Газоразрядные счетчики

Газоразрядные счетчики

Принцип действия. Помимо измерений ионизирую­щего действия излучений, на практике часто бывает не­обходимо измерять поток заряженных частиц или гамма-квантов, падающих на какую-либо поверхность (например, при определении зараженности альфа- или бета-активными веществами боевой техники, обмундиро­вания, продовольствия и воды). Для этого можно было бы применить описанные в предыдущей главе ионизаци­онные камеры. Действительно, образующиеся на пути заряженных частиц ионы, двигаясь в электрическом поле камеры, создают в ее внешней цепи импульсы тока или напряжения. Однако эти импульсы по величине чрез­вычайно малы. Например, одна альфа-частица с энер-

3 8. 1Q6

гией около 3,8 Мэв образует на своем пути ——-— = 105

38

пар ионов, так как на создание одной пары ионов в воз­духе альфа-частица затрачивает 38 эв. Если камера имеет емкость 20 пикофарад (20- 10-12 фарад), то такое количество ионов вызовет образование импульса напря-

105 . 1,6 • 10~19 0 жения, равного      =            8 • 10-4 вольт, или всего

20 . кг12

0,8 милливольта. В такой же камере импульс напряжения от бета-частицы будет еще меньше, ибо ионизирующая способность бета-частиц значительно слабее. Для реги­страции подобных импульсов необходимо применять сложные и громоздкие усилительные устройства, мало пригодные для работы в полевых условиях.

Используя свойства газового разряда, оказалось воз­можным во много раз умножать количество первичных ионов непосредственно в газовом промежутке между электродами. На этом принципе и основана работа газо­разрядных счетчиков или счетных трубок.

Газовым разрядом называют явления, происходящие в газе во время и после прохождения через него электри­ческого тока. В зависимости от приложенного напряже­ния, конфигурации и состояния поверхностей электродов и других факторов различают несколько типов газового разряда. Наиболее известные из них: дуговой разряд (применяется при сварке металлов), искровой разряд (молния), тлеющий разряд (газосветные лампы) и т. д.

Прохождение тока через ионизационную камеру при воздействии ионизирующих излучений является приме­ром тихого разряда в газе, отличающегося тем, что ве­личина тока в цепи равна числу зарядов, переносимых ионами, образованными в объеме газа внешним иониза­тором.

В газоразрядных счетчиках используется режим таунсендовского (несамостоятельного) разряда и коронного (самостоятельного) разряда. В этом случае суммарный заряд, собранный на электродах счетчика, может в мил­лионы раз превышать величину заряда ионов, образо­ванных в рабочем объеме ионизирующей частицей.

Газоразрядный счетчик представляет собой устрой­ство, состоящее из металлического цилиндра, вдоль оси которого натянута тонкая проволока—нить (рис. 23). Цилиндр соединяется с отрицательным полюсом батареии поэтому обычно называется катодом; нить или анод через сопротивление /?н соединяется с положительным полюсом батареи. Катод и анод размещены в гермети­ческом баллоне, наполненном газом при пониженном давлении. Напряжение батареи создает в пространстве между анодом и катодом электрическое поле, напряжен­ность которого, как у всякого цилиндрического конденса­тора, растет по мере приближения к аноду. Ионизирую­щая частица, проходя через объем счетчика, создает на своем пути положительные ионы и электроны, которые под действием электрического поля движутся к электро­дам, создавая импульс тока во внешней цепи. Рассмот­рим, как будет меняться количество электричества в им­пульсе тока в зависимости от величины приложенного к электродам напряжения.

При напряжениях меньше Ui (рис. 24) количество электричества в импульсе тока Q будет меньше или равно суммарному заряду ионов каждого знака q, воз­никших в процессе ионизации. По существу здесь мы имеем режим ионизационной камеры. Когда напряжение превысит величину Ui, в объеме счетчика начнется про­цесс ударной ионизации, вследствие чего при той же первичной ионизации количество электричества в им­пульсе возрастет. Поясним этот процесс.

При своем движении в электрическом поле электроны испытывают множество соударений с атомами газа.

