Самогасящиеся счетчики

В 1937 г. Трост обнаружил, что небольшие добавки паров этилового спирта в счетчик Гейгера – Мюллера, наполненный аргоном, существенно изменяют его временные характеристики. Оказалось, что разряд в счетчике с добав­кой паров спирта прекращается самопроизвольно, независимо от величины сопротивления утечки R. Рассмотрим развитие и гаше­ние разряда в цилиндрическом счетчике, наполненном смесью аргона (90%) и паров спирта (10%); общее давление в счетчике 100 мм рт. ст.; разность потенциалов превышает U _заж. Электроны, появившиеся в счетчике в результате первичной ионизации, будут дрейфовать к аноду. Вблизи анода будет происходить возбуждение и ионизация молекул спирта и атомов аргона (атомов аргона значительно больше, чем молекул спирта). Фотоны, испускаемые возбужденными состояниями атомов аргона, имеют энергию 11, 6 эв, а потенциал ионизации паров спирта составляет 11, 5 эв. В связи с тем, что энергии фотонов близки к энергии ионизации молекул спирта, сечение фотоионизации молекул спирта оказывается очень большим – около 5·10⁴ барн. При давлении паров спирта 10 мм рт. ст. средний свободный пробег фотонов, испускаемых атомами аргона, до поглощения молекулами спирта равен 0, 1 см. Разряд будет распространяться вдоль нити в основ­ном за счет фотоионизации: фотоны из возбужденных состояний атомов аргона ионизуют молекулы спирта; электроны в сильном поле вблизи анода приобретают энергию, ионизуют и возбуждают атомы аргона и молекулы спирта и т.д.

Возбужденные молекулы спирта имеют малые времена жизни относительно диссоциации, и поэтому можно считать, что они не испускают фотонов. Далекие от нити счетчика области не будут участвовать в процессе развития разряда, поскольку фотоны, испускаемые атомами аргона, имеют малые пробеги, а возбужденные атомы сконцентрированы вблизи нити. Образующиеся вблизи анода ноны аргона и спирта экранируют электрическое поле, и на этом первая стадия разряда прекращается.

Время развития разряда определяется временем распростра­нения его вдоль анода. Измерения показали, что эта скорость сравнительно невелика и составляет около 10⁶…10⁷ см/с. При движении ионов к катоду происходит большое число соударений (~10⁴). При соударениях ионов аргона с молекулами спирта возможна ионизация молекул спирта и нейтрализация ионов аргона. Этот процесс имеет достаточно большую вероятность: около 10^-3 в одном столкновении, следовательно, к катоду подойдут только ионы молекул спирта. И это обстоятельство оказывается решающим.

Сравним поведение ионов аргона и молекул спирта вблизи катода. Ионы аргона на расстояниях примерно 10^{-7 см}от катода нейтрализуются (вырывают электрон из катода) и оказываются в возбужденном состоянии, энергия которого равна разности энергии ионизации атома и работы выхода электрона из катода. Для медного катода работа выхода равна примерно -4, 5 эв, поэтому атомы аргона вблизи катода после нейтрализации будут возбуждены до энергии около 11 эв. На расстояниях от катода приблизительно 2·10^{-8 см}возбужденный атом может вырвать электрон, если энергия его возбуждения выше удвоенной работы выхода электрона из катода. Возможен и другой процесс; атом аргона снимает свое возбуждение, высвечивая фотон, который поглощается в катоде, и происходит фотоэффект на катоде. Следовательно, при нейтрализации ионов аргона у катода появятся электроны, которые будут двигаться к аноду и снова создавать электронно-фотонную лавину. Ионы спирта нейтрализуются у катода и оказываются в возбужденном состоянии. Но время жизни возбужденной молекулы спирта относительно диссоциации (~10^-13 с)значительно меньше времени жизни относительно излучения (~10^-7 с)и меньше времени, необходимого для подхода к катоду от места нейтрализации (~10^-7) до места (~2·10^{-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, другими словами, независимо от величины сопротивления, с которого снимается импульс.

