Газоразрядного счётчика Гейгера-Мюллера

Схематически устройство газоразрядного счётчика Гей-гера-Мюллера показано на рис. 5.4. Счётчик выполнен в виде металлического цилинд-ра, служащего катодом К, диаметром мм. Анодом А служит тонкая стальная проволока диаметром мм, натянутая по оси цилиндра и изолированная от катода изолирующими пробками П. Цилиндр заполнен аргоном при пониженном давлении (100 мм рт.ст.) с добавкой небольшого количества (0,5 %) паров этилового спирта или галогенов.

На рис. 5.4 показана схема включения счётчика для изучения его вольт-амперной характеристики. К электродам подводится постоянное напряжение от источника ЭДС e. Величину тока, проходящего через газ, измеряют по падению напряжения на измерительном сопротивлении R.

Предположим, что на газ действует постоянное по интенсивности излучение (ионизатор). В результате действия ионизатора газ приобретает некоторую электропроводность и в цепи потечёт ток, зависимость которого от приложенного напряжения показана на
рис. 5.5.

Рис. 5.5. Вольт-амперная характеристика газового счётчика UПОР – пороговое напряжение; I, II – режим ионизационной камеры; III – область пропорциональности; IV - режим ограниченной пропорциональности; V - Гейгеровский режим; VI – область непрерывного газового разряда

При небольших напряжениях ток, проходящий через прибор, мал. Регистрировать удаётся только суммарный ток, вызванный прохождением большого числа частиц. Приборы, работающие в таком режиме, называются ионизационными камерами. Этому режиму соответствуют участки I и II.

На участке I ток возрастает пропорционально напряжению, т.е. выполняется закон Ома. На этом участке одновременно с процессом ионизации идёт обратный процесс – рекомбинация (соединение между собой положительных ионов и электронов с образованием нейтральных частиц).

При дальнейшем увеличении напряжения рост силы тока замедляется и совсем прекращается (участок II). Наступает ток насыщения. Ток насыщения – это максимальное значение тока, когда все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за то же время достигают электродов. Величина тока насыщения определяется мощностью ионизатора. Ток насыщения является мерой ионизирующего действия ионизатора: если прекратить действие ионизатора, то прекратится и разряд.

При дальнейшем увеличении напряжения сила тока возрастает достаточно медленно (участок III). При больших напряжениях электроны, возникающие под действием внешнего ионизатора, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. В результате образуются вторичные электроны и положительные ионы. Вторичные электроны, ускорившись в электрическом поле, могут вновь ионизировать молекулы газа. Общее число электронов и ионов будет возрастать лавинообразно по мере продвижения электронов к аноду (этот процесс называется ударной ионизацией). Счётчики, работающие в этой области (III), называются пропорциональными.

Число электронов, доходящих до анода, отнесённое к числу первичных электронов, называется коэффициентом газового усиления. Коэффициент газового усиления быстро возрастает с ростом напряжения и при больших напряжениях начинает зависеть от числа первичных электронов. При этом счётчик из пропорционального режима переходит в режим ограниченной пропорциональности (участок IV). Счётчиков, работающих в этой области, не существует.

При ещё большем напряжении возникновение хотя бы одной пары ионов приводит к началу самостоятельного разряда (напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя). Ток перестаёт зависеть от числа первично образовавшихся ионов и энергии регистрируемых частиц. Счётчик начинает работать в Гейгеровском режиме (участок V). Прибор, работающий в этой области, называется счётчиком Гейгера-Мюллера. Независимость силы тока от энергии ионизирующих частиц делает счётчики Гейгера-Мюллера удобными для регистрации b-частиц, имеющих непрерывный спектр.

Дальнейшее повышение напряжения приводит к возникновению непрерывного газового разряда. Ток в этом случае резко возрастает (участок VI), и счётчик может выйти из строя.

Таким образом, счётчик Гейгера-Мюллера работает по принципу внутреннего газового усиления. Когда на счётчик подаётся высокое напряжение, поле вблизи тонкой нити (анода) крайне неоднородно. Благодаря большому градиенту потенциала заряженная частица, попавшая в счётчик, ускоряется полем до энергии более 30 эВ. При такой энергии частицы начинает действовать механизм ударной ионизации, за счёт которой электроны умножаются в числе до лавины. В результате на анодном нагрузочном сопротивлении образуется отрицательный импульс. Электронная лавина может возникнуть от одного единственного электрона, попавшего между катодом и анодом.

Характеристики счётчика Гейгера-Мюллера

Эффективность счётчика – это отношение числа регистрируемых частиц к полному числу частиц, проходящих через него. Эффективность счётчика к электронам может достигать 99,9 %. Регистрация g-лучей осуществляется через быстрые электроны, образующееся при поглощении или рассеянии g-квантов в счётчике. Эффективность счётчиков к g-квантам обычно составляет порядка %.

Важной характеристикой счётчика является фон. Фоном называют показания прибора в отсутствии исследуемых источников излучения. Фон счётчика обусловлен: космическим излучением; наличием радиоактивных веществ в окружающей среде, в том числе в материалах, из которых изготовлен счётчик; самопроизвольными разрядами в счётчике (ложные импульсы). Обычно для различных по конструкции счётчиков Гейгера-Мюллера фон колеблется в пределах имп./мин. Специальными методами удаётся снизить фон на порядок.

Счётчик Гейгера-Мюллера может регистрировать всего одну частицу. Для регистрации следующей частицы необходимо предварительно погасить самостоятельный разряд. Поэтому важной характеристикой счётчика является мёртвое время t – время бездействия счётчика, в течение которого происходит гашение газового разряда. Обычно мёртвое время составляет порядка с.

Гашение газового разряда в счётчике можно осуществить двумя способами:

1) путём введения в газ сложного органического соединения. Многие сложные молекулы непрозрачны для ультрафиолета и не дают соответствующим квантам достичь катода. Энергия, освобождаемая ионами у катода, в присутствии таких веществ расходуется не на вырывание электронов из катода, а на диссоциацию молекул. Возникновение самостоятельного разряда в таких условиях становится невозможным;

2) с помощью сопротивления. Этот способ объясняется тем, что по протекании по сопротивлению разрядного тока на нём возникает большое падение напряжения. В результате на межэлектродный промежуток приходится только часть приложенного напряжения, которая оказывается недостаточной для поддержания разряда.

Мёртвое время зависит от многих факторов: величины напряжения на счётчике; состава газа – наполнителя; способа гашения; срока службы; температуры и др. Поэтому оно трудно поддаётся расчёту.

Одним из простейших методов экспериментального определения мёртвого времени является метод двух источников.

Ядерные превращения и взаимодействия излучения с веществом имеют статистический характер. Следовательно, существует определённая вероятность попадания в счётчик двух и боле частиц в течение мёртвого времени t, которые будут зарегистрированы как одна частица. Предположим, что эффективность счётчика равна 100 %. Пусть – средняя скорость попадания в счётчик частиц. n – средняя скорость счёта (число частиц, регистрируемых в единицу времени). За время t будет зарегистрировано частиц. Суммарное мёртвое время t составит , а число несосчитанных частиц будет равно . Будем считать, что число попавших в счётчик частиц будет равно сумме зарегистрированных и несосчитанных частиц:

,

откуда

. (5.19)

Пусть и – средние (наблюдаемые) скорости счёта от каждого источника в отдельности. – суммарная скорость счёта. Соответствующие им действительные значения , , согласно выражению (5.19) равны

, , .

Из этих соотношений мёртвое время счётчика

. (5.20)

Величина, обратная мёртвому времени, называется разрешающей способностью счётчика.