Теоретические сведения. Наиболее распространенными счетчиками радиоактивных излучений являются счетчики

Наиболее распространенными счетчиками радиоактивных излучений являются счетчики Гейгера-Мюллера. Они относятся к числу газонаполненных детекторов, применяющихся для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и др. ионизирующих излучений: альфа и бета –частиц, гамма квантов, световых и рентгеновских квантов, частиц космического излучения. Благодаря хорошей чувствительности к различным видам радиоактивного излучения, высокой надежности и простоте изготовления они широко используются в радиометрической технике.

Качество счетчика и его рабочие характеристики определяются зависимостью между скоростью счета и напряжением, приложенным к электродам счетчика. Эта зависимость называется счетной характеристикой газоразрядного счетчика. Счетчики бывают двух типов: цилиндрические и торцевые. Первые (рис. 1) изготавливаются из тонкой металлической или металлизированной изнутри трубки 1 и металлической нити 2, натянутой вдоль оси внешней оболочки.

Нить служит анодом, трубка-катодом. У торцевого счетчика (рис. 2) металлизированный стеклянный корпус I является катодом, нить 2-анодом, а торец корпуса образует тонкое слюдяное окошко 3 толщиной 20-30 мкм. Конец нити 2 для предотвращения коронного разряда на острие закрыт стеклянной бусинкой. Ионизирующее излучение попадает в объем счетчика либо через боковую поверхность цилиндрического, либо через слюдяное окошко у торцевого счетчика.

Объем счетчика заполняется благородными газами: аргоном или неоном. Рабочее напряжение, подаваемое на счетчик, связано с давлением газа в объеме счетчика (обычно составляет 100-200мл. рт. ст.) Схема включения счетчика дана на рис. 3

Электроды счетчика Г-М, находящиеся под напряжением U₀, образуют газоразрядный промежуток с сильно неоднородным электрическим полем. Если напряжение U₀ является потенциалом зажигания (обычно U_раб = 500-1500 В), то любая заряженная частица, попадая в рабочий объем счетчика и образовавшая хотя бы пару ионов, вызовет в нем вспышку газового разряда, развитие которого происходит за время 10^-7 … 10^-6 с. Возникающий при этом во внешней электрической цепи импульс тока усиливается в усилителе У и регистрируется пересчетным устройством ПУ. Рассмотрим качественно процессы, происходящие в счетчике Г-М. Образовавшиеся в рабочем объеме счетчика ионы газа под действием электрического поля перемещаются к электродам. Если газ не электроотрицателен, то отрицательными зарядами будут только электроны. Двигаясь к аноду (нити счетчика), они попадут в область с большой напряженностью электрического поля и ускоряются до энергии, достаточной для возбуждения и ионизации атомов газов, с которыми они сталкиваются. Таким образом, каждый электрон на своем пути к аноду создает некоторое количество пар ионов и возбужденных атомов, т.е. действует так называемое газовое усиление, приводящее к лавине электронов. В то же время возбужденные атомы и молекулы газа высвечиваются, испуская фотоны, часть которых, попадая на катод счетчика, вырывают с его поверхности фотоэлектроны. Эти электроны, двигаясь от катода к аноду, ионизируют на своем пути нейтральные атомы, создают следующую лавину, а из катода вырывается фотонами новая партия электронов и т.д. Через разрядный промежуток счетчика за короткое время проходит последовательная серия электронных лавин.

Если каким-то образом разность потенциалов между электродами счетчика понизить и сделать на 1-3 В меньше, чем U₃, ток в счетчике станет неустойчивым и газовый разряд благодаря случайным флуктуациям оборвется. С этой целью в цепи счетчика (рис. 3) включают достаточно большое сопротивление (порядка 10⁸ – 10¹⁰ Ом), при котором значение тока в счетчике попадает в область неустойчивости. При выполнении этих условий вспышка газового разряда, вызванная попавшей в объем счетчика ионизирующей частицей, спустя некоторое время (около 10^-4 с) прекращается.

Высокоомное сопротивление в цепи счетчика требуется еще для того, чтобы замедлить возрастание напряжения между электродами и дать время для удаления положительных ионов из рабочего объема.

Гашения разряда в счетчике добиваются, добавляя к основному наполнителю другую смесь газов. Для этой цели используют пары спирта, этилен или галогены: хлор, бром, йод. Молекулы многоатомных газов поглощают фотоны, не испуская при этом электронов, а в качестве одноатомных добавок выбираются электроотрицательные газы-электроны легко захватываются такими атомами, образуя малоподвижные комплексы, которые уже не участвуют в разрядке.

