Газоразрядные счетчики частиц

Газоразрядным счетчиком называют прибор, в котором для обнаружения и регистрации элементарных частиц и квантов рентгеновского и у-излучений используют усиление ионизационного тока в результате вторичной ударной ионизации. Для каждого ви­да излучения существует своя конструкция счетчика.

Счетчики всех видов излучения различаются по режиму работы, механизму разряда (самогасящие и несамогасящие), конструкции (цилиндрические и торцевые), типу наполнения (галогенные и с благородными газами).

Типовой счетчик для измерения ^-излучения представляет собой! алюминиевую, стальную или стеклянную, покрытую изнутри про­водящим слоем, трубку длиной от 5 до 20 см, диаметром от 5 до 90 мм и толщиной стенки около 0,1 мм, по оси которой натянута тонкая металлическая нить (платиновая или вольфрамовая). Схе­ма такого газоразрядного счетчи­ка показана на рис. VI.4. Метал­лический корпус (или проводящее покрытие) соединен с отрица­тельным полюсом источника пи­тания, а нить — с положительным полюсом того же источника через резистор. Между электродами в счетчике создается электрическое поле. Заряженная через него частица приобретает кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомами превратить их в ионы. Свободные носители заряда, созданные излучением и образованные про­цессами вторичной ионизации, начинают соответственно их заряду перемещаться к аноду или катоду. На электрон, находящийся в пространстве между электродами, действует сила, равная произ­ведению заряда электрона на напряженность электрического поля. Под действием этой силы электроны двигаются равноускоренно, причем с увеличением скорости растет их кинетическая энергия, Когда энергия начинает превышать 18 МэВ, возникает процесс ударной ионизации.

Поскольку кинетическая энергия тем больше, чем длиннее сво­бодный пробег электрона, то для ее увеличения прибегают к за­полнению счетчика газом пониженного давления (до 25—30 мм рт. ст.). В качестве заполнителя используют какой-либо инертный газ. Выполнение анода в виде тонкой нити позволяет получать значения напряженности поля, достаточные для ударной иониза­ции при сравнительно небольшом напряжении между электрода­ми. Напряженность электрического поля на расстоянии г от оси счетчика составляет: E_r=U/r\n(r_Kjr_a), где r_ta и г_а — радиусы като­да и анода; г — расстояние от оси счетчика до точки определения напряженности поля; U — напряжение между электродами.'

Чем меньше расстояние до нити, тем больше напряженность поля; она максимальна вблизи нити. Электроны очень быстро на­чинают перемещаться к нити и собираются на ней. В то же время положительные ионы только начинают двигаться к катоду. В ре­зультате вокруг нити образуется «чехол» из положительных ионов. Результирующая напряженность поля у нити уменьшается, и удар­ная ионизация прекращается. Временно счетчик теряет способность к ударной ионизации, а следовательно, и способность регистриро­вать новые частицы, поступающие в него. Время, в течение кото­рого электроны достигают анода, составляет 10~⁷ с. Это вместе с тем и время образования чехла из положительных ионов. Чехол начнет двигаться к катоду и достигает его за время, равное 10~⁴ с.

Напряженность поля возрастает, и счетчик вновь готов к регистрации. Рассмотрим режим работы газо­разрядного счетчика. На рис. VI.5 показана зависимость амплитуды импульса напряжения A.U от напря­жения на счетной трубке. Верхняя кривая соответвует разряду, вы­званному прохождением через счет­чик а-частицы, обладающей боль­шой ионизационной способностью, а нижняя соответствует прохожде­нию 7"^кванта> который обладает меньшей, чем а-частица, ионизаци­онной способностью. При неболь­ших значениях напряжения (уча­сток кривой от 0 до U_А) счетчик работает в режиме ионизационной камеры, и число электронов, собравшееся на аноде, равно числу электронов, возникших в результате первичной ионизации; тогда AU=ne/C, где С — емкость счетчика.

Если напряжение между электродами превысит напряжение U_B, называемое порогом пропорционального счетчика, возникает

явление газового усиления: AU=ane/C, где а — коэффициент газо­вого усиления (а>1).

На участке U_K — U_B коэффициент усиления находится в прямой

зависимости от величины приложенного напряжения. Эту область работы счетчика называют пропорциональной областью, а счетчик пропорциональным. Вначале напряженность поля вблизи нити не­достаточна, чтобы произошло образование числа электронов, до­статочного для заполнения нити. После заполнения нити электро­нами увеличение амплитуды импульса с ростом напряжения между электродами происходит по нелинейному закону.

В области, где напряжение превышает И_в, величина амплитуды импульса перестает зависеть от числа пар ионов, образовавшихся при первичной ионизации. Здесь достаточно одной частицы для образования регистрируемого импульса. Счетчик, работающий в этой области, называют счетчиком Гейгера — Мюллера. Газовое усиление в таком счетчике достигает 10⁹—10¹⁰. В конце этой облас­ти, с напряжения U_r начинается область непрерывного разряда.; В дозиметрии она не используется.

В самогасящих счетчиках разряд гасится под влиянием явлений, возникающих в них при введении в инертный газ, заполняющий счетчик, многоатомных соединений (этилового спирта, метана и т. д.). В смеси одно- и многоатомных газов положительные ионы при перемещении к катоду сталкиваются с нейтральными много­атомными молекулами и ионизируют их, так как потенциал иони зации одноатомного газа выше потенциала ионизации много­атомного соединения. Процентное содержание примеси берут из рас­чета полной нейтрализации одно­атомного газа (например, арго­на). Тогда к катоду доходят толь­ко положительные ионы, образо­вавшиеся из примеси, которые, нейтрализуясь на нем, не вызывают появления вторичных электронов в результате ионизации ма­териала катода.

Счетчики, в которых примесью служит хлор или бром, называ­ют галогенными. Их преимущества: низкое начальное напряжение (всего 300—400 В вместо 800—1500 В в счетчиках с другими до­бавками); широкий диапазон измерений и пригодность для работы в токовом режиме. Основной недостаток — сильное корродирую­щее действие хлора и брома, заставляющее применять дорогостоя­щие материалы.

В несамогасящих счетчиках разряд гасится в результате сни­жения напряжения на электродах до величины, при которой удар­ная ионизация прекращается. Схема включения такого счетчика по­казана на рис. VI.6. Положительные ионы, достигая катода, вызы­вают импульс тока в цепи. Падение напряжения на балластном со­противлении R в цепи источника питания снижает напряжение на электродах. Существуют и другие схемы гашения; все они основа­ны на снижении напряжения на электродах, что приводит к пре­кращению ударной ионизации.

Основным параметром, характеризующим работу газоразряд­ного счетчика, является счетная характеристика — зависимость скорости счета (среднее количество импульсов, возникающих в счетчике в единицу времени) от приложенного к электродам на­пряжения при постоянном токе ионизирующих частиц. Счетная характеристика обусловливает выбор рабочего напряжения, типа самого счетчика применительно к задачам измерения, условия его эксплуатации.

Счетная характеристика начинается не с нуля, а с напряжения, при котором становится возможной регистрация частиц. С ростом напряжения увеличиваются амплитуды импульсов, но количество их в единицу времени остается постоянным. Число ложных импуль­сов, возникающих вследствие эмиссии с катода, начинает расти, и при напряжении, превышающем U_K, уже нельзя из лавины лож­ных импульсов выделить информацию об импульсах, характеризу­ющих излучение. Напряжение, при котором число регистрируемых импульсов не зависит от напряжения, называют рабочим плато счетчика. На рис. VI.7 приведены счетные характеристики для трех разных потоков излучения. Верхняя кривая характеризует боль­ший поток, нижняя — меньший. Качество счетчика обусловливает размер рабочего плато (чем оно больше, тем надежнее работает

счетчик) и наклон его (чем мень­ше наклон, тем меньше погреш­ность в счете). Наклон плато при­нято оценивать увеличением ско­рости счета, выраженным в про­центах скорости счета, соответст­вующей средней точке плато, и отнесенным к 100 В:

где N_K — N_B — разность скоростей счета в точках, соответствующих концу и началу плато; (Л/_к+ -f-vV_n)/2 — средняя скорость счета, соответствующая средней точке плато; U_K — U_H — ширина пла­то, В.

У хороших счетчиков плато имеет в ширину не меньше 100 В, а наклон плато составляет несколько процентов. Галогенные счет­чики обладают устойчивой счетной. характеристикой, потому что гасящая примесь почти не расходуется. Рабочее напряжение счет­чика выбирают таким, чтобы оно соответствовало середине плато.

К числу важных характеристик счетчиков, помимо рассмотрен­ных параметров, относятся: мертвое время, время восстановления, разрешающая способность, эффективность, срок службы.

Дата добавления: 2014-01-04