Самогасящийся счетчик имеет ограниченный срок службы, поскольку при каждом импульсе в счетчике диссоциируют 10⁹…10¹⁰ молекул спирта. В счетчиках средних размеров имеется около 10²⁰ молекул спирта, поэтому счетчик, наполненный смесью аргона и спирта, «выдерживает» 10⁹…10¹⁰ импульсов. Счетчик может быть наполнен смесью других газов. Смесь легкого одно­атомного газа и многоатомного газа будет обладать гасящими разряд свойствами, если потенциал ионизации одноатомного газа выше потенциала ионизации многоатомного газа; сечение поглощения фотонов (из возбужденных состояний атомов) молекулами многоатомного газа велико и время жизни молекул относительно диссоциации мало по сравнению с временем жизни относительна испускания фотонов.

Поскольку электроны при вторичной ионизации образуются вблизи анода, импульс самогасящегося счетчика, как и пропорционального, будет обусловлен движением положительных ионов к катоду, скорость дрейфа которых зависит от напряженности поля. Однако напряженность поля в самогасящемся счетчике определяется не только приложенным к счетчику напряжением u ₀, но и полем, создаваемым самими ионами. В этом случае электрическим полем, созданным ионами (влиянием объемного заряда), нельзя пренебрегать, так как развитие электронно-фотонных лавин обусловлено именно им. В результате разряда в счетчике образуется тонкий цилиндрический слой ионов (его толщина порядка нескольких длин пробегов фотонов, испускаемых аргоном).

Если считать, что скорость распространения разряда вдоль счетчика бесконечна или первичная ионизация произошла по всей длине счетчика, то форму им­пульса можно вычислить так же. как и для цилиндрической камеры, но с учетом зависимости скорости дрейфа ионов от места положения их в счетчике.

На самом деле временем распространения разряда вдоль анода нельзя пренебрегать. Более того, скорость нарастания импульса напряжения определяется скоростью распространения разряда вдоль нити и зависит от места первичной ионизации в счетчике.

Время нарастания импульса тока до определенного значения зависит от места первичной ионизации. Самое медленное нарастание в случае, когда частица попадает вблизи одного из концов нити. Разброс во времени нарастания импульса тока порядка нескольких единиц на 10^-7 с. Как и в пропорциональных счетчиках, время от момента прохождения частицы в счетчике до начала разряда определяется временем дрейфа электронов от места образования до анода.

Рассмотренный механизм разряда в счетчике показывает, что после каждого разряда счетчик некоторое время остается нечувствительным к заряженным частицам.

Сгусток ионов движется к катоду. По мере продвижения ионов к катоду электрическое поле вблизи анода растет и, наконец, когда ионы достигнут 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, называется мертвым временем. Пространственный заряд ионов оказывает влияние на поле вблизи анода при расстояниях r > r _с.

Пока это влияние заметно, импульсы от частиц, попавших в счетчик в это время, будут иметь меньшие амплитуды. Время, в течение которого частицы регистрируются, но амплитуды импульсов имеют меньшие, величины, называется восстановительным временем счетчика. Время движения ионов от анода до r = r _св самогасящихся счетчиках около 200 мкс. В течение мертвого времени τ _м нет наложения импульсов.

Мертвое время счетчика зависит от количества разрядов, происходящих в нем в единицу времени. С ростом скорости счета мертвое время уменьшается и может достигать величин около 10 мкс.Это явление можно объяснить следующим образом. Чем больше скорость счета, тем больше разрядов начинается в течение восстановительного времени, т.е. тем больше импульсов имеют меньшую амплитуду. Частицы, попавшие в счетчик в течение восстановительного времени, создают меньшую плотность заряда σ, и, следовательно, нонам потребуется пройти меньшее расстояние от анода, чтобы вблизи анода вновь была напряженность ноля, достаточная для развития разряда. Измеряемая величина τ _м будет зависеть еще и от уровня дискриминации схемы регистрации. Чем ниже уровень дискриминации, тем меньшая величина τ _м может быть при больших скоростях счета.

