Регистрация излучений

Наиболее широко используют следующие методы регистрации излучения: 1) ионизационные, основанные на ионизирующем действии излучения; 2) сцинтилляционные, основанные на преобразовании энергии радиоактивного излучения в энергию фотонов светового излучения; 3) фотографические, основанные на образовании скрытого фотографического изображения.

Ионизационные методы. В основе ионизационных методов лежит измерение электрической проводимости вещества, возникающей под действием ядерных излучений. Ионизационные детекторы обычно представляют собой баллоны, заполненные газовой смесью определенного состава. Внутри баллона находятся два изолированных друг от друга электрода.

Рис.1. Зависимость силы тока I в ионизационном детекторе от приложенного к электродам напряжения

При попадании в рабочий объем детектора частиц, способных ионизировать газ, в электрической цепи возникает ток за счет передвижения к электродам образовавшихся ионов. Зависимость силы тока от приложенного к электродам напряжения представлена на рис.1

При отсутствии разности потенциалов возникающие разноименно заряженные ионы будут рекомбинировать, образуя электрически нейтральные атомы и молекулы. По мере увеличения разности потенциалов все большее количество ионов будет достигать электродов, создавая электрический ток, хотя еще значительная часть их может рекомбинировать (участок ОВ). При напряжении U_B наступает момент, когда все образовавшиеся ионы достигают электродов и дальнейшее увеличение разности потенциалов до U_C не приводит к увеличению тока в цепи. Ток на участке ВС называют током насыщения.

При дальнейшем увеличении напряжения ток в цепи опять начинает возрастать, причем значительно быстрее, чем на участке ОВ. Это обусловлено процессом ударной ионизации, при котором первично образовавшиеся ионы приобретают в электрическом поле энергию, достаточную для ионизации атомов и молекул при соударении с ними. Дальнейшее повышение разности потенциалов может привести не только к ударной ионизации, но и к возбуждению молекул, которые, возвращаясь в основное состояние, испускают световые фотоны, способные вызвать фотоэффект на катоде и аноде. Электроны, покинувшие катод, перемещаются к аноду и участвуют в процессах соударения с молекулами газа, что приводит к образованию новых ионов.

Фотоэффект имеет место не только на электродах, но и на молекулах газа-наполнителя. В итоге образуется так называемый пространственный разряд. Эту область (участок CD) называют областью газового усиления. При напряжении выше U_D в системе возникает самостоятельный разряд и детектор быстро выходит из строя. Самостоятельный разряд – это электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя.

Для регистрации ионизационным методом используют две области напряжений: область, соответствующую току насыщения (ВС) и область газового усиления (CD). Детекторы, работающие в первой области, называют ионизационными камерами, во второй – счетчиками.

Рассмотрим принцип работы газовых счетчиков. На рис.2 представлена

Рис.2. Зависимость амплитуды импульса от напряжения.

графическая зависимость амплитуды импульса при регистрации - и -

частиц различной энергии от напряжения на электродах счетчика. При сопоставлении рисунков 1 и 2 видно, что изменение силы тока и амплитуды импульса описывается аналогичными кривыми. Интервал U₂U₅ соответствует области газового усиления, в которой можно выделить три характерных участка. На участке U₂U₃ соотношение между амплитудами импульсов - и -частиц практически не зависит от приложенного напряжения, т.е. амплитуда импульса пропорциональна начальной ионизации , вызываемой частицей (-частица затрачивает больше энергии на ионизацию, амплитуда ее импульса соответственно больше). Счетчики, работающие в этой области называют пропорциональными. В области U₃U₄ амплитуды импульсов все еще зависят от числа актов первичной ионизации, но уже не пропорциональны им. Этот интервал называют областью ограниченной пропорциональности. Счетчиков, работающих в таком режиме не существует. Наконец, при напряжении выше U₄ амплитуда импульса перестает зависеть от числа первично образовавшихся ионов, а следовательно от энергии регистрируемых частиц. Прибор, работающий в этой области, называют счетчиком Гейгера-Мюллера.

Амплитуда регистрируемых импульсов составляет обычно несколько вольт, и в случае необходимости требуется лишь незначительное усиление для их регистрации. Независимость амплитуды импульса от энергии ионизирующих частиц делает счетчики Гейгера-Мюллера удобными для регистрации -частиц, имеющих непрерывный спектр.

Важными характеристиками счетчиков, лимитирующими соответственно минимальное и максимальное числа импульсов, которые могут быть зарегистрированы с желаемой точностью, являются фон и разрешающее время.

Фоном называют показания прибора в отсутствие исследуемых источников излучения. Фон счетчиков обусловлен: космическим излучением, наличием радиоактивных веществ в окружающей среде, в том числе в материалах, из которых изготовлен счетчик, самопроизвольными разрядами в счетчике (ложные импульсы). Обычно для различных по конструкции счетчиков Гейгера-Мюллера фон колеблется от 10 до 110 имп.мин^-1. Специальными методами удается снизить фон примерно на порядок.

Разрешающим временем счетчика называют минимальный промежуток времени между двумя последовательными импульсами, которые регистрируются раздельно. Разрешающее время счетчиков Гейгера- Мюллера составляет примерно 10^-3 – 10^-4 с^-1 и позволяет регистрировать скорости счета в интервале 10² – 10⁵ имп.мин.^-1. Часто пользуются понятием мертвого времени – времени бездействия счетчика, в течение которого происходит гашение газового разряда. Мертвое время можно уменьшить путем применения специальных составов газового наполнения (внутреннее самогашение) или специальных радиосхем (внешнее гашение)

Эффективность счетчиков Гейгера-Мюллера к ^--излучению близка к 100%. Под эффективностью счетчика  понимают отношение числа частиц (в %), зарегистрированных счетчиком, к числу частиц, попавших в его рабочий объем. Эффективность счетчиков Гейгера=Мюллера к -излучению не превышает 1-3%.