Время продолжительности импульса в счетчике называется мертвым временем и определяет его разрешающую способность. Чем меньше мертвое время, тем большее число ионизирующих частиц может зарегистрировать счетчик в единицу времени.

Счетная характеристика счетчика ГМ приведена на рис. 4, она показывает зависимость скорости счета (при неизменных условиях облучения) от величины напряжения на электродах счетчика.

В области напряжений (от U_з до U_н) скорость счета резко возрастает с увеличением напряжения и наблюдается большой разброс в амплитудах, возникающих в счетчике электрических импульсов. Далее, в области 2 (от U_з до U_н) скорость счета практически не зависит от приложенного напряжения к счетчику. Это так называемое «плато» – рабочая часть счетной характеристики. Счетчики хорошего качества имеют плато протяженностью не менее 110В, а скорость счетчика в ее пределах изменяется не более чем на 3-5%. В области 3 при U>U_к появляются ложные импульсы, не связанные с регистрацией радиоактивного излучения, вследствие чего скорость счета начинает увеличиваться.

Рабочее напряжение счетчика выбирают на середине плато. Длина плато является индивидуальной характеристикой счетчика, поэтому для выбора рабочего напряжения необходимо снимать счетную характеристику.

При отсутствии источника исследуемого радиоактивного излучения счетчик может давать импульсы за счет частиц космического излучения и других случайных факторов. Скорость счета в этом случае называется фоном счетчика. Для снижения постороннего фона счетчик и исследуемый радиоактивный препарат экранируют, помещая их в свинцовый «домик». При малых значениях фонового излучения счетчик ГМ начинает регистрировать импульсы в области 3. Импульсы возникают за счет возможности ионизации имеющимися в газовой среде счетчика ионами и электронами. Начинается самостоятельный разряд в газе. При уменьшении величины напряжения на электродах счетчик продолжает регистрировать значительное число импульсов так называемой экзоэлектронной эмиссии, которая возникает в результате бомбардировки ионами и электронами газового разряда внутренних поверхностей счетчика.

Внутренние металлические поверхности счетчика покрыты хлоридами железа и хрома, чтобы металл не уменьшил концентрацию гасящей добавки (бром). Под действием ионной бомбардировки происходит десорбция и диссоциация поверхностных соединений.

Одновременно идут процессы образования галогенов , например:

Рис. 1

I

1 2 3

		Uн

Рис. 4

При этой реакции выделяется энергия, превышающая работу выхода электрона с данного участка поверхности. Эти электроны экзоэмиссии (экзоэлектроны) так же регистрируются счетчиком. Для снятия фоновой характеристики используется установка, функциональная схема которой приведена на рис. 5. Напряжение на электроды счетчика (1) подается с выпрямителя (2). Электрические импульсы, возникшие в счетчике, формируются в предусилителе (3) и регистрируются пересчетным устройством (4).

Рис. 5. Функциональная схема установки

ЗАДАНИЕ 1.Определение напряжения зажигания счетчика.

1. Включить в соответствии с инструкцией прибор и дать прогреться установке 10 минут

2. Повышая напряжение на электродах счетчика, определить напряжение зажигания, соответствующее началу счета – регистрации импульсов пересчетным устройством.

ЗАДАНИЕ 2. Построение фоновой характеристики счетчика.

1. Изменяя напряжение, подаваемое в счетчик, и измеряя скорость счета, снять фоновую характеристику

2. Определить протяженность «плато» и установить рабочее напряжение, соответствующее середине «плато» фоновой характеристики.

3. Снять фоновую характеристику при уменьшении напряжения от U_max до U₃.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что представляет собой a-излучение ?

2. Что представляет собой b-излучение ? Его разновидности

3. Что представляет собой g-излучение ?

4. Какие приборы используются для регистрации радиоактивных излучений?

5. Что такое фоновая характеристика счетчика ?

6. Что такое счетная характеристика счетчика ?

7. Как определить напряжение зажигания счетчика ?

8. Как определить рабочее напряжение счетчика ?

9. Как возникает экзоэлектронная эмиссия в счетчиках Гейгера ?

10. Как выглядит временная зависимость экзоэмиссии ?

ЛИТЕРАТУРА

1. Детлаф А.А., Яворский Т.Ф. Курс физики.М., ВШ, 1989.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 3. М., ВШ, 1985.

3. Экзоэлектронная эмиссия – М, 1962.

Поиск по сайту: