Главная >  Атомное ядро и ядерные превращения 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 [ 39 ] 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Счетная (рабочая) характеристика счетчика Гейгера - Мюллера

Счетной, или рабочей, характеристикой счетчика называется зависимость числа частиц в единицу времени Njt, - зарегистрированных счетчиком (т. е. скорости счета), от напряжения и между нитью и катодом при неизменных прочих условиях (активность образца, его расположение и т. д.). Эта характеристика может быть получена опытным путем значительно проще, чем вольтамперная, с помощью радиометрического прибора.

Примерный вид счетной характеристики показан на рис, 50. Эта характеристика состоит из трех участков. Первый, наклонный, участок соответствует такому интерва.пу напряжений, г.


Рнс. 50. Примерный вид счетной .чарактеристикч счетчика Гейгера: Njt - число частиц, зарегистрированных счетчико.м в .м1шуту

котором не все частицы регистрируются счетчиком. Как показывает опыт, начало этого участка (порог счета) совпадает с началом области Гейгера на вольтамперной характеристике. При напряжении вероятность возникновения са.мостоятель-иого разряда (регистрируемого прибором) тем больше, чем больше первичных электронов создает частица в объеме счетчика и чем больше напряжение. Поэтому при напряжениях, близких к и, самостоятельный разряд вызывают только те частицы, которые создают много первичных электронов, т. е. частицы с большой ионизирующей способностью. При увеличении напряжения вероятность самостоятельного разряда растет и оп может быть вызван частицами с меньшей ионизирующей спо-спобностью, отчего растет скорость счета. При некотором достаточно большом напряжении (7д вероятность самостоятельного разряда приближается к 1 и регистрируются все частицы, создавшие в объеме счетчика первичные электроны. Поэтому дальнейшее повышение напряжения не должно вызывать увеличения скорости счета и характеристика переходит во второй, почти горизонтальный участок АВ плато). Некоторое отклонение


характеристики от горизонтального положения в этом участке объясняется самопроизвольными ложными разрядами, возникающими в счетчике помимо разрядов, вызванных регистрируемым излучением. Число самопроизвольных разрядов растет с напряжением и в конце плато становится настолько большим, что характеристика начинает круто возрастать и переходит в третий участок - участок самопроизвольного, нсгаснущего разряда.

Возникновение самопроизвольных разрядов связано с появлением в объеме счетчика большого количества свободных электронов, которые, двигаясь иод действием электрического поля к нити счетчика, вызывают самостоятельный разряд. Причины появления свободных Электронов окончательно еще не выяснены. Экспериментально установлено, что их количество растет с увеличением тока в разряде и, следовательно, с повышением напряжения. Установлено также, что число ложных разрядов увеличивается в следующих случаях:

1) при наполнении счетчика газом, в котором возможны ме-тастабильыые состояния. Метастабильные атомы испускают фотоны после окончания разряда;

2) при изготовлении катода из материала с малой работой выхода;

3) при загрязнении катода частичками пыли и грязи.

Кроме указанных явлений, при увеличении напряжения растет разрядный ток и, следовательно, число молекул, участвующих в разряде. Поэтому в самогасящн.хся счетчиках растет и число тех молекул гасящего газа, которые освободят на катоде электрон раньше, чем произойдет их диссоциация.

По указанным причинам для удлинения плато и уменьшения его наклона принимаются следующие меры:

1. Добавляют к основному газу небольшое количество примеси, у которой потенциал ионизации (например, у аргона 15,8 в) немного ниже потенциала возбуждения метастабильного уровня основного газа (например, у неона 16,6 в). При этом еще в процессе разряда метастабильные атомы, сталкиваясь с атомами примеси, отдают им свою энергию и ионизируют их (удар 2-го рода).

2. Избегают применения для катодов материалов с малой работой выхода и используют для этой цели медь, графит, сталь и алюминий, причем алюминий покрывают изнутри цапон-лаком, чтобы устранить возможность образования окислов, обладающих малой работой выхода

3. Счетчик перед откачкой дегазируют, т. е. прогревают или тренируют разрядным током в атмосфере кислорода. В результате из металла выделяются окклюдированные в нем газы.



4. Тщательно очищают материал катода от грязи и пыли промывкой и отжигом.

