Размещено на http://www.allbest.ru/

Газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера

Содержание

1. Развитие разряда и его характеристики

2. Гашение разряда

3. Мертвое время счетчика Гейгера

4. Счетная характеристика

5. Эффективность регистрации

1. Развитие разряда и его характеристики

счетчик напряжение газ

С увеличением разности потенциалов на цилиндрическом (торцовом) счетчике с тонкой нитью (анодом) коэффициент газового усиления (М) растет, а с его ростом все большее значение в развитии электрон-ионных лавин приобретает фотоионизация. Поэтому коэффициент газового усиления с учетом фотоионизации может значительно превышать. При некотором напряжении на счетчике U_заж (напряжение зажигания газового разряда) коэффициент усиления бесконечно возрастает. Это означает, что в счетчике возникает непрерывный самоподдерживающийся разряд.; Ток такого разряда не будет бесконечно большим, поскольку в счетчике возникает объемный заряд, который уменьшает электрическое поле вблизи нити и тем самым уменьшает коэффициент газового усиления и ток в счетчике.. Таким образом, возникает саморегулирование разрядного тока, и в результате при определенном напряжении U₀>U _заж в счетчике устанавливается вполне определенный для данного напряжения и данной конструкции счетчика ток. Разряд в счетчике возникает, если в его объеме появляется хотя бы один электрон, и при поддержании на электродах счетчика необходимой разности потенциалов разряд будет самоподдерживающимся.

Ток разряда линейно растет с перенапряжением на счетчике. Напряжение зажигания счетчика зависит от природы наполняющего счетчик газа и от геометрии счетчика.

Напряжение зажигания составляет около 500 В для гелия, около 800 В для водорода и около 1200 В для воздуха. Внутреннее сопротивление газового промежутка около 10⁷ Ом.

Ниже рассмотрен качественно процесс, происходящий в цилиндрическом счетчике с тонкой нитью и достаточным для самостоятельного разряда напряжением.

Пусть счетчик подключен к измерительному прибору, как это показано на рисунке 4.

Рис. 4. Схема включения счетчика Гейгера -- Мюллера и форма импульса:

1 --в центре счетчика; 2 -- вблизи торца счетчика.

Электроны и ионы, появившиеся после прохождения в счетчике заряженной частицы, движутся в направлении соответствующих электродов. Электроны достигают нити за время 10^-7 -- 10^-8 с, образуя по пути новые электроны и ионы и возбужденные молекулы газа. Эти молекулы испускают коротковолновое излучение, которое выбивает фотоэлектроны из катода и молекул газа.

Таким образом, за очень малое время разряд охватывает весь счетчик. За время прохождения нескольких электронно-фотонных лавин рожденные положительные ионы практически остаются на месте, так как их подвижность намного меньше подвижности электронов. Вторичная ионизация происходит вблизи нити, поэтому вокруг нити образуется чехол положительных зарядов, который снижает напряженность поля вблизи нити и тем самым практически прекращает образование новых электронно-фотонных лавин. Образовавшиеся ионы движутся в направлении катода, и в цепи счетчика возникает ток, который, как было отмечено выше, пропорционален перенапряжению на счетчике. По мере протекания тока эквивалентная емкость заряжается, что уменьшает перенапряжение на счетчике.

На расстоянии от катода порядка 10-⁷ см происходит нейтрализация ионов и образуются молекулы в возбужденном состоянии, излучение которых может выбивать электроны из катода или ионизовать другие молекулы (при условии, что энергия возбужденных состояний выше работы выхода электронов из катода: или энергии ионизации других молекул). Появившиеся электроны вновь вызывают разряд в счетчике. Такое представление о разряде в виде отдельных ступенек не совсем верное, поскольку отдельные стадии в конце концов перекрываются и в счетчике устанавливается практически постоянный ток.

Из приведенного рассмотрения следует, что при R<<R_вн и при условии образования электронов при нейтрализации ионов вблизи: катода в счетчике возникает самоподдерживающийся разряд, который называют коронным_разрядом. Коронный разряд можно использовать для регистрации ионизирующего излучения, если в счетчике создать условия гашения разряда.

