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 , отсчитываемого от момента t попадания частицы в объем СГМ. В течение времени СГМ не способен регистрировать следующую частицу, попавшую в его объем. Это время называется мертвым временем СГМ. Так как , то возникают просчеты, то есть некоторое количество частиц, попавших в СГМ не регистрируются, поэтому значения величины нелинейно зависят от .

В первом приближении , где – число зарегистрированных импульсов за время , а – число частиц, попавших в чувствительный объем СГМ за время . Методы определения мертвого времени рассмотрены в Приложении 2.

Описание лабораторной установки

Установка состоит из следующих частей:

• Газоразрядного детектора ионизирующих излучений – счетчика Гейгера-Мюллера определенного типа, или 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 .

• Счетного электронного устройства с таймером для измерения количества импульсов в задаваемом интервале времени .

• Вольтметра для измерения высокого напряжения.

• Источника ионизирующего излучения (бета-излучения или гамма-излучения) в контейнере-коллиматоре, создающего поток излучения направленный на чувствительный объем счетчика.

• Осциллографа для определения параметров импульсов .

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 , интервал плато (, ); коэффициент наклон плато – ; рабочее напряжение Сравните полученные значения параметров с паспортными данными.

2. Получите зависимость амплитуды импульсов напряжения от напряжения приложенного к счетчику в интервале –.

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

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

В первом задании, контролируя по осциллографу появление импульсов, а по электронному счетному устройству число регистрируемых импульсов за время =1 с, определите значения . Затем, увеличивая значения с шагом 20–30 вольт, оцените предварительно интервал и значение коэффициента наклона плато . 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 так, чтобы на счетной характеристике в интервале можно измерить 10 значений счета импульсов , =1, 2, …, 10. Получите графическое представление этой характеристики и определите ее параметры.

Во втором задании оцените форму импульса напряжения с помощью осциллографа, т.е. длительность переднего фронта и время затухания – длительность заднего фронта.

Определите значения амплитуд импульсов напряжения при напряжении , , с помощью осциллографа и постройте зависимость .

Определите оптимальную длительность отдельного измерения , предполагая, что статистическая погрешность измерений должна быть не более 5%. Случайную величину можно полагать подчиняющейся распределению Пуассона, и поэтому среднеквадратичную погрешность отдельного измерения следует оценивать по формуле .

При выполнении третьего задания для определения значения мертвого времени необходимо измерить значение , установив перед СГМ один из двух источников излучений. Затем, не перемещая первого источника, установить второй источник и измерить значение и далее удалить первый источник и измерить интенсивность потока второго источника . Далее оцените значения по формуле и оцените статистическую погрешность в соответствии с приложением.

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

При выполнении четвертого задания для оценки относительной эффективности и влияния параметров и конструкции СГМ на эффективность регистрации гамма-излучения, выполнить измерение потока гамм-излучения, например, радионуклида цезия-137 с энергией гамма-квантов =660 кэВ известной интенсивности и затем при такой же геометрии измерений источник гамма-излучения радионуклида кобальта-60 известной интенсивности, установив перед входным окном счетчика алюминиевую фольгу толщиной 0,10,3 мм, а затем без фольги. Статистическая погрешность измерений должна быть не более 5%, что определяет длительность измерений и вклад фонового излучения.

Для оценки зависимости относительной светосилы от геометрии измерений, а именно от расстояния между окном торцевого СГМ или поверхностью цилиндрического счетчика и поверхностного коллиматора, проведите измерения интенсивности потока гамма-излучения радионуклида, например цезия-137 или кобальта-60 при двух расстояниях между коллиматором и СГМ. Статистическая погрешность измерений не должна превышать 5%.

Результаты измерений представить в форме таблицы.

номер измерения	напряжение СГМ (В)	число импульсов за время	амплитуда импульса отн. ед.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Контрольные вопросы и задачи

Вопросы

1. Объясните механизм развития самостоятельного газового разряда в счетчике Гейгера-Мюллера.

2. Объясните механизм гашения разряда в самогасящихся счетчиках Гейгера с многоатомными газовыми компонентами и с галогенами.

3. Объясните вид наблюдаемой счетной характеристики.

4. Почему амплитуды импульсов напряжения СГМ не зависят от энергии регистрируемого излучений?

5. Объясните причины возникновения мертвого времени СГМ.

6. От каких параметров СГМ зависит мертвое время и почему?

7. Почему срок службы счетчиков Гейгера-Мюллера с многоатомными добавками к рабочему газу ограничен регистрацией не более 10¹⁰ импульсов, в отличие от галогенной добавки?

8. Почему амплитуда импульса напряжения счетчика Гейгера-Мюллера зависит от напряжения, приложенного к счетчику ?

9. Как влияет мертвое время на результат измерения интенсивности потока изучаемого излучения?

10. Почему самостоятельный разряд счетчика Гейгера-Мюллера распространяется вдоль анодной нити?

