Пропорциональные счетчики относятся к классу газоразрядных детекторов, в которых электрический сигнал, возникающий при прохождении ионизирующего излучения через рабочий газ, пропорционален энергии частицы. Это их отличает от счетчиков Гейгера, где амплитуда импульса не зависит от энергии.
Конструктивно пропорциональный счетчик состоит из металлического цилиндра, служащего катодом, внутри которого вдоль оси натянута тонкая металлическая проволока — анод. Пространство между анодом и катодом заполнено газом (обычно смесью аргона с добавками органических газов, например, метана или углеводородов), находящимся под атмосферным или слегка повышенным давлением.
К аноду прикладывается положительное напряжение, создающее радиальное электрическое поле. Это поле невелико на периферии, но резко возрастает вблизи анодной проволоки. Такая конфигурация поля обеспечивает детектирование в пропорциональном режиме при соблюдении определённых условий напряжения и состава газа.
Проходящая ионизирующая частица взаимодействует с атомами газа, вызывая ионизацию и образование первичных электрон-ионных пар. Электроны, обладая высокой подвижностью, ускоряются в электрическом поле по направлению к аноду. При этом, при достижении достаточной энергии, они начинают ионизировать другие атомы газа, инициируя лавинный процесс.
Ключевая особенность пропорционального режима заключается в том, что лавина развивается локально, вблизи анода, и её разряд не приводит к полной ионизации всего объёма газа, как в счётчиках Гейгера. В результате, амплитуда выходного сигнала остаётся линейно зависимой от числа первичных ионизаций, т.е. от энергии входящей частицы.
Для функционирования в пропорциональном режиме напряжение на аноде должно находиться в пределах строго определённого диапазона — между порогом, при котором не происходит вторичной ионизации, и напряжением, при котором начинается неконтролируемый разряд. Этот диапазон называется пропорциональной областью.
Характеристики пропорциональных счетчиков:
Чистый аргон, будучи инертным газом, обладает ограниченной способностью к лавинному умножению. Поэтому в рабочую смесь вводят добавки органических газов (например, метан, этан, углекислый газ), называемые квензчящими газами. Их роль заключается в поглощении ультрафиолетовых фотонов, излучаемых возбужденными атомами аргона, предотвращая распространение лавины на большие расстояния.
Эти добавки также способствуют стабилизации работы счетчика, уменьшая вероятность спонтанных разрядов и увеличивая срок службы прибора.
Одним из главных преимуществ пропорциональных счетчиков является возможность энергетической спектрометрии. Благодаря линейной зависимости выходного сигнала от энергии, такие детекторы позволяют измерять спектры γ-излучения, энергии β-частиц и даже α-частиц, если конструкция позволяет эффективно вводить их в газовую среду.
Энергетическое разрешение ограничено флуктуациями в числе первичных ионизаций, геометрией поля и шумами электроники. Однако при оптимальных условиях разрешение может достигать нескольких процентов.
Для регистрации координат частиц используются многопроволочные пропорциональные счетчики, где аноды натянуты в виде решётки. Они применяются в трековой детектирующей аппаратуре, например, в ядерной физике высоких энергий.
При пересечении объёма детектора частицей возбуждаются соседние аноды, и на основании временных задержек и амплитуд сигналов возможно восстановление координаты прохождения. Такие устройства являются важной частью многоканальных трековых систем.
Пропорциональные счетчики можно адаптировать для регистрации нейтронов, используя газы с высоким сечением захвата, например, ³He или BF₃. При захвате нейтрона происходит ядерная реакция с образованием заряженных частиц (протонов, α-частиц), которые далее ионизируют газ. Полученный сигнал вновь пропорционален энергии вторичных частиц, и, следовательно, возможно количественное измерение потока нейтронов.
Такой подход позволяет регистрировать тепловые нейтроны, а при использовании замедлителей (например, полиэтилена) — и нейтроны высокой энергии.
| Параметр | Ионизационная камера | Пропорциональный счетчик | Счетчик Гейгера-Мюллера |
|---|---|---|---|
| Усиление сигнала | Отсутствует | До 10⁴–10⁶ | Очень большое |
| Пропорциональность сигнала | Да | Да | Нет |
| Энергетическая чувствительность | Ограниченная | Высокая | Отсутствует |
| Возможность спектрометрии | Ограниченная | Да | Нет |
| Диапазон рабочих энергий | Широкий | От нескольких эВ до десятков МэВ | Аналогично, но без разрешения |
Пропорциональные счетчики находят широкое применение:
Особую роль они играют в области измерения слабых потоков ионизирующего излучения и в тех случаях, когда требуется количественный анализ энергетического спектра.