Газоразрядный детектор ионизирующих излучений - счетчик Гейгера-Мюллера (110

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ – СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА–МЮЛЛЕРА

Учебное пособие для вузов

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета

2012

Утверждено научно-методическим советом физического факультета 12 сентября 2012 г., протокол № 9

Составители: В.Б. Бруданин, А.Г. Бабенко, В.М. Вахтель, В.А. Работкин

Рецензент доктор физ.-мат. наук, проф. В.А.Терехов

Учебное пособие подготовлено на кафедре ядерной физики физического факультета Воронежского государственного университета в обеспечение лабораторных занятий по курсам «Ядерная физика» и «Приборы и методы ядерной физики».

Рекомендовано для аудиторной подготовки и самостоятельной работы студентов.

Для направления 010700 – Физика

2

3

Газоразрядный детектор ионизирующих излучений – счетчик Гейгера–Мюллера

Цели работы: изучить механизм работы газоразрядного детектора- счетчика Гейгера–Мюллера (СГМ); освоить методики определения основных параметров и характеристик СГМ.

Газоразрядный детектор – СГМ с самостоятельным разрядом изобретен в 1908 г. физиками Х. Гейгером и Э. Резерфордом. Позднее он был усовершенствован Х. Гейгером и немецким физиком В. Мюллером и называется теперь «счетчик Гейгера–Мюллера» – СГМ.

СГМ – это детектор для регистрации (счета) отдельных заряженных частиц, нейтронов, квантов рентгеновского и гамма-излучений. Механизм работы СГМ основан на возникновении самостоятельного разряда в рабочем объеме счетчика, заполненного газом, при попадании в этот объем изучаемой высокоэнергетичной частицы.

Самостоятельный газовый разряд – это электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора – высокоэнергетичной частицы, а несамостоятельный – разряд, существующий только при воздействии внешнего источника ионизации. Образование электрического разряда ведет в замкнутой электрической цепи к формированию тока примерно на время существования разряда, который и регистрирует электронное счетное устройство. Таким образом, число импульсов тока соответствует числу частиц, вызвавших разряды в СГМ за время наблюдения

(рис. 1).

СГМ предназначены только для измерения пространственных и временных характеристик потоков частиц или фотонов, но не позволяют определить энергию и природу частиц. Поэтому СГМ применяются в основном, как детекторы в радиометрии различных ионизирующих излучений для оценки потоков излучений.

МЕХАНИЗМ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СГМ

В чувствительном объеме СГМ создается постоянное неоднородное электрическое поле с напряженностью E(r), например, цилиндрической структуры, когда постоянное напряжение V0 подается между коаксиально расположенными электродами в виде тонкой нити – металлической проволоки в центре – анода радиуса ra и цилиндрического катода радиуса rk (рис. 2). Цилиндрический объем СГМ заполнен смесью газов. Изучаемое высокоэнергетическое ионизирующее излучение поступает обычно в чувствительный объем СГМ через его боковую цилиндрическую поверхность – катод. Возникающий в результате ионизации газа импульсный разряд длит-

4

ся до ~10–3с = 1 мс, и прекращается – гасится в результате специально создаваемых условий протекания процессов разряда в СГМ.

Импульсы тока J(t), образующиеся при разряде, создают на нагрузочном сопротивлении R импульсы напряжения U(t), которые имеют достаточно большие значения, что позволяет регистрировать их непосредственно электронным устройством, называемым счетчиком импульсов. На рис. 1 показана упрощенная функциональная схема работы СГМ.

Рис. 1. Упрощенная функциональная электрическая схема СГМ

E (r ) = V0 (r ln(rк ra ))

E(r)

Анод

V+

ra rк

Катод

Рис. 2. Конфигурация электрического поля в цилиндрическом СГМ: а – поперечный разрез цилиндрического СГМ; б – конфигурация электрического поля в цилиндрическом СГМ

5

Самостоятельный разряд в СГМ возникает вследствие ионизации газа регистрируемой частицей при определенном пороговом напряжении между анодом и катодом, значение которого Vn зависит от: соотношения радиусов

анода – ra и катода rк; состава и давления рабочего газа, заполняющего

СГМ. Таким образом, самостоятельный разряд в СГМ может возникнуть только в том случае, когда напряжение на счетчике V превышает некоторый пороговый уровень Vп. Следовательно, необходимым условием регистрации ионизирующих частиц счетчиком Гейгера–Мюллера является условие V ≥ Vп. При дальнейшем увеличении V амплитуды импульсов напряжения U(t) растут и могут достигать нескольких десятков вольт.

Помимо истинных импульсов, вызываемых попаданием в объем СГМ ионизирующих частиц, при работе счетчика регистрируются ложные импульсы, называемые послеимпульсами, которые возникают в результате ионизации рабочего газа СГМ вторичными электронами, образующимися после завершения разряда. Поэтому число частиц N t , которое регистриру-

ет СГМ за фиксированное время t несколько возрастает с ростом V > Vn . Зависимость от напряжения V числа зарегистрированных частиц –

СГМ (рис. 3).

Параметрами счетной характеристики являются величины:

–напряжение начала счета (пороговое напряжение) Vn ;

–плато СГМ. Это участок рабочих напряжений СГМ длиной V2-V1 вольт. На участке плато величина U t(V) возрастает примерно линейно с ростом V;

–рабочее напряжение СГМ, равное Vр = V1 +2V2 , соответствует сере-

дине плато.

– Коэффициент наклона плато K, отнесенный к 100 В. Эта величи-

на определяется следующим образом. Введем обозначения: n1 – скорость счета при V = Vр – 50В,

n2 – скорость счета при V = Vр + 50В. n3 – скорость счета при V = Vр. Тогда

6

Кроме счетной характеристики и ее параметров, важными характеристиками СГМ являются мертвое время τ и эффективность регистрации данного вида излучения в зависимости от энергии Е излучения ε (E) и вида

излучения.

