Счетчик Гейгера—Мюллера (стр. 1 из 4)
РЕФЕРАТ
"Счетчик Гейгера – Мюллера"
2009
Принцип действия
а) Счетчик и схема включения. Счетчик Гейгера–Мюллера, наряду со сцинтилляционным счетчиком, в большинстве случаев применяется для счета ионизующих частиц и прежде всего в-частиц и вторичных электронов, возникающих под действием г-лучей. Этот счетчик состоит обычно из цилиндрического катода, внутри которого вдоль его геометрической оси натянута на изоляторах тонкая проволока, служащая анодом. Давление газа внутри трубки обычно составляет величину порядка 1Z10атм.
Принципиальная схема включения счетчика дана на рис. К счетчику подводят напряжение U, которое для наиболее употребимых счетчиков достигает 1000 в; последовательно со счетчиком включается сопротивление R. Падение напряжения, которое вызывает Rпри прохождении тока через счетчик, можно определить соответствующим измерительным устройством. Для этой цели чаще всего служит усилитель, для простых опытов можно также использовать струнный электрометр. Обозначенная пунктиром емкость С представляет собой суммарную емкость цепи, включенную параллельно сопротивлению R. Необходимо обращать внимание на то, чтобы на цилиндре всегда было отрицательное напряжение, так как при неправильном включении полюсов счетчик можно привести в негодность.
б) Механизм разряда. Действие описанной схемы существенно зависит от величины напряжения U. При очень низких напряжениях ионы, образующиеся в газе между катодом и анодом под действием заряженных частиц, двигаются к электродам так медленно, что часть их успевает рекомбини-ровать раньше, чем достигает электрода. Но при напряжении более высоком, чем напряжение тока насыщения U5, все ионы достигают алектродов, и, если постоянная времени цепи намного больше времени собирания ионов, то, благодаря сопротивлению R, возникает импульс напряжения, равный AU= = пе/С, который спадает со временем, как
. В этой области простирающейся от U$ до напряжения Upt, счетчик действует, как обычная ионизационная камера.При напряжении Upiнапряженность поля в непосредственной близости от анода становится настолько большой, и» количество первичных ионов, образованных ионизирующими частицами, увеличивается вследствие ударной ионизации. Вместозпервичных электронов на анод приходит пА электронов. Коэффициент газового усиления А, увеличивающийся с возрастанием напряжения, в «пропорциональной области» между UPlи Up1не зависит от первичной ионизации; поэтому числа импульсов напряжения, которые возникают, например, на сопротивлении Л под действием сильно ионизирующей б-частицы и одной быстрой в-частицы, будут относиться между собой, как первичные ионизации тех и других частиц. При напряжении UСЯусиление A=i, а на верхней границе этой области может достигать значения 1000 и больше. При напряжении выше Uр, усиление А более не зависит от первичной ионизации, так что импульсы, возникающие от слабо и сильно ионизирующих частиц, все более выравниваются. При Ugl – пороговое напряжение, «плато счетчика» или «область Гейгера» – все импульсы имеют практически одинаковую величину независимо от первичной ионизации. При напряжениях более высоких, чем не очень четко определяемое напряжение Ug2, появляется большое количество ложных импульсов, которые в конце концов переходят в сплошной разряд.
Принципиальная схема включения счетчика
Амплитудная характеристика счетчика в зависимости от напряжения
Описанные ниже счетчики работают в области Гейгера между Ug1и Ug2.
Очень сложный процесс разряда в области плато можно описать приблизительно следующим образом. Электроны, возникающие в процессе первичной ионизации, создают густое облако ионов в непосредственной близости от анода в результате совместного действия ударной ионизации и фотоионизации квантами ультрафиолетового света. Вследствие большой скорости движения появившиеся в этом облаке свободные электроны за очень короткое время попадают на анод, в то время как при величине коэффициента газового усиления 1000 более медленные положительные иопы еще незначительно удаляются от мест своего возникновения. Так как непосредственно вокруг проволоки возникает положительный пространственный заряд, то напряженность поля там в течение 10 ~6сек или меньше уменьшается настолько, что ударная ионизация становится невозможной, и электронная лавина немедленно обрывается. Однако в течение IO-4сек положительные ионы перемещаются к катоду и обычно при нейтрализации образуют там вторичные электроны. Эти фотоэлектроны движутся к аноду и там вызывают новую лавину; в результате могут появляться запаздывающие разряды или возникать колеблющийся коронный разряд. Появление ионов с отрицательными зарядами или метастабильных состояний атома может также быть причиной таких помех. Считается, что счетчик заряженных частиц отвечает своему назначению только в том случае, если удается подавить эти послеразряды. Для последнего необходимо или на достаточно длительное время понижать напряжение па счетчике после разряда, или подбирать подходящие газы для наполнения счетчика.
