spez_fiz_pr_zachita

71

u ~ 1 см2/(В с) и из-за большого пути их дрейфа, так что t ~ 10 мс. Можно измерить быструю составляющую импульса, обусловленную

отрицательных носителей заряда вблизи анодной проволочки, что хорошо видно на рис. 3.14.

3.2.2. Счетчик Гейгера–Мюллера

Счетчик Гейгера–Мюллера относится к ионизационным детекторам, работающим в режиме самостоятельного газового разряда. Счетчик применяется для регистрации заряженных и незаряженных частиц. Регистрация незаряженных частиц осуществляется по вторичным заряженным частицам, возникающим при взаимодействии незаряженных частиц с рабочим веществом детектора.

Счетчик Гейгера–Мюллера имеет цилиндрическую форму: катодом служит металлический или стеклянный с металлическим покрытием цилиндр, анодом – тонкая металлическая нить, натянутая вдоль оси катода.

72

ионов уменьшает напряженность поля возле анода настолько, что вновь приходящие в эту область электроны уже не образуют лавин. Однако, как только положительные ионы достигают катода (примерно через 1 мс) и там рождают вторичные электроны (например, %-электроны), образование лавин на анодной проволочке может начаться снова. Гашение разряда может быть осуществлено внешним образом путем выбора настолько большой величины сопротивления нагрузки R , через которую протекает анодный ток I , что падение напряжения (I R) приведет к снижению на некоторый момент

анодного потенциала до величины U0 (I R) – меньшей, чем нижний предел

области Гейгера–Мюллера.

Рассмотрим качественно процесс, происходящий в цилиндрическом счетчике с тонкой нитью и напряжением, достаточным для самостоятельного разряда. Пусть счетчик подключен к измерительному прибору, как это показано на рис. 3.15, и пусть постоянная RC много больше времени движения положительных ионов от анода к катоду. Электроны и ионы, появившиеся после прохождения в счетчике заряженной частицы, движутся в направлении соответствующих электродов. Электроны достигнут нити за время 10–7–10–8 с, образовав по пути новые электроны, ионы и возбужденные молекулы газа. Эти молекулы испускают коротковолновое излучение, которое выбивает фотоэлектроны из катода и молекул газа.

образованные положительные ионы практически остаются на месте, так как их подвижность намного меньше подвижности электронов. Вторичная ионизация происходит вблизи нити, поэтому вокруг нити образуется трубка положительных зарядов, которые снижают напряженность поля вблизи нити и тем самым практически прекращают образование новых электроннофотонных лавин. Образовавшиеся ионы движутся в направлении катода. По мере их продвижения происходит зарядка конденсатора и снижение разности потенциалов на счетчике, но в то же время влияние объемного заряда уменьшается по мере приближения ионов к катоду.

При подходе к катоду на расстояние примерно 10–7 см происходит нейтрализация ионов, и могут образовываться молекулы в возбужденных состояниях.

Допустим, что энергии возбужденных состояний превышают работу выхода электронов из катода или энергию ионизации других молекул. Тогда при подходе ионов к катоду могут появиться электроны. Если при этом окажется, что напряжение на счетчике с учетом заряда емкости выше Uзаж., то

вновь в счетчике начнется разряд. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока на емкости не накопится такой заряд, что результирующая разность потенциалов окажется ниже Uзаж.. B каждой последующей ступени разряда

будет образовываться все меньшее количество ионов. На рис. 3.15 показано накопление заряда на конденсаторе.

Такое представление о разряде в виде отдельных ступенек не совсем

74

верное, поскольку отдельные стадии процесса могут значительно перекрываться. Из приведенного качественного рассмотрения ясно, что для прекращения разряда на конденсаторе C необходимо иметь заряд Q ~ (U Uзаж.) , а это возможно в том случае, если сопротивление утечки

будет достаточно велико, чтобы конденсатор не успел заметно разрядиться за время движения ионов от анода к катоду.

Емкость C целесообразно сделать по возможности меньше. Для емкости около 10 пФ и времени движения ионов около 10–4 с получим, что сопротивление должно быть больше или порядка 108 Ом. Это означает, что время разрядки емкости более 10–3 с. Временные характеристики такого счетчика не могут удовлетворить требованиям многих измерений. Однако в настоящее время несамогасящиеся счетчики Гейгера–Мюллера вытеснены самогасящимися счетчиками, в которых разряд прерывается в силу особых свойств его развития.

Самогасящиеся счетчики. В самогасящемся счетчике процесс протекает иначе благодаря добавлению к основному газу (например, аргону) гасящих примесей, которые предотвращают распространение ультрафиолетовых квантов. Для наполнения объема счетчика используют смесь газов, состоящую из основного газа (обычно аргон около 90%) и примесного (гасящего) газа (около 10%), представляющего собой сложное органическое соединение.

