Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера

В пропорциональном счетчике газовый разряд развивается только в части объема детектора - там, где образуется лавина электронов. Остальной объем не охватывается газовым разрядом.

С увеличением напряжения область разряда расширяется. Как же это происходит?

После прохождения через объем счетчика заряженной частицы, в газе появляются электроны и ионы, которые дрейфуют к соответствующим

электродам. Электроны достигают нити за время 10^-7_ 10^-8 с, образовав по пути новые электроны, ионы и возбудив молекулы газа. Возбужденные молекулы, возвращаясь в нормальное состояние, испускают коротковолновое ультрафиолетовое излучение, которое может создавать фотоэлектроны в катоде счетчика и наполняющем газе. Вновь возникшие электроны также дрейфуют к аноду и, в свою очередь, создают новые лавины. Так как фотоны излучаются изотропно, то за очень короткое время весь счетчик будет охвачен разрядом.

Таким образом, повышение напряжения V приводит к распространению газового разряда по объему счетчика. При некотором напряжении V_заж ,

называемом напряжением зажигания, газовый разряд охватывает весь объем счетчика. Амплитуда импульса перестает зависеть от начальной ионизации, так как каждый начальный электрон порождает огромное количество новых электронно-фотонных лавин, и вклад первичной ионизации в полный ионизационный ток становится пренебрежимо мал.

Для того чтобы счетчик мог регистрировать следующую электронно-фотонную лавину, разряд, зажженный предыдущей, должен быть погашен. По

способу гашения разряда счетчики Гейгера-Мюллера подразделяют на несамогасящиеся и самогасящиеся.

Несамогасящиеся счетчики обычно наполняют каким-либо инертным газом: аргоном, неоном и др. За время прохождения нескольких электронно-фотонных лавин образованные положительные ионы практически остаются на месте, так как их подвижность намного меньше подвижности электронов. В основном вторичная ионизация происходит вблизи анода, где напряженность поля больше, и поэтому вокруг нити образуется чехол положительных ионов, который снижает напряженность поля около нее, и поэтому образование новых электронно-фотонных лавин прекращается. Образовавшиеся ионы двигаются в направлении катода. По мере отхода их от анода электрическое поле около него восстанавливается, и снова становится возможной ударная ионизация. Обычно развитие лавины не возобновляется, если в объеме счетчика нет свободных электронов. Поэтому несамогасящийся счетчик имеет очень низкое временное разрешение. На рис.3 представлена форма импульса в несамогасящемся счетчике.

Самогасящийся счетчик. При работе со счетчиками обнаружилось, что небольшие добавки паров этилового спирта в счетчик Гейгера, наполненный аргоном, существенно меняют его временные характеристики. Оказалось, что разряд в таком счетчике прекращается самопроизвольно, независимо от величины сопротивления утечки R.

Рассмотрим развитие и гашение разряда в счетчике, наполненном смесью аргона (90%) и паров спирта (10%). Электроны, появляющиеся в счетчике в результате первичной ионизации, будут дрейфовать к аноду. Вблизи анода будет происходить возбуждение и ионизация молекул спирта и атомов аргона. Фотоны, испущенные возбужденными атомами аргона, имеют энергию 11,6 эВ, а потенциал ионизации паров спирта равен 11,5 эВ.

Так как энергия фотонов близка к энергии ионизации молекул спирта, сечение фотоэффекта оказывается очень большим. При давлении в счетчике 100 мм рт.ст. средний свободный пробег фотонов до поглощения равен 0,1 см. Следовательно, разряд будет распространяться вблизи нити, так как возникшие в сильном поле около анода электроны приобретают энергию, возбуждают и ионизуют атомы аргона и спирта, высвеченные фотоны создают новые фотоэлектроны и т.д.

Далекие от нити области не будут участвовать в процессе разряда, поскольку фотоны имеют малые пробеги, а возбужденные атомы сконцентрированы вблизи анода. Около нити образуется чехол положительных ионов, который экранирует электрическое поле, и поэтому разряд прекращается. Разряд в самогасящемся счетчике ограничен одной стадией, и вот почему.

При движении ионов к катоду происходит большое число соударений

(около 10⁴ ). При соударении ионов аргона с молекулами спирта возможна ионизация молекул спирта и нейтрализация ионов аргона. Вероятность этого

эффекта болыпая-10 ^-3 .Следовательно, к катоду подойдут только ионы спирта. При нейтрализации ионов спирта на катоде не происходит вырывания электронов из катода. Хотя молекулы спирта после нейтрализации и оказываются в возбужденном состоянии, но они не успевают провзаимодействовать с электронами катода, так как время жизни

возбужденной молекулы спирта относительно диссоциации (10^-13 с) значительно

меньше времени движения к катоду от места нейтрализации (10^-7 с). Таким образом, разряд в самогасящемся счетчике заканчивается на первой стадии независимо от того, какую разность потенциалов имеет счетчик в момент подхода ионов спирта к катоду, т.е. независимо от величины сопротивления, с которого снимается импульс.

