CC BY
7
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ПРИЗНАКИ СТРИМЕРНОЙ МОДЫ РАЗРЯДА В НИЗКОВОЛЬТНЫХ ГАЛОГЕННЫХ
СЧЕТЧИКАХ ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА
Разин В.И.
Институт ядерных исследований РАН, г.Москва
Введение.
Из физики газового разряда в детекторах ядерного излучения известно [1], что для счетчиков с чистым газовым наполнением интервал напряжений между действительно
пропорциональной областью и областью Гейгера имеет длительность порядка 100 вольт. Для счетчиков с добавкой многоатомных газов или паров переход от одной области к другой имеет длительность почти в два раза больше и совершается постепенно. Между этими областями находится так называемая область ограниченной пропорциональности, в которой импульсы от слабой первичной ионизации при давлении газа, равным примерно 100 мм ртутного столба, возрастают с увеличением напряжения несколько быстрее, чем это соответствует действительно пропорциональной области. Обычно это увеличение связывают с влиянием фотонной ионизации. Импульсы, вызванные более сильной первичной ионизацией, например, альфа-частицей, с увеличением напряжения возрастают медленнее, чем это предполагается для пропорциональной области. Это явление связано с увеличение влияния образованных в лавине положительных ионов с малой подвижностью, в результате чего в области лавинного размножения электронов образуется положительный заряд, который ограничивает амплитуду импульсов. В результате импульсы от альфа-частиц и бета излучения становятся приблизительно равными.При умеренном напряжении амплитуда импульса от альфа-частиц практически еще не зависит от направления излучения (перпендикулярно или параллельно аноду). При несколько большем напряжении и перпендикулярном к аноду излучении амплитуда импульса начинает возрастать, в то время как при параллельном к аноду облучении возрастание амплитуды импульса гораздо менее заметно. В этой связи было принято называть большие импульсы при перпендикулярном или радиальном облучении «увеличенными» импульсами. Более детальное исследование показало, что особенно большие амплитуды получаются вначале только при почти перпендикулярном к аноду облучении. С возрастанием напряжения на счетчике все большее число частиц, которые проходят под известным углом относительно направления,
перпендикулярного аноду, вызывали подобные «увеличенные» импульсы. Исследования показали, что «увеличенные» импульсы возрастают с напряжением до тех пор, пока не наступает пробой. Осциллограммы этих импульсов показали, что они представляют собой принципиально другую форму
разряда, которая не соответствовала ни пропорциональному импульсу, ни какой-либо стадии импульса в области Гейгера. С другой стороны известно, что разряд, развивающийся в области Гейгера, является разновидностью нестабильного коронного разряда [2]. Для существования стационарной формы разряда необходимо какое-то наименьшее напряжение итт и минимальный ток 1тш. Если поднять напряжение на аноде счетчика, то в газовом объеме образуется область, в которой нестабильный коронный разряд переходит в самостоятельный коронный разряд, а при дальнейшем увеличении напряжения начинается тлеющий разряд.
Следует добавить также, что наблюдение аномально больших импульсов, примерно в 100 раз превышающих сигналы в режиме пропорционального усиления, было отмечено в работе [3] при исследовании влияния электроотрицательных фотонов на работу проволочной камеры «шарпаковской»
конструкции. Этот позиционно-чувствительный детектор представлял собой набор плоскостей из проволочных электродов, выполняющих роли анода и катода, подобно конструкции цилиндрического пропорционального счетчика.