Компоненты рабочей смеси счетчика должны удовлетворять следующему условию: потенциал ионизации гасящего газа должен быть меньше первого потенциала возбуждения основного газа ( Ar ). Такими гасящими добавками являются, например, пары органических жидкостей, эфир, спирт – C2 H5OH , метан –CH4 , этан – C2 H6 , изобутан – C4 H10 , метилаль – (OCH3 )2 CH2 . Добавки могут поглощать УФ-кванты в области

100–200 нм и, при соответствующей концентрации, уменьшать длину пролета этих квантов до размера диаметра анодной проволочки.

Электроны, образованные на следе заряженной частицы в газовом промежутке счетчика, под действием внешнего электрического поля дрейфуют к аноду. Цилиндрическая конфигурация детектора обеспечивает

первичной ионизации, будут вблизи анода возбуждать и ионизовать молекулы добавок (спирта) и главным образом атомы аргона.

Наряду с ионизацией вблизи анода имеет место возбуждение молекул и атомов газа. Возбужденные атомы аргона испускают фотоны, которые интенсивно поглощаются молекулами примесного газа. Это приводит к фотоионизации молекул примеси в области около анода и образованию дополнительных свободных электронов, дающих начало новым электронноионным лавинам.

Ионизация примеси фотонами происходит вблизи нити, поэтому разряд начинает распространяться вдоль нити, пока весь счетчик не будет охвачен разрядом. Далекие от нити счетчика области не будут участвовать в

75

развитии разряда, поскольку фотоны, испускаемые атомами аргона, имеют малые пробеги, а возбужденные атомы сконцентрированы вблизи нити. Благодаря короткой длине пролета, фотоны захватываются гасящими примесями на близком расстоянии от нити и не достигают катода, поэтому не могут рождать там фотоэлектроны.

Электроны, имеющие большую подвижность, быстро собираются на катоде, а ионы создают около нити объемный положительный заряд в виде трубки положительно заряженных ионов. Этот заряд понижает напряженность электрического поля вблизи нити до значения, при котором ударная ионизация уже невозможна, и активная стадия разряда заканчивается.

Несмотря на существенное различие в протекании этой стадии разряда, она заканчивается точно так же, как и в несамогасящемся счетчике, образованием положительного пространственного заряда вблизи нити. Пространственный заряд приводит к затуханию электроно-фотонных лавин.

При дрейфе из области ударной ионизации электронов и ионов через счетчик течет электрический ток и во внешней цепи появляется импульс напряжения. Ионы аргона при дрейфе к катоду испытывают много

соударений ( 104) с молекулами гасящего газа. Так как потенциал ионизации гасящей добавки меньше потенциала ионизации аргона, а это условие является обязательным при выборе гасящей смеси, то, в конечном счете, ион аргона захватывает электрон от молекулы гасящего газа и нейтрализуется. Поэтому к катоду подходят в основном ионы гасящего газа, которые, в отличие от ионов аргона, не вырывают с поверхности катода свободные электроны, способные вызвать повторную стадию разряда. Таким образом, разряд гаснет самостоятельно. Поскольку прекращение разряда в самогасящемся счетчике связано с процессами в его рабочем объеме, нет необходимости использовать слишком большое сопротивление нагрузки.

Полная длительность процессов в счетчике определяется временем дрейфа положительных ионов, которое примерно равно 10–4 с. Вместе с тем следует отметить, что начальные стадии разряда (электронно-фотонные лавины) протекают достаточно быстро (10–7–10–8 с), поэтому с помощью счетчиков Гейгера–Мюллера можно регистрировать момент прохождения через него частицы с точностью до 10–8 с.

Сопротивление нагрузки может быть выбрано существенно меньшей, чем для несамогасящегося счетчика. При этом, постоянная времени формирования импульса RC может быть уменьшена до величины 10–6 с. Для счетчика средних размеров оптимальное значение сопротивления нагрузки лежит в диапазоне 105–106 Ом. При таком выборе сопротивления время нарастания и время спада импульса примерно одинаковы.

Сравним поведение вблизи катода ионов аргона и спирта, являющихся стандартной газовой смесью для наполнения счетчика.

Ионы аргона на расстоянии примерно 10–7 см от катода нейтрализуются (вырывают электрон из катода) и оказываются в возбужденном состоянии. На расстоянии от катода 2 10–8 см возбужденный атом может вырвать электрон.

76

Возможен и другой процесс: атом аргона снимает свое возбуждение, испуская фотон, который приводит к фотоэффекту на катоде. Итак, при нейтрализации иона аргона появляются электроны, которые, двигаясь к аноду, снова создадут электронно-фотонную лавину.

Ионы спирта также нейтрализуются у катода и оказываются в возбужденном состоянии. Однако среднее время жизни возбужденной молекулы спирта до диссоциации ( 10–13 с) значительно меньше среднего времени жизни до снятия возбуждения за счет излучения ( 10–7 с) и меньше времени, необходимого для подхода к катоду от места нейтрализации ( 10-7 с) до места ( 2 10–8 см), где возможно вырывание электрона из катода ( 1 10–12 с). Таким образом, для 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 сопротивления, с которого снимается импульс.