Время развития разряда определяется временем распространения его

вдоль анода. Скорость его распространения 10⁶-10⁷ см/с, и время

распространения разряда вдоль всей нити составляет 10^-5 -10^-6 с. Так как

положительные ионы при своем движении к катоду проходят область сильного

поля вблизи анода за время 10^-6 с, значительная часть амплитуды импульса

нарастает за это время. Поэтому целесообразно выбрать RC ~ 10^-5 с, т.е.

R ~ 10^-6 Ом, что позволяет получить довольно короткие импульсы (рис.4).

Однако разрешающее время самогасящегося счетчика определяется не длительностью импульса, а временем, пока ионы не отойдут от анода настолько, чтобы восстановилось электрическое поле, необходимое для

развития нового разряда. Это время называют мертвым временем τ ~ 10^-4 с. Спустя мертвое время, счетчик может снова регистрировать частицы, но амплитуда этих импульсов будет меньшей величины. Электрическое поле восстановится до нормальной величины, когда все ионы соберутся на катоде. Интервал времени от конца мертвого времени до полного собирания ионов на катоде называется временем восстановления.

На рис.5 приведена осциллограмма импульсов в счетчике. Видно, что в течение мертвого времени τ _м нет наложения импульсов. Но при временах,

больших τ _м, на импульс, запускающий развертку, налагаются импульсы,

амплитуды которых тем больше, чем позже они возникают. Таким образом, разрешающее время самогасящегося счетчика порядка мертвого времени, т.е. значительно меньше разрешающего времени несамогасящегося счетчика.

Самогасящиеся счетчики имеют ограниченный срок службы, поскольку

при каждом импульсе диссоциирует 10⁹-10¹⁰ молекул спирта. В счетчике средних размеров имеется около 10²⁰ молекул спирта, и поэтому такой счетчик может зарегистрировать всего 10⁹ -10¹⁰ импульсов.

Счетная характеристика. Счетной характеристикой счетчика называют зависимость скорости счета от напряжения при постоянной интенсивности излучения.

Конструкция счетчика очень проста: корпус счетчика изготавливают из различных материалов, выбирая их в зависимости от типа регистрируемого излучения. Для регистрации β-частиц корпус выполняют из алюминия, меди или нержавеющей стали. Чтобы - β частицы не поглощались материалом корпуса, его делают тонкостенным. Часто для увеличения жесткости тонкостенный корпус гофрируют. Корпус счетчика γ-частиц представляет собой стеклянный баллон, на внутренней поверхности которого нанесен электропроводящий слой, служащий катодом счетчика или баллон из тонкой фольги. Поскольку регистрация γ-кванта возможна лишь в случае образования им комптон- или фотоэлектрона, то и толщина стеклянных стенок выбирается исходя из условия наиболее вероятной регистрации счетчиком этих вторичных электронов. Для регистрации α-частиц и β-частиц обычно используется торцовый счетчик. Один из торцов корпуса закрывают тонкой пленкой из слюды или другого материала. Через пленку в счетчик проникают заряженные частицы. В качестве анода чаще всего используется вольфрамовая нить, поверхность которой отполирована для исключения влияния неровностей на распространение газового разряда вдоль нити.

В нашем случае мы используем счетчик СБТ-13. Счетчик предназначен для регистрации бета-излучения в радиометрических и дозиметрических устройствах. Торец счетчика закрыт тонкой пленкой из слюды. Чувствительность счетчика к бета-излучению по скорости счета находится в диапазоне 100-140 имп/мкР. Собственный фон ~0.6 имп/с.

Эффективность счетчика для заряженных частиц близка к 100%. Счетчик регистрирует все заряженные частицы, если они появляются в газе с интервалом времени, большим разрешающего времени счетчика, и образуют хотя бы одну пару ионов. Эффективность регистрации γ-квантов зависит от вероятности взаимодействия их с материалом счетчика. Обычно эффективность регистрации у-квантов не превышает 2%.

Рабочее напряжение, которое необходимо приложить к электродам счетчика Гейгера — Мюллера для обеспечения нормального режима его работы, определяется путем снятия зависимости скорости счета от величины приложенного напряжения при постоянной интенсивности ионизирующего излучения, попадающего в рабочий объем счетчика. Эта зависимость называется счетной характеристикой. Ее вид показан на рисунке 6. При значении разности потенциалов U < U_в импульсы тока также возникают (область пропорциональности и ограниченной пропорциональности), но регистрирующая радиосхема обладает порогом чувствительности и регистрирует только самые большие из них. С ростом напряжения растет доля импульсов, амплитуда которых достаточна для регистрации. Соответствующий

участок счетной характеристики изображен отрезком АВ на рис. 6. В области Гейгера - Мюллера U_в <U<U_с ионизирующие излучение вызывает импульсы с большой амплитудой, достаточной для регистрации их радиосхемой. На участке ВС счетной характеристики у идеально работающего счетчика скорость счета не зависит от U и определяется числом ионизирующих частиц, попадающих в трубку. В действительности с ростом напряжения наблюдается слабое увеличение числа зарегистрированных импульсов. Это объясняется тем, что гейгеровская область содержит небольшую примесь области непрерывного разряда. «Плато» счетной характеристики является рабочей областью счетчика Гейгера - Мюллера.

Обычно в качестве рабочей точки на характеристике выбирают середину «плато». При очень широком «плато» выбирают точку ближе к началу области Гейгера— Мюллера.

Поиск по сайту: