Газоразрядные счётчики

Конструктивно представляют собой цилиндрическую или торцевую конструкцию (рисунок 1).

В первом случае это коаксиальная тонкая нить – анод из вольфрама или стали толщиной 0,02-0,3 мм и катод в виде металлической или металлизированной стеклянной трубки. Отличие торцевых счётчиков состоит в том, что один конец нити впаян в торец стеклянной трубки, а другой закреплён в изолирующей бусине напротив торцевого окна на расстоянии 1-3 мм от него. Окно изготавливают из слюды или тонкой алюминиевой фольги. Счётчики реагируют на несколько типов излучений. Однако для α – частиц необходимо применять торцевые счётчики с малой толщиной окна. β – частицы регистрируются тонкостенными цилиндрическими счётчиками (энергия не менее 500-700 кэВ) и торцевыми со слюдяными окнами (100-200 кэВ). В нейтронных счётчиках используются ядерные реакции расщепления изотопа бора (¹⁰В) с испусканием α – частиц. Бор вводится в виде газа (BF₃) или катод покрывают слоем, соответствующим длине пробега α – частиц, аморфного бора.

Рисунок 1 – цилиндрический а) и торцевой б) газоразрядные счётчики,

условное графическое обозначение в);

1 – анод, 2 – катод, 3 – корпус, 4 - окно

Прозрачность стенки окна для β – частиц выраженная в процентах пропускания:

где N₀ – число частиц, попадающих на стенку окна счётчика; N –число частиц попадающих внутрь счётчика; d – поверхностная плотность окна мг/см²; Еmax – максимальная энергия β – частиц, МэВ.

Эффективность регистрации γ –излучения определяется взаимодействием его со стенками счётчика, приводящем к возникновению вторичных электронов, ионизирующих газ в счётчике.

Распространённость счётчиков объясняется высокой чувствительностью за счёт эффекта вторичной ионизации, простотой конструкции, большой мощностью выходного сигнала, малой стоимостью, широким диапазоном рабочих температур и относительно невысокими требованиями к стабильности напряжения питания.

Они могут работать в режимах:

Пропорционального газового усиления;

Режиме ограниченной пропорциональности;

Самостоятельного газового разряда.

Так называемые счётные характеристики газонаполненных детекторов представлены на рисунке 2 [[1]].

Характеристики приведены для трёх значений начальной ионизацииn0: 10^5пар ионов от α-частицы, 10^3от β-частицы и10 от γ-излучения. Здесь предполагается, что постоянная времени τ= RC, учитывающая сопротивление нагрузки и эквивалентную ёмкость счётчика и входной цепи много больше времени собирания заряда в детекторе. Предполагается: конструкция счётчика соответ-ствует рисунку 1а; рабочий объём заполнен инерт-ным газом при нормальныхусловиях; источник питания ограниченной мощности. Частица, попадая внутрь счетчика, вызываетионизацию газа. Электроны, тяжелыеположитель-ные и отрицательные ионы, образованные ионизирующейчас-

Рисунок 2 – счётная характеристика газового детектора

тицей, двигаясь в электрическом поле, испытывают многократные упругие и неупругие столкновения, смолекулами газа. Средняя скорость направленного движения электронов и ионов пропорциональнанапряженности электрического поля и обратно пропорциональна давлению газа.Возникающий ток обусловлен в основном электронами, так как их подвижность на три порядка выше, чем подвижность тяжелых ионов.

При малых значениях U(участокI) происходят дваконкурирующих процесса: собирание зарядов на электродах ирекомбинация ионов в газовом объеме. При увеличении поля скоростьионов увеличивается, что уменьшает вероятность рекомбинации. Однако здесь число пар ионов, уносимых полем из рабочего объёма наэлектроды, ещё незначительно по сравнению с числом ионов, которыерекомбинируют в том же объёме или вне его вследствие диффузииионов в газе. На участкеI газ имеет, как и любой проводник со свободными носителями заряда, постояннуюэлектропроводность, т.е. здесь выполняется закон Ома. По мере увеличения напряжения число собираемыхионов возрастает(участокI) до насыщения, при котором все ионы, созданные начальной ионизацией, оказываются полностью собранными на электродах. Рекомбинация при этом практически отсутствует. Насыщение сохраняется при дальнейшем увеличении напряжения (горизонтальный участокII) Этот участоккривой называют областью насыщения. Именно в этой области работают ионизационные камеры.