в) Гашение разряда. Напряжение на счетчике понижается при каждом его срабатывании на величину
Если сопротивление утечки Л достаточно большое, то эаряд, равный пАе, стекает так медленно, что напряжение вновь достигает порогового значения, необходимого для срабатывания счетчика, только после того, как исчезнут все положительные ионы; только после этого мертвого времени счетчик снова может считаться готовым к счету следующей частицы. Из опытов известно, что, например,
у счетчиков с воздушным наполнением необходимо иметь сопротивление Д>109ом, так что падение напряжения AUдостигается при паразитной емкости порядка 1011цс постоянной времени ВС>>0,01 сек. Таким образом, это устройство пригодно для измерений только при относительно незначительных частотах частиц. Значительно более короткое мертвое время может быть достигнуто с помощью гасящих схем, которые при каждом сосчитанном импульсе вырабатывают импульс напряжения, подающийся обратно на счетчик и снижающий на короткое время напряжения на нем.
Самогасящиеся счетчики, которые» дают разрядные импульсы продолжительностью только в несколько десятитысячных секунды, получают, наполняя счетчики многоатомным газом, например метаном, или добавляя такой газ к благородному газу, если последний вводится в счетчик. Эти газы, очевидно, получают энергию ионов, создающих помехи, или метастабильных атомов благородного газа при диссоциации; поэтому практически не появляется новых электронов и не возникает мешающих послеразрядов. Так как гасящий газ постепенно разлагается главным образом вследствие диссоциации, то такие счетные трубки становятся непригодными после IO7–IO9 разрядов.
г) Характеристика счетчика. Для проверки качества счетчика находят количество Nимпульсов напряжения, возникающих на сопротивлении Rпри постоянном облучении счетчика в зависимости от напряжения на счетчике U. В результате получают характеристику счетчика в виде кривой, показанной на рис. Напряжение U', при котором начинают наблюдаться первые импульсы, зависит от порогового напряжения применяемого измерительного прибора, которое в большинстве случаев составляет несколько десятых долей вольта. Как только высота импульса превысит пороговое значение, он будет сосчитан, и при дальнейшем увеличении напряжения Nдолжно оставаться постоянным при дальнейшем увеличении напряжения до конца области Гейгера. Это, конечно, идеально не выполняется; напротив, в результате появления отдельных ложных разрядов плато имеет более или менее выраженный плавный подъем. В счетчиках, работающих в области пропорциональности, можно получить практически горизонтальное плато характеристики.
К хорошим счетчикам предъявляются следующие требования: плато должно быть возможно более длинным и ровным, т.е., если область между Ug, и Ug2должна быть равна минимум 100 в, то увеличение числа импульсов должно составлять не более нескольких процентов на каждые 100 в напряжения; характеристика должна быть на протяжении длительного времени неизменной и в достаточной области независимой от температуры; чувствительность для в-частиц должна практически составлять 100%, т.е. каждая проходящая через чувствительные пространства счетчика в-частица должна быть зарегистрирована. Желательно, чтобы счетчик имел низкое пороговое напряжение и давал большие импульсы напряжения. Ниже мы подробно остановимся на том, в какой степени эти качества счетчика зависят от наполнителя, типа и формы электродов и схемы включения счетчика.
Б) Изготовление счетчиков
а) Общие положения. При изготовлении счетчиков необходимы большая осторожность и чистота; так, например, маленькие пылинки, или осколки электродов, или незначительные количества посторонних газов, например водяного пара, уже могут сделать счетчик непригодным. Но даже при выполнении этих требований не каждый счетчик оказывается удачным, так что в зависимости от различных обстоятельств счет частиц может происходить с большей или меньшей ошибкой. Важную роль при изготовлении счетчика играют отсутствие пыли, тщательная очистка электродов и стеклянной трубки от жира и других загрязнений и хорошая вакуумная техника. Для того чтобы трубка имела продолжительный срок службы, необходимо газ для наполнения неизменно сохранять чистым. С этой целью лучше всего применять стеклянные трубки с вплавленными электродами, которые возможно лучше отжигаются в вакууме. Так как не удается иногда избежать соединений на клею, то по крайней мере необходимо применять клей с низкой упругостью паров и незначительной растворимостью в органических газах, добавляемых к газу-наполнителю для гашения разряда.