3. Газонаполненные детекторы излучения

Ионизационный метод регистрации ядерных излучений, используемый в газонаполненных детекторах, основан на изме­рении электрического заряда (тока), образующегося в газе в результате его ионизации заряженной частицей. Незаряжен­ные частицы (γ-излучения, нейтронов) регистрируются благо­даря заряженным частицам, возникающим в различных про­цессах: поглощения γ-квантов с образованием электронов, поглощения нейтронов в реакциях (п, α), (п, р), рассеяния быстрых нейтронов с образованием быстрых заряженных ядер отдачи — протонов в водородсодержащих веществах.

Газонаполненные детекторы представляют собой баллоны с газом, в которых расположены два электрода. Режим работы газонаполненного детектора зависит от напряжения и расстоя­ния между электродами, от формы последних, точнее, от вели­чины и распределения напряженности электрического поля в рабочем объеме. Рассмотрим зависимость ионизационного тока i от напряжения U между электродами при постоянных геометрии электродов и интенсивности излучения, попадающего в детектор (рис.5).

При очень малом напряжении скорости движения ионов и электронов столь малы, что значительная их часть не доходит до электродов, а успевает рекомбинироваться, т. е. воссоеди­ниться в нейтральные молекулы (см. рис.5, область 1). С увеличением U скорость ионов растет, потери на рекомбина­цию уменьшаются. Область II на рис.5 соответствует вели­чинам напряжений, при которых практически все ионы, воз­никающие в объеме детектора, достигают электродов. Иониза­ционный ток в этой области, почти не зависящий от изменения U в определенных пределах, называется током насыщения. Он равен общему заряду электронов и ионов, образующихся в единицу времени. Детекторы, работающие в области насыще­ния, называются ионизационными камерами.

Рис.5. Вольт-амперная характеристика га­зонаполненных детекторов.

Области: 1 — рекомбинации, II — насыщения, III — пропорциональности, IV — ограниченной пропор­циональности, V — Гейгера—Мюллера, VI — само­произвольного разряда; частицы с энергией: 1 — большой, 2 — малой

Рост тока с увеличением напряжения в области III связан с повышением напряженности поля до таких величин, при кото­рых электроны между двумя очередными соударениями с ато­мами газа успевают набрать энергию, достаточную для иониза­ции молекул газа,— происходит вторичная ионизация. Вторич­ные электроны вместе с первичными в следующих столкновениях ионизируют другие молекулы и т.д.— возникает лавинообразное размножение зарядов. Вследствие этого ионизационный ток увеличивается, причем тем больше, чем выше напряжение. Такое явление, называемое газовым усилением, характеризуется коэффициентом газового усиления k, равным отношению заряда, собираемого на электродах, к первичному заряду. Коэффициент k зависит от величины напряжения. В области насыщения тока k =1, а с увеличением напряжения величина k растет до 10⁴ и более. До некоторого значения напряжения вели­чина k не зависит от первичного заряда. В результате общий заряд от одной заряженной ядерной частицы пропорционален первичному заряду.

Область III напряжений называется областью пропорцио­нальности, а соответствующий газонаполненный детектор — пропорциональным счетчиком. Поскольку часто первичный заряд пропорционален энергии регистрируемой частицы, то и импульс тока на выходе счетчика оказывается пропорциональ­ным той же энергии. Поэтому пропорциональный счетчик позволяет проводить спектрометрию — анализ частиц по энергиям.

В области IV, называемой областью ограниченной пропор­циональности, пропорциональность между импульсом тока счетчика и первичным зарядом (а следовательно, и энергией частицы) нарушается: чем больше первичный заряд, тем меньше коэффициент k. В области V величина тока становится неза­висимой от интенсивности первичной ионизации. Здесь для возникновения мощного газового разряда достаточно появиться в детекторе хотя бы одной ионной паре. Область V, где импульс тока на выходе детектора зависит лишь от напряжения на нем, но не зависит от первичного заряда и энергии регистрируемой ядерной частицы, называют областью Гейгера—Мюллера, а детектор, работающий в таком режиме, счетчиком Гейгера—Мюл­лера.

