Ионизационная камера
Ионизацио́нная ка́мера, детектор частиц, действие которого основано на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа; служит для определения энергии частиц и их идентификации. Широко используется в дозиметрии, для контроля за работой ускорителей заряженных частиц и ядерных реакторов, в экспериментальной ядерной физике, в исследованиях космических лучей и др.
Ионизационная камера применялась ещё в первых опытах Э. Резерфорда по изучению радиоактивности. Ионизационная камера представляет собой замкнутый сосуд, заполненный газом (иногда сжиженным), где размещены электроды, к которым через сопротивление нагрузки прикладывается разность потенциалов . При прохождении через газ часть энергии заряженной частицы расходуется на ионизацию вещества. Образовавшиеся в результате этого процесса электроны и положительные ионы движутся соответственно к положительным и отрицательным электродам камеры. При этом в цепи возникает электрический ток, состоящий из электронной и ионной компонент. Подвижность ионов определяется их массой, составом газа и его давлением и оказывается примерно в 1000 раз меньше подвижности электронов.
Подбором сопротивления и входной ёмкости можно добиться, чтобы импульсы напряжения ионизационной камеры соответствовали сбору только электронов, гораздо более подвижных, чем ионы. Время собирания электронов обычно составляет не более 1 мкс. Величина разности потенциалов устанавливается таким образом, чтобы свести к минимуму потери, происходящие в результате рекомбинации ионов и электронов, и исключить ударную ионизацию и автоэлектронную эмиссию.
В спектрометрических исследованиях часто применяется ионизационная камера с т. н. сеткой Фриша – дополнительным электродом с высокой проницаемостью, устанавливаемым между катодом и анодом. В такой камере амплитуда выходного сигнала не зависит от угла вылета частицы, если ионизация создаётся только между сеткой и отрицательным электродом. Это обусловлено тем, что все образовавшиеся в камере электроны проходят одинаковое расстояние в поле между сеткой и положительным электродом. В этом случае возникает некоторая временнáя задержка между моментом ионизации и импульсом тока, равная времени пролёта электронов от места их образования до сетки. Разделение электронов и ионов при помощи поля сетки не только обеспечивает быстрое собирание носителей заряда, но и уменьшает зависимость амплитуды выходного импульса от направления движения частицы. Энергетическое разрешение ионизационной камеры с сеткой может составлять 0,5 % для -частиц с энергией 5 МэВ.
Если электрическое поле параллельно траектории детектируемых частиц, то форма сигнала с анода ионизационной камеры может нести информацию об удельных ионизационных потерях вдоль траектории (кривая Брэгга). Такие камеры (т. н. брэгговские ионизационные камеры) нашли широкое применение в физике низких и промежуточных энергий как части многодетекторных установок.
Ионизационная камера, наполненная газами, выполняющими роль активной мишени, может эффективно использоваться для изучения ядерных реакций и редких мод распада ядер в широком диапазоне энергий регистрируемых частиц (см. таблицу). Ионизационные камеры заполняют газами , , , , и др. под давлением Па. Для достижения высокого пространственного разрешения продуктов ядерного взаимодействия в этих устройствах, как правило, используется многоканальная цифровая электроника.
Наиболее известные ионизационные камеры, работающие в режиме активной мишени
Название камеры | Страна | Давление газа, 105 Па | Энергия ионов, МэВ/нуклон | Число каналов электроники |
IKAR | Германия/Россия | 10 | >700 | 6 × 3 |
MAYA | Франция | 0,02–2 | 2–60 | 1024 |
ACTAR | Франция | 0,001–3 | 2–60 | 16 000 |
MSTPC | Япония | < 0,3 | 0,5–5 | 128 |
CAT | Япония | 0,2–1 | 100–200 | 400 |
MAIKo | Япония | 0,4–1 | 10–100 | 2 × 256 |
pAT-TPC | США | 0,01–1 | 1–10 | 256 |
AT-TPC | США | 0,01–1 | 1–100 | 10 240 |
TACTIC | Канада | 0,25–1 | 1–10 | 48 |
ANASEN | США | 0,1–1 | 1–10 | 512 |
MINOS | Япония/Франция | 1 | > 120 | 5000 |
TexAT | США | 0,1–1 | 1–100 | 1314 |
ACTAF | Германия/Россия | 1–20 | 1–1000 | 288 |