Практическое значение счетной характеристики заключается в том, что она позволяет определить качество счетчика и выбрать его рабочее напряжение. Качество счетчика тем выще, чем ниже у него порог счета, длиннее участок плато и чем меньше наклон


Рис. 51. Определение качества счетчика по его

счетной .характеристике: а - норма-1ьн.чя характеристика: б - короткое плато; в - наклонное плато; г - повышенный порог счета


Рис. 52. Се\гейство счетных характеристик при различном Ч1кле частиц в минуту, действующих иа счетчик

этого участка (рис. 51). Рабочее напряжение должно соответствовать участку плато. В этом участке, во-первых, получается наибольшая чувствительность счетчика, во-вторых, скорость счета пропорциональна числу частиц в минуту, действующих на счетчик (рис. 52); кроме того, она мало зависит от напряжения которое может быть нестабильным. Выбирая напряжение в пределах плато, следует стремиться к тому, чтобы оно было по возможности меньшим (примерно отстояло на несколько десятков вольт от левого края плато), так как в левой части плато меньше самопроизвольных разрядов. В самогасящихся счетчиках выбор напряжения в левой части плато удлиняет срок непрерывной работы, так как чем ниже напряжение, тем меньше и сила тока (см. область Гейгера в вольтамперной характеристике рис 44) и, следовательно, в разряде участвует (и диссоциирует) меньше молекул гасящего газа.


Газовые счетчики частиц для различных излучений

После описания общих принципов устройства газовых счетчиков частиц следует указать на их особенности, связанные с применением для регистрации различных излучений.

Для счета а-частиц, как было указано, применяются пропорциональные счетчики, позволяющие отделить большие импульсы тока, созданные а-част]1цами, от остальных импульсов (в том числе От помех), а также произвести анализ и-частиц по энергиям. Такие счетчики обычно делают открытыми, чтобы исключить поглощение а-частиц. При этом режим газового усиления получается при сравнительно большом напряжении порядка киловольт, а величина импульсов тока получается недостаточной для пх непосредственной регистрации. Поэтому применяются ламповые усилители, состоящие из нескольких каскадов. Для уменьшения рабочего напряжения и увеличения импульсов тока а-частицы регистрируют также и счетчиками Гейгера-Мюллера. Эти счетчики называются торцовыми, так как у них один торец трубки закрыт тонкой слюдяной пластинкой, через kotoj рую могут проходить а-частицы. Анод в виде стержня толщиной порядка четверти миллиметра закреплен в другом торце трубки; на свободном его конце укреплена стеклянная бусинка для устранения самопроизвольных разрядов на острие.

Торцовые счетчики Гейгера - Мюллера применяются также для регистрации мягкого (З-излучения с энергиями частиц порядка десятков и первых сотен килоэлектронвольт. Для более жесткого (5-излучения (частицы с энергиями более 300 кэв) используются р-счетчики обычного типа. Эти счетчики состоят из металлической тонкостенной трубки (обычно гофрированной для увеличения прочности), которая служит катодом, и нити (анода), укрепленной на ее оси на изолирующих пробках. Толщина оболочки эквивалентна примерно 20 мг1см, поэтому (З-частицы указанных энергий проникают внутрь счетчика и вызывают ионизацию газа. Материалом стенки является алюминий, если счетчик наполнен аргоном со спиртом в качестве гасящего газа. Для галогенных счетчиков обычно применяют сталь во избежание химического взаимодействия материала катода с гасящим газом, поинженшя его давления и ухудшения его гасящих свойств.

Гамма-счетчики непосредственно не регистрируют фотоны. Разряд в них вызывается быстры.ми электронами, возникаюнги-ми в катоде счетчика в результате воздействия на него у-излучения. Для повышения вероятности процессов, вызывающих появление быстрых электронов (фотоэффект, комптон-эффект), необходимо увеличить толщину катода счетчика. Однако толщина катода не должна превосходить максимальную длину свободного пробега вторичных электронов в материале катода. При боль-



