Пропорциональные счетчики

Механизм разряда в пропорциональном счетчике заключается в следующем. Заряженная частица, проходя через газ, наполняющий пропорциональный счётчик, создаёт на своём пути пары ион–электрон, число которых зависит от энергии, теряемой частицей в газе. Как и в ионизационной камере, под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы – к катоду. Но в отличие от ионизационной камеры первичные электроны на своём пути к аноду в электрическом поле счетчика приобретают энергию, достаточную для вторичной ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Возникшие при этом новые электроны, в свою очередь, приобретают энергию, достаточную для следующей ионизации. В результате вместо каждого первичного электрона на анод приходит лавина электронов, и полное число электронов, собранных на аноде пропорционального счётчика, во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного числа электронов, достигших анода, к количеству первичных электронов называется коэффициентом газового усиления, который для пропорционального счетчика достигает 10³–10⁴. Электрический импульс, возникающий в пропорциональном счётчике вследствие попадания в него частицы, пропорционален энергии этой частицы, а точнее энергии, затраченной частицей на первичную ионизацию среды детектора.

Следует заметить, что, кроме основного процесса образования электронной лавины – ударной ионизации, в пропорциональном счетчике существуют еще два механизма образования электронов. Первый заключается в том, что молекулы газа, переходящие в возбужденное состояние под действием электронов, возвращаясь в основное состояние, могут испускать не только электроны, но и фотоны, которые, попадая на поверхность электродов, вызывают фотоэффект. Фотоэлектроны, образовавшиеся на катоде, двигаясь к аноду, создают электронно-ионные лавины. Второй механизм заключается в том, что положительный ион при подходе к катоду, обладая сравнительно высокой энергией, может вырвать электрон, который, двигаясь к аноду, создает дополнительную лавину. Но для пропорциональных счетчиков описанные процессы являются вторичными, так как их вклад по сравнению с ударной ионизацией очень мал.

В общем случае конструктивно пропорциональный счетчик выполнен в виде цилиндра (рис. 5.5) и представляет собой катод-корпус и собирающий электрод, выполненный в виде металлической нити (вольфрам или сталь) диаметром 0, 05–0, 3 мм, натянутой по оси цилиндра. Верхний предел диаметра нити ограничивается очень высоким напряжением, которое необходимо подводить к счетчику, нижний предел – прочностью материала нити. Давление газов в корпусе изменяется в широких пределах – от 50 до 760 мм Hg и выше. Для регистрации α - и β -частиц внешних источников в корпусе счетчика вырезают входное окно. Его закрывают тонкой фольгой.

Рис. 5.5 Конструкция цилиндрического пропорционального счетчика

В связи с тем, что в отличие от ионизационных камер (работающих в режиме насыщения) пропорциональный счетчик обладает сравнительно крутой ВАХ, к применяемым для него источникам питания предъявляют гораздо более жесткие требования. Этим и объясняется предпочтение, отдаваемое иногда ионизационным камерам перед пропорциональными счетчиками в тех случаях, когда применимы оба типа детекторов.

Преимущество пропорциональных счетчиков перед ионизационными камерами заключается в том, что здесь импульсы значительно интенсивнее, поэтому пропорциональные счетчики используются для подсчета отдельных частиц.

Благодаря газовому усилению можно проводить счет ядерных частиц данного типа, используя вторичное электронное оборудование с гораздо меньшим усилением, чем в случае ионизационных камер, что значительно упрощает оборудование. Кроме того, при помощи пропорциональных счетчиков можно регистрировать частицы с меньшей энергией, чем в ионизационных камерах (уровень шумов электронного усилителя ограничивает величину импульса). Зависимость величины импульсов от начальной ионизации позволяет дискриминировать излучения, которые различаются по производимой ими ионизации. Например, α -частицы можно легко считать в присутствии β -частиц, благодаря большому различию в величине удельной ионизации. Импульсы от β -частиц имеют меньшую амплитуду и могут быть легко отсортированы (дискриминированы).

Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых детекторов. Мертвое время пропорционального счетчика может достигать 10^-7 с.

Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном и применяют для регистрации α -, β -частиц, протонов, γ -квантов и нейтронов. При регистрации заряженных частиц и γ -квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации, используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объём счетчика. Эффективность регистрации для мягких γ -квантов с энергией менее 20 кэВ более 80 %. Для повышения эффективности регистрации высоко энергетических γ -квантов используют ксенон.

В случае дальнейшего повышения напряжения на электродах газового ионизационного детектора его работа переходит из области пропорциональности в область ограниченной пропорциональности (см. рис. 5.4). Эта область характеризуется возникновением в объеме счетчика значительного положительного объемного заряда, который искажает электрическое поле вблизи анода. В результате чего последующие электронно-ионные лавины развиваются уже в ослабленном поле, и эффективное сечение коэффициента газового усиления будет ниже. Кроме того, эффективный коэффициент газового усиления в этой области зависит от типа регистрируемой частицы. Так, для α -частиц, обладающих большой плотностью ионизации, он значительно меньше, чем для электронов (вольт-амперные кривые сходятся, см. рис. 5.4). При дальнейшем увеличении напряжения, подаваемого на счетчик, последний переходит в режим самостоятельного (коронного) разряда (область Гейгера).

5.1.3. Счетчики Гейгера–Мюллера

Газовые ионизационные счетчики, работающие в области самостоятельного или коронного газового разряда и названные по имени их создателей счетчиками Гейгера–Мюллера, конструктивно сходны с пропорциональными счетчиками. Они заполняются либо благородным газом (несамогасящиеся счетчики), либо смесью благородного газа, например аргона (12 кПа), и гасящего газа, например паров спирта (1, 3 кПа). Этот тип счетчиков характеризуется тем, что амплитуда электрического сигнала, который снят с нагрузочного сопротивления R ₁ (см. рис. 5.3), зависит от напряжения питания счетчика, состава газовой среды, взятой для его наполнения, температуры и параметров RC счетчика (сопротивление–емкость).

Конструктивно счётчик Гейгера устроен так же, как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный инертным газом. К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал, к внешнему – отрицательный.

Функционально счётчик Гейгера в основном повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией (газовое усиление), который способен ионизовать всю область вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации, следовательно, счетчики Гейгера не различают частицы одного вида по энергиям. Также в отличие от пропорционального режима в гейгеровском режиме разряд распространяется по всей длине анодной проволочки. По это причине в таких детекторах невозможно одновременно зарегистрировать две заряженные частицы.

Принцип работы счетчика заключается в том, что ядерные частицы или γ -кванты, проникая в межэлектродное пространство счетчика, вызывают ионизацию молекул газа, образуя внутри счетчика положительные ионы и электроны, которые, ускоряясь в электрическом поле счетчика, приобретают энергию, достаточную для повторной ионизации нейтральных молекул. Вновь образующиеся ионы и электроны, ускоряясь в электрическом поле электродов счетчика, снова производят ионизацию и т.д. В результате происходит лавинообразное нарастание потока ионов и электронов. Одновременно с ионизацией образуются возбужденные атомы или молекулы, которые являются источником коротковолнового ультрафиолетового излучения. При взаимодействии фотонов с молекулами газа образуются фотоэлектроны, которые образуют новые центры разрядки. При этом электронная лавина распространяется вдоль всей нити. Величина импульсов больше не зависит от вида и энергии излучения, а определяется только напряжением и длиной нити счетчика. Коэффициент газового усиления лежит в интервале 10⁸–10¹⁰.Через очень короткий промежуток времени (~10^–8 с) весь объем счетчика охватывается разрядом. Так как подвижность положительных ионов на несколько порядков меньше подвижности электронов, электронная лавина собирается на аноде значительно раньше, чем перемещаются к катоду положительные ионы. При этом анод оказывается окруженным положительно заряженными ионами, что понижает напряженность электрического поля вблизи нити, в результате чего ионизация газа приостанавливается, а вместе с этим замедляется и активная стадия разряда.

В следующей стадии разряда катионы движутся от нити к катоду, вырывая из него электроны, образуя нейтральные молекулы и атомы газа. Возбужденные нейтральные молекулы и атомы, высвечиваясь ультрафиолетовым светом при достаточном приближении к катоду, могут вызвать появление новых электронов, которые способствуют образованию следующей лавины, и создают новую вспышку газового разряда. Разряд повторяется до тех пор, пока не будет прекращен какими-либо внешними причинами.

Для регистрации последующих заряженных частиц, попадающих в объем счетчика, разряд, вызванный предыдущей частицей, должен быть погашен в возможно малый интервал времени. Существуют два механизма гашения газового разряда, в связи с чем счетчики делятся на самогасящиеся и несамогасящиеся.

В случае несамогасящихся счетчиков, обычно заполненных аргоном, наиболее просто осуществить внешнее гашение, включая последовательно со счетчиком высокоомное сопротивление. Ток во внешней цепи счетчика заряжает выходную эквивалентную емкость С, напряжение V на счетчике в момент окончания разряда будет равно разности напряжения источника питания V _ист и напряжения на выходной емкости V_С. При минимальной разности потенциалов V _мин на электродах счетчика, которая необходима для ускорения электронов до энергии ударной ионизации, в работе несамогасящихся счетчиков можно выбрать два режима.

Первый режим: емкость С заряжается во время первой ступени разряда до такого напряжения V_С, что V < V _мин, тогда разряд в счетчике прекращается. Выбитые в таком случае из катода вторичные электроны не могут вызвать вторичной ионизации.

Второй режим: емкость С зарядилась недостаточно. При этом вторичные электроны, возникшие у катода, будут вызывать новые лавины разряда до тех пор, пока не будет удовлетворяться неравенство V < V _мин.

Первый режим счетчика выгоднее для работы, так как электрический сигнал на нагрузочном сопротивлении получится в несколько раз короче, чем во втором. Этот режим будет соблюдаться при условии, что величина емкости наименьшая, а сопротивление настолько большое, что разрядным током, проходящим через это сопротивление, во время зарядки емкости можно пренебречь.

С другой стороны, следует иметь в виду, что разряд, протекающий в счетчике, приводит к образованию возле нити положительно заряженного ионного облака. Напряженность электрического поля в пространстве между заряженным облаком и нитью счетчика настолько уменьшается, что последующее образование лавины становится невозможным, и счетчик в течение определенного времени, которое называется мертвым временем t_м, не способен регистрировать другие ионизирующие частицы или γ -кванты. По истечении этого времени (t_м) в счетчике может возникнуть самостоятельный разряд.

Однако вначале амплитуда импульса еще мала, и только когда пространственный заряд достигает поверхности анода, в счетчике образуются импульсы нормальной амплитуды. Отрезок времени между моментом, когда в счетчике возможен самостоятельный разряд, и моментом полного восстановления рабочего напряжения называется временем восстановления. Таким образом, дальнейший разряд с образованием последующего импульса может произойти лишь после восстановления прежнего напряжения на электродах счетчика. После чего счетчик готов к регистрации последующей частицы.

В самогасящихся счетчиках газовый разряд протекает иначе. В газовой смеси этих счетчиков, кроме аргона, содержатся пары многоатомных газов: спирта, углеводородов и т.п. При этом потенциал ионизации многоатомного газа должен быть ниже, чем потенциал ионизации основного газа, наполняющего счетчик. За время движения частицы через счетчик происходит ионизация; электроны, двигаясь к нити, вызовут лавинный разряд, в котором возникнут новые электроны, положительные ионы, возбужденные атомы и молекулы.

Ультрафиолетовое излучение возбужденных атомов аргона полностью поглощается молекулами спирта во всем объеме, окружающем нить. Поэтому в самогасящихся счетчиках не будет проходить фотоэмиссии электронов с катода. Разряд распространяется вдоль нити, переходя от точки к точке, так как фотоны создают электроны только вблизи места своего возникновения.