Изменение напряжения на счётчике определяется сгенерированным зарядом за счёт ионизации Nq и величиной ёмкости счётчика C (типично 10 пФ):

(1)

Придальнейшем увеличении напряжения электроны, созданные в результате первичной ионизации, ускоряются полем настолько, что становятся способными при столкновении с нейтральными атомами газа ионизироватьих, т.е. создавать некоторое число вторичных ионов. Это происходит прежде всего в области прилегающей к аноду. Для цилиндрического счётчика напряженность поля Е имеет наибольшее значение на поверхности анода с радиусом r_А.

, (2)

где R – радиус катода.

Происходит так называемое газовое усиление. При этом амплитудаимпульса сначала растет пропорционально первичной ионизации – это пропорциональная область(ПО). Вэтой области (III) работают так называемые пропорциональные счетчики. Если электрон в среднем ионизирует А пар молекул, то величина изменения напряжения на счётчике:

(3)

а величину А называют газовым усилением. Газовое усиление зависит от напряжения на счётчике.

На участке напряженийIII каждая лавинаразвивается независимо от других лавин, так что величина начальной ионизации не влияет на коэффициент газового усиления, который здесь является константой. В пределах пропорциональной области А может изменятьсяпри изменении напряжения на счётчике от 1000 до 10000, возрастая экспоненциально к концу области III.

Область работы пропорциональныхсчетчиков затем сменяется областью ограниченной пропорциональностиIV (ООП).На участкахIII иIV образуются лавины электронов и положительных ионов, а возникший при этом разрядназывается лавинным или таусендовским. Форма разряда, соответствующая начальной части вольтампернойхарактеристики, включая и область насыщения(участкиI иII), называется тихим разрядом. Тихий и лавинныйразряды прекращаются по достижении«первичными» электронами(ионами), или их лавиной поверхности электродов, поэтому они относятся к категории несамостоятельного разряда. Именно лавинный разряд сопровождается явлением газовогоусиления, которое связано с процессами вторичной ионизации и сопровождается увеличением заряда, собираемого наэлектродах, по сравнению с зарядом«первичных» пар ионов.Динамика процесса определяется нарастанием градиента электрического поля у анода. Электроны очень быстро достигают анода, а массивные ионы вынуждены проходить весь путь от анода до катода. Существует некоторая начальная задержка t₀, определяющаяся местом возникновения первичной ионизации, что затрудняет привязку события ко времени. Полагая большими внутреннее сопротивления счётчика и сопротивления нагрузки можно считать, что нагрузкой счётчика служит эквивалентная ёмкость на входе усилителя (определяется схемой включения). В этих условиях временные зависимости тока и напряжения в пропорциональном режиме можно определить как:

; . (4)

Форма импульсов тока и напряжения представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Форма импульсов тока и напряжения на выходе счётчика в пропорциональном режиме при большой постоянной времени измерительной цепи

С ростом напряжения на счётчике область ионизации расширяется, а облако отрицательных заряженных частиц экранирует анод, понижая напряженность поля у него. Это приводит к ограничению пропорциональности, т.к. амплитуда выходных импульсов дополнительно будет зависеть от области, в которую попадает ионизирующая частица или гамма – квант. При дальнейшем повышении напряжения единственная пара зарядов приводит к полной ионизации внутреннего объёма и коэффициент А достигает 10¹⁰, а собираемый заряд не зависит от первичнойионизации. При этом амплитуда выходных импульсов превышает 10 В.На участкеV работают счётчики Гейгера-Мюллера. Однако разряд, как и в предыдущих областях, остается вынужденным, т. е. начинается после прохождения ионизирующей частицы.

