Газоразрядные (газонаполненные) детекторы

Индикаторы (детекторы) радиоактивного излучения

Детектором радиоактивного излучения является чувствительный эле­мент средств измерения, предназначенный для преобразования энергии ио­низирующего излучения в другой вид энергии, удобный для передачи на рас­стояние, измерения и регистрации. В практике геолого-поисковых работ ис­пользуются главным образом газоразрядные и сцинтилляционные детекторы гамма-излучения и нейтронов.

Газоразрядные детекторы представляют собой стеклянный или метал­лический баллон, по оси которого натянута тонкая металлическая проволоч­ка. На внутренней поверхности баллона, заполненного под низким давлением смесью инертных газов (аргон, гелий и т.д.) и паров высокомолекулярного соединения, нанесен тонкий слой металла (серебро, вольфрам, медь и т.д.). Металлизированная поверхность (катод) и нить (анод) подключаются к источнику постоянного тока высокого напряжения.

Работа газоразрядного детектора основывается, с одной стороны, на явлениях взаимодействия гамма-излучения с веществом стенок баллона и, с другой стороны, на явлении электропроводности газов. Первое явление заключается в усилении первоначально заряженных частиц (электронов), которые возникают при взаимодействии g-квантов с металлом катода. Приобретая дополнительное ускорение в электрическом поле между катодом и анодом, первичные электроны ионизируют основной газ, вырывая из него вторичные электроны и образуя положительно заряженные ионы. Второе явление – управление лавинообразно развивающимся процессом образования заряженных частиц осуществляют вхо­дящие в газовую смесь молекулы многоатомного газа (пары спиртов, метана и др.) или галогенов. При столкновении с ионами основного газа детектора молекулы мно­гоатомного газа отдают ему электроны и нейтрализуют его. В результате к катоду подходят уже ионы гасящего вещества, которые, вырывая электрон из катода, также возбуждаются, но возбуждение в них за редким исключением снимается не путем высвечивания фотонов, а в результате диссоциации молекулы на составные атомы.

За счет взаимодействия гамма-квантов с веществом ка­тода в объеме детекторов все­гда возникает какое-то количе­ство электронов, ионизирую­щих газ. Если к электродам де­тектора приложить некоторую разность потенциалов DU, ме­жду электродами возникает движение ионов – электриче­ский ток. Зависимость силы то­ка J от приложенной разности потенциалов называется вольт-амперной характеристикой. Типичный вид такой характе­ристики приведен на рис. 1.

Рис. 1

При малых значениях напряжения DU (участок ОА) приобретаемая ионами энергия не достаточна для ударной ионизации. На пути движения к электродам часть ионов рекомбинируется (соединяется) в нейтральные молекулы. Чем больше разность потенциалов, тем меньше вероятность рекомбинации и, следовательно, тем больше сила тока.

При дальнейшем увеличении DU пропорциональность между напряжением и силой тока нарушается и наступает так называемое насыщение, когда увеличение разности потенциалов не вызывает изменение силы тока (участок АБ). Этот участок соответствует случаю, когда скорости ионов ста­новятся столь значительными, что все они достигают электродов не реком­бинируясь. Ток насыщения пропорционален ионизирующему фактору (числу гамма-квантов). В этом режиме работают интегрирующие ионизационные камеры. Ионизационные камеры в основном используются для регистрации α-частиц.

Дальнейшее увеличение разности потенциалов приводит к тому, что ионы приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных молекул газа. Увеличение количества ионов определяет возрастание силы тока (участок БВ), а при еще большем увеличении DU ударная ионизация приобретает лавинный характер (участок ВГ) и заканчивается самостоятель­ным разрядом (участок ГД).

Рост тока с увеличением напряжения в области пропорциональности БВ связан с увеличением напряженности поля до таких величин, при которых электроны между двумя соударениями с молекулами успевают набрать энергию, достаточную для их ионизации, – происходит вторичная ионизация. Вторичные электроны вместе с первичными в следующих столкновениях ионизируют другие молекулы и т. д. возникает лавинообразное размножение зарядов. Это явление, называется газовым усилением. Индикатор, работающий в области пропорциональности, называется пропорциональным счетчиком.

Электроны, образованные в результате первичной и вторичной ионизации, собираясь на аноде счетчика, вызывают на нем отри­цательный импульс напряжения. Последний через разъединительную емкость С подается на вход усилителя.Импульсы на выходе пропорциональных счетчиков менее мощные, чем у счетчиков Гейгера - Мюллера, но в 10³-10⁴ раз мощнее, чем у импульсных ионизацион­ных камер. Конструктивно пропорциональные счетчики подобны счетчикам Гейгера-Мюллера, но отличаются меньшей напряженностью поля в критической области.

Преимущество этих счетчиков заключается в пропорциональ­ности импульса первичному заряду, что позволяет определять тип частиц и их энергетический спектр, а недостаток – в малой ам­плитуде импульса и ее зависимости от напряжения питания.

Пропорциональные счетчики широко применяются для реги­страции медленных нейтронов. Нейтроны не обладают электрическим зарядом, не могут непосредст­венно ионизировать вещество в рабочем объеме детектора. Такие счетчики заполняются газом, хорошо поглощающим нейтроны: ³Не или ВF₃. При поглощении нейтрона этими веществами по реакции ³Не (n, р) и ¹⁰В (n, α) образуются быстрые протоны и α-частицы:

¹⁰В + ¹n → ⁷Li + ⁴Не.

Ионизирующими частицами являются ядро атома гелия (α-частица) и ядро отдачи ⁷Li.

