ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ГАЗОНАПОЛНЕННОГО СЧЁТЧИКА

Счётчик представляет собой разрядную газонаполненную цилиндрическую камеру, анодом которой служит нить, протянутая вдоль цилиндра. Обычно камера заполняется благородными газами (аргоном, неоном) до давления в несколько кПа. Выбор газа определяется малым коэффициентом прилипания электронов к атомам для того, чтобы перенос отрицательного заряда в счётчике осуществлялся в основном свободными электронами, имеющими гораздо бо¢ льшую подвижность в электрическом поле, чем тяжёлые ионы. Проводимость газа связана с внешними причинами, приводящими к появлению ионов. Ионизацию газа могут производить быстрые заряженные частицы, проходящие через газ. При поглощении нейтральных частиц (гамма-квантов, нейтронов) ионы создаются вторичными заряженными частицами, которые образуются при взаимодействии первичных нейтральных частиц с атомами газа и стенок счётчика.

На рисунке 2 представлены устройства газонаполненных счётчиков цилиндрического и торцевого типа.

Типичная вольт-амперная характеристика газоразрядного счётчика изображена на рисунке 3.

По оси абсцисс откладывается напряжение на электродах счётчика, по оси ординат – число собираемых на электродах пар ионов, т. е. величина, пропорциональная заряду (импульсу), образующемуся на измерительном сопротивлении при прохождении регистрируемой частицы.

Вначале при малых напряжениях происходит собирание заряда на электродах и рекомбинация ионов в газовом объёме.

Рисунок 2 – Схема устройства газонаполненного счётчика

цилиндрического и торцевого типа: 1 – герметически запаянная

стеклянная трубка; 2 – катод (тонкий слой меди на цилиндре

из нержавеющей стали); 3 – вывод катода; 4 – анод (тонкая нить);

5 – слюдяное окно

Рисунок 3 – Вольт-амперная характеристика газоразрядного счётчика

С увеличением электрического поля скорость движения зарядов растёт, вероятность рекомбинации уменьшается и собираемый заряд достигает насыщения. При этом ток, появляющийся при прохождении отдельной заряженной частицы, крайне мал, так что регистрировать удается только суммарный ток, вызванный прохождением большого числа частиц. Приборы, работающие в таком режиме, носят название ионизационных камер.

При увеличении напряжения ток возрастает на несколько порядков, так что становится возможной регистрация отдельных частиц. Число ионов, попадающих на электроды, возрастает вследствие вторичной ионизации, которая возможна, если энергия, приобретаемая электронами в электрическом поле на пути между двумя последовательными столкновениями с атомами газа, оказывается достаточной, чтобы ионизовать эти атомы.

Число электронов, попадающих на нить счётчика, отнесённое к числу первичных электронов, носит название коэффициента газового усиления. При определённых напряжениях число собираемых ионов оказывается пропорционально первичной ионизации. Это соответствует режиму работы так называемого пропорционального счётчика, который используется для счёта, идентификации частиц, а также для измерения их энергий. С развитием ЭВМ пропорциональные счётчики получили второе рождение в виде пропорциональных камер, представляющих собой совокупность большого числа (несколько тысяч) пропорциональных счётчиков в одном объёме.

Коэффициент газового усиления быстро возрастает с увеличением напряжения, его пропорциональность первичной ионизации нарушается. При последующем повышении напряжения, в условиях очень неоднородного электрического поля, возникновение хотя бы одной пары ионов приводит к началу самостоятельного разряда.

Сигналы, снимаемые со счётчика, достигают при этом нескольких вольт и могут использоваться без предварительного усиления. Счётчик начинает работать в так называемом гейгеровском режиме, обладающем наивысшей чувствительностью, но не способном дифференцировать различные виды и энергии излучений.

Дальнейшее увеличение напряжения инициирует развитие пробоя, т. е. самоподдерживающегося самостоятельного электрического разряда. При таком разряде счётчик выходит из строя.

ГЕЙГЕРОВСКИЕ СЧЁТЧИКИ

Самостоятельный разряд в гейгеровском счётчике не может быть объяснён только разрастанием лавины. Как бы ни была велика лавина, образующие её вторичные электроны приходят на анод вместе с первичными. Разряд, таким образом, должен, казалось бы, прекратиться вплоть до появления новых ионизирующих частиц. Существуют, однако, явления, способные вызвать появление новых электронов в силу одних только внутренних причин.

Прежде всего, при нейтрализации ионизованных атомов у катода освобождается заметное количество энергии, причем почти всегда большее, чем энергия, необходимая для выхода электронов из металла. Это создает возможность появления новых электронов, которые начинают двигаться к нити, в результате чего появляется новая лавина электронов и т.д.

Вторым процессом, при котором электроны освобождаются из катода, является фотоэффект – вырывание электронов световыми квантами (в основном ультрафиолетовыми). Ультрафиолетовые кванты излучаются возбужденными при соударениях с электронами атомами и рекомбинирующими у катода положительными ионами.

В результате этих процессов возникает коронный разряд, распространяющийся вдоль нити и заполняющий значительный объем счётчика.

