Счетчики ядерного излучения (стр. 2 из 3)

Непрерывный разряд происходит вследствие двух новых процессов, сопровождающих ударную ионизацию при очень высоких напряжениях:

1. Молекулы, возбужденные соударениями, освобождаются от избыточной энергии, испуская фотоны ультрафиолетового излучения, и переходят в нормальное состояние. Эти фотоны поглощаются практически по всей поверхности катода и благодаря фотоэффекту вырывают из него электроны. Последние, в свою очередь, создают за счет ударной ионизации новые лавины ионов уже во всем междуэлектордном пространстве счетчика.

2. Положительные ионы при таких высоких напряжениях приобретают настолько большую кинетическую энергию, что выбивают из катода свободные электроны.

Эти процессы происходят и в счетчике Гейгера. Однако в этом случае разность потенциалов на электродах не так велика, чтобы “зажигание” счетчика Гейгера происходило самостоятельно. Для “зажигания” счетчика Гейгера необходим внешний ионизатор, воздающий первичную ионизацию - хотя бы одну пару ионов. Из них развивается первая лавина, служащая, в свою очередь, началом непрерывного разряда. Последний поддерживается в счетчике Гейгера упомянутыми выше двумя процессами: высвечиванием возбужденных молекул газа (испусканием фотонов ) и ударами тяжелых положительных ионов о катод.

2.5. Методы гашения непрерывного разряда

Попадание следующей ионизационной частицы в “зажженный” счетчик не может заметно изменить величину тока и, следовательно, не будет зарегистрировано. Поэтому необходимо автоматически прерывать разряд в счетчике Гейгера и, таким образом, подготовлять счетчик к регистрации новой частицы.

Существуют два основных метода гашения разряда:

1. Применение гасящих радиотехнических схем;

2. Заполнение счетчиков подобранными смесями газов.

В соответствии с этим, в первом случае счетчики называют несамогасящимися, во втором - самогасящимися.

2.6. Гасящие схемы

Простейшая схема состоит из большого ( миллиарды ом) сопротивления, включенного последовательно с анодом счетчика. При прохождении по этому сопротивлению импульса тока на нем падает значительная часть напряжения источника питания, а напряжение на электродах в этот момент уменьшается. Начавшийся непрерывный разряд обрывается, так как счетчик оказывается переведенным в режим области пропорционального счета или даже тока насыщения (сдвиг кривой влево на рис.2).

В более сложных схемах гашения обычно используется своего рода отрицательная обратная связь. В ответ на возникший в счетчике импульс тока специальная радиотехническая схема вырабатывает отрицательный импульс напряжения. Этот отрицательный импульс подается на счетчик, снижает разность потенциалов на электродах и , таким образом, вызывает прекращение газового разряда в счетчике.

2.7. Роль газового наполнения в счетчиках

В настоящее время почти исключительно используются самогасящиеся счетчики, которые обладают рядом преимуществ (быстрота действия, упрощение схемы включения, и др.).

Чтобы сделать счетчик самогасящимся, нужно , очевидно, ограничить явления, способствующие установлению непрерывного разряда в счетчике. Прежде всего следует избежать вырывания электронов из катода при поглощении на нем ультрафиолетового излучения, так как это является главной причиной образования непрерывного разряда. Появление самопроизвольных ложных импульсов вслед за регистрацией настоящего импульса , вызванного частицей, попавшей в счетчик, следует связывать с выбиванием электронов из катода положительными ионами и с высвечиванием так называемых метастабильных атомов. Оказалось, что для этого, что для этого к обычному наполнителю - одноатомному газу, например аргону, следует добавить до 10% газа или паров многоатомных молекул некоторых веществ ( этиловый спирт, метан, хлор, и др.). Возможно подобрать такое сочетание газов в смеси, что образующиеся фотоны будут полностью поглощаться многоатомными молекулами на расстоянии в 1-2 мм. от места их возникновения и не смогут поэтому все долететь до катода и вызвать заметный фотоэффект. При этом многоатомные молекулы либо ионизируются, либо диссоциируют на радикалы - распадаются на нейтральные части.

3. ПАРАМЕТРЫ И ТИПЫ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ СЧЕТЧИКОВ

3.1. Классификация счетчиков

Систематизировать большое количество разнообразных типов счетчиков можно по различным признакам. По механизму действия различают счетчики с несамостоятельным и самостоятельным разрядом. К первым относятся пропорциональные счетчики, ко вторым - счетчики Гейгера (острийные) и Гейгера-Мюллера (нитиевые). Счетчики с самостоятельным разрядом бывают, в свою очередь, самогасящимися и несамогасящимися.