Пробег тяжелых частиц почти полностью укладывается в объеме счетчиков, и они образуют относительно мощный импульс на выходе счетчика. В то же время электроны и позитроны, выбивае­мые из материалов счетчика γ-квантами, имеют малую плотность ионизации и образуют импульсы тока с небольшой амплитудой. Применяя пороговую дискриминацию, легко отсечь импульсы от γ-квантов и регистрировать одни только нейтроны даже при наличии интенсивного поля γ-квантов.

Эффективность счетчиков нейтронов для тепловых нейтронов составляет несколько десятков процентов. При необходимости регистрации лишь надтепловых нейтронов счетчики медленных нейтронов окружают чехлом из кадмия, имеющего высокое се­чение поглощения для тепловых и относительно небольшое для надтепловых нейтронов.

Для регистрации гамма-квантов в радиометрии скважин используются газоразрядные детекторы, работающие на участке ВГ (область Гейгера-Мюллера), не чувствительные к энергии регистрируемых частиц. Следует отметить, что в области Гейгера-Мюллера напряжение на электродах не так велико, чтобы происходил самостоятельный разряд. Необходим внешний «толчок» – воздействие ионизатора (гамма-кванта), создающего хотя бы одну пару ионов, из которых развивается лавина ионов – начало непрерывного разряда. Наличие непрерывного разряда препятствует возможности зарегистрировать следующую частицу, т.к. она не может заметно изменить силу тока. Поэтому необходимо погасить разряд, тем самым подготовить детектор к ре­гистрации нового кванта. Для этого в объем счетчика вводятся пары многомолекулярных соединений или галогенов, на ионизацию которых тратится значительное количество энергии. В этих условиях попадание иони­зирующей частицы вызывает кратковременное протекание тока в объеме де­тектора, что определяет формирование единичного отрицательного импульса на выходе детектора. Счетчики Гейгера – Мюллера обеспечивают высокую амплитуду выходного импульса (единицы и даже десятки вольт) и широко применяются при регистрации γ-квантов, β- и α-частиц.

При дальнейшем увеличении напряжения (область ГД) наблюдается пробой газа – самостоятельный газовый разряд, возникающий даже без наличия излучения, благодаря вырыванию мощным электрическим полем электронов из материала электродов.

Основные характеристики детекторов

Счетная характеристика - зависимость скорости счета (N) от величины приложенного напряжения (DU), при постоянной интенсивности излучения. На графике счетной характеристики (рис. 2) выделяют три участка. При напряжении меньше некоторого значения (DU_н) детектор не работает. До напряжения U₁ счетчик работает в области ограниченной пропорциональности.

Амплитуда импульсов различна благодаря различию в энергии частиц и различию их пути в рабочем объеме счетчика. Поскольку любая регистрирующая схема имеет некоторый порог, то регистрируются лишь импульсы, имеющие амплитуду выше этого порога. В области Гейгера-Мюллера U > U₁: все импульсы регистрируются, поскольку все они имеют одинаковую амплитуду. В некоторой области напряжений U₁ < U < U₂, называемой плато счетчика, скорость счета почти не зависит от напряжения.

Протяженность плато достигает нескольких сот вольт. Если рабочее напряжение выбрать в середине плато, то скорость счета не зависит от изменения напряжения до нескольких десятков вольт. Это наряду с большой амплитудой импульсов позволяет создавать на счетчиках Гейгера-Мюллера простые и надежные радиометры.

Рисунок 2. Счетная характеристика счетчиков Гейгера-Мюллера

Эффективность детекторов – определяется как отношение числа зарегистрированных квантов к общему числу квантов, прошедших через объем детектора. Величина эффективности определяется энергией регистрируемого излучения, конструкцией детекторов, материалом его изготовления. Для детекторов гамма-излучения эффективность колеблется от долей до нескольких процентов, но у сцинтилляционных детекторов, как правило, в несколько раз больше.

Мертвое время детектора – называется интервал времени после возникновения разряда, в течение которого детектор не способен регистрировать ионизирующие частицы.

За время сбора электронов на аноде (10^-7 с) тяжелые положи­тельные ионы успевают уйти в направлении катода на очень малое расстояние. Чехол положительных зарядов вокруг анода осла­бляет напряженность поля вблизи последнего. Если в это время пролетит новая заряженная частица, в критическом объеме не будет происходить газового усиления зарядов и эта частица не будет зарегистрирована счетчиком. Время (t_м≈10^-4 с), в течение которого невозможно газовое усиление, называется мертвым временем счетчика. Через время, несколько большее t_м все ионы достигают катода и счетчик полностью восстанавливает свои свойства. Однако при нейтрализации ионов на катоде образуются возбужденные атомы и ультрафиолетовое излучение, способное вырвать фотоэлектроны из металла и начать новый разряд в счетчике. Чтобы исключить эти вторичные раз­ряды, не связанные с попаданием в счетчик новой ядерной частицы, чаще всего применяют систему самогашения счетчика.

Близким, по смыслу, понятию «мертвое время» является разрешающее время или разрешающая способность – равное минимальному времени, через которое схема восстанавливается после регистрации частицы и готова к регистрации новой частицы. Обе эти характеристики определяют максимально возможную скорость счета и связаны с длительностью разряда. Для газораз­рядных детекторов мертвое время составляет 10^-5 – 10^-7 с, для сцинтилляцион­ных 10^-8 – 10^-9 с.

Основным недостатком газоразрядных детекторов гамма-излучения является то, что амплитуда выходного сигнала не за­висит от энергии гамма-кванта и не может быть использована для спектрометрии. Этого недостатка лишены сцинтилляционные детекторы гамма-излучения.

Дата добавления: 2014-11-18