Счетчик Гейгера-Мюллера

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

Исследуемое явление: в работе изучается процесс прохождения электрического тока через газ, т.е. газовый разряд.

Газ в нормальном состоянии является изолятором, в нем нет носителей тока. Газ становится проводником электрического тока, когда некоторая честь его молекул ионизируется.

Ионизация - расщепление нейтральных атомов и молекул на положительные ионы и свободные электроны. В газе это возможно в результате внешних воздействий: нагревание газа до высокой температуры, воздействие ультрафиолетом, рентгеновскими лучами, излучением радиоактивных веществ.

Существует два вида газовых разрядов:

Несамостоятельный газовый разряд - электрический разряд в газе, несохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора.

Самостоятельным газовым разрядом называется электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия ионизатора. Самоподдержка разряда возникает в результате процессов, обусловленных приложенным к газу электрическим полем.

На рис. I показана схема установки для изучения вольтамперной характеристики. Стенки прибора счетчика служат катодом. Положительный электрод (анод) вводится в газ через изолирующую пробку. К электродам подводится постоянное напряжение от источника ЭДС.

Рис. 1. Схема устройства газового счетчика.

Величине тока, проходящего через газ, измеряется по падению напряжения на измерительном сопротивлении.

Рис. 2. Характеристика газового счетчика при работе в различных режимах.

Предположим, на газ действует постоянное по интенсивности излучение (ионизатор). В результате действия ионизаторе газ приобретает некоторую электропроводность и в цепи потечет ток, зависимость которого от приложенного напряжения дана на рис. 2.

При небольших напряжениях ток, проходящий через прибор мал, регистрировать удается только суммарный ток, вызванный прохождением большого числа частиц.

Приборы, работающие в таком режиме, называются ионизационными камерами. Это соответствует на рис. 2 участкам 1 и 2. На участке 1 (рис. 2) ток возрастает пропорционально напряжению, т.е. выполняется закон Ома. На таком участке одновременно с процессом ионизации идет обратный процесс - рекомбинации,

Рекомбинация – соединение между собой положительных ионов и электронов с образованием нейтральных частиц.

При дальнейшем увеличении напряжения рост силы тока замедляется и совсем прекращается (участок 2). Наступает ток насыщения.

Ток насыщения - это максимальное значение тока, когда все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за тоже время достигают электродов. Величина тока насыщения определяется мощностью ионизатора. Ток насыщения является мерой ионизирующего действия ионизатора: если прекратить действие ионизатора, то прекратится и разряд (несамостоятельный разряд). При дальнейшем увеличении напряжения сила тока сначала медленно, а затем резко возрастает (участок 3). При больших напряжениях, возникающих под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваясь с нейтральными молекулами газе, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и положительные ионы (рис. 3, процесс I).

Вторичные электроны, ускорившись в электрическом поле, могут вновь ионизировать молекулы газа. Общее число электронов и ионов будет возрастать лавинообразно по мере продвижения электронов к аноду.

Описанный процесс называется ударной ионизацией.

Число электронов, проходящих к нити счетчика, отнесенное к числу первичных электронов, носит название коэффициента газового усиления А. Коэффициент газового усиления быстро возрастает с ростом напряжения и при больших А начинает зависеть от числа первичных электронов. При этом счетчик переходит из пропорционального режима в режим ограниченной пропорциональности (рис.2 участок 4). При еще больших напряжениях возникновение хотя бы одной пары ионов приводит к началу самостоятельного разряда. Счетчик начинает работать в гейгеровском режиме (рис. 2 участок 5). Ударной ионизации не достаточно, чтобы поддерживать самостоятельной разряд. Для поддержания самостоятельного разряда необходимо, чтобы электронные лавины "воспроизводились". Процессы, под воздействием которых могут возникнуть новые электроны:

1. Ускоренные полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны (рис. 3, процесс 2).

2. положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, приводят их в возбужденное состояние, переход таких ионов в нормальное состояние сопровождается испусканием фотона (рис. 3, процесс 3).

3. Фотон, поглощенный нейтральной молекулой, уже находящейся в возбужденном состоянии может ионизировать ее. Произойдет процесс фотонной ионизации молекул (рис. 3, процесс 4).

4. Выбивание электронов из катода под действием фотонов (рис. 3, процесс 5),

5. При больших напряжениях положительные ионы способны вызывать ионизацию молекул газа (рис. 3, процесс 6) и к отрицательному электроду устремляются ионные лавины.

Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя.

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов, параметров внешней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного разряда:

1. Тлеющем

2. Искровом

3. Дуговом

4. Коронном.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях (порядка 10 мм рт.ст.). Положительные ионы, ударяясь о катод, вызывают электронную эмиссию. Почти все падение напряжения происходит вблизи катода.

Искровый разряд происходит при больших напряженностях электрического поля (3х10⁵ B/м) в газе, находящегося под давлением порядка атмосферного. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого.