2. Гашение разряда

Один из способов гашения разряда, используемый в так называемых несамогасящихся счетчиках или счетчиках Гейгера-Мюллера, заключается в выборе соответствующего внешнего сопротивления. Такой способ гашения разряда слишком медленный (постоянная разрядки конденсатора равна 10^-3 с). Следовательно, счетчик готов к регистрации следующей частицы через время, большее нескольких миллисекунд.

Другой способ гашения разряда основан на подавлении вероятности появления электронов при нейтрализации ионов вблизи катода. Такие счетчики называют самогасящимися.

Разряд в счетчике с добавкой паров спирта (аргон 90 %, пары спирта 10 %, общее давление 133 гПа) прекращается самопроизвольно, независимо от сопротивления утечки. В таком счетчике электроны, созданные в результате первичной ионизации, возбуждают и ионизуют вблизи анода молекулы спирта и главным образом атомы аргона (последних значительно больше, чем молекул спирта). Фотоны, испускаемые атомами аргона в возбужденном состоянии, эффективно поглощаются молекулами спирта (средняя длина свободного пробега фотонов до поглощения молекулой спирта около 1 мм при давлении паров спирта 13 гПа). За счет фотоионизации молекул спирта разряд распространяется вдоль нити: далекие от нити счетчика области не участвуют в развитии разряда, поскольку фотоны, испускаемые атомами аргона, имеют малые пробеги, а возбужденные атомы сконцентрированы вблизи нити.

Время развития разряда определяется скоростью распространения его вдоль анода. Скорость эта невелика и составляет 10⁶ -- 10⁷ см/с. Образовавшиеся вблизи анода ионы аргона и спирта экранируют электрическое поле, и на этом первая стадия разряда прекращается.

Во время дрейфа ионов к катоду происходит около 10⁴ соударений их с атомами и молекулами. При соударении ионов аргона с молекулами спирта возможны ионизация молекул спирта и нейтрализация атомов аргона. Этот процесс имеет сравнительно большую вероятность: около 10^-3 в одном столкновении. Поэтому к катоду подходят только ионы молекул спирта. Это обстоятельство оказывается решающим.

Сравним поведение ионов аргона и спирта вблизи катода. Ионы аргона на расстоянии примерно 10^-7 см от катода нейтрализуются (вырывают электрон из катода) и оказываются в возбужденном состоянии. На расстоянии от катода (2-10)-⁸ см возбужденный атом может вырвать электрон. Возможен и другой процесс: атом аргона снимает свое возбуждение, испуская фотон, который приводит к фотоэффекту на катоде. Итак, при нейтрализации иона аргона появляются электроны, которые, двигаясь к аноду, снова создают электронно-фотонную лавину.

Ионы спирта также нейтрализуются у катода и оказываются в возбужденном состоянии. Среднее время жизни возбужденной молекулы спирта до диссоциации (примерно 10-¹³ с) значительно меньше среднего времени жизни до снятия возбуждения в результате излучения (~10-⁷ с) и меньше времени, необходимого для подхода к катоду от места нейтрализации (10-⁷) до места (2^-8)см, где возможно вырывание электрона из катода (10-¹² с). Итак, при смеси аргона и паров спирта разряд заканчивается после одной электронно-фотонной лавины независимо от того, какую разность потенциалов имеет счетчик в момент подхода ионов спирта к катоду или, другими словами, независимо от сопротивления, с которого снимается импульс.

Самогасящийся счетчик имеет ограниченный срок службы, поскольку при каждом импульсе в счетчике диссоциирует 10⁹--10¹⁰ молекул спирта. В счетчиках средних размеров имеется около 10²⁰ молекул спирта, поэтому счетчик, наполненный смесью аргона и спирта, «выдерживает» 10⁹--10¹⁰ импульсов.

