У торцовых счетчиков Гейгера – Мюллера !рис. 32) в металлическом или стеклянном металлизированном корпусе !катоде) в торцовой части имеется тонкое слюдяное окно.
Конец металлической нити !анода) закрыт стеклянной бусинкой для предотвращения коронного разряда.
Торцовые счетчики служат для регистрации альфа-излучения и мягкого бета-излучения, а цилиндрические – для регистрации жесткого бета- и гамма-излучения.
Счетчик Гейгера – Мюллера заполняется нейтральным газом, чаще всего инертным !аргоном или неоном), под давлением 7–200 мм рт. ст.
Электроды счетчика находятся под напряжением порядка 250–2000 В. Величина рабочего напряжения зависит от конструкции счетчика и состава заполняющей его газовой смеси. Ионизирующее излучение проникает в торцовый счетчик через слюдяное окошко.
Первичные электроны, входящие в состав регистрируемого излучения, а также вторичные электроны, выбитые излучением из боковой стенки или атомов газа, ускоряются электрическим полем и устремляются к аноду. Проходя через газ, они вызывают ионизацию и возбуждение встречающихся на их пути атомов. Освобождающиеся при этом дополнительные электроны также ускоряются электрическим полем и, двигаясь к аноду, производят ионизацию новых атомов. Образующиеся положительные ионы движутся к катоду.
Таким образом, попадание в счетчик ионизирующей частицы !электрона, позитрона, альфа-частицы, гамма-кванта, нейтрона и т. д.) с энергией, достаточной для образования хотя бы одной электронноионной пары, способно вызвать появление целой лавины электронов и положительных ионов.
Возникающий в счетчике газовый разряд является самостоятельным. Механизм его развития можно объяснить следующим образом.
Электроны, образующие первичную лавину, движутся в счетчике к аноду, положительные ионы – к катоду. Положительные ионы, достигая катода, вырывают из него электроны, присоединяют их к себе и нейтрализуются. При этом существует вероятность того, что положи-
85
тельные ионы вырывают из катода больше электронов, чем необходимо для их нейтрализации. Эти дополнительные свободные электроны, ускоренные электрическим полем, порождают новые электронноионные лавины. Если энергия электронов недостаточна для ионизации газа, то при столкновении с ними нейтральные атомы переходят в возбужденное состояние. Возвращение атомов в основное состояние сопровождается испусканием фотонов.
Наряду с ионизацией в газе протекает и противоположный процесс – рекомбинация положительных ионов и электронов. При воссоединении положительных ионов и электронов возникает электромагнитное излучение, так называемое рекомбинационное свечение. Свечение нейтральных атомов при снятии возбуждения и рекомбинационное свечение !в основном ультрафиолетовое) вызывают фотоэффект – вырывание электронов из внутренней поверхности катода. Фотоэлектроны, как и дополнительные электроны, вырванные из катода при нейтрализации на нем положительных ионов, ускоряются электрическим полем и движутся к аноду, порождая новые электронно-ионные лавины и возбуждая нейтральные атомы.
В результате многократного повторения описанных процессов в счетчике возникает самоподдерживающийся !самостоятельный) газовый разряд, являющийся откликом на попадание в его рабочий объем ионизирующей частицы. Для того чтобы счетчик смог отреагировать на появление в нем следующей частицы, входящей в состав регистрируемого излучения, самостоятельный разряд в счетчике необходимо погасить.
По способу гашения самостоятельного газового разряда счетчики Гейгера – Мюллера делятся на несамогасящиеся и самогасящиеся.
Цилиндрический счетчик Гейгера – Мюллера представляет собой герметично запаянную тонкостенную металлическую или стеклянную металлизированную трубку !катод), вдоль оси которой натянута тонкая металлическая нить !анод)
Первичные электроны, входящие в состав регистрируемого излучения, а также вторичные электроны, выбитые излучением из боковой стенки или атомов газа, ускоряются электрическим полем и устремляются к аноду. Проходя через газ, они вызывают ионизацию и возбуждение встречающихся на их пути атомов. Освобождающиеся при этом дополнительные электроны также ускоряются электрическим полем и, двигаясь к аноду, производят ионизацию новых атомов. Образующиеся положительные ионы движутся к катоду.
Ионизирующее излучение проникает в цилиндрический счетчик через его боковую поверхность.
Таким образом, попадание в счетчик ионизирующей частицы !электрона, позитрона, альфа-частицы, гамма-кванта, нейтрона и т. д.) с энергией, достаточной для образования хотя бы одной электронноионной пары, способно вызвать появление целой лавины электронов и положительных ионов.
Возникающий в счетчике газовый разряд является самостоятельным. Механизм его развития можно объяснить следующим образом.
Электроны, образующие первичную лавину, движутся в счетчике к аноду, положительные ионы – к катоду. Положительные ионы, достигая катода, вырывают из него электроны, присоединяют их к себе и нейтрализуются. При этом существует вероятность того, что положи-
85
тельные ионы вырывают из катода больше электронов, чем необходимо для их нейтрализации. Эти дополнительные свободные электроны, ускоренные электрическим полем, порождают новые электронноионные лавины. Если энергия электронов недостаточна для ионизации газа, то при столкновении с ними нейтральные атомы переходят в возбужденное состояние. Возвращение атомов в основное состояние сопровождается испусканием фотонов.
Наряду с ионизацией в газе протекает и противоположный процесс – рекомбинация положительных ионов и электронов. При воссоединении положительных ионов и электронов возникает электромагнитное излучение, так называемое рекомбинационное свечение. Свечение нейтральных атомов при снятии возбуждения и рекомбинационное свечение !в основном ультрафиолетовое) вызывают фотоэффект – вырывание электронов из внутренней поверхности катода. Фотоэлектроны, как и дополнительные электроны, вырванные из катода при нейтрализации на нем положительных ионов, ускоряются электрическим полем и движутся к аноду, порождая новые электронно-ионные лавины и возбуждая нейтральные атомы.
В результате многократного повторения описанных процессов в счетчике возникает самоподдерживающийся !самостоятельный) газовый разряд, являющийся откликом на попадание в его рабочий объем ионизирующей частицы. Для того чтобы счетчик смог отреагировать на появление в нем следующей частицы, входящей в состав регистрируемого излучения, самостоятельный разряд в счетчике необходимо погасить.
По способу гашения самостоятельного газового разряда счетчики Гейгера – Мюллера делятся на несамогасящиеся и самогасящиеся.
Счетная характеристика. Импульс тока, возникающий в газоразрядных счетчиках обоих типов, зависит от напряжения между его электродами и не всегда совпадает с числом пронизывающих его частиц. Счетная характеристика – зависимость числа импульсов n, регистрируемых счетчиком в единицу времени, от напряжения Uсч, приложенного между его электродами (рис. 34).
При напряжении Uсч< U0 (U0 – напряжение зажигания) электрические импульсы в цепи анода не возникают. Счетчик «не чувствует» пронизывающего его ионизирующего излучения. Это связано с тем, что при Uсч<U0 электронно-ионные пары, образующиеся в рабочем объеме счетчика под воздействием ионизирующего излучения, рекомбинируют, не успевая достигнуть электродов.
С ростом напряжения процессы рекомбинации становятся менее вероятными, чем ионизация атомов, что и приводит к росту числа частиц, регистрируемых счетчиком в интервале значений напряжения от U0 до Uн.п. При дальнейшем повышении напряжения от Uн.п до Uк.п число им-
88
пульсов n, регистрируемых счетчиком в единицу времени, становится практически постоянным.
При напряжении Uн.п ² Uсч ² Uк.п появление в объеме счетчика ионизирующей частицы, создающей хотя бы одну электроннопозитронную пару, приводит к возникновению в цепи счетчика одного электрического импульса. Счетчик работает в гейгеровской области.
Рабочие характеристики счетчиков Гейгера–Мюллера.
Основные характеристики счетчика Гейгера – Мюллера.
Cчетная характеристика – зависимость скорости счета от величины рабочего напряжения.
Счетная характеристика. Импульс тока, возникающий в газоразрядных счетчиках обоих типов, зависит от напряжения между его электродами и не всегда совпадает с числом пронизывающих его частиц. Счетная характеристика – зависимость числа импульсов n, регистрируемых счетчиком в единицу времени, от напряжения Uсч, приложенного между его электродами
Эффективность регистрации счетчика – выраженное в процентах отношение числа считаемых частиц к числу всех частиц, попадающих в рабочий объем счетчика.
Эффективность регистрации счетчика. При измерении числа частиц, попадающих в детектор, требования к функции отклика детектора очень скромные – эта функция определяет только вероятность создания и регистрации сигнала измерительным устройством при попадании частицы в детектор. Не каждая частица !особенно незаряженные – фотон, нейтрон) провзаимодействует с детектором при попадании в него.
При работе со счетчиком следует иметь в виду, что даже в гейгеровской области счетчик реагирует не на все пронизывающие его частицы. Отношение числа зарегистрированных частиц !фотонов) к числу частиц !фотонов), попавших в счетчик, называют эффективностью регистрации. Эффективность регистрации зависит от энергии частиц и вероятности их взаимодействия с материалом стенок и окошка счетчика, а также с атомами и молекулами газа, заполняющего его объем.