При дальнейшем увеличении напряжения (область VI) наб­людается пробой газа — самостоятельный газовый разряд, воз­никающий даже без наличия излучения, благодаря вырыва­нию мощным электрическим полем электронов из материала электродов.

Итак, в области II напряжений работают ионизационные камеры, в области III — пропорциональный счетчик, в об­ласти V — счетчик Гейгера—Мюллера.

Независимо от типа детекторов выделяют ряд характеристик детекторов, описывающих связь сигналов на их выходе с пара­метрами поля излучений, в которое помещен детектор. Наибо­лее общая характеристика детектора — функция отклика G(E, U), которую определяют как вероятность частице с энер­гией Е создать сигнал типа U при попадании в детектор. Сигнал может характеризоваться длительностью, амплитудой и т. п. Важный случай, встречающийся при спектрометрии частиц,— вероятность образования на выходе детектора импульса с за­данной амплитудой при попадании в детектор частицы с энер­гией Е. Примером функции отклика для сцинтилляционного детектора может служить спектр амплитуд на его выходе (см. рис.9) для монохроматической линии.

Если спектральная плотность потока частиц Ф(Е), спектр амплитуд импульсов, т.е. число импульсов с амплитудой U,

(1)

Решение обратной задачи, т.е. определение спектральной плотности Ф(Е) по результатам измерения спектра амплитуд N(U) сигналов детектора, таким образом, сводится в общем случае к решению интегрального уравнения вида (1.89) с яд­ром G (E, U), представляющим функцию отклика детектора (точнее, всего измерительного прибора).

При интегральных (неспектрометрических) измерениях нас интересует не амплитуда импульса на выходе детектора, а лишь вероятность создания на его выходе импульса с амплитудой, достаточной для его регистрации. Эту вероятность можно нор­мировать по-разному — к активности источника, числу частиц, попавших в детектор, к потоку частиц в месте расположения детектора.

Характеристики, относящиеся к указанным случаям, носят разные названия. Ограничимся рассмотрением двух таких ха­рактеристик. Эффективность детектора ε — это отношение числа зарегистрированных импульсов к числу частиц, попавших в де­тектор. Чувствительность детектора s — отношение числа заре­гистрированных в единицу времени импульсов к плотности потока частиц в месте расположения детектора. Если детектор облучается параллельным пучком частиц, то характеристики s и ε связаны соотношением

(2)

Здесь F — площадь проекции детектора на плоскость, перпен­дикулярную к направлению пучка.

Для поля с хаотическим направлением частиц введем чувствительность для каждого направления частиц и энергии Е. Если дифференциальный поток частиц, т.е. поток движущихся в направлении частиц, равен , то число зарегистрированных частиц

(3)

а средняя чувствительность для данного спектра энергий и на­правлений

(4)

Рассмотрим конструкцию и особенности отдельных типов газонаполненных детекторов излучения.

Счетчик Гейгера—Мюллера обладает высоким газовым уси­лением (в отдельных случаях до 10¹⁰) и обеспечивает большую (единицы и даже десятки вольт) амплитуду выходного им­пульса. Это упрощает схему усиления импульсов, а иногда делает ее излишней и создает условия широкого применения счетчиков Гейгера—Мюллера при регистрации γ-квантов, β- и α-частиц.

Конструкцию счетчиков Гейгера—Мюллера выбирают такой, чтобы при сравнительно небольших размерах и напряжениях на электродах получать высокий коэффициент газового усиле­ния. Это наилучшим образом обеспечивается использованием цилиндрических счетчиков с очень тонким анодом. Такой счет­чик (рис.6,а) состоит из катода-корпуса, по оси кото­рого натянута металлическая нить — собирающий электрод (анод). Корпус представляет собой либо металлический ци­линдр, изолированный от анода, либо стеклянный баллон с металлизированной изнутри боковой поверхностью, служащей ка­тодом.