В результате разряда образуются положительные ионы спирта, спирт обладает меньшим потенциалом ионизации, чем аргон, поэтому ионов аргона при таком процессе ионизации будет очень мало. Положительные ионы спирта, двигаясь к катоду, вырывают из него электроны и превращаются в возбужденные молекулы. Длительность жизни возбужденной молекулы спирта мала по сравнению с временем, необходимым для того, чтобы эта молекула приблизилась к катоду на расстояние, достаточное для вторичной эмиссии.

Ионы аргона в результате столкновения с молекулами спирта захватывают электроны из этих молекул и превращаются в нейтральные атомы. Эти атомы переходят из возбужденного в нейтральное состояние, испуская фотон, который поглощается молекулами спирта.

Таким образом, ионы аргона не достигают катода и не могут вызвать вторичной эмиссии электронов, разряд в счетчике прекращается. В самогасящемся счетчике процесс разряда является одноступенчатым. Постоянная времени (RC) слабо влияет на длительность разряда.

Важнейшим преимуществом самогасящихся счетчиков является то, что их разрешающее время значительно меньше. Однако, поскольку диссоциация многоатомных органических молекул – процесс необратимый, то в процессе работы количество газа-гасителя в счетчике уменьшается, и счетчик постепенно приходит в негодность. Т.е. срок службы самогасящегося счетчика существенно короче, чем несамогасящегося. Так же к недостаткам высоковольтных счетчиков можно отнести высокое рабочее напряжение и малую максимальную скорость счета (большое мертвое время).

Хорошим заменителем органических молекул в самогасящихся счетчиках служат галогены. Наиболее часто используются соединения типа этилбромида. Молекулы галогенов легко отдают электроны при столкновении с положительными ионами аргона. Возбужденные молекулы галогенов расходуют свою энергию возбуждения на диссоциацию, следовательно, галогены обладают гасящими свойствами. Счетчики Гейгера–Мюллера, в которых газом-гасителем служат галогены, называют галогенными.

Галогены имеют значительно больший порядковый номер, чем органические вещества. Они эффективнее поглощают фотоны. Поэтому добавка галогенов к аргону составляет всего 0, 1 % вместо 10–15 % органических молекул. Кроме того, диссоциация молекул галогенов – обратимый процесс. Атомы галогенов при столкновении рекомбинируют в молекулу, вследствие чего число молекул галогенов в счетчике остается неизменным. Это выгодно отличает галогенные счетчики от счетчиков, где в качестве гасящих добавок используются пары органических веществ. Кроме того, эти счетчики в отличие от органических имеют высокую скорость счета (до 10⁵ имп./мин), низкое рабочее напряжение (порядка 360–400 В) и практически неограниченный срок службы.

Недостатком же галогенных счетчиков является длительное время развития разряда с момента попадания ионизирующей частицы. Это время на два порядка выше, чем у высоковольтных счетчиков.

Для регистрации ионизирующих частиц в зависимости от их природы и энергии применяют счетчики Гейгера–Мюллера различных типов. Измерение мягкого β -излучения с энергией ниже 0, 5 МэВ проводится торцевыми счетчиками. Счетчики этого типа имеют специальное окошко, закрытое слюдой толщиной порядка 0, 9–6 мг/см².

Счетчики с цилиндрическим корпусом из алюминия и толщиной стенки 0, 1 мм используются для измерения β -излучения с энергией выше 0, 4–0, 5 МэВ.

Цилиндрические счетчики со стеклянным корпусом и металлизированной внутренней поверхностью предназначены для измерения γ -излучения. В случае регистрации γ -квантов ионизация в объеме счетчика возникает от электронов, которые выбиваются из корпуса стенок и вещества катода.

Из-за значительного разрешающего времени и отсутствия энергетического разрешения счетчики Гейгера–Мюллера имеют ограниченное применение в метрологии.

Кроме того, газонаполненные детекторы имеют два общих недостатка. Во-первых, низка плотность газа, и энергия, теряемая частицей в объёме детектора, мала, что не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизирующие частицы. Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон–ион в газе, велика (30–40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое разрешение.