Глава 2: Счетчики Гейгера - Мюллера

Газовый счетчик представляет собой детектор (по конструкции аналогичный ионизационной камере), предназначенный для регистрации отдельных ядерных частиц. В отличие от ионизационных камер в газовых счетчиках для усиления ионизационного тока используется газовый разряд.

Благодаря высокой чувствительности счетчик реагирует на каждую ионизирующую частицу, возникающую внутри объема газа или проникающую в него из стенки счетчика.

В пропорциональном счётчике газовый разряд развивается

только в части объёма газа. В ней образуется сначала первичная ионизация, а затем и лавина электронов. Остальной объём не охватывается газовым разрядом. С повышением напряжения критическая область расширяется. В ней увеличивается концентрация возбуждённых молекул, а, следовательно, и количество испущенных фотонов. Под действием фотонов из катода и молекул газа вырывается всё больше и больше фотоэлектронов. Последние в свою очередь дают начала новым лавинам электронов в объёме счётчика, не занятом газовым разрядом от первичной ионизации. Таким образом, повышение напряжения U приводит к распространению газового разряда по объёму счётчика. При некотором напряжении U_Г газовый разряд охватывает весь объём счётчика. При напряжении U_Г начинается область Гейгера-Мюллера.

U_н – напряжение насыщения;

U_п – пороговое напряжение, при котором электрон приобретает энергию, достаточную для ударной ионизации При этом напряжении коэффициент газового усиления становится больше 1;

U_оп- верхняя граница пропорциональной области импульса;

U_г – нижняя граница области Гейгера;

U_непр.р- верхняя граница области Гейгера и нижняя граница области непрерывного разряда.

При небольшой разности потенциалов на электродах счетчик работает в режиме ионизационной камеры, т. е. величина им­пульсов в некотором интервале напряжений не зависит от раз­ности потенциалов, а определяется только количеством ионов, которые образуются в газовом объеме счетчика ионизирующей частицей.

Иначе говоря, в области тока насыщения, пока не происходит ударной ионизации, амплитуда импульса сохраняет постоянное значение; она строго пропорциональна начальной ионизации (от a- частиц величина импульса больше, чем от b-частиц), следовательно, пропорциональна и энергий, остав­ленной частицей в счетчике. При дальнейшем увеличении разности потенциалов на электродах счетчика величина импульса возрастает, так как при этом вторичные электроны в усиливающемся электрическое поле приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы произвести ударную ионизацию нейтральных молекул газа на пути своего свободного пробега. В свою очередь, вновь обра­зованные электроны ускоряются электрическим полем и иони­зируют новые молекулы. При этом получается лавинный раз­ряд, который сразу прекращается, как только образованные электроны и ионы достигнут соответствующих электродов счет­чика (несамостоятельный разряд).

Увеличение ионизационного тока с использованием несамо­стоятельного разряда называется газовым усилением, которое характеризуется коэффициентом газового усиления f.

где n_общ число ионов, образовавшихся в результате газового уси­ления и достигших электродов.

n_о - первоначальное число ионов образованных ионизирующей частицей Для области ионизацион­ной камеры f =1.

Если продолжать увеличивать напряжение на счетчике, то коэффициент газового усиления очень сильно возрастет по абсолютной величине и будет зависеть от начальной ионизации. Эта область напряжений называется областью ограниченной пропорциональности. До конца этой области происходит сбли­жение кривых с разной начальной ионизацией. Чем больше начальная ионизация, тем меньше коэффициент газового уси­ления и тем медленнее он растет с увеличением разности потенциалов.

Нарушение пропорциональности связано с тем, что с увеличением размеров области ударной ионизации электронные лавины начинают перекрываться, мешать друг другу. Причем степень перекрытия будет тем больше, чем больше количество лавин (т.е. чем больше начальная ионизация) и чем выше напряжение (т.е. чем дальше от нити начинается ударная ионизация). Вследствие перекрытия электронных лавин коэффициент газового усиления при большей начальной ионизации будет меньше, чем при малой ионизации, импульсы от α- и β-частицы сближаются по своей величине до тех пор, пока при некотором напряжении не станут равны друг другу. Тогда мы вступим в область Гейгера или в область самостоятельного разряда. Эта область называется областью самостоятельного разряда потому, что в ней величина (амплитуда) импульса не зависит от начальной ионизации, т.е. самостоятельна по отношению к начальной ионизации. За областью Гейгера следует область непрерывного разряда, в которой в счетчике происходит образование электронных лавин и без начальной ионизации, т.е. наступает пробой счетчика.