шой его толщине увеличится только поглощение у-фотонов, но число вторичных электронов, попадающих внутрь счетчика, уже не будет увеличиваться. Так как этот пробег для существуюи:их катодов (медь, акводаг) не превыщает десятых долей миллиметра, то эти катоды изготовляют в виде тонкого слоя, нанесенного на внутренней поверхности стеклянной трубки *. Поэтому у-счетчикп обычно бывают стеклянными , причем стекло одновременно служит изолятором, на котором крепится нить. В качестве материала для нити служит вольфрам, который легко может быть впаян в стекло. Материалы, выбранные для катода, отличаются больщой работой выхода, что необходимо для уменьщения фотоэмиссии, которая может вызвать ложные разряды под действием света. Ограниченная толщина катода является нри-чниой низкой эффективности газового у-счетчика, которая бывает порядка 0,1 - 1%

В счетчиках нейтронов используются те же принципы, что и в соответствующих ионизационных камерах. Счетчики медленных тепловых нейтронов наполняются BF3, в котором нейтрон в результате указанной ранее реакции создает ядра лития и гелия (а-частицы) с энергиями 0,9 и 1,6 Мэе соответственно. При полном использовании пробега этих частиц образуется 80000 пар ионов. Поэтому режим может быть выбран таким же, как и у счетчика а-частиц, т. е. пропорциональным, что позволяет отделять импульсы тока, вызванные нейтронами, от других. Для счета медленных нейтронов можно использовать также и стенки, покрывая их изнутри веществом, содержащим бор (бура, карбид бора). Эффективность этих счетчиков для медленных нейтронов порядка нескольких процентов. Для быстрых нейтронов эффективность этих счетчиков очень мала, поскольку вероятность

реакции пропорциональна --, где и - скорость нейтронов.

В этом случае нримеияются счетчики, наполненные метаном или другими углеводорода.ми, либо со стенками, покрыты.ми водо-родсодержащими материалами (например, глицерин).

Сцинтилляционные счетчики

Описанные выше счетчики частиц обладают рядом существенных недостатков, а именно:

1) недостаточной разрешающей способностью, не превышающей 10- сек.;

2) недостаточной эффективностью, особенно для у-излучения;

* В галогенны.х у-счетчнках делается стальной катод в виде отдельной трубки, смонтированной внутри стеклянной.

** Эффективностью счетчика называется отноюение числа разрядов в счетчике к числу у-татоъ, падающих на поверхность его катода.


3) отсутствием пропорциональности величины импульса ионизирующей способности излучения в счетчиках Гейгера и малой величиной импульса тока в пропорциональных счетчиках.

Эти недостатки в значительной мере преодолены в сцинтил-ляционных счетчиках. Они состоят из двух элементов - сцин-тиллятора и фотоэлектронного умножителя.

Назначение сцинтиллятора - преобразование регистрируемых частиц во вспышки света (сцинтилляции). Эти сцинтилляции воздействуют иа фотоэлектронный умножитель, весьма чувствительный электронный прибор, преобразующий сцинтилляции в импульсы электрического тока, сосчитываемые радиометрическим прибором.

Сбет

Рис. 53. Принцип действия фотоэлектронного умножителя

Фотоэлектронные умножители Фотоэлектронные умножители представляют собой комбинацию вакуумного фотоэлемента с усилителем тока, в котором многократно используется вторичная эмиссия. Так же как и фотоэлементы, они преобразуют световой поток в электрический ток, но отличаются от них гораздо более высокой (в миллионы раз) чувствительностью. Они позволяют регистрировать измерительными приборами ничтожные световые потоки (от lO- до 1 0- люменов)

Приниии действия умножителя показан на рис. 53. В стеклянной вакуумной трубке помещена систем.а электродов, поверхность которых обработана таким образом, что их способность к фотоэмиссии и вторичной эмиссии повышается. Перв.ый электрод служит фотокатодом, на который направляется регистрируемый световой поток. К каждому электроду приложено напряжение таким образом, чтобы потенциал повышался от электрода к электроду в порядке, обозначенном буквами Л, В, С и т. д. Электроны, испускаемые фотокатодом под действием

Напомним, что 1 люмен (лм) - это световой поток, падающий на поверхность в 1 при освещенности ее в 1 люкс (лк). 1 лк - освещенность, создаваемая источником света в 1 свечу (св) на расстоянии 1 м. Че ловеческий глаз может улавливать световые потоки порядка 10 лм.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 [ 39 ] 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70