Более того, даже если взаимодействие и произошло, то сигнал будет зарегистрирован тогда, когда его величина будет превышать уровень чувствительности регистрирующей системы. Вероятность регистрации может зависеть от вида излучения и его энергии, размеров детектора, удаленности и геометрической формы источников излучения, уровня дискриминации регистрирующего устройства !уровня чувствительности).
Разрешающее время !состоит из мертвого времени и времени восстановления) – минимальный интервал времени между импульсами, при котором они регистрируются раздельно.
Разрешающее время – отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера – Мюллера и фактически определяющий его быстродействие – мертвое время, которое является важной его паспортной характеристикой
4. Срок службы счетчиков.
Форма импульса на выходе счетчика характеризует в основном процессы, происходящие в нем. Эти процессы в истинных счетчиках, таких как счетчик Гейгера – Мюллера или искровой счетчик, практически не зависят от природы частицы. Однако форма импульса может сильно зависеть от места прохождения частицы через детектор.
Сигнал на выходе пропорционального детектора пропорционален поглощенной в его объеме энергии. Любой пропорциональный детектор может работать как счетчик частиц.
При измерениях загрязнений внешней среды наибольшее распространение получили приборы с полупроводниковыми, сцинтилляционными и газоразрядными детекторами, которые обладают высокой чувствительностью и позволяют вести счет отдельных частиц и фотонов, а также измерять их энергию. Реже для оценки загрязнений внешней среды используют приборы с ионизационными камерами, имеющими меньшую чувствительность.
Одна из основных характеристик счетчика – эффективность регистрации частиц. Она определяется из следующего отношения:
Эффективность регистрации счетчика Гейгера - Мюллера. При измерении числа частиц, попадающих в детектор, требования к функции отклика детектора очень скромные – эта функция определяет только вероятность создания и регистрации сигнала измерительным устройством при попадании частицы в детектор. Не каждая частица !особенно незаряженные – фотон, нейтрон) провзаимодействует с детектором при попадании в него.
При работе со счетчиком следует иметь в виду, что даже в гейгеровской области счетчик реагирует не на все пронизывающие его частицы. Отношение числа зарегистрированных частиц !фотонов) к числу частиц !фотонов), попавших в счетчик, называют эффективностью регистрации. Эффективность регистрации зависит от энергии частиц и вероятности их взаимодействия с материалом стенок и окошка счетчика, а также с атомами и молекулами газа, заполняющего его объем.
Более того, даже если взаимодействие и произошло, то сигнал будет зарегистрирован тогда, когда его величина будет превышать уровень чувствительности регистрирующей системы. Вероятность регистрации может зависеть от вида излучения и его энергии, размеров детектора, удаленности и геометрической формы источников излучения, уровня дискриминации регистрирующего устройства !уровня чувствительности).
Вероятность регистрации может быть нормирована по-разному: – к активности источника; – к числу частиц, попавших в детектор; – к потоку частиц в том месте, где расположен детектор.
Устройство и принцип работы сцинтилляционного детектора.
Современный сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора, световода, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), в котором энергия световых вспышек через посредство фотоэффекта преобразуется в импульсы электрического тока.
Устройство и принцип работы фотоумножителя. Фотоэлектронный умножитель состоит из фотокатода, фокусирующей системы, умножительной системы (динодов), анода (коллектора). Все эти элементы располагаются в стеклянном баллоне, воздух из которого откачан до высокого вакуума (10–6 мм рт. ст.)
Импульс света, возникающий в сцинтилляторе при прохождении через него ионизирующей частицы или кванта, регистрируется с помощью фотоэлектронного умножителя.
Попадая сквозь прозрачное окно на фотокатод умножителя, кванты света вырывают из светочувствительного слоя некоторое количество электронов. Фотоэлектроны ускоряются и фокусируются электрическим полем в вакууме так, что ударяются в специальный электрод, называемый динодом.
Динод изготавливается из вещества с малой работой выхода, способного при бомбардировке электронами испускать вторичные электроны в количестве, превышающем число первичных в несколько раз. Электроны, вылетающие из динода, вновь ускоряются электрическим полем и направляются на следующий динод, также являющийся эмиттером вторичных электронов. Работа выхода – энергия, которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объема твердого тела. Здесь «непосредственность» означает то, что электрон удаляется из твердого тела через данную поверхность и перемещается в точку, которая расположена достаточно далеко от поверхности по атомным масштабам (чтобы электрон прошел весь двойной слой), но достаточно близко по сравнению с размерами макроскопических граней кристалла.