Счетчики, наполненные инертными газами с незначительной примесью (~0,1 %) двухатомных газов галоидов (С1₂, Вг₂, J) при определенных условиях также обладают свойством гашения разряда. Такие счетчики называют галогенными. Галогенные счетчики имеют сравнительно низкое рабочее напряжение (200--400 В), срок службы их практически не ограничен. Развитие и гашение разряда в галогенных счетчиках происходят следующим образом. Электроны, образовавшиеся в результате попадания заряженной частицы в объем счетчика, во время дрейфа к аноду в результате соударений передают свою энергию в основном атомам инертного газа, переводя его в метастабильное состояние. Время жизни атомов в метастабильном состоянии невелико, а энергия испускаемых фотонов оказывается выше энергии ионизации молекул галоидов. Для неона потенциал ионизации равен 21,5 эВ, энергия возбуждения 16,9 эВ, а потенциал ионизации для молекул брома 12,8 эВ. Фотоны, испускаемые возбужденными атомами инертных газов, во-первых, ионизуют молекулы галоидов и, во-вторых, достигают катода (концентрация галоидов мала) и вырывают из него фотоэлектроны. Этот процесс происходит до тех пор, пока вблизи анода не образуется объемный заряд (ионы галоидов). Из-за сравнительно низкого напряжения на галогенных счетчиках и из-за большой роли в развитии разряда фотоэлектронов из катода развитие разряда происходит сравнительно медленно. После того как разряд в счетчике прекратился, вблизи анода находятся ионы галоидов, которые дрейфуют к катоду, где и нейтрализуются. Поскольку потенциал ионизации галоидов сравнительно мал, то вероятность вырвать из катода дополнительный электрон невелика. Кроме того, поверхность катода в галогенных счетчиках специально обрабатывают, чтобы повысить работу выхода электронов.

Образование импульса в газоразрядных счетчиках различных типов качественно различается незначительно.

3. Мертвое время счетчика Гейгера

Рассмотренный механизм разряда в счетчике показывает, что после каждого разряда счетчик некоторое время остается нечувствительным к заряженным частицам. По мере продвижения ионов к катоду электрическое поле вблизи анода растет, и, наконец, когда они достигают расстояния r_с от центра счетчика, вблизи анода вновь возможно развитие разряда. Время от предыдущего разряда до момента, когда ионы достигнут радиуса r=r_с, называют мертвым временем. Пространственный заряд ионов оказывает влияние на поле вблизи анода и при расстоянии r>r_с. Пока это влияние заметно, импульсы от частиц, попавших в счетчик в это время, имеют меньшие амплитуды. Время, в течение которого частицы регистрируются, но амплитуды импульсов имеют меньшие значения, называют временем восстановления счетчика.

Время движения ионов от анода до r=r_с в самогасящихся счетчиках около 200 мкс. Осциллограмма импульсов счетчика показана на рисунке 4.

Рис. 5. Осциллограмма импульсов самогасящегося счетчика, (к понятию мертвого времени)

Из рисунка видно, что в течение мертвого времени «T_м» нет наложения импульсов. Но затем при временах, больших Мертвое время счетчика зависит от количества разрядов, происходящих в нем в единицу времени. С ростом скорости счета мертвое время уменьшается и может достигать примерно 10 мкс. Это явление можно объяснить следующим образом.

Чем больше скорость счета, тем больше разрядов начинается в течение времени восстановления, T_м., тем больше импульсов имеют меньшую амплитуду. Частицы, попавшие в счетчик в течение времени восстановления, создают меньшую плотность заряда, и, следовательно, ионам потребуется пройти меньшее расстояние от анода, чтобы вблизи анода вновь была напряженность поля, достаточная для развития разряда. Значение T_м определяется также уровнем дискриминации схемы регистрации. Чем ниже уровень дискриминации, тем меньшее значение T_м может быть при больших скоростях счета.

