spez_fiz_pr_zachita

Величину rc можно определить, принимая во внимание (3.44).

Действительно, разряд сможет возникнуть в счетчике тогда, когда электрическое поле вблизи анода, обусловленное напряжением U0 и

объёмным зарядом, достигнет величины определяемым выражением (3.47), т. е. когда [2]

около 200 мкс. Форма импульсов счетчика показана на рис. 3.17. Видно, что в течение мертвого времени 8м нет наложения импульсов. Но затем при

временах, больших 8м на импульс налагаются импульсы, амплитуды которых тем больше, чем позже они возникают после первоначального импульса.

новления, создают меньшую плотность заряда и, следовательно, ионам потребуется пройти

меньшее расстояние от анода, чтобы вблизи анода вновь была напряженность поля, достаточная для развития разряда.

Измеряемая величина 8м зависит еще и от уровня дискриминации схемы регистрации (порога срабатывания). Чем ниже уровень дискриминации, тем

81

меньшее значение 8м может быть при больших скоростях счета. Порог

срабатывания пересчетных систем, используемых обычно в работе со счетчиками Гейгера–Мюллера, довольно мал (доли вольта), поэтому ионизирующие частицы, попадающие в рабочий объем счетчика во время процесса восстановления разности потенциалов до номинального значения, могут быть зарегистрированы счетчиком. Минимальный промежуток времени между двумя следующими друг за другом частицами, когда они регистрируются счетчиком раздельно, называют временем разрешения 8р .

Очевидно, что 8р 1 8м , и соотношение между этими величинами зависит от

порога срабатывания.

Время разрешения (или мертвое время) можно измерить методом двух источников. C этой целью следует сравнить скорость счета n12 при

облучении счетчика двумя источниками одновременно с суммой скоростей счета n1 и n2 от каждого источника в отдельности. В результате просчетов

окажется n12 n1 n2 . По условиям эксперимента n012 n01 n02 , где n01 , n02 – количество частиц, попадающих в счетчик за 1 с от разных источников.

Так как эти числа связаны со скоростями счета известным соотношением

3.2.5. Счетная характеристика

Основная характеристика счетчика – зависимость числа отсчетов при

постоянном источнике излучения от напряжения на счетчике называется счетной характеристикой (рис. 3.18). Такая характеристика

самогасящегося счетчика имеет почти горизонтальный участок, протяженностью 100–200 В. Начальный участок этой характеристики имеет резкий подъем (форма начального участка зависит от уровня дискриминации регистрирующей схемы), который обусловлен зависимостью амплитуды

импульсов напряжения от счетчика сравнительно невелики (вольты и доли вольта) и еще зависят от начальной ионизации.

82

число ложных импульсов возрастает, а, начиная с некоторого напряжения, каждая попавшая в счетчик частица вызывает многоступенчатый разряд и

являются индивидуальными характеристиками счетчика и должны определяться экспериментально, поскольку даже небольшое изменение газового состава рабочей смеси очень сильно влияет на наклон плато (рис. 3.19). Поэтому прежде, чем приступить к измерениям с помощью газоразрядного счетчика, необходимо определить его фон и измерить счетную характеристику.

83

Фон счетчика обусловлен космическим излучением, естественной радиоактивностью среды и воздуха, а также радиоактивностью самих материалов, из которых изготовлен счетчик. Фон счетчика зависит от его размеров и чистоты материалов, из которых он изготовлен. Обычно фон счетчика составляет несколько импульсов в минуту на 1 cм2 поверхности катода. Если убрать из лаборатории внешние источники излучения, то число регистрируемых счетчиком в единицу времени импульсов уменьшится до некоторой величины, называемой фоном счетчика.

3.2.6. Эффективность регистрации

Эффективность регистрации зависит от вида излучения. Для заряженных частиц эффективность регистрации близка к единице. Регистрация незаряженных частиц происходит по вторичным заряженным частицам, возникающим вследствие взаимодействия незаряженных первичных частиц с рабочим веществом детектора. Эффективность

регистрации рентгеновского и -излучения порядка 10–2. Эффективность регистрации нейтронов очень сильно зависит от природы газа, заполняющего счетчик, и от энергии нейтронов.

Для регистрации заряженных частиц счетчики должны иметь или тонкие стенки, или специальные тонкостенные окна, чтобы заряженные частицы могли проникать внутрь счетчика.

Эффективность регистрации счетчиком релятивистских заряженных

Помимо истинных совпадений, вызванных регистрацией одной и той же частицы, возможны и случайные совпадения, вызванные регистрацией двух или трех независимых частиц, попавших в счетчики за время меньшее, чем время разрешения схемы совпадений. Число двойных, случайных совпадений

84

за время измерения t определяется по формуле Nсл. 28р n1 n3 t , где n1 скорость счета фона в счетчике 1; n3 – скорость счета фона в счетчике 3 и 8р – время разрешения схемы совпадений. Вероятность тройных случайных

совпадений много меньше вероятности двойных совпадений, поэтому при малой интенсивности фона тройными совпадениями можно пренебречь.

Для регистрации -квантов обычно применяют счетчики с толстыми стеклянными стенками (~ 1 мм). Реже используют счетчики со специальными металлическими катодами. Регистрация -кванта, попавшего в счетчик, происходит в том случае, если в результате взаимодействия -кванта

появляется электрон. Например, при взаимодействии -кванта с рабочим веществом детектора (в основном с веществом катода) появляется заряженная частица – электрон (либо фотоэлектрон, комптон-электрон, электроннопозитронная пара), который, попадая в рабочий объем детектора, заполненный газом, производит там ионизацию. Очевидно, подавляющее число электронов рождается в стенках счетчика. B зависимости от толщины катода счетчика и энергии -кванта меняется число электронов, попадающих в чувствительный объем счетчика. Чем толще катод и чем ниже энергия -кванта, тем меньше электронов попадет в счетчик. Поэтому, в отличие от эффективности регистрации заряженных частиц, эффективность

регистрации -квантов в диапазоне энергий E 0,1–3 МэВ составляет всего

от нескольких десятых до единиц процентов.

Газоразрядные счетчики регистрируют и нейтроны. Регистрация нейтронов происходит в результате или упругого рассеяния нейтронов на

ядрах газа, заполняющего счетчик, или образования -квантов в реакциях неупругого рассеяния и радиационного захвата на ядрах вещества, окружающего счетчик. Нейтроны низких энергий (< 100 кэВ) в счетчике со смесью спирт – аргон будут упруго рассеиваться на ядрах водорода. Эффективность регистрации таких нейтронов – порядка сотых долей процента. Для нейтронов более высоких энергий эффективность еще меньше. Если же счетчик окружить кадмием и поместить в замедлитель нейтронов

(воду, парафин), то нейтроны будут регистрироваться по -квантам захвата в водороде и кадмии.

Эффективность регистрации заряженных частиц. Для развития разряда в счетчике достаточно образования в его объеме одной пары ионов. Поэтому эффективность счетчика по отношению к заряженным частицам определяется вероятностью образования в объеме счетчика хотя бы одной пары ионов.

Вероятность того, что на пути l в счетчике частица не образует ни одной пары ионов, равна exp( llср.) , где lср. – средняя длина, которую

проходит заряженная частица в газе до образования одной пары ионов; l – длина, которую проходит частица в объеме счетчика. Так как на пути в 1 см частица образует 0 пар ионов ( 0 – первичная удельная ионизация), то на

85

которое образует частица в объеме счетчика, пройдя путь l .

Счетчики с малой эффективностью. При уменьшении диаметра или при уменьшении давления газа число пар ионов, образующихся в объеме счетчика, будет уменьшаться. Это приведет к уменьшению эффективности регистрации заряженных частиц. Для счетчика с низкой эффективностью можно получить следующее выражение:

т. е. эффективность счетчика пропорциональна среднему числу пар ионов, образующихся в счетчике после прохождения через него заряженной частицы. Это означает, что счетчик малой эффективности может измерять величину, пропорциональную поглощенной в объеме счетчика энергии. Число регистрируемых импульсов будет пропорционально среднему числу пар ионов, создаваемых заряженной частицей в объеме счетчика. B отличие от счетчика с большой эффективностью, в котором скорость счета пропорциональна числу проходящих через счетчик заряженных частиц, т. е. пропорциональна площади поперечного сечения счетчика, скорость счета счетчика с малой эффективностью пропорциональна его объему.

3.3. Галогенные счетчики

Галогенные счетчики обычно работают на смеси неона (потенциал ионизации неона равен 21,5 B, потенциал возбужденного метастабильного состояния 16,6 B) и паров брома (потенциал ионизации 12,8 В). Разность потенциалов между катодом и нитью выбирают так, чтобы вблизи нити напряженность электрического поля была бы достаточна для возбуждения атомов неона, но недостаточна для его ионизации. Возбужденные атомы неона переходят в метастабильное состояние со временем жизни 10–4–10–2 с. B течение этого времени атом неона испытывает большое число соударений, в том числе и с молекулами брома. Так как энергия ионизации брома меньше энергии возбуждения атома неона, то такие соударения могут привести к ионизации молекулы брома. Образовавшийся свободный электрон в свою очередь на пути к нити возбуждает атомы неона с последующей ионизацией молекулы брома.

Второй процесс, приводящий к возникновению электронно-фотонных лавин, аналогичен фотонному механизму усиления в несамогасящихся

86

газовых детекторах. Отличие заключается в существенно большей длительности процесса высвечивания. Это приводит к тому, что время нарастания электрического импульса в галогенных счетчиках на несколько порядков больше, чем в счетчиках, наполненных смесью инертного газа и пара органической жидкости.

В результате развития электронно-фотонных лавин в галогенных счетчиках (так же, как и в обычных) вблизи нити образуется пространственный заряд, препятствующий дальнейшему развитию электронно-фотонных лавин. Разряд гасится. Ионы галоида дрейфуют к катоду и при нейтрализации не вызывают эмиссии электронов. Это так же, как в обычных самогасящихся счетчиках, обусловливает одноступенчатый характер разряда.

Галогенные счетчики работают при существенно меньшей разности потенциалов по сравнению с обычными. Значительно большее время нарастания сигнала и, главное, большие флуктуации времени нарастания существенно ухудшают временное разрешение галогенных счетчиков.

4. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД

Сцинтилляционный метод основан на регистрации коротких вспышек света – сцинтилляций, возникающих в некоторых веществах (сцинтилляторах) после прохождения через них заряженных частиц (рис. 4.1). Сцинтилляции отличаются от других видов свечения (например, свечения Вавилова–Черенкова) тем, что они обусловлены электронными переходами внутри центра свечения; в зависимости от типа вещества центром свечения может служить атом, молекула, ион или более сложное образование.

Конечная длительность свечения, определяемая в основном временем пребывания центра свечения в возбужденном состоянии, отличает сцинтилляции от излучения Вавилова–Черенкова, тормозного и переходного излучений. От индуцированного излучения лазера сцинтилляции отличаются тем, что являются спонтанным и некогерентным излучением.

Существенно отметить, что центр свечения, как правило, возбуждается не непосредственно быстрой заряженной частицей, а в результате переноса энергии к нему. Поэтому весьма важную роль в образовании сцинтилляции играет процесс переноса энергии от возбужденных атомов, ионов или молекул к центрам свечения. Понимание принципов работы сцинтилляционных детекторов, а, следовательно, создание совершенных детекторов и расширение области применения существующих детекторов невозможно без детального исследования сцинтилляционного процесса и, в частности, без детального изучения процессов переноса энергии от основного вещества к центрам свечения.

Впервые сцинтилляции наблюдались визуально при облучении экрана из сернистого цинка -частицами (для этого требуется длительная, порядка 30–40 мин, адаптация глаза к темноте). С помощью этого метода были

87

проведены опыты по рассеянию -частиц, которые привели к установлению ядерной модели атома.

