Ионизационные счетчики. Счетчики применяются для обнаружения и счета элементарных частиц, а также для измерения интенсивности различных излучений

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Счетчики применяются для обнаружения и счета элементарных частиц, а также для измерения интенсивности различных излучений. Действие этих приборов основано на использовании газового разряда.

Принципиальная схема счетчика приведена на рис.1.

Счетчик состоит из цилиндрического корпуса 1 (катод), по оси которого натянута тонкая нить 2 (анод). Нить изолирована от корпуса с помощью изоляторов 3. Для впуска ионизирующих частиц с малой проникающей способностью один из торцов счетчика делается из слюды или алюминиевой фольги. Другие частицы, а также рентгеновское и γ -излучение проникают в счетчик непосредственно через стенки.Между анодом и катодом с помощью батареи 4 создается разность потенциалов U. Пространство внутри корпуса 1 заполнено газом.

Принцип действия прибора состоит в следующем: пусть газ, находящийся между катодом и анодом, подвергается действию ионизатора (например, рентгеновских лучей). Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. Ионы и отщепленные электроны увлекаются полем к электродам, вследствие чего через сопротивление R проходит некоторый заряд q, который называется импульсом тока. На рис. 2. Приведена зависимость импульса тока q от напряжения между электродами U для двух различных количеств пар первичных ионов N₀⁽¹⁾ и N₀⁽²⁾, причём N₀⁽¹⁾<N₀⁽²⁾.

В области 1 имеют место два конкурирующих процесса: собирание заряда на электродах счетчика и рекомбинация ионов в газовом объеме. При возрастании напряжения U скорость движения ионов увеличивается, вероятность рекомбинации уменьшается и величина заряда, собранного на электродах, растет.

При некотором напряжении U _i все ионы, образовавшиеся в процессе ионизации, будут попадать на электроды и величина импульса тока не возрастет. Дальнейшее увеличение напряжения от величины U _i до величины U _p не приводит к изменению импульса тока. Этому соответствует область 2, называемая областью тока насыщения или областью ионизационной камеры.

Начиная с некоторого значения напряжения U _p напряженность поля оказывается достаточной для того, чтобы разогнать электроны, созданные в результате первичной ионизации, до тех энергий, что они сами могли бы ионизировать молекулы газа ударом. При этом число образовавшихся электронов и положительных ионов лавинообразно растет. В результате на каждый из электродов попадает А*N₀ ионов (N₀ -число пар первичных ионов).Величина А называется коэффициентом газового усиления. В области 3 этот коэффициент зависит от количества первичных ионов. Поэтому, если поддерживать напряжение постоянным, импульс тока будет пропорционален количеству первичных ионов N₀. Область 3 называется областью пропорциональности, а напряжение U_p -порогом пропорциональной области. Коэффициент газового усиления А изменяется в этой области от 1 в начале до 10³ ¸ 10⁴ в конце.

С дальнейшим увеличением напряжения пропорциональность между импульсом тока и количеством первичных пар ионов N₀ нарушается и в конце участка 4 величина импульса становится независимой от величины первичной ионизации. Область 4 называется областью частичной (или ограниченной) пропорциональности.

При напряжениях, соответствующих области 5 ( область Гейгера, U_g -порог области Гейгера), процесс приобретает характер лавинного разряда. Первичные ионы лишь создают толчок для его возникновения. Импульс тока в этой области совершенно не зависит от количества первичных ионов.

В области 6 напряжение столь велико, что разряд, возникнув, не прекращается. Поэтому ее называют областью непрерывного разряда.

Счётчики Гейгера-Мюллера

Счётчик, работающий в области 5, называется счётчиком Гейгера-Мюллера (сокращенно - счётчиком Гейгера). Поскольку в этой области попадания даже одной ионизирующей частицы вызывает разряд, счётчик Гейгера позволяет регистрировать прохождение отдельных частиц.

Чтобы получить от отдельных частиц раздельные импульсы, необходимо быстро погасить возникший заряд. Это достигается, в частности, добавлением к газу, заполняющему счётчик, примеси многоатомных органических газов (например, паров спирта). Молекулы подобных газов поглощают ультрафиолетовое излучение, сопровождающее разряд, а при столкновении с положительными ионами нейтрализуют и переводят их из возбуждённого состояния в основное. Возбуждённая же молекула спирта распадается на отдельные атомы или более мелкие молекулы. Всё это позволяет эффективно гасить возникающий разряд.

Важнейшим параметром самогасящегося счётчика является счётная характеристика. Счётная характеристика даёт зависимость скорости счёта (т.е. числа частиц, регистрируемых в первую секунду) от приложенного напряжения. Примерный вид этой зависимости приведён на рис.3. Нетрудно видеть, что эта зависимость имеет “плато” протяженностью в несколько сот вольт (обычно с небольшим наклоном - несколько процентов на 100 В).

Напряжение начала отсчёта (порог отсчёта) U_p соответствует минимальным амплитудам импульсов, пропускаемых электронной схемой прибора.

Рис. 3. Счётная характеристика счётчика Гейгера.

Величина этого напряжения определяется конструктивными особенностями счётчика. Начиная с величины напряжения U₁ скорость счёта практически не зависит от приложенного напряжения. Рабочее напряжение счётчика U _раб выбирается в середине “плато”. Причинами наклона плато является наличие вторичных электронов, создающих ложные импульсы, и изменение чувствительности объёма счётчика с ростом напряжения. Начиная с величины напряжения U₂ скорость счёта быстро растёт, что свидетельствует о возникновении самоподдерживающегося разряда. Дальнейшее увеличение напряжения может привести к выходу прибора из строя.

В настоящей работе проводится исследование счётной характеристики счётчика Гейгера.

Дата добавления: 2014-11-25