Счетчики с самостоятельным разрядом

Счетчики с самостоятельным разрядом

Как уже гово­рилось выше, при некотором напряжении на счетчике проникновение в его объем заряженной частицы обуслов­ливает возникновение непрерывно следующих друг за другом электронных лавин — начинается самостоятель­ный разряд, охватывающий весь объем счетчика. Рас­смотрим условия образования самостоятельного разряда в счетчике, наполненном каким-нибудь инертным газом, например аргоном. Заметим, что потенциал ионизации аргона равен 15,7 эв.

Пока электроны находятся недалеко от катода, при­обретаемая ими энергия на пути свободного пробега меньше 15,7 эв, и при неупругих соударениях происходит возбуждение атомов. Возбужденный атом практически мгновенно отдает приобретенную энергию, излучая квант света (фотон), длина волны которого пропорциональна энергии возбуждения. По мере продвижения электрона к нити и увеличения его энергии возбуждаемые атомы излучают более коротковолновые фотоны, находящиеся в ультрафиолетовой области спектра. Наконец, на опре­деленном расстоянии от анода начнется ударная иони­зация и образование мощных электронных лавин. Среди этой массы электронов основная часть участвует в даль­нейшем размножении лавины, но многие из них возбуж­дают атомы до высоких уровней энергии, вследствие чего каждая такая лавина является также источником интен­сивного ультрафиолетового излучения. Фотоны этого из­лучения, распространяясь во все стороны, попадают на катод и выбивают из него электроны. Эти электроны вы­зывают появление новых лавин и т. д., пока весь объем счетчика в очень короткое время (порядка нескольких микросекунд) не будет охвачен разрядом. В результате вокруг нити, на близком расстоянии от нее, газ будет сильно ионизирован. Под действием электрического поля электроны начнут быстро собираться на нити. Положи­тельные ионы, имеющие в несколько тысяч раз большую массу, за время собирания электронов на нити практи­чески не изменят своего положения, образуя вокруг нити плотный «чехол». Этот ионный «чехол» нейтрализует дей­ствие положительно заряженного анода, вследствие чего напряженность электрического поля вблизи нити резко падает и ударная ионизация продолжаться не может.

Положительные ионы сравнительно медленно дви­жутся к катоду, претерпевая на своем пути очень боль­шое число столкновений с атомами газа. Например, при атмосферном давлении каждый ион испытывает в сред­нем миллиард столкновений в секунду. При этих столк­новениях ион может обмениваться своим зарядом с ато­мами газа или молекулами какой-либо примеси, но об­щее количество ионов остается без изменений.

Подойдя к катоду на весьма малое расстояние, поло­жительный ион создает у поверхности его большую на­пряженность поля и вырывает из металла электрон, пре­вращаясь в нейтральный атом. Энергия, затрачиваемая ионом аргона на вырывание электрона, значительно меньше потенциала ионизации его, поэтому образовав­шийся нейтральный атом находится в возбужденном со­стоянии. Двигаясь дальше к поверхности катода, этот атом может затратить энергию возбуждения на вырыва­ние из металла еще одного электрона, который окажется свободным и начнет движение к аноду, создавая новые электронно-фотонные лавины. Разряд будет продол­жаться.

Таким образом, для продолжения разряда необхо­димо, чтобы потенциал ионизации газа был вдвое больше энергии, требуемой для вырывания электронов из материала катода (то есть вдвое больше работы вы­хода металла, из которого изготовлен катод). Это усло­вие вполне соблюдается, например, для аргона и катода из меди, гак цак работа выхода для меди равна 4,7 эв, а потенциал ионизации аргона — 15,7 эв.

Очевидно, что с момента возникновения самостоятель­ного разряда счетчик будет нечувствителен к появлению в его объеме новых ионизирующих частиц, то есть по су­ществу станет непригодным для работы. Для восстанов­ления первоначальных условий необходимо погасить возникнувший разряд. Наиболее простым методом га­шения является резкое снижение напряжения на счет­чике сразу же после образования самостоятельного раз­ряда. При этом напряженность электрического поля у анода падает, ударная ионизация прекращается и име­ющиеся в объеме газа электроны и ионы просто собира­ются на анод и катод. Если теперь напряжение на счет­чике повысить до первоначальной величины, он будет снова способен отметить попадание в объем газа ионизи­рующей частицы.