Признаки стримерного режима в области ограниченной пропорциональности
В целях лучшего понимания рассматриваемого вопроса следует определить напряжение начала счета и0в гейгеровском режиме работы однонитяного счетчика как такое напряжение, при котором в результате вторичных процессов на катоде образуется по крайней мере один электрон. В этом случае между временем прохождения первичной ионизации и моментом регистрации данного события в виде импульса во внешней цепи имеется запаздывание. Оно может быть вызвано различными причинами и иметь неопределенную величину. Это запаздывание появления импульса объясняется тремя эффектами. Первичное излучение может произвести в любом месте детектора электрон, который приведет к лавинообразованию. Этот первый электрон, прежде чем он сможет образовать лавину, должен попасть в область с высокой напряженностью поля около анода. Наибольшее время, которое затрачивается на это, равно времени пробега электрона от катода к аноду. Наименьшее время пробега имеет электрон, образованный непосредственно около анода. Второй вид запаздывания возникает вследствие различной крутизны импульсов и зависит главным образом от внешней цепи питания и считывания сигнала. Оба эти процесса являются
причиной достаточно короткого времени запаздывания (примерно 10-7 с). Причиной более длительного запаздывания (до 10-4 с) является захват первичного электрона молекулой. Возникающий при этом отрицательный ион проходит расстояние от катода к аноду за более длительное время, чем электрон. Затем отрицательный ион теряет в области более сильного поля, что приводит к большому времени запаздывания лавинообразования. Этот эффект становится заметным лишь при наличии примеси газа с достаточно большим коэффициентом прилипания электрона (например, кислород и галогены).
При этом следует принять во внимание тот факт, что различные стадии газового усиления с переходом в область ограниченной пропорциональности, стримерный или
гейгеровский режимы, а также тлеющий разряд и искру определяются внешними условиями, а именно давлением и составом газа, конфигурацией электродов, пучковой или фоновой загрузкой и др. Например, переход из области ограниченной пропорциональности при повышении напряжения на электродах может закончиться гейгеровским разрядом, если в газовой смеси отсутствует компонента, поглощающая жесткое
ультрафиолетовое излучение. Другим путем может быть образован самогасящийся стримерный режим (СГС-режим) в присутствии значительной доли гасящей компоненты.
Согласно выводам, представленным в работе [4], возникновение СГС-режима определяется двумя условиями: необходимым и достаточным.
Необходимое условие вытекает из соответствия формуле
МАС= ЛМо<108электронов, (1) где МАС-максимальный заряд в таундсендовской лавине,
А-коэффициент газового усиления,
число первичных электронов Эта формула эмпирически выведена для случая образования предельного суммарного заряда в процессе лавинообразного размножения электронов в газе.
Достаточное условие можно также представить благодаря экспериментальным данным в соответствии с законом подобия, существующем в физике газового разряда, который предполагает наличие импульса-предшественника при переходе от одного типа разряда к другому.
Таким образом, применяя вышеназванные условия, можно представить следующую последовательность событий в случае задержки появления импульса и связанной с ней неопределенностью в положении рабочей точки на плато в гейгеровском счетчике. После прохождения первичного пучка ионизирующих частиц или одой частицы в газоразрядном промежутке появляются импульсы
пропорционального режима с малой амплитудой порядка нескольких милливольт и длительностью не более нескольких десятков наносекунд. Затем с
неопределенной задержкой во времени возникают импульсы-предшественники (ргесшгеог^) с амплитудой, на один-два порядка превышающей амплитуду импульсов пропорционального режима с длительностью порядка нескольких сотен наносекунд. Задержка в появлении импульса-предшественника находится в интервале от нескольких сотен наносекунд до нескольких сотен миллисекунд.
Исходя из вышеизложенного, достаточное условие перехода к стримерному режиму можно определить как вероятность образования вторичных или «затравочных» электронов в рабочем объеме газоразрядного детектора за счет неупругих соударений атомов и молекул 11-рода в соответствии с выводами Мика [6]. Поскольку время жизни возбужденных и метастабильных атомов в газе может занимать достаточно длительный промежуток времени, вплоть до нескольких секунд, становится понятной задержка в появлении импульса-предшественника.
Возникающая в результате вторичного процесса размножения электронов ионизационная волна достигает поверхности катода и освобождает наведенный от предыдущей лавины отрицательный заряд, замыкая пространство между двумя противоположно заряженными областями посредством тонкого светящегося шнура или стримера. Поскольку этот процесс не связан с положительной обратной связью за счет жесткого ультрафиолетового излучения и ионной бомбардировки поверхности катода, есть все основания полагать, что в зоне ограниченной пропорциональности происхождение
«увеличенных» импульсов и неопределенность в их появлении также связаны с выполнением критерия Ретера. При этом необходимое условие обеспечивается за счет большого газового усиления (А>106), а достаточное условие выглядит как вероятностный процесс нахождения или создания в газовой среде «затравочных» электронов и определяется такими явлениями в газах, как метастабильный и неметастабильный эффекты Пеннинга, а также другими реакциями неупругих соударений11-рода. Согласно экспериментальным данным неопределенность во времени начала счета в низковольтных галогенных счетчиках типа СИ-3БГ из-за присутствия «увеличенных» импульсов (стримеров) может составлять интервал от 5 до 50 микросекунд [7]. Этот факт влияет на выбор положения рабочей точки на плато счетной характеристики счетчика таким образом, чтобы обеспечить высокую эффективность регистрации заряженных частиц и уменьшить частоту появления ложных импульсов.
