150967 (Счетчик Гейгера—Мюллера)

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 ¹Z₁₀ атм.

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 R при 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 U_pt, счетчик действует, как обычная ионизационная камера.

При напряжении U_pi напряженность поля в непосредственной близости от анода становится настолько большой, и» количество первичных ионов, образованных ионизирующими частицами, увеличивается вследствие ударной ионизации. Вместо з первичных электронов на анод приходит пА электронов. Коэффициент газового усиления А, увеличивающийся с возрастанием напряжения, в «пропорциональной области» между U_Pl и Up₁ не 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 U_СЯ усиление A=i, а на верхней границе этой области может достигать значения 1000 и больше. При напряжении выше U_р, усиление А более не зависит от первичной ионизации, так что импульсы, возникающие от слабо и сильно ионизирующих частиц, все более выравниваются. При Ug_l – 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 Ug₁ и 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 ~⁶ сек или меньше уменьшается настолько, что ударная ионизация становится невозможной, и электронная лавина немедленно обрывается. Однако в течение IO^-4 сек 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>10⁹ ом, так что падение напряжения AU достигается при паразитной емкости порядка 10¹¹ ц с 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 N импульсов напряжения, возникающих на сопротивлении R при 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 N должно 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 Ug₂ должна 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.

Описываемые ниже счетчики при соответствующем напряжении могут работать как пропорциональные счетчики, если между счетной трубкой и счетным устройством включается линейный усилитель с достаточно большим коэффициентом усиления.

б) Наполнение газом. 1) Давление газа. Средняя удельная ионизация быстрыми электронами составляет для большинства газов примерно от 20 до 100 ионных пар на см пробега при атмосферном давлении; она обратно пропорциональна давлению. Для того чтобы такой электрон на пробеге длиной примерно 2 см в счетчике наверняка образовал хотя бы одну пару ионов и таким образом вызвал бы в счетчике сигнал, требуется минимальное давление примерно в 50 мм рт. ст. Верхний предел давления чаще всего устанавливается на этом уровне; при более высоком давлении рабочее напряжение на счетчике пришлось бы устанавливать слишком высоким.

2) Несамогасящиеся счетчики. В несамогасящихся счетчиках, подбирая подходящий газ для их наполнения и соответствующие параметры контура, можно довести мертвое время до значения, меньшего 10^-4 сек. Удачными наполнителями являются благородные газы, которые, конечно, не должны быть исключительно чистыми; лучше к ним добавлять определенное количество другого газа для устранения метастабилъных состояний атомов благородного газа, появляющихся после разряда.

Удельная ионизация гелия очень мала, поэтому его следует использовать при давлении не менее 200 мм рт. ст.; гелий можно применять до атмосферного давления; поэтому он подходит для счетчика с очень тонкими окнами. Рабочее напряжение даже при атмосферном давлении составляет около 1100 в. Особенно подходящими газами являются аргон и неон, которые обладают высокой удельной ионизацией и относительно низким рабочим напряжением. Оказалось чрезвычайно удачным добавление до 10% водорода, а небольшое количество паров ртути может устранять метастабильные состояния; но добавления кислорода следует избегать вследствие опасности образования отрицательных ионов у катода. Если в качестве наполнителя применяется углекислый газ, то образования отрицательных ионов можно избежать, добавляя к нему CS2. В воздухе в большом количестве возникают отрицательные ионы, поэтому он мало подходит для наполнения счетчиков. Все газы необходимо тщательно осушать, так как в парах воды особенно легко образуются отрицательные ионы. Также следует избегать паров органических веществ; они могут возникать, например, при употреблении клея.

В качестве наполняющего газа в пропорциональных счетчиках применимы аргон с добавлением нескольких процентов CO₂ и, в особенности, чистый метан, который при атмосферном давлении медленно и непрерывно поступает из стального баллона через редукционный вентиль в изолированную от воздуха трубку счетчика.

3) Самогасящиеся счетчики. У самогасящихся счетчиков мертвое время, как правило, составляет несколько десятитысячных долей секунды. Для изготовления качественных самогасящихся счетчиков необходимо, чтобы как наполнитель, так и гасящий газ были очень чистыми, так как уже незначительные загрязнения могут нарушить процесс гашения.

Наиболее часто в качестве наполнителя применяется смесь из аргона и 5–10% этилового спирта при общем давлении около 100 мм рт. ст. Чем выше содержание спирта, тем менее ровным является плато счетчика. Следы водяного пара или воздуха так же, как и небольшое загрязнение азотом, приводят к ухудшению плато. При наличии паров спирта, вследствие их диссоциапии под действием разрядов, плато счетчиков со временем ухудшается, а рабочее напряжение возрастает. Хорошие счетчики в заплавленных стеклянных трубках после IO⁸–10' разрядов выходят из строя и должны наполняться вновь. Счетчики, изготовленные с применением органического клея, еще менее устойчивы. Так как такие счетчики нельзя прокаливать, то, оставляя их на вакуумном насосе, пропускают через них разряд в течение 1–2 дней; вначале их наполняют только парами спирта, чтобы поверхность клея насытилась спиртом. Только в последующие дни происходит собственно наполнение их газом.

Кроме спирта, в качестве гасящей примеси можно применять также ряд других органических газов или паров, например метилаль ₂), муравь-иноэтиловый эфир, метан, ксилол, четыреххлористый углерод, серный эфир, этилен и т.п. Срок службы счетчиков в зависимости от свойств паров, входящих в состав наполнителя, составляет от 10' до IO⁹ разрядов. Метан можно применять также как самостоятельный наполнитель счетчика.

При диаметре анодной проволоки 0,1 лежи давлении газа от 50 до 120 мм рт. ст. пороговое напряжение имеет величину в диапазоне между 800 и 12U0 в, если в счетчике применяются в качестве гасителей пары органических веществ.