4. Счетная характеристика

Зависимость числа отсчетов при постоянном источнике излучения от напряжения на счетчике называют счетной характеристикой. Если увеличивать рабочее напряжение на счетчике, то появляется область напряжений, внутри которой измеряемое число импульсов возрастает незначительно (рис.12, прилож.6). Такая характеристика самогасящегося счетчика имеет почти горизонтальный участок на протяжении 100--200 В. Начальный участок этой характеристики имеет резкий подъем (форма начального участка зависит от уровня дискриминации регистрирующей схемы), который обусловлен зависимостью амплитуды импульса от перенапряжения на счетчике (U-U_заж) и разбросом амплитуд импульсов из-за флуктуации в развитии и гашении разряда. Небольшой наклон плато счетной характеристики объясняют краевыми эффектами (поле вблизи концов счетчика не имеет резкой границы, и с увеличением U₀ растет эффективный чувствительный объем счетчика) и возникновением так называемых ложных импульсов. Ложные импульсы в самогасящемся счетчике возникают в основном за счет нарушения механизма гашения: разряда в счетчике. Эти нарушения, например, происходят когда ион основного газа (например, аргона), сталкиваясь с молекулой гасящего газа, случайно избегает нейтрализации. Ионы гасящего газа при нейтрализации на катоде тоже могут образовать свободный электрон, если, например, возбужденная после деионизации молекула высветит фотон, а не диссоциирует. Чем больше образуется в разряде ионов, тем больше вероятность появления таких: ложных импульсов. Поэтому с увеличением напряжения (Uо) число ложных импульсов возрастает, а, начиная с некоторого напряжения, каждая попавшая в счетчик частица вызывает многоступенчатый разряд и создает пачку импульсов. В хороших счетчиках наклон плато обычно не большой и составляет несколько процентов на 100 В.

5. Эффективность регистрации

Для развития разряда в счетчике достаточно образования одной пары ионов. Если частица создает в среднем «n» пар ионов, то вероятность не создать ни одной пары в газоразрядном счетчике равна (по закону Пуассона) ехр(--n), и, следовательно, эффективность регистрации заряженных частиц в самогасящемся счетчике €_д=1--ехр(-n). Для регистрации заряженных частиц счетчики должны иметь или тонкие стенки (цилиндрические стеклянные счетчики), или специальные тонкостенные окна (торцовые счетчики), чтобы заряженные частицы могли проникать внутрь счетчика (Рис. 11, прилож.5).

Для регистрации фотонов обычно применяют счетчики с толстыми стеклянными стенками (примерно 1 мм). Реже используют счетчики со специальными металлическими катодами (Рис. 10, прилож.4). Регистрация фотона, попавшего в счетчик, происходит в том случае, если в результате взаимодействия появляется электрон, который достигает чувствительного объема счетчика. Очевидно, подавляющее число электронов рождается в стенках счетчика. В зависимости от толщины катода счетчика и энергии фотона меняется число электронов, попадающих в чувствительный объем счетчика. Чем толще катод и чем ниже энергия фотона, тем меньше электронов попадает в счетчик.

Газоразрядные счетчики регистрируют и нейтроны. Регистрация нейтронов происходит в результате или упругого рассеяния нейтронов на ядрах газа, заполняющего счетчик, или образования фотонов в реакциях неупругого рассеяния и радиационного захвата на ядрах вещества, окружающего счетчик. Нейтроны низких энергий (< 100 кэВ) в счетчике со смесью спирт--аргон будут упруго рассеиваться на ядрах водорода. Эффективность регистрации таких нейтронов порядка сотых долей процента. Для нейтронов более высокой энергии эффективность еще меньше. Если же счетчик окружить кадмием и поместить в замедлитель нейтронов (воду, парафин), то нейтроны будут регистрироваться по гамма-излучению захвата в водороде и кадмии. Чувствительность такого устройства, напоминающего всеволновой счетчик, к нейтронам может быть достаточно высокой. Если блок парафина, в который помещен счетчик, имеет размеры 20X20X20 см, то чувствительность будет около 0,1 см².

Размещено на Allbest.ru