Contor proporțional

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Un contor proporțional este un detector de particule de gaz , care, la fel ca toți detectoarele de gaz, detectează particule prin măsurarea sarcinii produse de ionizarea moleculelor unui gaz cauzate de trecerea particulelor. Această încărcare este proporțională cu energia pe care a eliberat-o particula. Caracteristica sa este aceea de a utiliza tensiuni destul de mari care permit electronilor produși de particula primară să creeze alte ionizări cu un proces care se repetă într-o avalanșă. În acest fel, semnalele rezultate au un bun raport semnal-zgomot .

Operațiune

Grafic al variațiilor curentului ionic față de tensiune pentru un detector de radiații sârmă într-un recipient cilindric cu gaz.
Generarea unei avalanșe Townsend într-un contor proporțional.
Graficul intensității câmpului electric la anod, care arată limitele regiunii avalanșei Townsend.

Un contor proporțional folosește o combinație între un mecanism de tub Geiger-Muller și o cameră de ionizare și funcționează la o tensiune între ele. Primul grafic arată regiunea tensiunii de funcționare pentru tipul de contor cilindric coaxial.

Detectorul folosește același principiu ca și contoare Geiger-Müller, dar cu o tensiune mai mică, adică în regim proporțional . Când particula ionizantă cu energie suficientă interacționează cu moleculele de gaz, produce perechi ion- electroni pozitive, numite perechi de ioni. Continuând să se miște în gaz, particula care interacționează formează perechi de ioni de-a lungul traiectoriei sale. Electronii creați în acest proces migrează către electrodul pozitiv, anodul , sub influența unui câmp electric. Un contor proporțional diferă de o cameră ionică prin faptul că potențialul aplicat este suficient de mare pentru ca un electron să câștige suficientă energie de-a lungul unei căi medii libere pentru a crea perechi de ioni suplimentare în timpul unei coliziuni cu moleculele neutre ale gazului. Electronii creați în aceste evenimente secundare migrează, de asemenea, către anod și creează alte perechi de ioni. Aceasta produce o cascadă, numită Townsend Avalanche . Dacă potențialul este ales cu atenție, fiecare avalanșă are loc independent de celelalte avalanșe care provin din aceeași particulă primară inițială. În consecință, chiar dacă numărul total de electroni creați crește exponențial cu distanța, sarcina electrică totală produsă rămâne proporțională cu sarcina inițială creată în evenimentul inițial.

Măsurând sarcina totală ( integrala temporală a curentului electric ) dintre cei doi electrozi, este posibilă urmărirea energiei cinetice pierdute în detector de către particula inițială, deoarece numărul de perechi de ioni create de particula ionizantă este proporțional cu energia eliberată.

Dacă tensiunea este mai mică decât o valoare critică, electronii nu ajung la suficientă energie pentru a crea alte perechi de ioni (avalanșa), iar detectorul este o cameră de ionizare . Dacă, pe de altă parte, tensiunea este prea mare, inițial sarcina produsă nu este liniar proporțională cu energia, cu tensiuni chiar mai mari ajungem la regimul Geiger, în care toate impulsurile au aceeași amplitudine și, prin urmare, informații despre puterea. Așa funcționează ghișeele Geiger-Müller .

Acest proces de amplificare a încărcării poate îmbunătăți considerabil raportul semnal-zgomot al detectorului și poate reduce dificultatea amplificării semnalelor prea mici.

Gaz

În metri proporționali, compoziția și presiunea amestecului care alcătuiește gazul care alcătuiește volumul activ al detectorului sunt esențiale. Deoarece formarea avalanșelor este esențială, trebuie evitate gazele electronegative care îndepărtează electronii, cum ar fi oxigenul ; prin urmare, trebuie exclus aerul, se folosesc de obicei gaze nobile . Mai mult, pentru a avea o eficiență ridicată, este mai bine să utilizați gaze cu un număr atomic ridicat și densitate mare, prin urmare presiuni. În acest sens, cel mai frecvent utilizat gaz este argonul . Pentru o eficiență mai mare, se poate folosi criptonul mai scump. Un anumit amestec poate fi ales de la caz la caz, de exemplu în studiile de dozimetrie este util să se utilizeze compuși care aproximează țesuturile organice, cum ar fi metan - dioxid de carbon - azot . Pentru a avea o viteză de răspuns mai mare, se utilizează compuși mai ușori care permit o viteză mai mare electronilor.

Concentrații mici de gaz secundar, numit gaz de stingere , sunt adesea adăugate la gaz. În coliziuni, electronii îi pot excita, precum și ioniza moleculele neutre ale gazului. În consecință, în vremuri neglijabile, molecula se dezactivează prin emiterea unui foton, de obicei în domeniul ultraviolet . Acest foton poate interacționa departe de avalanșa din care este generat și poate da naștere prin efect fotoelectric unui electron care formează o altă avalanșă. Acest fenomen este exploatat în contoare Geiger-Müller , dar trebuie evitat deoarece proporționalitatea dintre energia particulei primare și sarcina totală colectată s-ar pierde sau, în cel mai bun caz, ar da naștere la impulsuri false energie. Din acest motiv, se adaugă gazul de stingere, care este capabil să absoarbă fotonii fără a provoca ionizarea. Un amestec foarte comun cunoscut sub numele de P-10 este argonul (90%) și metanul (10%).

Uneori este util să adăugați o a treia componentă amestecului, profitând de efectul Penning . Noua componentă trebuie să aibă un potențial de ionizare mai mic decât gazul principal. Dacă energia stării metastabile a componentei principale, care a fost formată printr-o excitație datorată unei coliziuni cu un electron, este mai mare decât energia de ionizare a noii componente, atunci o coliziune între o stare excitată a componentei principale și una nouă.componenta poate da naștere la o ionizare a componentei noi. În acest fel, dintr-un atom excitat, a cărui energie nu ar fi dat naștere la informații, se creează o sarcină care va fi dezvăluită. În practică înseamnă scăderea energiei medii W pentru a forma o pereche de ioni. De exemplu, prin adăugarea de etilenă , W poate fi redus de la 26 la 20 eV și astfel îmbunătățim rezoluția energiei.

Gazul poate fi lăsat să curgă în detector. În acest caz, compoziția și presiunea gazului pot fi modificate, dar principalul avantaj este reducerea efectelor de îmbătrânire de care suferă toți detectorii de particule. Gazul poate fi reciclat, adică recirculat după ce a fost purificat sau, dacă nu periculos, pur și simplu eliminat în mediu.

Geometrie

Geometria utilizată aproape întotdeauna este cea cilindrică, care permite atingerea câmpurilor electrice suficient de mari pentru a da naștere avalanșelor folosind tensiuni rezonabile (mii de volți). Anodul central, spre care migrează electronii, este un fir foarte subțire, în timp ce catodul este peretele cilindrului, care este de obicei ținut la sol. În această configurație câmpul electric are o direcție radială și (având în vedere detectorul infinit extins în direcția axială) are modul:

unde V este diferența de tensiune între anod și catod, a raza anodului, b raza catodului, distanța față de centru.

Se observă că regiunea în care are loc avalanșa sau unde câmpul electric este destul de intens, este o regiune foarte subțire în jurul anodului.

Multe alte detalii trebuie luate în considerare, în special în vecinătatea bazelor cilindrilor. Aici câmpul electric este foarte distorsionat de la valoarea teoretică menționată mai sus, calculată pentru un cilindru de lungime infinită.

Utilizări

Proporționalitatea dintre energia particulelor care interacționează care interacționează cu detectorul și sarcina totală creată face contoare proporționale utile pentru spectroscopia particulelor încărcate.

Ele pot fi de asemenea folosite pentru a detecta-consum redus de energie fotoni , cum ar fi X- raze sau raze gamma .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Adus din „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Contatore_proportzionale&oldid=113891704 ”