Газовое усиление

Газовое усиление — это физический процесс увеличения количества свободных зарядов (электронов и ионов) в газовой среде под действием электрического поля, приводящий к лавинообразному росту электрического тока. Является основой работы газоразрядных детекторов ионизирующего излучения (счётчиков Гейгера — Мюллера, пропорциональных камер, ионизационных камер) и некоторых типов газоразрядных ламп.

Физический механизм

Газовое усиление возникает в газах, помещённых между двумя электродами, на которые подано высокое напряжение. В отсутствие внешнего ионизирующего фактора газ является хорошим изолятором. При попадании в газовый объём ионизирующей частицы или фотона происходит первичная ионизация — образование пары «электрон — положительный ион».

Под действием электрического поля электрон, обладающий малой массой, начинает ускоряться в направлении анода. Если напряжённость поля достаточно велика, электрон на длине свободного пробега приобретает энергию, превышающую энергию ионизации атомов или молекул газа. При столкновении с нейтральным атомом такой электрон выбивает из него вторичный электрон, а сам теряет часть энергии. Оба электрона снова ускоряются полем и порождают новые ионизации. Этот процесс, называемый электронной лавиной (или лавиной Таунсенда), приводит к экспоненциальному росту числа электронов.

Положительные ионы, двигаясь к катоду, также могут участвовать во вторичных процессах: при бомбардировке катода они выбивают из него дополнительные электроны (вторичная электронная эмиссия), что может поддерживать самостоятельный разряд.

Коэффициент газового усиления

Количественно газовое усиление характеризуется коэффициентом газового усиления \( K \), равным отношению числа зарядов, собранных на электродах, к числу первичных зарядов, образованных ионизирующим излучением. В типичных режимах работы детекторов коэффициент составляет от \( 10^2 \) до \( 10^8 \).

Значение \( K \) зависит от:

• Рода газа — благородные газы (аргон, ксенон, неон) имеют низкие потенциалы ионизации и обеспечивают высокое усиление при меньших напряжениях. Молекулярные газы (метан, углекислый газ, изобутан) обладают способностью поглощать фотоны, подавляя паразитные разряды, и используются в смесях для стабилизации работы.
• Давления газа — с ростом давления длина свободного пробега уменьшается, что требует более высокого напряжения для достижения того же усиления.
• Геометрии электродов — наибольшее усиление достигается в областях с высокой напряжённостью поля, например, вблизи тонкой нити (анода) в цилиндрических счётчиках.
• Приложенного напряжения — зависимость имеет пороговый характер: при малых напряжениях усиление отсутствует (режим ионизационной камеры), при увеличении напряжения наступает пропорциональный режим, затем область ограниченной пропорциональности и, наконец, режим Гейгера — Мюллера.

Режимы работы газоразрядных детекторов

В зависимости от величины приложенного напряжения и соответствующего коэффициента усиления различают несколько режимов работы газоразрядных приборов:

Ионизационная камера

При низких напряжениях (до нескольких сотен вольт) все первичные заряды собираются на электродах без лавинного умножения. Коэффициент усиления равен 1. Режим используется для точного измерения энергии частиц (спектрометрия), но требует чувствительной электроники.

Пропорциональный режим

При напряжении от нескольких сотен до 1–2 кВ возникает лавинное усиление, при котором выходной сигнал пропорционален энергии первичной частицы. Коэффициент усиления составляет \( 10^2 \)–\( 10^4 \). Этот режим применяется в пропорциональных счётчиках и камерах для регистрации и спектрометрии рентгеновского и гамма-излучения, а также в детекторах нейтронов.

Ограниченно пропорциональный режим

При дальнейшем повышении напряжения пропорциональность нарушается из-за пространственного заряда, создаваемого положительными ионами. Сигнал перестаёт быть линейным по энергии, но сохраняется зависимость от типа частицы.

Режим Гейгера — Мюллера

При напряжении выше 1,5–2 кВ лавина становится самоподдерживающейся: вторичные процессы (фотоэффект, эмиссия ионов) приводят к тому, что разряд охватывает весь объём детектора независимо от первичной ионизации. Коэффициент усиления достигает \( 10^6 \)–\( 10^8 \). Режим используется в счётчиках Гейгера — Мюллера для регистрации факта попадания частицы (счёт импульсов), но не позволяет измерять её энергию. После разряда требуется гашение (обычно с помощью гасящей цепи или добавления в газ паров спирта или галогенов).

Применение

Газовое усиление лежит в основе работы широкого класса детекторов ионизирующего излучения:

• Счётчики Гейгера — Мюллера — портативные приборы для измерения уровня радиации (дозиметры, радиометры). Широко применяются в радиационной безопасности, геологии, медицине.
• Пропорциональные камеры — используются в ядерной физике (регистрация альфа-, бета-частиц, осколков деления), в рентгеновской спектроскопии, в детекторах для синхротронных источников.
• Многонитевые пропорциональные камеры — позволяют определять координаты частиц с точностью до долей миллиметра, применяются в экспериментах на ускорителях (например, в Большом адронном коллайдере).
• Дрейфовые камеры — используют газовое усиление для измерения времени дрейфа электронов, что даёт информацию о координате частицы.
• Газоразрядные лампы — неоновые лампы, стабилитроны, тиратроны — работают на принципе газового разряда, хотя в них усиление часто не является основной характеристикой.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая чувствительность — возможность регистрации одиночных частиц.
• Простота конструкции и низкая стоимость по сравнению с полупроводниковыми детекторами.
• Возможность работы при атмосферном давлении и комнатной температуре.
• Большая площадь и объём чувствительной области (до нескольких квадратных метров в многонитевых камерах).

Недостатки:

• Ограниченное энергетическое разрешение (особенно в режиме Гейгера — Мюллера).
• Время восстановления после разряда («мёртвое время»), которое может достигать десятков микросекунд.
• Чувствительность к изменению температуры и давления газа.
• Необходимость в высоковольтном источнике питания.

Историческая справка

Явление газового усиления было открыто в начале XX века. В 1900 году немецкий физик Юлиус Эльстер и Ганс Гейтель впервые наблюдали усиление тока в ионизационной камере. В 1910-х годах английский физик Джон Сили Таунсенд разработал теорию электронных лавин. В 1928 году немецкие физики Ханс Гейгер и Вальтер Мюллер создали первый практический счётчик, работающий в режиме газового усиления, который до сих пор остаётся самым распространённым детектором радиации.

Источники

1. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1976. — Глава 14.
2. Калашников Н. П., Спасский Б. И., Соколов А. В. Детекторы элементарных частиц. — М.: МИФИ, 2007.
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. — М.: Физматлит, 2005.
4. Баранов В. А. Ядерная физика и методы регистрации излучений. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
5. F. Sauli. Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers // CERN, 1977.