5.3 Методы обнаружения и регистрации ионизирующих излучений
Радиоактивные излучения не воспринимаются органами чувств. Эти излучения могут быть обнаружены (детектированы) при помощи приборов и приспособлений, работа которых основана на физико-химических эффектах, возникающих при взаимодействии излучений с веществом. В практике наиболее употребительны ионизационные детекторы излучений, которые измеряют непосредственно эффекты взаимодействия излучения с веществом -ионизацию газовой среды (ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера, а также коронные и искровые счетчики). Другие методы предусматривают измерение вторичных эффектов, обусловленных ионизацией, фотографический, люминесцентный, химический, калориметрический и др.
Рисунок 17. Схема устройства газоразрядного счетчика 1 – анод, 2 – катод.
Газоразрядный счетчик (рис. 17) представляет собой стеклянный или металлический баллон с двумя электродами – внешним (катод) и внутренним (анод). Катодом является или металлический баллон, или проводящий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного баллона. Анодом служит тонкая металлическая проволока, натянутая внутри баллона вдоль его оси. Счетчик обычно наполнен специальной смесью газов под давлением 100 мм рт. ст. Когда газ внутри счетчика не ионизирован ядерными частицами, несмотря на приложенное к нему напряжение, ток между его электродами не протекает. Как только газ внутри счетчика будет ионизирован попавшими в него ядерными частицами, в цепи счетчика появится электрический ток. Источником ионизации газа могут быть гамма-, альфа- и бета-лучи, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения. Для работы счетчика используется такой режим, при котором ток в цепи счетчика пропорционален числу ионизирующих частиц. Этот режим называется «областью Гейгера» и используется для работы газоразрядных счетчиков. Последовательно со счетчиком включается сопротивление порядка 1 – 10 мОм, являющееся нагрузкой, с зажимов которого снимаются импульсы напряжения. Частота следования импульсов пропорциональна числу частиц, вызывающих ионизацию. Газоразрядный счетчик воспринимает ядерное излучение и превращает его в электрические импульсы. Эти импульсы попадают в регистрирующее устройство. Количество поступающих импульсов характеризует степень радиоактивности.
В практике применяют разнообразные типы счетчиков, которые реагируют на различные излучения. Они рассчитаны на разное рабочее напряжение, имеют различный срок службы, исчисляемый миллионами импульсов, а также разные размеры – длину и диаметр. Счетчик Гейгера-Мюллера (газоразрядные счетчики) конструктивно мал, чем отличаются от пропорциональных счетчиков цилиндрического и торцового типов.
Счетчик Гейгера-Мюллера, газоразрядный прибор для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и др. ионизирующих излучений: α- и β-частиц, γ-kвантов, световых и рентгеновских квантов, частиц высокой энергии в космических лучах и на ускорителях. Гамма-кванты регистрируются счетчиком Гейгера-Мюллера по вторичным ионизирующим частицам — фотоэлектронам, комптоновским электронам, электронно-позитронным парам; нейтроны регистрируются по ядрам отдачи и продуктам ядерных реакций, возникающим в газе счётчика. Основное отличие его состоит в том, что внутренний объем счетчика Гейгера наполнен инертным газом при пониженном давлении, а работа осуществляется в области Гейгера, т.е. в режиме самостоятельного газового разряда.
Чаще всего применяют счётчики с максиально расположенными цилиндрическими электродами: внешний цилиндр – катод, тонкая нить, натянутая вдоль его оси, – анод (рис. 18). Электроды заключены в герметически замкнутый резервуар, наполненный каким-либо газом до давления 13-26 кн/м2 (100-200 мм pm. ст.). К электродам счётчика прикладывается напряжение в несколько сот в. На нить подаётся знак + через сопротивление R (рис. 19).
Рисунок 18. Схема стеклянного счётчика Гейгера-Мюллера:
1 – герметически запаянная стеклянная трубка; 2 – катод
(тонкий слой меди на трубке из нержавеющей стали);
3 – вывод катода; 4 – анод (тонкая натянутая нить).
Рисунок 19. Схема включения счётчика Гейгера-Мюллера.