11. В чем различие в механизмах работы и назначении торцевых и цилиндрических СГМ?

12. Объясните механизм гашения разряда в счетчиках с галогеном, обеспечивающим гашение.

13. Как зависят амплитуда сигнала и мертвое время от соотношения радиусов анода и катода и давления газа в счетчике?

Задачи

1. Счетчик Гейгера-Мюллера имеет радиус катода =1см и радиус анода =50мк. Счетчик наполнен аргоном при давлении 70 мм рт.ст. Оценить амплитуду импульса, если на счетчик подано напряжение V=830 В. Подвижность положительных ионов аргона в аргоне составляет 1,5 см²/Всек для E/p=1–30 В/сммм рт.ст. Скорость дрейфа электронов в аргоне для интервала E/p=0,25–4 В/сммм рт.ст. составляет (2,8 – 13)10⁵ см/с.

2. Оценить число молекул гасящего газа диссоциирующих в данном разряде, если амплитуда импульса на выходе самогасящегося счетчика равна 10 В, а эквивалентная емкость составляет 20 пар.

3. Оценить срок службы самогасящегося счетчика Гейгера диаметром 2 см с длиной 20 см, наполненного до давления 100 мм рт. ст. смесью из аргона (90%) и спирта (10%), если счетчик считается выведенным из строя, если диссоциирует 80% молекул гасящего газа.

4. Счетчик Гейгера, диаметром 2 см, имеющий медные стенки, толщиной 200 мк, заполнен аргоном давлением 750 мм.рт.ст. Сравнить долю гамма-квантов кобальта-60, поглощенных в стенках и газе счетчика, если поток квантов направлен перпендикулярно оси счетчика.

основная Литература

1. Абрамов А.И. Основы экспериментальных методов ядерной физики. 3-е издание/ А.И. Ляпидевский, Ю.А. Казанский, Е.С. Матусевич . М: Энергоатомиздат. Глава 4,5 §5.1, §5.3, §5.5.

2. Ляпидевский А.И. Методы детектирования излучений / А.И.Ляпидевский . М: Энергоатомиздат.– 1987 г, 408 с. Глава 8 §8.1, §8.3, §8.5.

3. Ободовский И.М. Сборник задач по экспериментальным методам ядерной физики/ И.М.Ободовский.– М.: Энергоатомиздат.– 1987, 280 с.

4. Иродов И.Е. Атомная и ядерная физика. Сборник задач. С-П. М. Лань. 2002. Глава 11. Раздел 11.4.

Дополнительная Литература

5. Векслер В., Грошев Л., Исаев Б. Ионизационные методы исследования излучений/ Векслер В. [и др.] – М-л. ГИТТЛ. 1949, 424 с.

6. Групен К. Детекторы элементарных частиц/ К.Групен .– Новосибирск: «Сибирский хронограф»,– 1999, 407 с.

7. Гришина Т.В., Климова Г.И., Михайлова О.В. Сборник задач по курсу «Методы регистрации излучений» / М. МИФИ. 1969.

Приложение 1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГИСТРАЦИИ

Эффективность регистрации излучения СГМ зависит от вероятности ионизации излучением газа в счетчике, которая в свою очередь зависит от вида и энергии излучения, а также от таких параметров СГМ, как его геометрические размеры чувствительного объема, материала и толщины катода (или входного окна), через который излучение попадает в объем СГ.

Так, для гамма-излучения с энергией более 0,1 МэВ вероятность его взаимодействия с газом в объеме СГМ существенно меньше вероятности взаимодействия с материалом входного окна или (катода счетчика). Это легко показать, поскольку ~, где – линейный коэффициент ослабления гамма-излучения с энергией в веществе поглотителя толщиной , с атомным номером и плотностью . А так как для газа в СГМ величина много меньше, чем для катода из металла, то вероятность ионизации газа непосредственно гамма-квантом, пропорциональная , пренебрежимо мала в сравнении с вероятностью ионизации электроном, образовавшимся в катоде счетчика под действием гамма кванта.

Таким образом, эффективность регистрации гамма-излучения с данной энергией определяется следующими факторами: вероятностью взаимодействия излучения с веществом катода (входного окна) СГМ, которая с ростом до 2 МэВ уменьшается; вероятностью попадания вторичного электрона, (образованного в результате взаимодействия гамма-кванта с катодом), в чувствительный объем детектора, которая увеличивается с ростом в связи с увеличением энергии вторичных электронов и, соответственно, ростом длин их пробега в катоде СГМ и увеличением возможности выхода в газовый объем; вероятностью ионизации газа этими вторичным электроном.

Для получения максимальной эффективности регистрации излучения с данной необходимо, чтобы толщина катода была примерно равна длине максимального пробега вторичных электронов в катоде.

Следовательно ~, где вероятность электрону с энергией пройти слой вещества катода толщиной при линейном коэффициенте поглощения электрона . Поскольку , а убывающая функция, то при данном функция имеет максимум при некоторой толщине данного катода. Очевидно, зависит от и материала катода. На рис. 4 приведены зависимости эффективности регистрации гамма-излучения различными СГМ и влияние на материала катода.

