1.5 Регистрация ядерных излучений.
Цель работы: изучение методов регистрации ядерных излучений, снятие счетной характеристики и определение «мертвого времени» счетчика Гейгера – Мюллера.
Приборы и материалы: электронно-счетное устройство, источник питания, источники β-частиц, счетчик Гейгера – Мюллера.
Методы регистрации ядерных излучений
При регистрации радиоактивного излучения необходимо определять энергию и заряд частиц, их массу и время жизни, магнитные и механические моменты, эффективные сечения различных процессов, угловые распределения и прочие характеристики. Измеряя эти величины, можно получить ценную информацию о свойствах элементарных частиц, о структуре ядра и ядерных силах.
Система для регистрации излучения состоит обычно из детектора и измерительной аппаратуры. В детекторе происходит взаимодействие излучения с веществом. Измерительная аппаратура воспринимает сигнал с выхода детектора и позволяет производить измерения.
В большинстве детекторов сигнал образуется за счет ионизации, которая создается в них заряженной частицей. К таким детекторам относятся:
1) ионизационные камеры;
2) пропорциональные счетчики;
3) счетчики Гейгера – Мюллера;
4) кристаллические счетчики;
5) камера Вильсона
6) искровые камеры;
В некоторых детекторах важную роль играют процессы возбуждения и диссоциации молекул в сочетании с ионизацией. Эти явления определяют возникновение люминесценции в сцинтилляционных счетчиках и образование скрытого изображения в фотографических эмульсиях.
Другим важным процессом взаимодействия излучения с детектором являются испускание черенковского излучения в счетчиках Черенкова и вторичная электронная эмиссия в электронных умножителях.
Системы для регистрации делятся на импульсные и интегрирующие. Первые отличают сигналы от прохождения отдельной частицы, вторые измеряют некоторый средний эффект.
Качество системы для регистрации излучения определяется следующими параметрами:
1) эффективностью – отношением числа зарегистрированных частиц к полному числу частиц, попавших в регистратор;
2) «мертвым временем» прибора – временем, в течение которого прибор после регистрации им частицы не чувствителен к излучению;
3) разрешающей способностью по энергии;
4) разрешающей способностью по массам и зарядам;
5) такими факторами, как стоимость, сложность наладки и прочее.
В настоящей работе далее рассмотрены лишь газонаполненные детекторы.
1. Счетчики Гейгера – Мюллера.
Ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера–Мюллера представляют собой три типа довольно старых, но широко применяемых детекторов ядерного излучения.
Счетчики Гейгера–Мюллера являются разновидностью газонаполненных детекторов. В общем случае к детекторам в ядерной физике относят приборы для регистрации, идентификации и установления характеристик заряженных или нейтральных частиц. Счетчики Гейгера – Мюллера предназначены только лишь для регистрации α-, β-частицы и γ-квантов.
Конструктивно газоразрядный счетчик представляет собой тонкостенную металлическую или стеклянную, покрытую с внутренней стороны слоем металла цилиндрическую камеру.
Цилиндр служит катодом. Анодом является тонкая (0,05...0,5 мм) металлическая нить, расположенная по оси цилиндра. Счетчик заполнен специально подобранным газом, например аргоном, при давлении 10...760 мм рт. ст.
Между катодом и анодом за счет внешнего источника создается разность потенциалов 300–2500 В. В момент прохождения частицы в газе образуются ионы и электроны, замыкающие цепь на участке между электродом и стенками.
Снаружи цепь источника замыкается через сопротивление R, зашунтированное конденсатором C.
Традиционная схема включения счетчика Гейгера – Мюллера в электрическую цепь показана на рис. 1.
Регистрируемая частица, проходящая через объем счетчика, создает на выходе схемы электрический импульс отрицательной полярности, т. к. уменьшение сопротивления самого счетчика в момент газового разряда, вызванного частицей, резко увеличивает напряжение на сопротивлении нагрузки.