Proporcionális detektor & ionizációs kamra

Az animációk Stuart Jensen hozzájárulásával kerültek fel erre az oldalra.
Animations by courtesy of Stuart Jensen, owner of Jensen Graphics .

Ionizációs kamra: Az animációt kizárólag abban a tekintetben kell komolyan venni, hogy látszik: az adott feszültségnél a sugárrészecske hatására keletkező összes ion és elektron elkerüli a rekombinációt, és lényegében mindegyik eljut a megfelelő elektródra. Két dolgot viszont hozzá kell gondolni az animációhoz.

(1) Valójában egy sugárrészecske nagyon sok ion-elektron párt hoz létre, nem csak egy néhányat. (Lásd az ionizációs kamráról szóló Java szimulációt.)

(2) Az elektronok sokkal hamarabb elérik az anódot, mint az ionok a katódot, mert ugyanaz az erőtér az
F = ma
Newton-törvény értelmében a tömegükkel (m) fordított arányban gyorsítja (a) az azonos nagyságú töltéssel rendelkező részecskéket, márpedig egy elektronnál még egy hidrogénion (proton) is csaknem 2000-szer nehezebb.

Proporcionális detektor: Az animáció kizárólag vizuális emlékeztetőként szolgál arra nézve, hogy a szugárzás által keltett ionok és elektronok a nagyobb munkafeszültség miatt nem pusztán kigyűlnek a megfelelő elektródra mint az ionizációs kamra esetében, de közben a számuk meg is sokszorozódik. Az (1)-en és (2)-n kívül itt még egy dolog nem stimmel.

(3) A detektorban mozgó töltött részecskék (pl. e^-, Ar⁺) kinetikusenergia-növekedése csak attól függ, hogy mekkora potenciálkülönbségen haladtak át. Ezt pedig az szabja meg, hogy honnan hová jutottak el közben. Mivel az elektronok sokkal gyorsabbak mint az ionok, hamarabb tesznek szert akkora energiára, amekkora ahhoz kell, hogy egy semleges atomot eltalálva újabb ion-elektron párt hozzanak létre. A sokszorozódás tehát az elektronok útvonalán megy végbe, miközben az ionok “egy helyben topognak”.

Más szavakkal ugyan, de az alábbiak terítékre kerülnek a gáztöltésű detektorok címszó alatt is, de talán érdemes itt is áttekinteni azt, amiről ott a feszültségkarakterisztika kapcsán szó esik. A jelen problémakört a 2-3. pont érinti közvetlenül:

1. Amikor egy nemes gázzal töltött detektor két elektródája közé mérsékelt egyenfeszültséget kapcsolunk, normálisan nem folyik át rajta áram, hiszen a gáz (pl. Ar) szigetelő. Ha azonban egy ionizáló sugárrészecske (pl. α vagy β) jut be a készülékbe, akkor a részecske által leadott energiával kb. arányos számú (jellemzően sok) elektron-ion pár keletkezik. Más szóval: töltéshordozók jelennek meg a gázban, s ezek a feszültségkülönbség hatására elindulnak az elektródok felé. A könnyű elektronok sebesen az anód felé, a nehéz pozitív ionok lomhán a katód felé. Közben egy részük újra rekombinálódik. Minél nagyobb a feszültségkülönbség, annál gyorsabban távolodnak egymástól az elektronok és az ionok, ezért a rekombinálódás esélye egyre csökken, s az áram-, ill. feszültségimpulzus egyre nagyobb lesz.
2. Egy bizonyos detektorfeszültség fölött a tér kigyűjti az összes töltéshordózót, ezért a jel nagysága nemigen változik. Ez a telítési tartomány, melyben az ionizációs kamrák működnek. Többnyire nem impulzus üzemmódban, hanem hagyják, hogy az egyes részecskék által keltett áramimpulzusok mérhető egyenáramú jellé olvadjanak össze, melynek nagysága a forráserősséggel (aktivitással) lesz arányos. Az ilyen készülékekkel nagy aktivitásokat lehet csak mérni.
3. Egy ponton a feszültség akkora lesz, hogy a gyorsuló elektronok további atomokat ionizálnak: egy-egy ionizáció során egy elektron helyett kettő lesz, ami azt jelenti, hogy a detektor működés közben felerősíti a saját jelelét. Ionizálási kaszkád jön létre, mely átlagosan annál több lépcsőfokból áll, minél nagyobb a feszültség, hiszen egy-egy gázatom ionizációjához átlagosan mindig ugyanannyi (néhány 10 eV-nyi) kinetikus energiára van szükség az elektron részéről, melyet a feszültségkülönbség okozta gyorsulás biztosít. Ez exponenciális (2ⁿ) jellegű növekedést okoz, ami logaritmikus ábrázolásban egyenest ad, ahogy az ábrán is látszik. Az exponenciális erősítés ellenére (ill. éppen azért) a különböző nagyságú (más-más részecskeenergiát tükröző) detektorjelek egymással arányos mértékben (proporcionálisan) növekednek a feszültséggel, ezért az ionizációs kamra eredendő energiaszelektivitása nem romlik el, csak a jeleket könnyebb egyenként feldolgozni. Ezért a proporcionális kamrák, melyek ebben a feszültségtartományban működnek, nemcsak részecskeszámlálásra, de az egyes részecskék energiameghatározására is jók.
4. Ha a feszültséget tovább növeljük, akkor különböző okok miatt (pl. azért, mert az egyes lavinák "összeérnek"), a proporcionalitás lassacskán romlani kezd.
5. A GM-tartományban a proporcionalitás teljesen megszűnik, viszont kényelmesen számlálható, nagy jeleket kapunk. Ebben a tartományban működnek a GM-csövek, melyekről másutt bővebben írok. Ez az a gáztöltésű detektor, amely kizárólag részecskeszámlálásra alkalmas, viszont a részecske energiájáról semmiféle információt nem ad. (Kivéve annyit, hogy a részecskének valahogy be kellett jutnia a detektorba, mert különben az nem jelezhette volna.)
6. Végül folyamatos kisülés jön létre, amit kerülni szoktak.