Объяснение искрового разряда дается на основе стримером теории, согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизованного газа - стримеров. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда. При этом выделяется большое количество энергии, газ . искровом промежутке нагревается до 10 К, что приводит к свечению. Быстрый нагрев газа ведет к увеличению давления к возникновению ударной волны, при этом слышны характерные потрескивания в слабых разрядах или мощные раскаты грома в случае молнии.

Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным – возникает дуговой разряд. Ток резко возрастает до сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Луговой разряд можно получить другим методом. Сначала электроды сближают до соприкосновения, раскаляют электрическим током и разводят - получают электрическую дугу.

Коронный разряд - высоковольтный электрический разряд при высоком давлении в резко неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (Острие). При напряжении вблизи острия порядка 30 кВ/м вокруг него образуется свечение, имеющее вид короны.

Счетчик Гейгера имеет цилиндрическую форму. Наружный цилиндр счетчика, диаметром 10-20 мм, является проводящим и служит катодом, а анодом служит натянутая вдоль оси и изолированная от цилиндра тонкая стальная нить диаметром 0,02-0,1 мм. Объем между анодом и катодом заполняется аргоном при пониженном давлении (100 мм рт.ст.) с добавкой небольшого количества (0,5%) паров этилового спирта или галогенов (рис.1).

Счетчик работает по принципу внутреннего газового усиления. Когда на счетчике подается высокое напряжение, поле вблизи тонкой нити крайне неоднородно, и, благодаря большему градиенту потенциала, заряженная частица, попавшая в счетчик, ускоряется полем до энергии более 30 эВ. При такой энергии частицы начинает действовать механизм ударной ионизации, за счет которого электроны умножаются в числе до лавины 10³. В результате на анодном нагрузочном сопротивлении образуется отрицательный импульс напряжением 10-20 В. Электронную лавину можно получить от одного единственного электрона, попавшего между катодом и анодом.

Эффективность счетчика - отношение числа регистрируемых частиц квантов, к полному числу проходящих через него частиц. Счетчик Гейгера не обладает 100% эффективностью. Объективность счетчика к электронам может достигать высоких значений (99,1%). Регистрация гамма-лучей осуществляется через посредство быстрых электронов, образующихся при поглощении или рассеянии гамма-квантов б стенках счетчика.

Эффективность счетчиков для гамма-квантов обычно составляет 1 … 10%.

Описываемый счетчик может зарегистрировать всего одну частицу, а для регистрации следующей частицы надо предварительно погасить самостоятельный заряд. Чувствительность счетчика восстанавливается, если положительные ионы полностью нейтрализуются.

Важной характеристикой счетчика Гейгера является мертвое время счетчика

τ = (10^-3 … 10^-5 с.).

Мертвое время счетчика - время бездействия счетчика. Гашение разряда в счетчике можно осуществить двумя способами:

I. Путем введения в газ сложного органического соединения. Многие сложные молекулы непрозрачны для ультрафиолета и не дают соответствующим квантам достичь катода. Энергия, освобождаемая ионами у катода, в присутствии таких веществ расходуется не на выравнивание электронов, а на диссоциацию молекул.

Возникновение самостоятельного разряда в этих условиях становится невозможным.

2. Второй способ гашения - с помощью сопротивления. Объясняется тем, что при протекании по сопротивлению разрядного тока, на нем возникает большое падение напряжения. В результате межэлектродный промежуток приходится только честь приложенного напряжения, которая оказывается недостаточной для поддержания разряда.

Мертвое время зависит от многих факторов: величина напряжения на счетчике, состав газа - наполнителя, способе гашения, рока службы, температуры и др. Поэтому оно трудно поддается расчету.

Проще всего мертвое время определяется опытным путем, методом двух источников в следующем порядке:

Ядерные превращения и взаимодействие излучения с веществом имеют статистический характер, следовательно, существует определенная вероятность попадания в счетчик двух и более частиц в течение мертвого времени τ, которые будут зарегистрированы как одна частица. Предположим, что эффективность счетчика равна 100%. Пусть n₀ - средняя скорость попадания в счетчик частиц, n - средняя скорость счета (число частиц, регистрируемых в единицу времени). За время t будет зарегистрировано nt частиц. Суммарное мертвое время за время t составит nτt, а число несосчитанных частиц будет равно n₀nτt . Будем считать, что число попавших в счетчик частиц будет равно сумме зарегистрированных и несосчитанных частиц

n₀t = nt + n₀nτt, откуда

n₀ = n/(1 - nτ). (1)

При малых скоростях счета (nt<<1) поправка на просчеты незначительна, и можно считать, что n₀ = n.