За областью ограниченной пропорциональности следует область Гейгера, в которой величина импульсов совершенно не зависит от начальной ионизации; все импульсы при заданном напряжении независимо от рода ионизирующих частиц имеют одинаковую величину. Каждый вторичный электрон, возникший в объеме счетчика, вызывает вспышку самостоятельного раз­ряда.

Счетчики, работающие в области самостоятельного разряда (гейгеровская область), называются счетчиками Гейгера— Мюллера.

Если за гейгеровской областью продолжать повышение на­пряжения, то наступает область непрерывного (самопроизволь­ного) разряда, который уже не вызывается ионизацией. В этом случае счетчик не пригоден для измерения и может выйти из строя вследствие пробоя.

Гамма-кванты регистрируются счётчиком Гейгера – Мюллера по вторичным ионизирующим частицам - фотоэлектронам, комптоновским электронам, электронно-позитронным парам; нейтроны регистрируются по ядрам отдачи и продуктам ядерных реакций, возникающим в газе счётчика. Работает счётчик при напряжениях, соответствующих самостоятельному коронному разряду.

Этот счётчик обладает практически стопроцентной вероятностью регистрации заряженной частицы, так как для возникновения разряда достаточно одной электрон-ионной пары.

Конструктивно счётчик Гейгера устроен также как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой конденсатор (как правило, цилиндрический), с сильно неоднородным электрическим полем. К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал (анод), к внешнему – отрицательный (катод). Электроды заключены в герметически замкнутый резервуар, наполненный каким-либо газом до давления 13—26 кн/м2 (100—200 мм pm. ст.). К электродам счётчика прикладывается напряжение в несколько сот в. На нить подаётся знак + через сопротивление R.

Функционально счётчик Гейгера также повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией (газовое усиление), который способен ионизовать всю область вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. По существу, при попадании в счетчик Гейгера частицы в нём вспыхивает (зажигается) самостоятельный газовый разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым газом. При этом коэффициент газового усиления может достигать 10¹⁰, а величина импульса десятков вольт. Возникает вспышка коронного разряда и через счётчик течёт ток.

Распределение электрического поля в счётчике таково, что разряд развивается лишь в вблизи анода счётчика на расстоянии нескольких диаметров нити. Электроны быстро скапливаются на нити (не более 10^-6сек), вокруг которой образуется «чехол» из положительных ионов. Положительный пространственный заряд увеличивает эффективный диаметр анода и снижает тем самым напряжённость поля, поэтому разряд

прерывается. По мере удаления слоя положительных ионов от нити его экранирующее действие ослабляется и напряжённость поля вблизи анода становится достаточной для образования новой вспышки разряда.

Положительные ионы, приближаясь к катоду, выбивают из последнего электроны, в результате чего образуются нейтральные атомы инертного газа в возбуждённом состоянии. Возбуждённые атомы при достаточном приближении к катоду, выбивают из его поверхности электроны, которые становятся родоначальниками новых лавин. Без внешнего воздействия такой счётчик находился бы в длительном прерывистом разряде.

Таким образом, при достаточно большом R (108—1010 ом) на нити скапливается отрицательный заряд и разность потенциалов между нитью и катодом быстро падает, в результате чего разряд обрывается. После этого чувствительность счётчика восстанавливается через 10-1—10-3 сек (время разрядки ёмкости С через

сопротивление R). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду, и восстановилась чувствительность детектора. Такое большое время нечувствительности неудобно для многих применений.

