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 ${\displaystyle R_{\text{н}}}$ прикладывается разность потенциалов ${\displaystyle U}$. 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 ${\displaystyle R_{\text{н}}}$ 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 ${\displaystyle \alpha }$-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 ${\displaystyle {\text{H}}_{2}}$, ${\displaystyle {\text{D}}_{2}}$, ${\displaystyle ^{4}{\text{He}}}$, ${\displaystyle {\text{CH}}_{4}}$, ${\displaystyle {\text{C}}_{4}{\text{H}}_{10}}$ и др. под давлением ${\displaystyle (0,01{\text{--}}20)\cdot 10^{5}}$ 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