Цель работы: Исследование принципа действия газового счётчика.

Краткое теоретическое обоснование:

1. Принцип действия газового счетчика.

Среди различных устройств для регистрации ядерных излучений одним из важнейших является так называемый газовый (газоразрядный) счётчик. В газовом счётчике используется явление самостоятельной электропроводимости газов. Попавшая в счётчик ионизирующая частица вызывает газовый разряд, что и позволяет зарегистрировать её.

Газовый счётчик представляет собой балонн, заполненный газом под давлением (4…..20)*10^-3 Па, в котором расположены два электрода: либо в виде пластинки и острия, либо цилиндра и нити, натянутой на его оси. Между электродами от источника постоянного напряжения создаётся электрическое поле. Чаще других используется цилиндрические счётчики, катодом которых является металлическая (аллюминивая) стенка баллона К (стенка должна быть достаточно тонкой, чтобы регистрируемая частица могла проникнуть в рабочий объем счётчика). Анодом служит проводящая нить А. Схема счётчика приведена на рис.1, где А-анод, К-катод счётчика.

Попавшая в счётчик ионизирующая частица ионизирует несколько молекул газа, в результате чего между электродами появляются несколько свободных электронов и столько же положительных ионов. Электроны, двигаясь к аноду, могут при известных условиях (при достаточной напряжённости поля и достаточной длине пробега) ионизировать встречные атомы. При этом число электронов лавинообразно возрастает и до анода вместо одного электрона доходит целая лавина. Кроме этого процесса, в газовом промежутке могут возникать вторичные процессы: ионизация молекул газа положительными ионами, выбивание ими электронов из катода, фотоэффект на поверхности катода, вызываемый излучением возбуждённых атомов и т.д.

Вторичные процессы создают новые свободные электроны,

Рис. I

каждые, из которых может дать новую лавину, идущую к аноду. Самостоятельная проводимость (газовый разряд) начинается тогда, когда каждая электронная лавина может создавать за счет вторичных процессов не менее одного свободного электрона. Это происходит при некотором напряжении между электродами, называемом напряжением зажигания U . Напряжение зажигания зависит от состава газа, его давления, формой электродов и т.д. Обычно оно составляет несколько тысяч вольт.

Вследствие флуктуаций вторичных процессов при напряжении, равном U, разряд может быстро погаснуть или вообще не развиться. Для порлучения устойчивого разряда используют напряжения, большее U на некоторую оприделённую величину U.

Если между электродами счётчика установлено напряжение, обеспечивающее устойчивый разряд (самостоятельную проводимость), то попавшая в счётчик частица начнёт разряд, который будет продолжаться сколько угодно долго. (Счётчик, работающий в таком режиме, называется несамогасящимся, или счётчиком Гейгера-Мюллера). Ионизирующая частица, попавшая в счётчик во время разряда, нечего не изменит и, следовательно, не будет зарегистрирована. Для того чтобы счё1тчик отвечал своему назначению - регистрировал частицы - необходимо быстро гасить разряд, вызванный попаданием в него частицы. Это можно сделать, например, резко понизив напряжение между электродами.

Если счётчик включен в схему на рис.1 то ток протекающий по нагрузочному сопротивлению R, снизит потенциал в точке B, и напряжение на счётчике станет меньше U. (Для этого R должно быть порядка 10⁹ Ом). В этом случае разряд прекратится, напряжение на счётчике постепенно восстановится. Время разряда в счётчике Гейгера – Мюллера составляет 10^-4 с. Время востоновления напряжения значительно больше (порядка нескольких миллисекунд). Снижение и последующее восстановление потенциала в точке В создаёт импульс напряжения который регистрируется соответствующем электронным устройством.

Частица, влетевшая в счётчик во время заряда, не создаёт нового импульса. Частица же, влетевшая во время восстановления напряжения, может вызвать разряд и создать импульс. Однако этот импульс будет меньше, и, если чувствительность счётного устройства невелика, он не будет зарегистрирован. Таким образом, в течении некоторого времени после попадания в счётчик ионизирующей частицы он не регистрирует другие частицы. Это время называется мёртвым или разрешающим временем счётчика. Как сказано выше, для счётчика Гегер-Мюллера это время составляет несколько миллисекунд.

Для уменьшения разрешающего времени были разработаны так называемые самогасящиеся счетчики. В отличии от счетчика Гейгера – Мюллера баллон самогасящегося счетчика заполняется смесью из 90% инертного газа ( чаще всего – аргона ) и 10% газа со сложными молекулами ( например, этилового спирта). Наличие в газе больших сложных молекул значительно снижает действие вторичных процессов, что приводит к быстрому погасанию разряда в счетчике.

При попадании частицы в самогасящийся счетчик электронной лавины возникают также, как описано выше. Но излучение возбужденных атомов почти полностью поглощается молекулами гасящей смеси и не попадает на катод. Поэтому разряд быстро распостроняется вдоль нити, но не захватывает всего объема счетчика. После того, как активная стадия разряда закончится ( вследствие накопления положительных зарядов вблизи нити ), ток определяется только движением ионов к катоду. При этом большинство положительных ионов основного газа, сталкиваясь с молекулами гасящей смеси, отбирают у них электроны и до катода доходят только ионы гасящей примеси, которые нейтрализуют на поверхности катода, не выбивая из нее электронов. Избыточная энергия этих ионов расходуется на диссоциацию молекулы.

Так как разряд в самогасящимся счетчике прекращается независимо от напряжения на нем, то сопротивление R (см.рис.1.) может быть взято значительно меньше (порядка 10⁶ Ом), с таким расчетом, чтобы напряжение на счетчике восстановилось одновременно с приходом положительных ионов на катод. Таким образом, разрешающее время счетчика сокращается до 10^-4с.