N t (V)

N t (V2)

N t(V1)

Рис. 3. Счетная характеристика СГМ

Эффективность регистрации СГМ – это условная вероятность регистрации частицы, если она попала в чувствительный объем СГМ. Величина ε (E) < 1. Типичные зависимости ε (E) приведены на рисунке 4 приложения

1.

Зная величину ε (E) , можно определить значение изучаемого потока частиц Ф t (E ), попадающих в СГМ Φ t (E ) = εN(Et) . Методика определения эффективности регистрации СГМ описана в приложении 1.

Мертвое время СГМ

Процесс регистрации ионизирующей частицы счетчиком Гейгера– Мюллера состоит из нескольких развивающихся во времени этапов: первичная ионизация газа частицей, развитие самостоятельного разряда в СГМ, сбор электронов на аноде, рассасывание облака – объемного заряда положительных ионов. Все перечисленные процессы развиваются и заканчиваются в течение некоторого времени τ , отсчитываемого от момента t попадания частицы в объем СГМ. В течение времени τ СГМ не способен реги-

7

стрировать следующую частицу, попавшую в его объем. Это время τ называется мертвым временем СГМ. Так как τ > 0 , то возникают просчеты, то есть некоторое количество частиц, попавших в СГМ, не регистрируются,

вительный объем СГМ за время t . Методы определения мертвого времени рассмотрены в приложении 2.

8

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Установка состоит из следующих частей:

−газоразрядного детектора ионизирующих излучений – счетчика Гейгера–Мюллера определенного типа: цилиндрического с коаксиальными катодом из металла и анода, в виде тонкой проволоки, или торцевого с коаксиальным и цилиндрическим катодом и анодом и слюдяным окном в торце для пропускания излучения в чувствительный объем, или торцевого – с плоским катодом и спиральным анодом-нитью в плоскости, параллельной катоду, и слюдяным окном. Детекторы имеют различный состав газовой смеси;

−источника высокого напряжения V ;

−счетного электронного устройства с таймером для измерения ко-

личества импульсов в задаваемом интервале времени t ;

−вольтметра для измерения высокого напряжения;

−источника ионизирующего излучения (бета-излучения или гаммаизлучения) в контейнере-коллиматоре, создающего поток излучения, направленный на чувствительный объем счетчика;

−осциллографа для определения параметров импульсов U (t ) .

Расстояние между СГМ и поверхностью коллиматора можно менять, перемещая коллиматор.

ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Ознакомьтесь с блок-схемой и средствами управления лабораторной установкой.

Зафиксируйте и определите начальную геометрию измерений, установив источник излучений перед детектором.

ЗАДАНИЯ:

1)Получите счетные характеристики для торцевого и цилиндрического СГМ и определите параметры счетной характеристики: напряжение порога Vn , интервал плато (V1 , V2 ); коэффициент наклона плато – K ; рабочее напряжение Vp . Сравните полученные значения параметров с паспортными данными.

2)Получите зависимость амплитуды импульсов напряжения Uамп от напряжения, приложенного к счетчику V , в интервале Vn –V2 .

3)Оцените мертвое время для СГМ методом двух источников при напряжении V1 , Vp .

4)Оцените относительную эффективность регистрации в зависимости от энергии гамма-излучения.

9

В первом задании, контролируя по осциллографу появление импульсов, а по электронному счетному устройству – число регистрируемых импульсов за время t = 1 с, определите значения Vn . Затем, увеличивая зна-

чения V с шагом 20–30 вольт, оцените предварительно интервал V1 ÷V2 и

значение коэффициента наклона плато K . Уточните геометрию измерений, исходя из условия, что интенсивность регистрируемых импульсов должна быть 40–50 с–1 . При выполнении этого условия можно пренебречь потерями (просчетами) импульсов за счет фактора мертвого времени. Затем определите шаг изменения V так, чтобы на счетной характеристике в интервале можно было измерить 10 значений счета импульсов N t (Vi ) , i =1,

2, …, 10. Получите графическое представление этой характеристики и определите ее параметры.

Во втором задании оцените форму импульса напряжения U (t ) с по-

мощью осциллографа, т.е. длительность переднего фронта и время затухания – длительность заднего фронта.

Определите значения амплитуд импульсов напряжения Uамп при напряжении V1 , Vp , V2 с помощью осциллографа и постройте зависимость

Uамп (V ) .

Определите оптимальную длительность t отдельного измерения N (Vi ) , предполагая, что статистическая погрешность измерений N (Vi )

должна быть не более 5 %. Случайную величину N t (Vi ) можно полагать

подчиняющейся распределению Пуассона, и поэтому среднеквадратичную погрешность N t (Vi ) отдельного измерения следует оценивать по формуле

S (N ) = N (Vi ) .

При выполнении третьего задания для определения значения мерт-

вого времени τ необходимо измерить значение N1 , установив перед СГМ

один из двух источников излучений. Затем, не перемещая первый источник, установить второй источник и измерить значение N3 и далее удалить пер-

вый источник и измерить интенсивность потока второго источника N2 . Далее оцените значения τ по формуле τ = (I1 + I2 − I3 )(2I1I2 ) и оцените стати-

стическую погрешность τ в соответствии с приложением.

Повторите измерения, установив сначала второй источник, затем – первый. Сравните два полученных таким образом значения мертвого времени τ .

При выполнении четвертого задания для оценки относительной эффективности и влияния параметров и конструкции СГМ на эффективность регистрации гамма-излучения, выполнить измерение потока гаммаизлучения, например, радионуклида цезия-137 с энергией гамма-квантов

10