4.1. Принцип работы сцинтилляционного детектора

Сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора – прибора, регистрирующего световые вспышки (фотоприемника); электронного устройства для получения и обработки данных об амплитуде сцинтилляционного импульса, его форме, спектре свечения. В ряде экспериментов между сцинтиллятором и фотоприемником помещают

уменьшается число фотонов, изменяется и спектр. Вместе с тем в ряде случаев применение световодов

позволяет увеличить светособирание. Возможно и уменьшение длительности световой вспышки после прохождения ее через световод. Для регистрации излучений применяются различные типы сцинтилляторов.

Регистрация фотонов ФЭУ. Наиболее широко в современном эксперименте применяется детектор, состоящий из сцинтиллятора и фотоэлектронного усилителя – ФЭУ. Схема такого детектора приведена на рис. 4.1 и 4.2. Напряжение, прикладываемое к электродам ФЭУ, как правило, снимается с омического делителя, питаемого от стабилизированного источника высокого напряжения. Суммарное сопротивление делителя должно быть таким, чтобы протекающий через него ток был на порядок больше тока в вакууме между динодами. В противном случае падение напряжения в цепи тока динодов и тока анода на резисторах делителя будет нарушать нормальный режим работы ФЭУ. Для измерения сигнала со сцинтилляционного детектора к аноду ФЭУ (или же к последнему диноду)

88

называется конверсионной эффективностью, или энергетическим выходом [1]. Это одна из основных характеристик сцинтиллятора.

Необходимо отметить, что конверсионная эффективность зависит от удельных ионизационных потерь регистрируемых частиц и различна для разных типов частиц. Эта зависимость для -частиц и электронов характеризуется величиной / , которая представляет собой отношение

конверсионных эффективностей при облучении сцинтиллятора -частицами и электронами одинаковой энергии.

Значение 3k в зависимости от типа сцинтиллятора изменяется от 0,01 до 0,3 и для частиц одного типа обычно слабо зависит от их энергии. Зная 3k и Eп , можно определить число фотонов Nф , испускаемых за время 8 , которое

также зависит от типа сцинтиллятора и находится в пределах 10-5–10–9 с. Если средняя энергия фотона равна h0 , то [1]

соответствует отношению среднего числа фотонов, возникающих в процессе одной сцинтилляции, к доле энергии частицы, потерянной в сцинтилляторе.

Число фотонов, попадающих на катод ФЭУ, зависит от коэффициента светособирания 3c , значение которого составляет обычно 0,3-0,8. Таким

образом, на катод ФЭУ за время 8 попадает Nф3c фотонов, распределенных

89

во времени по определенному закону, зависящему от механизма высвечивания сцинтиллятора (и от геометрии светособирающих элементов).

На рис. 4.3, а, по горизонтальной оси отложены моменты времени попадания фотонов на катод ФЭУ. При этом в результате фотоэффекта с поверхности катода в рабочий объем выходят фотоэлектроны (рис. 4.3, б). Число фотоэлектронов зависит от величины, определяемой квантовой эффективностью катода и вероятностью выхода фотоэлектрона в объем ФЭУ.

Из рис. 4.3, б, видно, что фотоэлектроны сдвинуты во времени относительно момента прохождения частицы (начало координат). Фотоэлектроны фокусируются на первый динод ФЭУ (рис. 4.1).

Число электронов, достигших первого динода, затем в результате вторичной электронной эмиссии многократно увеличивается. После прохождения всех динодов внутри

имеют конечную длительность из-за флуктуаций времени пролета через ФЭУ различных электронов.

называется одноэлектронным. Число одноэлектронных импульсов пропорционально Eп – энергии частицы, поглощенной в сцинтилляторе.

Импульсный режим. Если средний интервал времени между одноэлектронными импульсами меньше их длительности, то будет происходить наложение импульсов во времени, т. е. форма суммарного токового импульса будет соответствовать изменению интенсивности свечения сцинтиллятора во времени. Зарегистрированной частице будет соответствовать один импульс тока (рис. 4.3, г).

Наиболее часто сцинтилляционный детектор работает в импульсном режиме, когда форма импульса тока ФЭУ повторяет форму сцинтилляции. При выборе сопротивления нагрузки в цепи ФЭУ, на котором измеряется амплитуда выходного импульса напряжения, руководствуются следующими

90