Если в рабочем объёме счётчика нет свободных электронов, электрический разряд в нём не возникает. При попадании в счётчик ионизирующей частицы в газе образуются свободные электроны, которые движутся к положительно заряженной нити. Вблизи нити напряжённость электрического поля велика и электроны ускоряются настолько, что начинают, в свою очередь, ионизовать газ. В результате по мере приближения к нити число электронов лавинообразно нарастает. Возникает вспышка коронного разряда и через счётчик течёт ток. При достаточно большом R (108—1010 W) на нити скапливается отрицательный заряд и разность потенциалов между нитью и катодом быстро падает, в результате чего разряд обрывается. После этого чувствительность счётчика восстанавливается через 10-1–10-3 сек (время разрядки ёмкости С через сопротивление R). Такое большое время нечувствительности неудобно для многих применений. Ввиду этого несамогасящиеся счётчики, в которых гашение разрядов обеспечивается сопротивлением R, были вытеснены самогасящимися счётчиками (предложены Тростом), которые к тому же более стабильны. В них благодаря специальному газовому наполнению (инертный газ с примесью сложных молекул, например паров спирта, и небольшой примесью галогенов – хлора, брома, иода) разряд сам собой обрывается даже при малых сопротивлениях R. Время нечувствительности самогасящегося счётчика ~10-4 сек. Время, в продолжение которого счетчик способен регистрировать частицы (кванты) раздельно, характеризует его разрешающую способность. В настоящее время самогасящиеся счетчики, обладающие высокой эффективностью счета полностью вытеснили несамогасящиеся.
Электрические импульсы во внешней цепи, возникающие при вспышках разряда в счетчике Гейгера-Мюллера, усиливаются и регистрируются электромагнитным счётчиком или пересчётной схемой. Под эффективностью счетчика понимают процентное отношение числа зарегистрированных импульсов к общему числу частиц (квантов), попавших за тот же отрезок времени в рабочий объем счетчика.Эффективность определяют путем измерения радивктивных препаратов с известной активностью (эталоном).
Счетная характеристика выражает зависимость скорости счета (числа имп/мин) от напряжения, приложенного к счетчику. Область напряжении, в которой устанавливается постоянство скорости счета в единицу времени, получила название «плато счетчика». На рис. 20 приведена счётная характеристика счетчика Гейгера-Мюллера – зависимость числа N регистрируемых в единицу времени импульсов от приложенного к счётчику напряжения V. Рабочий участок характеристики (плато) имеет протяжённость от нескольких десятков в до нескольких сот V. На плато число отсчётов практически равно числу ионизующих частиц, попадающих в счетчик. Чем больше протяженность и меньше наклон плато, тем лучше счетчик. В самогасящихся счетчиках протяженность плато достигает 200-300 В, наклон плато 3-5% для торцовых и 12-15% для цилиндрических счетчиков на каждые 100 В. Рабочее напряжение обычно выбирают на расстоянии 1/3 от начало плато.
Рисунок 20. Счётная характеристика счётчика Гейгера-Мюллера.
V – начало счета; Vа – Vв – плато счетчика.
Счетчики Гейгера-Мюллера применяются для регистрации всех видов излучений, но чаще для бета- и гамма излучений. Счетчики для регистрации гамма излучения имеют некоторую особенность в конструкции. Регистрация гамма-излучения возможна в результате выбивания вторичных электронов из катода счетчика на основе известных трех механизмов воздействия этого излучения с веществом: фотоэффекта, комптонэффекта, образования электронно-позитронных пар.
Вторичные электроны (фотоэлектроны, электроны отдачи, электронно-позитронные пары), попадая в чувствительный объем счетчика, вызывают газовый разряд (ударную ионизацию), который и регистрируется радиометрическим устройством. В силу того что γ-кванты слабо поглощаются веществом, эффективность гамма - счетчиков очень мала и не превышает 1%.. Для повышения эффективности счета γ -квантов стенки гамма-счетчиков делают из материалов с большим атомным номером и более толстыми (с учетом величины максимального пробега вторичных электронов в данном веществе). Промышленные гамма-счетчики, как правило, цилиндрические и имеют стеклянные стенки. Катодом у них служит напыленный на внутреннюю поверхность стекла слой графита, меди, никеля или вольфрама. Наполнитель-смесь аргона и паров спирта. В практической работе применяют счетчики: ГС, МС-4, МС-6, МС-17, ВС-7, ВС-9 и др., длина и диаметр которых варьируют в широких пределах - от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.
Отдельную группу составляют так называемые галогенные счетчики, у которых в качестве гасящего компонента применяют галоиды. Добавка незначительного количества (>0,1%) таких двухатомных газов, как Сl2, Вr2, I2, к неону или аргону резко снижает начальный потенциал «зажигания» самостоятельного разряда и делает эти счетчики самогасящимися. Низкое рабочее напряжение (300-400 В) позволяет применять галогенные счетчики для измерений в нестационарных полевых условиях. В качестве источника питания можно использовать сухие батареи. Преимущество галогенных счетчиков состоит еще и в том, что срок их службы практически не ограничен, так как «гашение» разряда не связано с диссоциацией молекул галоида. Однако галогенные счетчики имеют и существенный недостаток – короткое плато счетной характеристики (>80 В) с большим наклоном (12-15% на 100 В). Это ограничивает применение галогенных счетчиков для точных измерений радиоактивных образцов.
В настоящее время промышленность выпускает несколько типов галогенных счетчиков: СИ-1Г, СИ-1БГ, СИ-ЗБГ, СБТ-7 и др.