Заключение
Появление «увеличенных» импульсов в области ограниченной пропорциональности в низковольтных галогенных счетчиках можно объяснить, если считать выполнение правила Ретера в качестве необходимого условия для развития предпробойного явления в форме стримера, а достаточным условием появления
стримера рассматривать вероятностный процесс нахождения или создания в газовой среде счетчика свободного или «затравочного» электрона. Оба эти условия выполняются при перпендикулярном облучении анодной проволоки счетчика, когда «работает» колонная рекомбинация и стример «помнит» направление облучения в отсутствие фотонной и ионной бомбардировки катода. При достижении напряжения на счетчике, равного и0 , происходит образование коронного разряда за счет фотонной и ионной обратной связи, так что все импульсы приобретают одинаковую величину.
Литература
УДК 621.391
ГРНТИ 49.03
1.Фюнфер Э.,НейертГ., Счетчики излучений. Гос. изд.лит.в обл. науки и техн.М., 1961.
2.КорфС., Счетчики электронов и ядерных частиц. М., 1947.
3.CharpakG.,SauliF. // Nucl. Instrum. and Methods. 1971. V.96, P.363
4.RazinV.I. and ReshetinA.I. // Physics of Particles and Nuclei Letters, 2012,V.9., №1.P.58-61.
5.RaetherH. Electron avalanches and breakdowns in gases. Butterworths, Washington, 1964.
6.MeekJ.M., in: J.A.Rees (Ed.),Electrical Breakdown of Gases,Macmillan.London, 1973.
7.РазинВ.И, Исследование времени деионизации в низковольтных галогенных счетчиках, дипломная работа. МЭИ, М.,1967.
СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ МОЩНОСТИ СИГНАЛОВ С М-ИЧНОЙ ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ ПРИ ЦЕЛОМ ЗНАЧЕНИИ ИНДЕКСА МОДУЛЯЦИИ_
Приходько Андрей Иванович
д-р техн. наук, профессор кафедры оптоэлектроники Ромащенко Анастасия Александровна
магистрант кафедры оптоэлектроники
Кубанский государственный университет, г. Краснодар
АННОТАЦИЯ
Получено выражение для спектральной плотности мощности сигналов с М-ичной частотной манипуляцией при целом значении индекса модуляции
ABSTRACT
The expression for power spectral density of М-ary frequency shift keying signals with integer modulation index is obtained.
Ключевые слова: частотная манипуляция, индекс модуляции, спектральная плотность мощности, преобразование Фурье,
Keywords: frequency shift keying, modulation index, power spectral density, Fourier transform. Equation Section 1
Сигнал с М-ичной частотной манипуляцией М) на интервале определяется выражением
Ui(t) = Uocos(toit + Vo), (1)
- величина М-ичного символа, отвечающая (МЧМ) на интервале времени 0 < Ь <Т комбинации при I = 1, 2, ...,М;
Девиация частоты ^ связана с разносом частот
где и0, и ф0 - амплитуда и мгновенная начальная фаза сигнала соответственно; Т -длительность элемента сигнала;
Аш = ^ -Mi+il i = 1, 2, равенством
M-1
(4)
(2)
<°* =T,
(5)
- мгновенная частота сигнала, соответствующая передаче комбинации 01 = Ц3цр12 ... р1ш) из т = 1од2 М
информационных двоичных символов; М = 2т при т = 1, 2, ш0 и - средняя (несущая) частота и девиация частоты соответственно;
а индекс модуляции задается формулой
ж
(6)
На бесконечном интервале времени сигнал с МЧМ имеет вид
ai = 2i-(M + 1)
(3)