Резкое снижение напряжения на счетчике после воз­никновения разряда и его восстановление через опреде­ленный промежуток времени может осуществляться ав­томатически при помощи специальных схем гашения. Более просто это может быть сделано путем включения в цепь анода большого сопротивления, порядка 109 ом. Им­пульс тока, протекающий по этому сопротивлению в мо­мент возникновения разряда, вызывает значительное па­дение напряжения на нем, вследствие чего уменьшается напряжение на счетчике и разряд гаснет.

Благодаря наличию некоторой емкости у самого счетчика и подводящих проводов напряжение на счет­чике после гашения разряда восстанавливается не сразу, а через некоторый промежуток времени, определяемый постоянной времени цепи т, равной R • С. При емкости счетчика 10 пикофарад и сопротивлении 109 ом напря­жение восстановится через 3 • R • С = 3 • 109 • 10 • 10~12 = = 0,03 секунды. Следовательно, такой счетчик может выдавать не более 30—50 импульсов в секунду, или 1800—3000 импульсов в минуту, даже если в его объем попадет за это время значительно большее количество ионизирующих частиц. Число импульсов, возникающих в счетчике в единицу времени (в 1 сек. или 1 минуту), принято называть скоростью счета.

Таким образом, при гашении разряда с помощью большого сопротивления скорость счета не превышает примерно 3000 имп/мин. Такие счетчики принято назы­вать «медленными».

Наиболее радикальным способом ликвидации непре­рывного разряда является устранение двух основных причин, приводящих к его возникновению: попадание фо­тонов ультрафиолетового излучения на катод и вырыва­ние новых электронов из катода положительными ионами. Для этой цели к основному газу прибавляется не­которое количество так называемой гасящей примеси, например паров спирта. Добавка определенного количе­ства таких соединений (примерно 10-М5°/о) к основному газу приводит к полному поглощению ультрафиолетового излучения в малом объеме газа. Многоатомные моле­кулы спирта при поглощении фотонов распадаются (дис­социируют) на отдельные более мелкие молекулы или атомы. В результате поглощения фотонов молекулами примеси устраняется одна из причин поддержания раз­ряда.

Образовавшиеся положительные ионы основного газа (например, аргона), двигаясь к катоду, сталкиваются как с атомами основного газа, так и с молекулами примеси. Так, в счетчике АС-2, рабочая смесь которого содержит 85°/о аргона и lSVo1 паров спирта, на пути к катоду ионы аргона претерпевают около ста тысяч соударений с моле­кулами спирта. Поскольку потенциал ионизации спирта (равный 11,3 эв) ниже потенциала ионизации аргона (15,7 эв), ион аргона может оторвать один электрон от молекулы спирта и присоединить его к себе, превратив­шись в нейтральный атом аргона. Так как на отрыв элек­трона ион аргона затратит только 11,3 электронвольт, оставшиеся 4,4 электронвольта излучаются в виде кванта света, который поглощается парами спирта. В ре­зультате на катод практически приходят только ионы спирта, обладающие значительно меньшей энергией, чем ионы аргона. При подходе к поверхности медного катода ионы спирта нейтрализуются, затрачивая на это 4,7 элек­тронвольта. Остается возбужденная молекула с энергией 6,6 эв, которая, не успевая высветиться, распадается (диссоциирует) на более простые молекулы. Следова­тельно, при подходе положительных ионов к поверхности катода свободных электронов не образуется и разряд прекращается. Таким образом, как только положитель­ные ионы дойдут до катода, счетчик готов к работе.

Время, в течение которого счетчик полностью нечув­ствителен к внешнему излучению, носит название «мерт­вого времени» счетчика. Оно определяется временем, необходимым для движения положительных ионов от анода до критического радиуса. Период времени, необхо­димый для движения ионов от критического радиуса до катода, называется временем восстановления счетчика.

Как уже говорилось, при наличии гасяшей примеси разряд в счетчике прекращается самостоятельно, незави­симо от внешней цепи. Поэтому такие счетчики получили название самогасящихся. Если сопротивление в цепи анода счетчика, с которого снимается импульс напряже­ния, выбрать достаточно малой величины, длительность импульса будет определяться только «мертвым» временем счетчика. Его величина в зависимости от конструкции и состава наполняющего газа находится в пределах 100—200 микросекунд. Следовательно, скорость счета в самогасящемся счетчике может доходить до нескольких тысяч импульсов в секунду или нескольких сотен тысяч импульсов в минуту. Поэтому такие счетчики называ­ются быстрыми и в настоящее время полностью вытес­нили медленные, или несамогасящиеся, счетчики.