Счетчик гейгера

Ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера – Мюллера представляют собой три типа довольно старых, но широко применяемых детекторов ядерного излучения. Счетчики Гейгера – Мюллера являются разновидностью газонаполненных детекторов. Изобретён в 1908 г. Х.Гейгером и Э.Резерфордом, позднее усовершенствован Гейгером и В. Мюллером. Счетчики Гейгера-Мюллера - самые распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения.

В общем случае к детекторам в ядерной физике относят приборы для регистрации, идентификации и установления характеристик заряженных или нейтральных частиц. Счетчики Гейгера – Мюллера предназначены только лишь для регистрации α, β частиц и гамма-квантов.

Конструктивно газоразрядный счетчик представляет собой тонкостенную металлическую или стеклянную, покрытую с внутренней стороны слоем металла цилиндрическую камеру. Цилиндр служит катодом. Анодом является тонкая (0,05...0,5 мм) металлическая нить, расположенная по оси цилиндра. Счетчик заполнен специально подобранным газом, например аргоном, при давлении 10...760 мм рт. ст. Между катодом и анодом за счет внешнего источника создается разность потенциалов 300–2500 В. В момент прохождения частицы в газе образуются ионы и электроны, замыкающие цепь на участке между электродом и стенками. Снаружи цепь источника замыкается через сопротивление R, зашунтированное конденсатором C. Традиционная схема включения счетчика Гейгера – Мюллера в электрическую цепь показана на рис. 1.

Схема включения счетчика Гейгера – Мюллера

Регистрируемая частица, проходящая через объем счетчика, создает на выходе схемы электрический импульс отрицательной полярности, т. к. уменьшение сопротивления самого счетчика в момент газового разряда, вызванного частицей, резко увеличивает напряжение на сопротивлении нагрузки.

Физические процессы, происходящие в газоразрядных счетчиках, можно разделить на три стадии.

Первичная ионизация. Она возникает вдоль траектории заряженной частицы, проходящей через счетчик. Первичные ионы могут возникнуть в любой области счетчика. Если трек умещается внутри трубки счетчика, то число ионов пропорционально энергии частицы.

Вторичная ионизация. Первичные электроны и положительные ионы движутся к электродам, разгоняясь электрическим полем. Электрическое поле внутри счетчика резко неоднородное. Оно очень велико в малой области вокруг анодной нити и небольшое в остальном пространстве счетчика, что является следствием асимметрии геометрии электродов. Электроны, движущиеся к аноду нити, попадают в область очень больших электрических полей (силовые линии у нити сгущаются) и вблизи нити резко ускоряются. В результате возникает вторичная ударная ионизация. Вновь выбитый электрон успевает разогнаться и произвести новую ионизацию, следовательно, процесс носит лавинный характер. На один первичный электрон в лавине ударных ионизаций образуются до 10³, а часто и более, вторичных частиц.

Рассмотренный выше лавинный процесс имеет две особенности. Во-первых, любой первичный электрон вызывает лавину одной и той же величины. Это следует из того, что вторичная ионизация происходит в области порядка 10^–1 мм около нити, а первичные электроны образуются вне ее во всем объеме счетчика. Вторая особенность развития первичной лавины – малая длительность. Лавина развивается примерно за 10^–8 с.

Повторные лавины

как следствие первой лавины могут возникать в счетчике за счет двух различных механизмов.

Первый механизм обусловлен быстро протекающими процессами. В начале развития лавины электроны возбуждают нейтральные молекулы, которые, возвращаясь в исходное состояние, испускают фотоны. Эти фотоны выбивают из катода за счет явления фотоэффекта электроны, которые и являются родоначальниками новых лавин. Время развития этого процесса составляет около 10^–6 с. Основной вклад в это времявносит дрейф фотоэлектрона от катода до области развития лавин около нити.