Зависимость числа отсчетов при постоянном источнике излучения от напряжения на счетчике называется счетной характеристикой. 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 ₀ - U _заж) и большим 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 U_o 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, произойдут в том случае, если ион основного газа (например, аргона), сталкиваясь с молекулами гасящего газа, случайно избежит нейтрализации. В таком случае при нейтрализации на катоде он может образовать свободный электрон, который инициирует новый разряд в счетчике. Ионы гасящего газа при нейтрализации на катоде тоже могут образовать свободный электрон, если, например, возбужденная после деонизации молекула высветит фотон, а не диссоциирует. Чем больше образуется в разряде ионов, тем больше вероятность появления таких ложных импульсов. Поэтому с увеличе­нием напряжения U_o 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 небольшой и составляет несколько процентов на 100 в.

Для развития разряда в счетчике достаточно образования одной пары ионов. Если частица создает в среднем п _опар ионов, то вероятность не создать ни одной пары ионов в счетчике равна (по закону Пуассона) , и, следовательно, эффективность регистрации заряженных частиц в само­гасящемся счетчике ε _d = Для регистрации заряженных частиц счетчики должны иметь или тонкие стенки, или специальные тонкостенные окна, чтобы заряженные частицы могли проникать внутрь счетчика. Так, для регистрации α -частиц радиоактивного распада толщина окна счетчика но должна превышать 2…4 мг/см². Для регистрации β -частиц можно использовать счетчики с более толстыми стенками. Так, в счетчик с толщиной окна 30 мг/см²проникает около 70% β -частиц, образующихся при распаде ³²Р, и только 0, 03% β -частиц, образующихся при распаде ¹⁴С.

Для регистрации γ -квантов обычно применяют счетчики с толстыми стеклянными стенками (~1 мм ). Гораздо реже используют счетчики со специальными металлическими катодами. Регистрация γ -кванта, попавшего в счетчик, произойдет в том случае, если в результате взаимодействия γ -кванта появится электрон, который достигнет чувствительного объема счетчика.

Очевидно, подавляющее число электронов рождается в стенках счетчика. В зависимости от толщины катода счетчика и энергии γ -кванта будет меняться число электронов, попадающих в чувствительный объем счетчика. Чем толще катод и чем ниже энергия γ -кванта, тем меньше электронов попадет в счетчик. Точное вычисление эффективности счетчика к γ -квантам представляет сложную задачу.

Эффективность счетчика с различными катодами в зависимости от энергии γ -квантов показана на рис. 2.10. Эффективность, как видно из рисунка, возрастает с увеличением энергии. Это обусловлено тем, что с ростом энергии γ -кванта увеличивается средняя энергия появляющихся в результате взаимодействия электронов и, следовательно, увеличивается их пробег. А это значит, что с увеличением энергии растет эффективная толщина катода, из которой электроны могут проникнуть в чувствительный объем счетчика.

Рис. 2.10. Зависимость эффективности регистрации γ -квантов от их энергии

Уменьшение толщины катода до очень малых величин (много меньших пробегов электронов) не изменит характера зависимости эффективности от энергии, поскольку в счетчик будут проникать электроны, образованные γ -излучением в среде, окружающей счетчик. В вакууме эффективность тонкостенного счетчика будет иметь другой характер: она будет пропорциональна полному сечению взаимодействия γ -квантов с материалом, из которого изготовлен катод счетчика. Увеличение толщины катода счетчика будет приводить к тому, что эффективность регистрации γ -квантов низких энергий уменьшится значительнее, чем высоких, из-за поглощения γ -квантов в стенках счетчика.

Газоразрядные счетчики будут регистрировать и нейтроны. Регистрация нейтронов происходит в результате или упругого рассеяния нейтронов на ядрах газа, наполняющего счетчик, или образования γ -квантов 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 будет порядка сотых долей процента. Для нейтронов более высоких энергий эффективность окажется еще меньше. Если же счетчик окружить кадмием и поместить в замедлитель нейтронов (воду, парафин), то нейтроны будут регистрироваться по γ -квантам захвата в водороде и кадмии.