Гашение разряда. Чтобы каждой ионизирующей частице, попавшей в счётчик, соответствовал свой импульс, нужно своевременно оборвать газовый разряд и приготовить счётчик к новой регистрации. Это можно сделать внешним гашением при помощи, например, включенного последовательно со счётчиком высокоомного сопротивления (10^–8–10^–9 Ом). При прохождении тока через счётчик разность потенциалов на счётчике уменьшается, так как часть напряжения питания падает на сопротивлении. Разряд прекращается и счётчик готов к регистрации следующей частицы. Внешнее гашение используется для несамогасящихся счётчиков.

В самогасящихся счётчиках используется внутреннее гашение, которое становится возможным, если, например, к основному газу счётчика добавить пары́ многоатомным молекул (этиловый спирт и др.). Роль многоатомных молекул сводится к тому, что они, во-первых, легко ионизируясь, отдают валентные электроны, нейтрализующие положительно заряженные ионы основного газа, и, во-вторых, хорошо поглощают ультрафиолет, чем резко ограничивается возможность фотоэффекта и, следовательно, развитие вторичных лавин.

Но такие самогасящиеся счётчики способны зарегистрировать лишь ограниченное количество импульсов (≤ 10⁸), поскольку при каждой регистрации часть многоатомных молекул диссоциирует.

Галогенные счётчики. Добавление небольшого количества (0, 1 %) галогенного газа приводит также к гашению разряда, но это связано не с диссоциацией молекул, а со значительным снижением рабочего напряжения. Дело в том, что, например, бром имеет потенциал ионизации 12, 8 эВ, что ниже потенциалов возбуждения и ионизации основного газа (для неона соответственно 16, 6 и 21, 5 эВ).

Разряд в галогенных счётчиках образуется следующим образом. Образовавшиеся при ионизации электроны разгоняются в электрическом поле у анода и возбуждают атомы неона, которые при столкновениях ионизируют молекулы брома. Часть возбуждённых атомов неона переходит в основное состояние путем излучения фотонов. Возникающее ультрафиолетовое излучение выбивает из катода электроны. При движении этих новых электронов к аноду процесс возбуждения атомов неона повторяется, возникают новые электронно-ионные лавины и самостоятельный разряд.

Но со временем в результате разряда, образуемого вблизи нити счётчика, возникает большой положительный пространственный заряд, состоящий из ионизованных молекул брома. Этот заряд снижает напряжённость поля около нити и приводит к постепенному прекращению разряда. Таким образом, добавка галогенов приводит к гашению разряда и, что очень важно, к значительному понижению рабочего напряжения. Галогенные счётчики нашли большое применение, например, в дозиметрии также и потому, что срок их службы практически неограничен.

Эффективность счёта. Для возникновения разряда в счётчике Гейгера достаточно, чтобы в рабочем объёме образовалось несколько пар ионов. Поэтому эффективность счёта для любого заряженного излучения близка к единице.

Эффективность регистрации для гамма-излучения мала и составляет обычно несколько процентов. Наиболее важные взаимодействия гамма-излучения с веществом связаны с появлением быстрых электронов (в результате фотоэффекта, Комптон-эффекта и процесса рождения электронно-позитронных пар). Вероятность этих эффектов в газе очень мала.

Для повышения эффективности регистрации и увеличения вероятности взаимодействия с гамма-квантами стенки счётчика делаются достаточно толстыми. Но толщина стенок не должна превышать длину пробега вторичных электронов в стенках, иначе эти электроны будут поглощаться или рассеиваться в стенках, не достигнув газа счётчика.

Кроме того, эффективность счёта для гамма-квантов зависит от энергии и от материала, из которого выполнены стенки счётчика.

Счётная характеристика представляет собой зависимость скорости счёта от приложенного напряжения (рисунок 4). Начальное напряжение связано с пороговыми значениями усилителя и последующего счётного устройства. Протяжённость и наклон горизонтального участка (плато) зависит от давления газа, конструкции счётчика и т.п. Рабочее напряжение выбирается в середине плато и составляет для счётчиков, не имеющих галогенной добавки, 900 В и выше, а для галогенных счётчиков – 300–400 В.

Рисунок 4 – Счётная характеристика гейгеровского счётчика

Наклон плато зависит от вторичных электронов, изменения чувствительности счётчика, неполного гашения разряда и т.п. Допустимый наклон плато – несколько процентов на 100 В, его протяжённость ≥ 100 В.

Разрешающее время счётчика. Разряд в самогасящихся счётчиках заканчивается за время порядка 10^–7 с, однако чувствительность его восстанавливается только после того, как положительные ионы уйдут достаточно далеко от нити, нейтрализуясь постепенно на катоде. Разрешающее время – это минимальный промежуток времени между пролётами двух частиц, необходимый для того, чтобы зарегистрировать их отдельно. Наблюдать импульс удобно при помощи осциллографа со ждущей развёрткой. На рисунке 5 показано изменение отрицательного импульса на собирающем электроде.

Рисунок 5 – Картина на экране осциллографа,

возникающая при наблюдении импульсов гейгеровского счётчика

Сигналы, запускающие развёртку, налагаются друг на друга, в результате чего на экране осциллографа появляется сплошная линия. Тонкие пунктирные линии характеризуют отдельные импульсы, следующие за запускающими импульсами. «Пустой» участок характеризует так называемое «мёртвое время» счётчика. Затем амплитуда сигналов постепенно увеличивается и через время восстановления достигает первоначальной величины.