Если энергия электрона мала, эти соударения являются упругими. Электрон, имеющий в несколько тысяч раз меньшую массу, чем атом, грубо говоря, как мяч, отле­тает от него и, не теряя своей первоначальной скорости, продолжает двигаться дальше. При постепенном при­ближении к аноду напряженность поля возрастает и электрон между двумя соударениями (на пути свобод­ного пробега) приобретает все большую энергию. Но при этом меняется и характер взаимодействия — все боль­шее значение приобретают неупругие соударения, при которых электрон частично или полностью передает свою энергию атому, точнее, одному из наружных элек­тронов внешней оболочки. Наконец, вблизи от нити на­пряженность поля настолько велика, что электрон между двумя соударениями приобретает энергию, достаточную для ионизации газа, и образуется еще один электрон. Теперь уже два электрона движутся к нити и при соуда­рении с атомами ионизируют их, вырывая еще по два электрона.

При каждом последующем соударении количество электронов очень быстро нарастает, подобно лавине. Процесс нарастания этой электронной лавины обры­вается, когда электроны попадают на поверхность нити. При увеличении напряжения на электродах возникнове­ние ударной ионизации, происходившее в непосредствен­ной близости от нити, начинается на все большем удале­нии от нее, вследствие чего электронная лавина обрывается позднее. Это приводит к значительному увеличению количества электричества Q в импульсе по сравнению с числом первичных ионов. Электрический ток в счетчике как бы усиливается за счет процессов, происхо­дящих в самом газе. Отношение количества электричества в импульсе Q к количеству электричества q, образован­ного первичным ионизатором, принято называть коэффи­циентом газового усиления А:

 

 

В области напряжения U\ — U2 коэффициент газового усиления имеет постоянную величину, независимо от плотности ионизации газа. Следовательно, величина им­пульса тока будет прямо пропорциональна ионизирую­щей способности заряженной частицы. Для альфа-ча­стицы, например, импульс тока будет примерно в 100 раз больше, чем для бета-частицы той же энергии. На этом основании данная область получила название области пропорционального усиления, а счетчики, работающие в этом режиме, называют пропорциональными счетчиками. Коэффициент газового усиления в пропорциональных счетчиках может достигать 10 000. Пропорциональные счетчики характеризуются еще и тем, что разряд в них обрывается сразу же после прекращения воздействия ионизирующего излучения. Такой вид разряда назы­вается несамостоятельным.

Различие в амплитудах импульсов напряжения от ча­стиц с различной ионизирующей способностью дает воз­можность с помощью пропорциональных счетчиков опре­делять число альфа-частиц на фоне бета-, гамма-излуче­ния значительной интенсивности.

На участке кривой от U2 до Uз (рис. 24) коэффициент газового усиления начинает уже зависеть от ионизирую­щей способности проходящих через счетчик частиц. Для частиц с меньшей ионизирующей способностью коэффи­циент газового усиления растет быстрее, чем для частиц с большей ионизирующей способностью. Эта область на­зывается областью ограниченной пропорциональности. Наконец, при некотором напряжении Uз величина коли­чества электричества в импульсе становится полностью независимой от величины начальной ионизации, и в счет­чике вспыхивает самостоятельный разряд, характеризую­щийся тем, что он не прекращается после удаления внешнего ионизатора.

Область напряжений от Us до получила название области Гейгера, а счетчики, работающие в этой обла­сти,— счетчиков Гейгера-Мюллера, или счетчиков с са­мостоятельным разрядом. Такие счетчики обладают боль­шой чувствительностью: достаточно в его объеме по­явиться хотя бы одному электрону, как вспыхивает са­мостоятельный разряд и во внешней цепи пройдет им­пульс тока.

Если поднять напряжение выше точки в счетчике вспыхнет непрерывный разряд независимо от наличия внешнего ионизатора. Поэтому при напряжениях выше точки счетчик не может быть использован для реги­страции ионизирующих частиц.

Таким образом в зависимости от приложенного на­пряжения один и тот же счетчик может работать как в пропорциональной области, так и в области самостоя­тельного разряда. Однако на практике эти счетчики имеют некоторые особенности конструкции, которые де­лают их наиболее пригодными для работы или в обла­сти пропорционального усиления, или в области самосто­ятельного разряда.

В полевой дозиметрической аппаратуре наибольшее применение нашли счетчики с самостоятельным разрядом как для измерения бета-, гамма-зараженности различ­ных поверхностей, так и для измерения мощности дозы гамма-излучения.