Газоразрядные счетчики Гейгера–Мюллера

При рассмотрении механизма газового усиления было показано, что с увеличением разности потенциалов на счетчике быстро растет коэффициент газового усиления M, а с его ростом все большее значение в развитии лавины приобретает фотоионизация:

M_γ = M + M²·γ + M³·γ² + …=M/(1-M·γ),

где: M_γ – полный коэффициент газового усиления; M – коэффициент газового усилкния при отсутствии фотоионизации; γ – вероятность появления одного фотоэлектрона на один вторичный электрон.

Поэтому, полный коэффициент усиления M_γ может значительно превышать M, поскольку произведение M·γ растет. Наконец, при некоторой разности потенциалов U_3аж величина M·γ может стать равной единице, и тогда полный коэффициент газового усиления M_γ окажется бесконечно большим. Это означает, что в счетчике возникнет непрерывный самоподдерживающийся разряд. Ток такого разряда не будет бесконечно большим, поскольку в счетчике возникнет объемный заряд, который исказит поле вблизи нити, уменьшит его и тем самым уменьшит полный коэффициент газового усиления. Самостоятельный разряд можно использовать для регистрации частиц, если создать условия для гашения разряда.

Несамогасящиеся счетчики

Рассмотрим качественно процесс, происходящий в цилиндрическом счетчике с тонкой нитью и достаточным для самостоятельного разряда напряжением. Пусть счетчик подключен к измерительному прибору, как это показано на рис. 2.9, и пусть постоянная RC много больше времени движения положительных ионов от анода к катоду.

Рис. 2.9. Схема включения счетчика Гейгера-Мюллера

(t₊ – время движения ионов от анода до катода)

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 электроны, ионы и возбужденные молекулы газа. Эти молекулы испускают коротковолновое излучение, которое выбивает фотоэлектроны из катода, и молекул газа.

Таким образом, за очень малое время весь счетчик будет охвачен разрядом. За время прохождения нескольких электронно-фотонных лавин образованные положительные ионы практически остаются на месте, так как их подвижность намного меньше подвижности электронов. В основном вторичная ионизация происходит вблизи нити, и поэтому вокруг нити образуется (нарастает) чехол положительных зарядов, который снижает напряженность поля вблизи нити и тем самым практически прекращает образование новых электронно-фотонных лавин. Образовавшиеся ноны 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 расстояниях 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 наряда емкости выше U_заж, то вновь в счетчике начнется разряд. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока на емко­сти накопится такой заряд, что результирующая разность потенциалов окажется ниже U_заж. В каждой последующей ступени разряда будет образовываться все меньшее количество ионов. На рис. 2.9 показано накопление заряда на конденсаторе.

Такое представление о разряде в виде отдельных ступенек не совсем верное, поскольку отдельные стадии процесса могут значительно перекрываться. Это связано с тем, что электроны появляются и за счет высвечивания отдельных возбужденных молекул или атомов, образовавшихся во время развития электронно-фотонных лавин до того, как ионы достигнут катода. Из приведенного качественного рассмотрения ясно, что для прекращения разряда необходимо на конденсаторе С иметь заряд Q ~ (U_o – U_заж)·С, 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 С 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 счетчика не могут удовлетворить требованиям многих измерений. Временное разрешение несамогасящегося счетчика можно значительно улучшить, если использовать специальные электронные схемы гашения разряда. Однако в настоящее время счетчики Гейгера – Мюллера вытеснены самогасящимися счетчиками, в которых разряд прерывается в силу особых свойств его развития.