Материал: Газоразрядный детектор ионизирующих излучений - счетчик Гейгера-Мюллера (110
Для регистрации бета-частиц применяют СГМ одного из двух следующих типов. При низкой энергии бета-частиц с максимальной энергией бета-спектра ~0,8 МэВ применяют торцевые СГМ, в которых бета-частицы попадают в чувствительный объем счетчика через тонкий слой вещества
(слюды), толщиной 1–5 мг/см2 в торце счетчика.. При большой энергии бе- та-частиц с максимальной энергией бета-спектра выше 0,8 Мэв применяют СГМ с металлическим катодом (как и для гамма-излучения), например, из стали толщиной 40–60 мг/ см2.
В отличие от гамма-квантов бета-частицы обладают достаточно высокой ионизирующей способностью. Практически каждая бета-частица в слое газа толщиной ~1 см при нормальном давлении образует несколько ионэлектронных пар, что достаточно для возникновения самостоятельного разряда в СГМ. Поэтому эффективность регистрации бета-частиц близка к 1. Способность к регистрации бета-излучения СГМ зависит от толщины и свойств вещества, отделяющего чувствительный объем СГМ от бетаисточника.
16
Приложение 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕРТВОГО ВРЕМЕНИ
Определение мертвого времени СГМ методом Стевера
Рассмотрим отдельные стадии разряда в СГМ. При вспышке газового разряда, вызванной попаданием ионизирующей частицы, вокруг нити-анода образуется облако электронов и положительных ионов. Так как подвижность электронов велика по сравнению с подвижностью ионов, то электроны соберутся возле нити прежде, чем положительные ионы успевают от нее удалиться. При этом потенциал нити резко падает. Падение потенциала анода и наличие в объеме СГМ облака положительных ионов снижают величину электрического поля в области ударной ионизации счетчика до величины, при которой невозможно развитие самостоятельного разряда в счетчике. Частица, попавшая в объем СГМ в этот период, не будет зарегистрирована счетчиком.
По мере отхода положительных ионов от нити поле вблизи анода постепенно возрастает. Когда ионное облако отойдет от анода на достаточное расстояние, называемое критическим радиусом rкр, поле возрастает до величины, при которой становится возможным развитие самостоятельного разряда в счетчике.
Таким образом, с момента (t = 0) попадания инициирующей частицы, вызвавшей разряд в СГМ, и до момента (t = TМ), когда положительное ионное облако отойдет от анода на расстояние rкр, СГМ оказывается нечувствительным к ионизирующим частицам, попавшим в его объем. Интервал времени TМ называют мертвым временем счетчика.
Время, затрачиваемое на перемещение ионного облака от rкр до катода, называют временем восстановления τвост СГМ. По истечении этого времени поле внутри счетчика восстанавливается до исходного значения. Частица, попавшая в объем счетчика в период времени восстановления, вызывает разряд в счетчике. Однако амплитуда импульса при этом будет, меньше номинальной, в соответствии с пониженной напряженностью поля, вызванной экранирующими свойствами ионного облака.
Мертвое время и время восстановления СГМ можно измерить при помощи осциллографа со ждущей разверткой. Если присоединить выход ГСМ к осциллографу, то при малой частоте следования импульсов, каждый импульс будет запускать развертку. Луч осциллографа при этом нарисует на экране этот импульс так, что его начало будет совпадать с началом развертки (см. рис. 5 – сплошная линия).
Если теперь увеличивать интенсивность облучения СГМ, то все чаще будут иметь место случаи, когда один импульс запускает развертку, а следующий возникает раньше, чем луч осциллографа успевает пробежать весь экран.
17
Рис. 5. Определение мертвого времени и времени восстановления СГМ методом Стевера
Для этого импульса развертка работает как непрерывная. На экране осциллографа возникает картина, изображенная на рис. 5 пунктиром – в течение времени TМ импульсы отсутствуют, в течение TВ импульсы возникают, причем их амплитуда зависит от времени попадания в объем ГСМ. Номинального значения амплитуда импульсов достигает через время T = TМ + TВ, когда все положительные ионы от частицы, запустившей развертку, соберутся на катоде счетчика.