Рисунок 4а. Зависимость эффективности от энергии гамма-излучения для счетчиков со свинцовым, алюминиевым и латунным катодами.

Рисунок 4б. Зависимость эффективности различных газоразрядных счетчиков от энергии гамма-излучения.

Для регистрации бета-частиц применяют СГМ одного из двух следующих типов. При низкой энергии бета-частиц с максимальной энергией бета-спектра ~ 0,8 МэВ применяют торцевые СГМ, в которых бета-частицы попадают в чувствительный объем счетчика через тонкий слой вещества (слюды), толщиной 1 -5 мг/см² в торце счетчика^. При большой энергии бета-частиц с максимальной энергией бета-спектра выше 0,8 Мэв применяют СГМ с металлическим катодом (как и для гамма-излучения), например, из стали толщиной 40-60 мг/ см² .

В отличие от гамма-квантов бета-частицы обладают достаточно высокой ионизирующей способностью. Практически каждая бета-частица в слое газа толщиной ~ 1 см при нормальном давлении образует несколько ион-электронных пар, что достаточно для возникновения самостоятельного разряда в СГМ. Поэтому эффективность регистрации бета-частиц близка к 1. Способность к регистрации бета-излучения СГМ зависит от толщины и свойств вещества, отделяющего чувствительный объем СГМ от бета-источника

Приложение 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕРТВОГО ВРЕМЕНИ

Определение мертвого времени СГМ методом Стевера.

Рассмотрим отдельные стадии разряда в СГМ. При вспышке газового разряда, вызванной попаданием ионизирующей частицы, вокруг нити-анода образуется облако электронов и положительных ионов. Так как подвижность электронов велика по сравнению с подвижностью ионов, то электроны соберутся возле нити прежде, чем положительные ионы успевают от нее удалиться. При этом потенциал нити резко падает. Падение потенциала анода и наличие в объеме СГМ облака положительных ионов снижают величину электрического поля в области ударной ионизации счетчика до величины, при которой невозможно развитие самостоятельного разряда в счетчике. Частица, попавшая в объем СГМ в этот период, не будет зарегистрирована счетчиком.

По мере отхода положительных ионов от нити, поле вблизи анода постепенно возрастает. Когда ионное облако отойдет от анода на достаточное расстояние, называемое критическим радиусом r_кр, поле возрастает до величины, при которой становится возможным развитие самостоятельного разряда в счетчике.

Таким образом, с момента (t = 0) попадания инициирующей частицы, вызвавшей разряд в СГМ, и до момента (t = T_М), когда положительное ионное облако отойдет от анода на расстояние r_кр, СГМ оказывается нечувствительным к ионизирующим частицам, попавшим в его объем. Интервал времени T_М называют мертвым временем счетчика.

Время, затрачиваемое на перемещение ионного облака от r_кр до катода, называют временем восстановления τ_вост СГМ. По истечении этого времени поле внутри счетчика восстанавливается до исходного значения. Частица, попавшая в объем счетчика в период времени восстановления, вызывает разряд в счетчике. Однако амплитуда импульса при этом будет, вообще говоря, меньше номинальной, в соответствии с пониженной напряженностью поля, вызванной экранирующими свойствами ионного облака.

Мертвое время и время восстановления СГМ можно измерить при помощи осциллографа со ждущей разверткой. Если присоединить выход СГМ к осциллографу, то при малой частоте следования импульсов, каждый импульс будет запускать развертку. Луч осциллографа при этом нарисует на экране этот импульс так, что его начало будет совпадать с началом развертки (см. Рис. 5 - сплошная линия).

Если теперь увеличивать интенсивность облучения СГМ, то все чаще будут иметь место случаи, когда один импульс запускает развертку, а следующий возникает раньше, чем луч осциллографа успевает пробежать весь экран.

Рисунок 5. Определение мертвого времени и времени восстановления СГМ методом Стевера.

Для этого импульса развертка работает как непрерывная. На экране осциллографа возникает картина, изображенная на Рис. 5 пунктиром – в течение времени T_М импульсы отсутствуют, в течение T_В импульсы возникают, причем их амплитуда зависит от времени попадания в объем ГСМ. Номинального значения амплитуда импульсов достигает через время T=T_М+T_В, когда все полож ительные ионы образовавшиеся при разряде, запустившем развертку, соберутся на катоде счетчика.

Электронная аппаратура, регистрирующая импульсы, поступающие с СГМ, обычно имеет некоторый ненулевой порог срабатывания. Поэтому, после регистрации счетчиком СГМ инициирующего импульса в момент времени t =0, следующий импульс может зарегистрироваться только в момент времени t ≥ τ (см. Рис. 5). Время τ называется временем разрешения измерительной установки. Очевидно, время разрешения не может быть меньше мертвого времени СГМ