5. WZMOCNIENIE GAZOWE W LICZNIKACH JONIZACYJNYCH

            W licznikach jonizacyjnych ośrodkiem czynnym jest gaz, w którym istnieje różne od zera pole elektryczne E. Badanie jonizacji spowodowanej przez przelatującą, naładowaną cząstkę możliwe jest dzięki temu, że na skutek przemieszczania się jonów zarówno ujemnych jak i dodatnich, ładunek indukuje się na elektrodach, dzięki czemu możliwy jest jego pomiar. Do rejestracji używa się kondensatora, naładowanego  poprzez przyłożenie napięcia do jego okładek. Cząstka jonizująca przechodząc przez kondensator umieszczony w gazie powoduje pojawienie się krótkiego zazwyczaj bardzo słabego impulsu prądu. W licznikach o symetrii cylindrycznej uzyskuje się impuls możliwy do zarejestrowania, wykorzystując efekt tzw. wzmocnienia gazowego. Polega on na tym, że w pobliżu anody (wewnętrzny drut kondensatora cylindrycznego) pole elektryczne jest dostatecznie silne aby zaszedł proces jonizacji i żeby zarówno elektron powodujący  jonizację jak i powstający w tym procesie drugi elektron nabyły dostatecznie dużą energię, by mogły wywołać kolejne akty jonizacji. Efekt wzmocnienia gazowego jest więc procesem lawinowym, w wyniku którego całkowita liczba jonów jest większa w porównaniu z jonami jonizacji pierwotnej typowo o czynnik 10³ - 10⁶. Aby uzyskać impuls napięcia należy połączyć szeregowo kondensator z opornikiem. 

         Klasyfikacji liczników jonizacyjnych dokonuje się na podstawie napięcia przy którym pracuje dany licznik oraz na podstawie wielkości rejestrowanych impulsów. Na rysunku 5.1 został przedstawiony podział detektorów ze względu na ich obszary pracy.

Rysunek 5.1 Poszczególne obszary pracy licznika jonizacyjnego. (V_T – napięcie progowe poniżej którego nie zachodzi jonizacja wtórna).

 [8]

Obszary pracy licznika jonizacyjnego:

1. Obszar rekombinacji lub inaczej wychwytu elektronów oraz dodatnich jonów. W tym zakresie napięć nie możliwe jest stosowanie detektorów jonizacyjnych.

2. Obszar komory jonizacyjnej. Licznik ten działa w oparciu o jonizację pierwotną (patrz rozdział 3). Rejestrowane impulsy są bardzo małe, dlatego detektor ten może być używany tylko dla cząstek silnie jonizujących ośrodek.  Znając liczbę par wytworzonych jonów oraz oraz energię potrzebną na wytworzenie jednej pary jonów, można przy użyciu komory jonizacyjnej określić energię cząstki jonizującej. Energia ta jest tym większa im większa jest liczba jonów wytworzonych przez cząstkę. Jony dodatnie nie są usuwane z detektora wystarczająco szybko i w pobliżu katody wytwarzają ładunek przestrzenny, który modyfikują pole elektryczne. W rezultacie czas zbierania elektronów jest dłuższy.  

3. Obszar licznika proporcjonalnego. Obszar ten charakteryzuje się tym, że wytworzone przez cząstkę elektrony pierwotne uzyskują w pobliżu elektrody na tyle dużą energię, aby wywołać efekt wzmocnienia gazowego, w wyniku którego całkowity ładunek docierający do elektrody jest większy, a więc i  wysokość rejestrowanego impulsu napięciowego jest także większa. Wzmocnienie gazowe w obszarze napięć licznika proporcjonalnego pozostaje stałe, a wysokość impulsu jest proporcjonalna do liczby pierwotnie wytworzonych jonów. Wzmocnienie gazowe dla jednodrutowego licznika proporcjonalnego opisuje poniższy wzór:

gdzie: M - wzmocnienie gazowe, r_c- długość obszaru na którym zachodzi wzmocnienie, r_a - promień anody, - współczynnik wzmocnienia gazowego lub współczynnik Townsenda, E - natężenie pola elektrycznego.

W tym przypadku współczynnik Townsenda jest funkcją dwóch zmiennych E i r, gdyż w pobliżu elektrod pole elektryczne nie jest jednorodne.Współczynnik a zależy od rodzaju i koncentracji gazu i od wartości natężenia pola elektrycznego.

4. Obszar ograniczonej proporcjonalności. W obszarze tym także występuje wzmocnienie gazowe, jednak nie jest ono stałe, zależy bowiem od energii cząstki. W obszarze tym nie stosuje się detektorów.

5.  Obszar licznika Geigera-Mullera. W tym zakresie napięć powstające na skutek jonizacji przez promieniowanie jądrowe elektrony mają dostatecznie duże energie by wywołać dalszy proces jonizacji ośrodka. Lawinowy proces jonizacji sprawia, że do anody dociera coraz więcej elektronów. W obszarze tym narasta również liczba jonów dodatnich, które poruszają się w kierunku katody, po dotarciu do której mogą z niej wybijać kolejne elektrony.

Jony dodatnie tworzą w gazie ładunek przestrzenny, który zmniejsza natężenie pola elektrycznego w obszarze pomiędzy anodą i chmurą jonów przesuwających się w kierunku katody.

6. Obszar wyładowania ciągłego. W tym obszarze nie może być używany żaden z opisanych powyżej liczników, gdyż zachodzące przy bardzo wysokich napięciach wyładowanie ciągłe spowodowałoby ich zniszczenie. W tym zakresie napięć stosowane mogą być tylko liczniki iskrowe.

   [8] 

 Podane w podpunkcie III ogólne równanie opisujące wzmocnienie gazowe jest dość trudne do rozwiązania, mniej kłopotu sprawia jego rozwiązanie w przypadku pól jednorodnych ( E = const.):

W tym szczególnym przypadku współczynnik Townsenda jest funkcją tylko jednej zmiennej r.

Najogólniejszą formą równania opisującego wzmocnienie gazowe jest:

gdzie: dn - liczba elektronów która przybywa wzdłuż drogi rozwoju lawiny - dx

Wzmocnienie gazowe zależy więc od rozkładu linii sił pola. Najprostszym przypadkiem jest kondensator płaski (rysunek 5.2), wewnątrz którego E = const., a więc i a = const. wzdłuż całej drogi dryfu elektronów. Wtedy wzmocnienie gazowe przy założeniu, że para elektron-jon powstała tuż przy katodzie, opisuje następujące równanie:

gdzie: d - odległość po między płaskimi elektrodami.

Rysunek 5.2 Schemat komory jonizacyjnej.