4. DRYF I DYFUZJA W GAZACH  

       Powolne przemieszczanie się cząstek naładowanych będące ruchem postępowym nazywane jest w fizyce dryfem. Dryf naładowanych cząstek w gazie powoduje pojawienie się prądu o gęstości opisywanej wzorem:

gdzie: e_k – ładunek cząstek danego rodzaju, n_k – koncentracja nośników prądu danego rodzaju , v_{k dryfu} – prędkość dryfu cząstek danego rodzaju, j_k – gęstość prądu cząstek danego rodzaju.

  [11]

        Dryf cząstek może być wynikiem następujących czynników:

1. Występowania pola elektrycznego, które wywołuje ruch przyśpieszony cząstek, zgodny z liniami sił pola. Prędkość dryfu cząstek jest wprost proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego:

      gdzie: - jest współczynnikiem proporcjonalności tzw. ruchliwość cząstek naładowanych [m²/s ^.V].

2.   Nierównomiernego rozmieszczenia ładunków w ośrodku. Ruch cząstek jest spowodowany tym, że cząstki  dążą do takiego położenia dla którego koncentracja nośników w danym ośrodku była możliwie jak najmniejsza. Prędkość dryfu cząstek spowodowaną tym czynnikiem opisuje wzór:

    gdzie: D – współczynnik dyfuzji [m²/s],  - gradient koncentracji cząstek naładowanych.

3.  Występowanie pola magnetycznego powoduje pojawienie się siły Lorentza:

   

   gdzie: B - wartość pola magnetycznego  [T]

   która zakrzywia tor cząstki. Prędkość dryfu spowodowana tym czynnikiem wyraża się następującym wzorem:

                         

   gdzie: t - średni czas pomiędzy zderzeniami z atomami lub cząsteczkami ośrodka, - natężenie pola magnetycznego m₀ – przenikalność dielektryczna próżni m - przenikalność względna.    

   Na podstawie odchylenia naładowanej cząstki od pierwotnego kierunku ruchu pod wpływem pola magnetycznego można wyznaczyć jej pęd. Tangens kąta o jaki odchyliła się cząstka wyraża się wzorem:

    

     [12]

        Ruchliwość jonów dodatnich różni się od ruchliwości elektronów. Elektrony w np. gazowych licznikach proporcjonalnych poruszają się w kierunku anody ze stosunkowo dużą prędkością, natomiast jony dodatnie poruszają się bardzo powoli w kierunku katody. Różnice te wynikają z tego, że jony dodatnie są znacznie cięższe od elektronów:

        Dyfuzja jest procesem samorzutnego rozprzestrzeniania się cząstek na skutek ich nieustannych ruchów molekularno-kinetycznych. Swobodną dyfuzję obserwuje się w: gazach, cieczach i ciałach stałych, jednak najszybciej proces ten zachodzi w gazach np. perfumy rozproszone w jednym miejscu niezbyt dużego pomieszczenia po pewnym czasie w wyniku dyfuzji będą wyczuwalne w całym pomieszczeniu. Proces dyfuzji w jednym wymiarze (równoległym do przyłożonego pola elektrycznego E) został zilustrowany na rysunku 4.1.

  Rysunek 4.1  Kolejne etapy procesu dyfuzji z zaznaczonymi kierunkami pola elektrycznego i prędkości dryfu.

        Z powyższego rysunku wynika, że im dłużej cząstki dryfują tym większe jest ich rozmycie. Proces ten wprowadza dodatkową nieoznaczoność przy wyznaczaniu toru cząstki jonizującej ośrodek komory dryfowej. Np. położenie cząstki jonizującej w komorze typu MWPC (patrz rozdział 2) określane jest na podstawie impulsu elektrycznego, powstającego przy drutach anodowych detektora, pochodzącego od powstałych w wyniku jonizacji, dryfujących elektronów. Dlatego znajomość prędkości dryfu elektronów oraz parametrów opisujących dyfuzję takich jak współczynnik dyfuzji (D) oraz szerokość rozmycia strumienia cząstek (s) jest niezbędna do dokładnego odtworzenia toru cząstki jonizującej gaz. Zgodnie z kinetyczną teorią gazów szerokość rozmycia wyraża się wzorem:

  gdzie: t – czas dryfu cząstek.

 Współczynnik dyfuzji jest równy:

gdzie: - średnia prędkość cząstek; l - długość swobodnej drogi cząstek.  

Powyższy wzór jest słuszny jedynie dla gazu doskonałego. W rzeczywistości dyfuzja jest różna w kierunkach prostopadłym i równoległym do pola elektrycznego (odpowiednio D_T i D_L od ang. transverse, longitudinal). Zazwyczaj wyznacza się te dwa parametry doświadczalnie w funkcji przyłożonego pola elektrycznego dla danej mieszanki gazowej.

Innymi czynnikami pogarszającymi przestrzenną zdolność rozdzielczą detektora są: fluktuacje wzmocnienia gazowego (patrz rozdział 5) oraz niejednorodność pola elektrycznego w obszarze dryfu.

 [12]