Пропорциональный счётчик – газоразрядный детектор частиц, создающий сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии, выделенной в его объёме регистрируемой частицей. При полном торможении частицы в объёме пропорционального счётчика амплитуда сигнала пропорциональна энергии ξ частицы, т. е. пропорциональный счётчик является одновременно и спектрометром. Пропорциональный счётчик как и другие разрядные детекторы, представляет собой газовый объём, (от нескольких см³ до нескольких л) с 2 электродами. От конструкции ионизационной камеры счетчик отличает форма анода в виде тонкой нити или острия для обеспечения вблизи анода значительно большей напряжённости электрического поля, чем в остальном пространстве между анодом и катодом. Наиболее распространены цилиндрические счетчики, где катодом является металлический цилиндр (корпус счётчика), внутри которого аксиально протянута тонкая проволока – анод (риc.1).

 

Заряженная частица с энергией ξ создаёт в газе n₀ = Δξ/W электрон–ионных пар, где Δξ – ионизационные потери энергии частицы, W – средняя энергия образования электрон–ионной пары. Импульс тока (напряжения), возникающий на сопротивлении R, Пропорционален Δξ импульс (1–100 мВ) усиливается и поступает в регистрирующее (анализирующее или запоминающее) электронное устройство.

Первичные электроны, образованные заряженной частицей в результате ионизации газа, под действием электрического поля перемещаются к аноду, по пути многократно сталкиваясь с атомами (рис. 2). Эти соударения частично неупругие, т. к. электроны теряют значительную часть своей энергии и не могут набрать энергию, достаточную для ионизации атомов газа (20—30 эВ). В цилиндрическом пропорциональном счётчике электрическое поле Е ~ r^-1, где r — расстояние частицы до нити (рис. 3). Поэтому между двумя последовательными столкновениями электроны, приближаясь к аноду, получают всё возрастающие значения кинетической энергии, и на некотором расстоянии от нити энергия становится достаточной для ионизации. Образующиеся вторичные электроны вместе с первичными участвуют в последующей лавинной ионизации газа (газовое усиление). Коэфициент газового усиления М — отношение количества электронов, пришедших на нить, к числу первичных электронов. Форма электронно-ионной лавины вблизи анода сильно зависит от значения М: при 10 < М < 100 лавина приобретает форму капли в направлении прихода электронов иа анод; при 10² < М < 10⁴ лавина становится сердцеобразной, вытянутой в направлении прихода электронов; при М > 10⁴ лавина полностью охватывает анод — тогда и нарушается пропорциональность между n₀ и амплитудой сигнала. Размер лавины вдоль проволочного анода растёт с увеличением М от долей мм до неск. мм.

При столкновениях образуются также возбуждённые атомы, которые «высвечиваются» (УФ-излучение) за время ~10^-8с. Энергия фотонов почти всегда превосходит работу выхода электронов с поверхности катода, поэтому вырванные фотоэлектроны также движутся к аноду, усложняя картину разряда и образуя лавинные серии — последовательно затухающую цепочку импульсов, отстоящих друг от друга на время дрейфа электронов от катода к аноду. Фотоэлектронную эмиссию можно ослабить, если в состав газа кроме инертных (Аг, Кr, Хе) ввести многоатомные газы (СН₄, С₂Н₂, СО₂ и т. д.), поглощающие УФ-излучеиие.

Если пренебречь влиянием на лавину пространственного заряда от положительных ионов, прилипанием электронов и фотоэлектронной эмиссией, то

,

где α — число ионизационных соударений электрона на пути 1 см (первый коэффициент Таунсенда), а зависит от напряжённости поля Е, давления р и рода газа. В приближении Роуза-Корфа, где α = NЕК. (К — характеристика газа, N — плотность газа, E — энергия электронов),

.

Здесь — ёмкость счётчика на единицу длины, V₀ — напряжение на электродах, V_c — напряжение, соответствующее началу лавины. При V₀ » V_c  М ~ ехр(СV₀)^1/2 (рис. 4). Ввиду статистической природы лавинного процесса V_с не является чёткой характеристикой счетчика, поэтому V_с определяется по пересечению прямолинейного участка зависимости lnM(V₀) с осью абсцисс. Линейная зависимость продолжается до М ~ 10⁴. При дальнейшем повышении V₀ зависимость перестаёт быть линейной (из-за влияния фотоэлектронной эмиссии и пространственного заряда ионов). Область М ~ 10⁴ называется областью ограниченной пропорциональности. Большие М могут привести к пробою (рис. 5). Чтобы не допустить пробоя, применяют гасящие примеси — органические газы, которые обладают большим сечением фотопоглощения, диссоциации и передачи возбуждения сложной молекуле. Добавка органического газа стабилизует процесс газового усиления в широком диапазоне V₀, хотя само напряжение, необходимое для требуемого М, возрастает.

 

 

Пропорциональные счетчики используются для регистрации всех видов ионизирующих излучений. Существуют пропорциональные счетчики для регистрации α-частиц, электронов, осколков деления ядер и т.д., а также для нейтронов, γ- и рентгеновских квантов. В последнем случае используются процессы взаимодействия нейтронов, γ- и рентгеновских квантов с наполняющим счётчик газом, в результате которых образуются регистрируемые счетчиком вторичные заряженные частицы. Пропорциональный счетчик сыграл важную роль в ядерной физике 30—40-х гг. 20 в., являясь наряду с ионизационной камерой практически единственным спектрометрическим детектором.

Второе рождение пропорциональный счетчик получил в физике частиц высоких энергий в конце 60-х гг. в виде пропорциональной камеры, состоящей из большого числа (10²—10³) счетчиков, расположенных в одной плоскости и в одном газовом объёме. Такое устройство позволяет не только измерять ионизацию частицы в каждом отдельном счётчике, но и фиксировать место её прохождения. Типичные параметры пропорциональных камер: расстояние между соседними анодными нитями ~ 1—2 мм, расстояние между анодной и катодной плоскостями ~1 см; разрешающее время ~ 10^-7 сек. Развитие микроэлектроники и внедрение в экспериментальную технику ЭВМ позволили создать системы, состоящие из десятков тыс. отдельных нитей, соединённых непосредственно с ЭВМ, которая запоминает и обрабатывает всю информацию от пропорциональной камеры. Т. о., она является одновременно быстродействующим спектрометром и трековым детектором.

В 70-х гг. появилась дрейфовая камера, в которой для измерения места пролёта частицы используется дрейф электронов, предшествующий образованию лавины. Чередуя аноды и катоды отдельных счетчиков в одной плоскости и измеряя время дрейфа электронов, можно измерить место прохождения частицы через камеру с высокой точностью (~ 0,1 мм) при числе нитей в 10 раз меньше, чем в пропорциональной камере. Пропорциональный счетчик применяются не только в ядерной физике, но и в физике космических лучей, астрофизике, в технике, медицине, геологии, археологии и т.д. Например, с помощью установленного на «Луноходе-1» пропорциональный счетчик по рентгеновской флюоресценции производился химический элементный анализ вещества поверхности Луны.

В пропорциональном счетчике обычно катодом служит цилиндр, а анодом — тонкая (10—100 мкм) металлическая нить, натянутая по оси цилиндра (рис.1). Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь электроны дрейфуют под действием поля без «размножения». Пропорциональный счетчик заполняют инертными газами (рабочий газ не должен поглощать дрейфующие электроны) с добавлением небольшого количества многоатомных газов, которые поглощают фотоны, образующиеся в лавинах.