Второй механизм образования повторных лавин обусловлен более медленными процессами. Он состоит в том, что положительные ионы, доходя до катода, выбивают из него электроны в процессе нейтрализации, т. к. потенциал ионизации атомов газа, заполняющего счетчик, в несколько раз выше работы выхода электрона из металла (4...5 эВ). Например, энергия ионизации аргона равна 15,7 эВ. Длительность развития лавины, возникавшей таким способом, обусловлена временем движения положительных ионов к катоду и имеет порядок 10^–4 с.

Таким образом, если два рассмотренных выше механизма смогут вызывать повторные лавины неопределенно длительное время, то разряд в счетчике превращается в самостоятельный. При самостоятельном разряде возникает проблема его гашения.

Методы гашения самостоятельного разряда в счетчиках делятся на радиотехнические и основанные на добавлении в трубку многоатомных газов.

В радиотехнических методах разряд гасится снижением напряжения на электродах счетчика. Особенно эффективными является радиотехнические схемы с активным гашением, в которых возникающий при разряде передний фронт импульса вызывает срабатывание быстродействующего электронного устройства, снимающего напряжение на счетчике.

В счетчики с внутренним гашением добавляет многоатомные газы, например пары этилового спирта. Пары спирта поглощают фотоны с энергиями, достаточными для выбивания фотоэлектронов из катода. При этом молекула спирта возбуждается и диссоциирует, но практически не испускает электронов. Поэтому повторные лавины за счет фотоэлектронов с катода возникнуть не могут. Подавляются также и повторные лавины за счет положительных ионов, которые, двигаясь к катоду, сталкиваются с молекулами спирта. Потенциал ионизации спирта (11,7 эВ) ниже ионизационного потенциала основного газа аргона (15,7 эВ). При столкновении иона аргона с молекулой спирта происходит переход электрона к иону аргона с ионизацией молекулы спирта и нейтрализацией аргона. В результате до катода доходят только ионизированные молекулы спирта, которые при нейтрализации не выбивают электроны, а разваливаются. Счетчики с добавлением многоатомных газов называются самогасящимися.

Счетчики Гейгера – Мюллера работают в режиме самостоятельного разряда с гашением. Импульс напряжения, создаваемый этими счетчиками, достаточно велик (0,2…40 В) и не зависит от энергии регистрируемой частицы. Следовательно, счетчики Гейгера – Мюллера только регистрируют частицу без измерения ее энергии. Разрешающее время этих счетчиков довольно велико: 10^–3--- 10^–5 с. (в лучших до 10^–7 с.). В счетчиках с многоатомными газами (внутреннее гашение) разрешающее время меньше, но зато срок их действия ограничен распадом многоатомных молекул (примерно 10⁹ регистраций). Существуют, однако, счетчики с многоатомными добавками, имеющие неограниченный срок службы. Конструктивные особенности счетчиков Гейгера – Мюллера определяются видом регистрируемых частиц, в первую очередь их энергией и проникающей способностью. Так, для регистрации α-частиц с энергией, превышающей 0,3…0,5 МэВ, применяются цилиндрические счетчики с анодом из достаточно тонкого листа алюминия или нержавеющей стали. Для регистрации β-частиц используют торцевые счетчики.

Отверстие для входа частиц в таких счетчиках закрыто тонкой пластинкой слюды или алюминиевой фольги. Металлическая анодная нить одним концом впаивается в корпус счетчика, а другой ее конец располагается около входного окна. Для предотвращения самопроизвольного срабатывания счетчика за счет отекания зарядов с острия проволочки на ее свободном конце закрепляется бусинка из стекла. Для регистрации α-частиц, обладающих малой проникающей способностью, используются торцевые счетчики с тончайшей пленкой на входном окне. Для регистрации α-частиц с малой энергией используются счетчики открытого типа с давлением газа равным атмосферному давлению. Недостаток таких счетчиков – высокое анодное напряжение (2000…3000 В) и зависимость режима работы от влажности и температуры воздуха, наличия в них примесей.