практически наиболее важно систематизировать счетчики по их назначению и по конструктивным признакам, причем особенности конструкции часто обуславливаются назначением счетчика. Следует различать счетчики a-, b-частиц, g-квантов, рентгеновских лучей, нейтронов и счетчики специального назначения. Назначение счетчика предъявляет определенные требования к выбору режима работы счетчика и материалов, из которых он изготавливается. Если, например, нужно определить энергию частицы, а не только регистрировать ее наличие, то применяют пропорциональные счетчики. Для счета g-квантов счетчики делают с катодом из тяжелых элементов, а для счета b-частиц, наоборот, предпочитают изготовлять катоды из легких металлов, чтобы уменьшить фотоэффект.

3. 2. Параметры счетчиков

Параметры газоразрядных счетчиков определяются не только конструкцией, материалом, из которого изготовлены электроды, составом и давлением наполняющих счетчик газов, но и технологией изготовления: для получения стабильных результатов требуется высокая чистота и культура производства.

Основными характеристиками счетчика являются: максимальная скорость счета или разрешающая способность, эффективность, счетная характеристика.

3.2.1. Разрешающая способность. Мертвое время.

Максимальная скорость счета, т.е. наибольшее число импульсов, которые могут возникнуть в счетчике за 1 сек, очевидно, зависит от длительности так называемого “мертвого времени”, в течение которого счетчик не способен ответить импульсом на влетевшую в него частицу.

Обозначая разрешающую способность счетчика через Nмакс [имп\сек], можем её связь с мертвым временем выразить формулой: Nмакс=1/tм

Для определения полного числа частиц, попавших в счетчик, нужно внести поправки на просчет, т.е. на те незарегистрированные частицы, которые попали внутрь счетчика в течение мертвого времени: N=Nизм/1-Nизмtм

3.2.2. Эффективность счетчика.

Эффективенсть счетчика характеризует способность счетчика реагировать на то или иное излучение. Численно она равна отношению числа частиц, вызвавших импульсы, к общему числу частиц, попавших в счетчик за еденицу времени. Обычно эффективность обозначают в процентах.

3.2.3. Счетная характеристика. Плато счетчика.

Знание счетной характеристики позволяет поставить счетчик в нормальный режим работы. Обычно счетная характеристика представляет собой график зависимости числа импульсов в еденицу времени от напряжения на электродах.

На рис.4 изображена типичная счетная характеристика, видно, что при напряжениях, меньших начала счета Uн.с. , счетчик не считает. Затем с увеличением напряжения до Uн.п. (начало плато) число число регистрируемых в минуту импульсов резко возрастает при увеличении напряжения, а затем остается примерно постоянным до значения напряжения Uк.п. (конец плато). Этот горизонтальный участок Uн.п.-Uк.п. получил название плато и является рабочим участком характеристики.

3.2.4. Измерения со счетчиками.

Существует 2 основных метода измерений: относительный и абсолютный.

Сущность относительного метода состоит в сравнении количества импульсов в минуту Nх, зарегистрированных счетчиком от препарата с неизвестной активностью Ах, с количеством импульсов Nэт, зарегистрированных за 1 мин от эталонного препарата с известной активностью Аэт. Получаем формулу для определения активности препарата:

Ах=АэтNх/Nэт

Сущность абсолютного метода измерений активности сводится к определению полного числа распадов, происходящих в препарате, путем умножения измеренной скорости счета Nизм (число импульсов в минуту) на ряд поправочных коэффициентов, которые учитывают соотношения между формой и размерами счетчика, поглощение излучений во всех средах, отделяющих препарат от рабочего объема , поправку на разрешающую способность, и т.д.

A=Nизм/ωКпКсКоКрКм

Нетрудно заметить, что в таком написании обе расчетные формулы могут быть приведены к виду:

А=СiN,

где первый множитель в обеих формулах есть цена одного импульса Сi .

Т.о. , активность равна цене импульса(распад/мин), умноженной на скорость счета. Разница только в том, что в случае абсолютного метода цена импульса определяется расчетным путем.

4. НЕГАЗОРАЗРЯДНЫЕ СЧЕТЧИКИ

4.1. Кристаллические счетчики

По принципу действия наиболее близки к газоразрядным кристаллические счетчики проводящего типа. Если пространство между электродами газоразрядного прибора заполнить не газом, а кристаллическим диэлектриком или полупроводником, то при прохождении ионизирующей частицы через него появляется импульс тока.

Выделяют два типа кристаллических счетчиков, имеющих различный механизм действия: счетчики, работающие как фотосопротивления, и счетчики, работающие как фотодиоды. Можно считать, что действие ионизирующей частицы на первый тип подобно действию квантов света на фотосопротивление – при освещении ток через него увеличивается. Второй тип счетчиков представляет собой плоскостной диод из высокоомного монокристалла германия (рис.5).