Из-за большой концентрации зарядов и недостатка нейтрального газа в местах образования лавин разряд засчёт фотоионизации начинает распространяться в область большого градиента поля(вдоль нити анода) и изнесамостоятельного переходит в самостоятельный. Характер перехода и тип возникающего самостоятельного разрядазависят от геометрии электродов, характера питающего напряжения и мощности его источника, а также от природы исостояния наполняющего газа. Из существующих видов самостоятельного разряда для регистрации излучений широкоиспользуется коронный разряд(счётчики Гейгера-Мюллера и коронные счётчики). Коронный разряд возникает присравнительно больших давлениях газа во всех тех случаях, когда поле в разрядном промежутке очень неравномерно из-за малого радиуса кривизны поверхности одного или обоих электродов и достаточного расстояния между ними.

Ионизация, а также свечение газа происходит лишь около электрода с малым радиусом кривизны в тонком слое, называемом короной. Коронирующий слой занимает область пробега электронных лавин, оставляющих позади себяположительные пространственные заряды большой плотности. Во внешней области коронного разряда, так называемой«тёмной», свободных электронов нет, ионизация столкновения первого рода не происходит, и ток осуществляетсядвижением ионов. Характерной особенностью коронного разряда является то, что сила тока в нём обусловлена несопротивлением внешней цепи, а ограниченной проводимостью внешней области разряда, которая зависит отгеометрии электродов, напряжения между ними, а также от природы и состояния газа.В исходном состоянии у такого счётчика (коронного) существует небольшой флуктуирующий ток. При появлении ионизирующих частиц ток импульса будет превышать флуктуационный ток в 10-20 раз.

Коронный разряд возникает на участке напряженийV и прекращается после каждого единичного актаначальной ионизации принудительно:

добавкой к наполняющему рабочий объём инертному газу одногоиз галогенов или органических молекул, ликвидирующих опасность вторичных лавин (счётчики с самостоятельным гашением) в т.ч. за счёт поглощенияультрафиолетового излучения;

резкимограничением мощности источника напряжения путём последовательного включения высокоомногосопротивления(10⁹ом), которое на время движения положительных ионов к катоду сохраняет напряжение наэлектродах ниже порога зажигания самостоятельного коронного разряда, уменьшенного за счёт накопленияотрицательного заряда на аноде в процессе разряда (счётчики с несамостоятельным гашением). Ширина области существования прерываемой короны (участок напряженийV), после которой начинаетсянепрерывный самостоятельный разряд(участокVI), пропорциональна величине сопротивления, включаемогопоследовательно с детектором.

Дальнейшее увеличение напряжения приводит к непрерывному разряду(областьVI), поэтому этаобласть для регистрации частиц не используется.

Следует учитывать, что счетная характеристика самогасящихся счетчиков ухудшается по мере распада многоатомных молекул газа наполнителя: уменьшается протяженность плато и уве­личивается его наклон. Кроме того, в процессе эксплуатации, вследствие изменения состава газовой смеси и повышения давления плато счетчика сдвигается. Поэтому при работе счетчика время от времени следует проверять его счетную характеристи­ку для внесения поправки в величину рабочего напряжения.Самогасящиеся счётчики допускают большую скорость счёта без специальных электронных схемгашения разряда, поэтому они нашли широкое применение. Самогасящиеся счётчики с органическимигасящими примесями имеют ограниченный срок работы(10⁸-10¹⁰импульсов). При использовании в качествегасящей примеси одного из галогенов(чаще всего применяется менее активныйBr₂) срок службы становитсяпрактически неограниченным из-за того, что двухатомные молекулы галогена после диссоциации на атомы(впроцессе разряда) образуются снова. К недостаткам галогенных счётчиков следует отнести сложностьтехнологии их изготовления из-за химической активности галогенов и большое время нарастания переднегофронта импульсов из-за прилипания первичных электронов к молекуле галогена. «Затягивание» переднегофронта импульса в галогенных счётчиках делает их неприменимыми в схемах совпадений.

Газонаполненные детекторы имеют два неустранимых недостатка. Во-первых, плотность газа низка и энергия, теряемая частицей в объёме детектора мала, что не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичныеи слабоионизирующие частицы. Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газевелика(30-40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическоеразрешение.

Дата добавления: 2014-01-04