Для практического использования несамогасящего счётчика Гейгера используются различные способы прекращения разряда:

а) Использование электронных схем гашения разряда в газе. Приспособленная для этого электронная схема, в

нужное время выдаёт на счётчик «противосигнал», который прекращает самостоятельный разряд и «выдерживает» счётчик на время до полной нейтрализации возникших заряженных частиц. Характеристики такого счётчика со схемой гашения разряда близки к характеристикам самогасящихся счётчиков и иногда превосходят их.

б) Гашение за счёт подбора величин нагрузочного сопротивления и эквивалентной ёмкости, а также

величины напряжения на счётчике.

В зависимости от механизма гашения разряда различают две группы счётчиков: несамогасящиеся и самогасящиеся. В несамогасящихся счётчиках «мёртвое» время слишком велико (10^-2 сек), для его уменьшения применяют электронные схемы гашения разряда, которые снижают разрешающее время до времени собирания положительных ионов на катоде (10-4 сек).

Сейчас несамогасящиеся счётчики, в которых гашение разрядов обеспечивается сопротивлением R, вытеснены самогасящимися счётчиками, которые к тому же более стабильны. В них благодаря специальному газовому наполнению (инертный газ с примесью сложных молекул, например паров спирта, и небольшой примесью галогенов — хлора, брома, йода) разряд сам собой обрывается даже при малых сопротивлениях R.

Время нечувствительности самогасящегося счётчика ~10^-4 сек.

В 1937 г. Трост обратил внимание на то обстоятельство, что если в счетчик, наполненный аргоном, добавить небольшое количество (несколько процентов) паров этилового спирта (С2H5OH), то разряд, вызванный в счетчике ионизирующей частицей, погаснет сам по себе. Впоследствии выяснилось, что самопроизвольное погасание разряда в счетчике имеет место и при добавлении к аргону паров других органических соединений, обладающих сложными многоатомными соединениями. Вещества эти называют

обычно гасящими, а счётчики Гейгера-Мюллера, в которых используются эти вещества, называются счетчиками - самогасящегося типа. Самогасящийся счётчик наполняется смесью двух (или нескольких) газов.

Один газ, основной, составляет в смеси около 90 %, другой, гасящий - около 10 %. Компоненты рабочей смеси должны удовлетворять обязательному условию, заключающемуся в том, что потенциал ионизации гасящего газа должен быть ниже первого потенциала возбуждения основного газа.

Самогасящиеся счётчики допускают большую скорость счёта без специальных электронных схем

гашения разряда, поэтому они нашли широкое применение. Самогасящиеся счётчики с органическими гасящими примесями имеют ограниченный срок работы (10⁸ -10¹⁰ импульсов). При использовании в качестве гасящей примеси одного из галогенов (чаще всего применяется менее активный Br₂) срок службы становится практически неограниченным из-за того, что двухатомные молекулы галогена после диссоциации на атомы (в процессе разряда) образуются снова. К недостаткам галогенных счётчиков следует отнести сложность технологии их изготовления из-за химической активности галогенов и большое время нарастания переднего фронта импульсов из-за прилипания первичных электронов к молекуле галогена. «Затягивание» переднего

фронта импульса в галогенных счётчиках делает их неприменимыми в схемах совпадений.

Основными характеристиками счётчика являются: счётная характеристика – зависимость скорости счёта от величины рабочего напряжения; эффективность счётчика – выраженное в процентах отношение числа считаемых частиц к числу всех частиц, попадающих в рабочий объём счётчика; разрешающее время –

минимальный интервал времени между импульсами, при котором они регистрируются раздельно и срок службы счётчиков.

Счетчики Гейгера–Мюллера широко применяются для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и других ионизирующих излучений: α - и β_-частиц, γ -квантов, световых и рентгеновских квантов, частиц космического излучения и т. д.

Список литературы

1. Алексеев С.Н. Электровакуумные приборы.: Учебное пособие/ С.Н. Алексеев. – Ульяновск: УлГТУ, 2003. – 158 с.

2. Харченко В.А. Основы электроники: Учебное пособие для техникумов/ Харченко В.А. – М.: Энергоиздат, 1982. - 352 с.