Электронная аппаратура, регистрирующая импульсы, поступающие с СГМ, обычно имеет некоторый ненулевой порог срабатывания. Поэтому, после регистрации счетчиком СГМ инициирующего импульса в момент времени t = 0, следующий импульс может зарегистрироваться только в момент времени t ≥ τ (см. рис. 5). Время τ называется временем разрешения измерительной установки. Очевидно, время разрешения не может быть меньше мертвого времени СГМ
Определение мертвого времени методом двух источников
Значения τ можно определить методом двух источников, используя два примерно одинаковых источника излучения. Этот метод основан на условии
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ν1 +ν2 =ν3 , |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ν = |
n1 ( |
t ) |
; ν |
2 |
= |
n2 ( t ) |
; ν |
3 |
= |
n3 ( t ) |
; |
|
|
|
|
|
|||||||||
1 |
|
t |
|
|
|
t |
|
t |
||||
n1 ( t ), |
( t ) |
|
|
|
||||||||
n2 |
– число частиц, попавших в СГМ за время t от первого и |
|||||||||||
от второго источников излучений соответственно;
18
n3 ( |
t ) – число частиц, попавших в СГМ за время |
|
t одновременно от двух |
||||||||||||||||
источников излучения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Тогда количество зарегистрированных частиц N1 ( t ), N2 ( t ) , |
||||||||||||||||||
N3 ( |
t ) и соответствующие интенсивности можно записать формулами: |
||||||||||||||||||
|
|
I = |
|
1 |
N ( |
t ) = |
|
|
ν1 |
|
, |
|
|
|
|||||
|
|
t |
1 |
+ν τ |
|
|
|||||||||||||
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
I2 = |
|
|
N2 ( |
t ) = |
|
|
ν2 |
|
; |
|
|
||||||
|
|
|
t |
1 |
+ν2τ |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
I3 = |
|
1 |
N3 ( |
t ) = |
|
|
ν3 |
, |
|
|
|||||||
|
|
t |
1 |
+ν3τ |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
если пренебречь фоном Iф < I1 , то справедливо выражение: |
|||||||||||||||||||
|
τ = |
I1 + I2 |
− I3 |
1 |
− |
I1 + I2 − I3 |
I |
3 |
. |
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
2I1 I2 |
|
|
|
|
4I1 I2 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
При ντ≤ 0,1можно τ определить по упрощенной формуле:
τ = I1 + I2 − I3 .
2I1 I2
Дисперсия τ оценивается по формуле:
D(τ) ≈ |
|
1 |
|
|
[I + I |
|
+ I |
|
]. |
4I 2I |
|
t |
|
|
|||||
|
2 |
1 |
2 |
|
3 |
|
|||
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
||
19
Приложение 3
ФОРМА ВЫХОДНОГО СИГНАЛА СГМ
Ионизирующее излучение, попадая в объем СГМ, может ионизировать с некоторой вероятностью газ, заполняющий СГМ, что вызывает вспышку самостоятельного газового разряда, если напряжение V, приложенное между катодом и анодом СГМ, превышает значение V3, называемое напряжением зажигания. Величина V3 зависит от радиусов анода ra и катода rк, давления Р и характеристик газа ϕ, g следующим образом:
VЗ = |
ϕ ln(rк / rа) |
. |
|||
|
|||||
|
|
|
g |
|
|
|
ln 1 |
+ |
|
|
|
|
P r |
||||
|
|
|
|
||
|
|
|
а |
||
Ток разряда приблизительно можно представить в виде J = (V −V3 )
Rb ,
где Rb – внутреннее сопротивление счетчика. Величину (V – V3) называют напряжением на счетчике. Величину Rb характеризует формула:
Rb = rk2 ln rk 
ra , 2K l V3
где l – длина чувствительного (газоразрядного) объема счетчика, K – эмпирическая константа.
Форма импульса напряжения
нии несамогасящегося СГМ в электрическую цепь, показанную на рис. 1, задается приблизительным выражением:
|
U (t ) = V (t ) =V0 −V (t ) = |
R |
(V0 −V3 )(1−e−t τ ), для t ≤ tm , |
||
|
|
||||
|
R Rb |
|
R + Rb |
||
где τ = |
C – постоянная времени электрической цепи (рис. 1) с сопро- |
||||
R + R |
|||||
|
|
|
|
||
|
b |
|
|
|
|
тивлением нагрузки R счетчика и эквивалентной емкостью С, tm – момент времени, в который импульс U (t ) достигает максимального амплитудного
значения U (t = tm )=Um .
Для t > tm U (t ) =Um e−t
τ . Если R >> Rb , то для t < tm формула для U (t ) имеет вид:
U(t ) = (V0 −V (t )) (1−e−t
τ ), для t < tm .
Всамогасящемся СГМ для интервала от момента зажигания разряда до полного завершения активной стадии разряда зависимость величины импульса от времени имеет вид:
|
qυ |
t |
|
t |
|
|
|
|
|||||
U (t ) = V (t ) = |
e−t τ ∫et τ ln |
+1 dt , |
||||
2Cl ln rk ra |
|
|||||
|
0 |
t0 |
|
|||
|
|
|
|
|
||
20