К недостаткам самогасящегося счетчика относится то, что он имеет ограниченный срок службы, поскольку при каждом импульсе в счетчике диссоциирует 109–1010 молекул спирта. В счётчиках средних размеров имеется около 1020 молекул спирта, поэтому счетчик, наполненный смесью аргона и спирта, выдерживает 109–1010 импульсов. Кроме того, в самогасящемся счетчике Гейгера–Мюллера для возникновения разряда достаточно образования в его рабочем объеме одной электронно-ионной пары. Поэтому амплитуда импульса напряжения на выходе счетчика Гейгера– Мюллера не зависит от первичной ионизации, созданной заряженной частицей в газе, что делает эти счетчики непригодными для целей спектрометрии ионизирующих излучений.

Счетчик с бусинкой. Экспериментальным подтверждением того, что действительно в самогасящемся счетчике разряд распространяется вдоль нити, является опыт, в котором анод счетчика состоит из двух электрических изолированных с помощью стеклянной бусинки нитей, расположенных на одной прямой. Каждый участок счетчика (левый и правый) подключен к своей регистрирующей электронной схеме.

Если наполнить счетчик аргоном без специально введенной примеси гасящего газа, то независимо от того, через правый или левый участок счетчика пройдет заряженная частица, разряд возникает во всем объеме счетчика. Обе схемы (правая и левая) зарегистрируют одновременно прохождение частицы через счетчик. Если добавить к аргону 5–10% паров спирта, то разряд будет возникать только в одной половинке счетчика в зависимости от того, справа или слева от бусинки прошла частица. В этом случае разряд распространяется вдоль нити, и стеклянная бусинка, если ее

радиус превышает длину пробега фотонов в рабочей смеси газов, предотвращает распространение разряда из одной половины счетчика в другую. Уменьшая диаметр бусинки до величины, при которой разряд переходит из одной половины в другую, можно оценить коэффициент

77

поглощения фотонов гасящим газом. Это можно сделать также, изменяя давление гасящего газа.

3.2.3. Форма импульса в самогасящемся счетчике

Поскольку электроны при вторичной ионизации образуются вблизи анода, импульс самогасящегося счетчика, как и пропорционального, будет обусловлен движением положительных ионов к катоду. Однако напряженность поля в самогасящемся счетчике определяется не только приложенным к счетчику напряжением U0 , но и полем, создаваемым самими

ионами. В этом случае электрическим полем, созданным ионами нельзя пренебрегать. В результате разряда в счетчике образуется тонкий цилиндрический слой ионов (его толщина порядка нескольких длин пробегов фотонов, испускаемых аргоном).

Пусть плотность зарядов на единице длины тонкого цилиндрического слоя ионов равна . Тогда по теореме Рамо–Шокли мгновенное значение тока от элемента слоя длиной dxсоставит

где r0 – расстояние цилиндрического слоя ионов от центра счетчика в данный

объемного заряда можно получить из следующих рассуждений. Пусть в цилиндрическом конденсаторе на расстоянии r0 от его оси расположены

заряды с плотностью . Будем рассматривать этот конденсатор как два коаксиальных цилиндрических конденсатора, на внутреннюю оболочку радиусом r0 которого передан заряд с плотностью [2]. Разность

потенциалов между внешними электродами с радиусами ra и ri и электродом с радиусом r0 будет равна заряду, деленному на сумму емкостей внутреннего и внешнего конденсатора, т. е.

Напряженность электрического поля внутри внешнего конденсатора, т. е. при r r0 , равна

78

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 умноженных на 10–7 с. Время от момента прохождения частицы в счетчике до начала разряда, как и в пропорциональных счетчиках, определяется временем дрейфа электронов от места образования до анода. Максимальную плотность заряда и амплитуду импульса напряжения при большом значении RC можно получить, используя (3.43). Будем считать, что газовое усиление и разряд в счетчике прекращаются в тот момент, когда за счет пространственного заряда электрическое поле вблизи анода уменьшается до величины [2]

каждого разряда счетчик некоторое время остается нечувствительным к заряженным частицам. Газовое усиление в счетчике прекращается, когда достигает значения, определяемого по порядку величины формулой (3.48). После этого сгусток ионов движется к катоду. По мере продвижения ионов к катоду электрическое поле вблизи анода растет. Когда ионы достигнут некоторого расстояния rc от центра счетчика, вблизи анода вновь возможно

развитие разряда. Время от предыдущего разряда до момента, когда ионы достигнут радиуса r rc (в течение которого счетчик не может

регистрировать другие частицы), называется мертвым временем.

Пространственный заряд ионов оказывает влияние на поле вблизи анода и при расстояниях r rc . Пока это влияние заметно, импульсы от частиц,

попавших в счетчик в это время, имеют меньшие амплитуды. Время, в

течение которого частицы регистрируются, но амплитуды импульсов имеют меньшие значения, называется временем восстановления счетчика. Время восстановления по порядку величины равно мертвому времени и для счетчиков радиусом около 0,5 см составляет 10–3–10–4 с.

80