Одним из простейших методов экспериментального определения мертвого времени счетчика является метод двух источников. Пусть n₁ и n₂ .- средние (наблюдаемые) скорости счета от каждого источника в отдельности, а n₁₂ - суммарная скорость счета. Соответствующие им действительные значения и согласно (I) равны

; ;

Их этих соотношений определяется мертвое время счетчика:

. (2)

Например, если n₁ = 100, n₂ = 100, n₁₂ = 196, то, соглас­но (2), будем иметь: τ = 2·10^-4 c.

Если с помощью такого счетчика с разрешающим временем производятся регистрация со скоростью п = 500 имп./с, то просчет составит 10%.

Для нормальной работы необходимо правильно выбрать ра­бочее напряжение счетчика. Практически напряжение на счетчи­ке выбирается таким, чтобы оно приходилось на середину плато счетной характеристики. У хороших счетчиков Гейгера-Мюллера имеется более или менее широкий! интервал (плато) напряжения около 100 В, на котором счет частиц почти не изменяется при изменении напряжения на счетчике. Графически хорошее плато имеет вид участка графика, параллельного горизонтальной оси (оси напряжения U). Чтобы снять счетную характеристику (зависимость скорости счета от напряжения), счетчик облучает­ся слабым бета и гамма-источником (например, урановым стеклом).

Цель работы: экспериментальное изучение счетной характеристики счетчика, определение мертвого времени.

Оборудование: прибор "Арион", свинцовый домик, источник - излучения (соль KCI в кювете), пластинка для ограничения потока β - частиц.

Внимание: Открывание и закрывание свинцового домика осуществляется только при отключенном питании счетчика. Все эксперименты проводить при рабочем напряжении U_раб, определенном в задании 1.

Задание и отчетность.

Задание 1. Снятие счетной характеристики.

1. Ознакомиться с кнопками и тумблерами прибора "Арион".

Тумблеры "сеть" и "выкл." предназначены для включения прибора.

Регулятор "Высок" предназначен для регулирования высокого напряжения, подаваемого на газоразрядный счетчик.

Тумблер "АВТ" - для одновременного включения счетчика импульсов и секундомера (пользуются кнопками счетчика импульсов).

Кнопки "Пуск" и "Стоп" управляют прибором при счете сигналов, поступающих от газоразрядного счетчика.

Кнопки "Сброс" предназначены для сбора показании перед очередным измерением.

2. Ручки регулирования напряжения вывести в крайнее левое поло­жение. Включить прибор в сеть и дать прогреться в течение 10 -15 мин.

3. Определить пороговое напряжение по началу счета при плавном увеличении напряжения питания. Дальнейшее измерение проводится с шагом 50 В. Время измерения каждой точки 100 с.

При увеличении счета на 20% по отношению к уровню плато измерения прекращают во избежание выхода счетчике из строя и напряжение уменьшают.

4. Определить фон Nф, для чего убрать источник из домика.

5. Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ п/п	U, В	t, c	Cчет N	Скорость счета N/t
1	300	100
2	350
3	400
…
…	700

6. Обработка результатов измерения.

Результаты представить графически в виде n = f(U). Определить пороговое напряжение, протяженность плато, его наклон в процентах на 100 В, выбрать рабочую точку счетчика.

Для определения наклона плато в процентах на 100 В бере­те отношение ∆n/n на 100 В, где n - исходная скорость счета; n + ∆n - скорость счета при увеличении напряжения на 100 В.

Задание 2. Определение мертвого времени счетчика.

1. Подать на счетчик рабочее напряжение.

2. Определить фон счетчика N_ф, не вынимая кювету с KCl из домика, закрыв ее алюминиевой пластинкой толщиной 2 мм. Рассчитать n_ф скорость счета от фона за 1 секунду .

3. Измерить счет от импульсов β - излучения левым счетчиком n₁ и правым счетчиком n₂ и двумя счетчиками n₁₂. Для этого используют пластинку ограничивающую поток β - излучения.

4. Результаты измерений записать в таблицу 2. Измерения проводятся 3 раза.

Таблица 2

	Время, с	Счет	Скорость счета n + N/t	Скорость счета за вычетом фона
1-ый источник:	100
2-ый источник:
Два источника

5. Вычислить мертвое время по формуле .

6. Сделать вывод по результатам измерений.

Контрольные вопросы

1. Что такое газовый разряд?

2. Что такое ионизация?

3. Какой газовый разряд называется самостоятельным?

4. Схеме устройства газового счётчика.

5. Вольм-амперная характеристика газового счетчика при работе в различных режимах.

6. Что такое рекомбинация?

7. Что такое ток насыщения?

8. Процессы, под воздействием которых может поддерживаться самостоятельный разряд.

9. Устройство счетчика Гейгера-Мюллера.

10. Что такое напряжение пробоя?

11. Тлеющий разряд.

12. Искровый разряд.

13. Дуговой разряд.

14. Коронный разряд.

15. Методы гашения самостоятельного разряда в счетчике.

16. Методика определения мертвого времени счетчика.

17. Что такое мертвое время счетчика?

18. Что такое эффективность счетчика?