газового разряда относится к сложным явлениям. Эта сложность объясняется эффектами, происходящими наряду со вторичной ионизацией. Проведем качественный анализ газового разряда в цилиндрическом пропорциональном счетчике, наполненном электроположительным газом, при условии, что в газе не происходит рекомбинации ионов. Пусть во внешнюю часть объема счетчика попадает ионизирующая частица и создает в газе N₀ ионных пар. Электрон между соударениями ускоряется до энергий, меньших энергии ионизации молекул. Режим работы внешней области пропорционального счетчика ничем не отличается от режима работы ионизационной камеры. Поэтому данную область и называют областью ионизационной камеры счетчика.

Вблизи собирающего электрода энергия электронов становится достаточной для вторичной ионизации молекул. Вследствие этого начинается лавинное размножение электронов. Область пропорционального счетчика, в которой нарастает лавина электронов, называют критической. Радиус критической области зависит от диаметра собирающего электрода, давления газа, напряжения на электродах и т. д.

После попадания лавины электронов на собирающий электрод газовый разряд не заканчивается. Начинается движение тяжелых положительных ионов к катоду. Нейтрализуясь на катоде, положительные ионы превращаются в возбужденные молекулы. За время порядка 10^-8 с возбужденные молекулы, переходя в основное состояние, испускают фотоны. Часть фотонов обладает энергией, превышающей работу выхода электронов из катода.

Частоты фотонов, энергия которых больше работы выхода электронов, находятся в диапазоне ультрафиолетового и светового излучений. Эти фотоны, попадая на катод, вырывают из металла фотоэлектроны, которые начинают двигаться к собирающему электроду. Так возникает вторая, дополнительная лавина электронов. Вслед за второй лавиной появляется третья лавина, затем четвертая и т. д.

Импульс напряжения на нагрузочном сопротивлении обусловливается не только одной, основной лавиной, но и множеством послеразрядов. Так называют дополнительные лавины электродов. Послеразряды влияют на длительность импульса, а, следовательно, и на разрешающую способность пропорционального счетчика.

Число ионных пар в лавине п обусловливается напряжением и давлением газа. С повышением напряжения на электродах увеличивается радиус критической области, а, следовательно, и число п. К такому же эффекту приводит и снижение давления газа. В этом случае возрастает свободный пробег электронов. Электрон перед соударением с молекулой получает от электрического поля больше энергии, поэтому объем газа, в котором происходит вторичная ионизация, возрастает. Пропорциональный счетчик наполняется газом при определенном давлении.

Послеразряды ухудшают свойства пропорционального счетчика. Поэтому их гасят различными способами. В одном из способов послеразряды гасит сам газ–наполнитель. К основному, чистому электроположительному газу добавляют примесь многоатомных молекул органических веществ (пары этилового спирта, изобутилового спирта и др.). Концентрация примесных молекул не превышает 10—15% концентрации молекул основного газа–наполнителя.

Примесные молекулы обладают тремя свойствами, которые препятствуют появлению послеразряда. Во-первых, при столкновениях с ионами одно– и двухатомных молекул они легко отдают один из своих электронов и превращаются в положительные ионы. Во-вторых, многоатомные молекулы хорошо поглощают фотоны. И, в-третьих, возбужденные многоатомные молекулы расходуют энергию возбуждения, как правило, на диссоциацию. В процессе диссоциации многоатомная молекула распадается на составные атомы. Время жизни возбужденной, многоатомной молекулы до диссоциации примерно в сто раз меньше, чем время ее жизни до испускания фотона и перехода в основное состояние. Поэтому вероятность излучения фотона возбужденной многоатомной молекулой близка к нулю.

Ионы многоатомных молекул, нейтрализуясь на катоде, превращаются в возбужденные молекулы. В такое же состояние переходит многоатомная молекула, поглотившая фотон. Возбужденные многоатомные молекулы под действием энергии возбуждения диссоциируют. Так многоатомные молекулы предохраняют катод от облучения фотонами.

При регистрации излучения и, особенно при изучении энергетического спектра очень важно знать интервал напряжений, в котором амплитуда импульса напряжения пропорциональна первичной ионизации. Границы пропорциональной области определяются напряжением U и природой газа–налолнителя. Для выяснения влияния этих факторов на границы области пропорциональности предположим, что газовый разряд в пропорциональном счетчике обрывается после первой, основной лавины. В процессе лавинного размножения электронов в критической области образуются возбужденные молекулы, число которых во много раз больше количества ионных пар. Фотоны, испущенные за время 10^-8 с, вырывают из катода фотоэлектроны во время развития лавины.

При наполнении пропорциональных счетчиков инертными и двухатомными газами область пропорциональности сохраняется в узкой области напряжений. Возбужденные молекулы инертных и двуатомных газов испускают жесткие фотоны, которые с большой вероятностью вырывают фотоэлектроны из катода. Поэтому пропорциональность между импульсом напряжения и первичной ионизацией наблюдается лишь при коэффициентах k, не превышающих 100.

Добавление к основному газу-наполнителю многоатомных молекул расширяет область пропорциональности до коэффициентов k~10⁴. Чаще всего в качестве добавок используют метан. Молекулы этого газа хорошо поглощают жесткие фотоны, возбуждаются, а затем испускают фотоны с меньшей энергией. Эти фотоны уже не способны вызвать фотоэффект на катоде.