В небольшом объеме вокруг нити анода, называемом крити­ческим, напряженность поля становится достаточной для ла­винообразной ионизации. Если выбрать анод достаточно тонким, то можно создать критическую область и большое газовое усиление при умеренном (не более 10³ В, а у галогенных счет­чиков даже 250—400 В) напряжении питания счетчиков Гейгера—Мюллера.

За время (10^-7 с), необходимое для сбора электронов на аноде, тяжелые положительные ионы успевают уйти в направ­лении катода на очень малое расстояние. Поэтому после сбора электронов на аноде вокруг него остается плотный чехол положительных ионов, что ослабляет напряженность поля вблизи анода. Если в это время через объем газа пролетит новая заряженная частица, то в критическом объеме не будет происходить газового усиления зарядов и частица не будет зарегистрирована счетчиком. Время (t_м≈10^-4 с), в течение которого невозможна регистрация новой частицы, называется разрешающим или чаще мертвым временем счетчика. Через время, несколько большее t_M, все ионы достигают катода и счетчик полностью восстанавливает свои свойства.

Одной из основных характеристик счетчика Гейгера—Мюл­лера является счетная характеристика (см.рис.6, б), показы­вающая зависимость скорости счета импульсов от напряжения между электродами при постоянной интенсивности излучения. До напряжения U₁ счетчик работает в области ограниченной пропорциональности. Амплитуда импульсов различна вследст­вие разной энергии частиц и различию их пути в рабочем объеме. Поскольку любая регистрирующая схема имеет неко­торый порог, то регистрируются лишь импульсы, имеющие амплитуду выше этого порога.

В области Гейгера—Мюллера (U > U₁) все импульсы реги­стрируются, так как все они имеют близкую амплитуду. В неко­торой области напряжений U₁ <U <U₂, называемой плато счетчика, скорость счета почти не зависит от напряжения. Небольшой (3—4 % на каждые 100 В) наклон плато связан с увеличением по мере роста напряжения числа ложных им­пульсов, образующихся благодаря электронам, вырываемым из катода ультрафиолетовым излучением.

Рис. 6. Устройство (а) и счетная характеристика (б) счетчиков Гейгера— Мюллера, зависимость их эффективности от энергии у-квантов (в) для различ­ных типов счетчиков.

1 — анод; 2 — катод; 3 — изолятор; 4 — стеклянный баллон; 5 — электрический вывод катода

Резкое повышение скорости счета после плато связано с ростом числа самопроизвольных разрядов из-за высокой на­пряженности поля в счетчике. Протяженность плато достигает нескольких сотен вольт. Если рабочее напряжение выбрать в середине плато, то скорость счета не зависит от изменения напряжения до нескольких десятков вольт. Это наряду с боль­шой амплитудой импульсов позволяет создавать на основе счетчиков Гейгера—Мюллера простые и надежные радио­метры.

Единственным недостатком данных счетчиков является их малая эффективность к γ-квантам, обусловленная следующим. Поглощение γ -квантов в газе, заполняющем счетчик, ничтожно. Регистрация происходит из-за поглощения квантов в корпусе счетчика, в результате чего образуются быстрые электроны (фотоэффект и комптон - эффект) или пара электрон—позитрон. Чтобы эти частицы попали внутрь счетчика (в газовый объем) и зарегистрировались, толщина стенок должна быть не более нескольких миллиметров. При такой малой толщине стенок вероятность поглощения ими γ-квантов, т.е. эффективность счетчика, оказывается равной всего нескольким процентам.

В случае постоянной толщины катода эффективность счет­чика при энергии более п• 10^-1 МэВ растет с увеличением энер­гии γ - кванта (см.рис.6, в). Однако в области очень малых энергий наблюдается обратная картина, особенно резко выра­женная для счетчиков с катодом из тяжелых материалов (см. кривую для счетчиков ВС-4 с вольфрамовым катодом). Увеличение эффективности для них в области Eγ < 0,6 МэВ связано с резким ростом фотоэффекта. Из рис. 18, в видно, что в обла­сти Еγ > 0,8 МэВ эффективность всех типов счетчиков примерно одинакова. В то же время при Еγ < 0,8 МэВ эффективность счетчиков с тяжелым катодом (ВС-4) значительно выше, чем счетчиков с алюминиевым (АС-2), графитовым (ГС-4), сталь­ным (СТС-2, СТС-4) и с медным (МС-4) катодами.

Пропорциональные счетчики дают на выходе импульсы с гораздо меньшей амплитудой, чем счетчики Гейгера—Мюллера. Конструктивно пропорциональные счетчики подобны счетчикам Гейгера—Мюллера, но отличаются меньшей напряженностью поля в критической области. Преимуществом этих счетчиков является пропорциональность импульса заряду первичных ионов, что позволяет определять тип частиц и их энергетиче­ский спектр. Недостаток счетчиков — малая амплитуда импульса и ее зависимость от напряжения питания.

Поскольку для изучения энергетического спектра γ-квантов в ядерной геофизике удобнее использовать сцинтилляционные счетчики, пропорциональные счетчики для этой цели применяются редко. Однако их широко используют для регист­рации медленных нейтронов. Такие счетчики заполняют газом ³Не или BF₃, хорошо поглощающим нейтроны. При поглощении нейтрона по реакциям (п, р) и (п, α) образуются быстрые протоны и α-частицы с энергией несколько мегаэлектронвольт.

Пробег этих тяжелых частиц почти полностью укладывается в объем счетчиков, в связи с чем они вызывают интенсивную первичную ионизацию газа в счетчике и относительно мощный импульс на его выходе. В то же время электроны и позитроны, выбиваемые γ -квантами из материалов счетчика, имеют малую плотность ионизации и большой пробег в газе, значительно пре­вышающий размеры используемых счетчиков. Они вызывают в счетчике весьма слабую ионизацию. Благодаря пропорцио­нальности выходного импульса первичному заряду амплитуда импульсов, соответствующих регистрации γ -квантов, значительно' меньше амплитуды импульсов при попадании в счетчик нейтро­нов. Дискриминатором легко «отсечь» первые и регистрировать лишь вторые даже при наличии интенсивного поля γ - квантов. Это важно, поскольку прохождение нейтронов в веществе обя­зательно сопровождается образованием γ - квантов радиацион­ного захвата. При применении счетчиков Гейгера—Мюллера импульсы от нейтронов имели бы такую же амплитуду, что и импульсы от γ - квантов.

Эффективность пропорциональных нейтронных счетчиков зависит от их размера и макроскопического сечения поглоще­ния газа. Для повышения последнего счетчики заполняют газом под относительно большим давлением, а в счетчиках с газом BF₃ используют бор, обогащенный до 80—90 % изотопом ¹⁰В, которому и обязано поглощение нейтронов с образованием α - частицы (в естественном боре содержится 20% ¹⁰В).

Эффективность счетчиков нейтронов для тепловых нейтро­нов составляет несколько десятков процентов. Если необходимо регистрировать лишь надтепловые нейтроны, счетчики для теп­ловых нейтронов окружают чехлом из кадмия, имеющего высо­кое сечение поглощения для тепловых нейтронов и относительно небольшое — для надтепловых. Такой чехол толщиной около 1 мм пропускает в счетчик лишь нейтроны с энергией более 0,3—0,5 эВ. Чтобы замедлить прошедшие через кадмиевый экран надтепловые нейтроны и поднять вероятность их регист­рации, между экраном и счетчиком располагают вещество, богатое водородом (полиэтилен, оргстекло).