ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.02.2019
Просмотров: 5824
Скачиваний: 1
131
газовым разрядом.
С повышением напряжения критическая область расширяется. В
ней увеличивается концентрация возбужденных молекул, а,
следовательно, и количество испущенных фотонов. Под действием
фотонов из катода и молекул газа вырывается все больше и больше
фотоэлектронов. Последние в свою очередь дают начало новым
лавинам электронов в объеме счетчика, не занятым газовым
разрядом от первичной ионизации. Таким образом, повышение
напряжения U приводит к распространению газового разряда по
объему счетчика. При некотором напряжении U
п
, называемом
пороговым, газовый разряд охватывает весь объем счетчика.
В
области
ограниченной
пропорциональности
число
фотоэлектронов, возникающих в процессе газового разряда,
сравнимо с числом первичных электронов.
Фотоэлектроны
оказывают в этой области значительное влияние на течение газового
разряда и дают заметный вклад в ионизационный ток.
При напряжении U
п
начинается область Гейгера–Мюллера.
Количество фотоэлектронов, участвующих в газовом разряде,
становится намного больше числа первичных электронов. Это
означает, что один первичный электрон порождает в лавинах
огромное число фотоэлектронов. Поэтому вклад первичной
ионизации в ионизационный ток настолько мал, что им можно
пренебречь.
Он не зависит от числа первичных пар ионов. Газовый разряд
охватывает одинаково весь объем счетчика при появлении в газе и
одной, и нескольких тысяч ионных пар. Это является одной из
особенностей газового разряда в счетчике Гейгера–Мюллера.
После удаления из газа электронов около нити располагаются
положительные ионы. Они образуют вокруг нити плотный чехол по
всей длине счетчика. Положительные ионы сильно экранируют
электрическое поле, и напряженность электрического поля вблизи
нити резко уменьшается. Вследствие этого в счетчике становится
невозможным новый газовый разряд, пока положительные ионы не
отойдут от нити на определенное расстояние.
Предположим, что в счетчик длительное время не поступает
очередная заряженная частица. Возникнет ли снова лавина
электронов в счетчике? Положительные ионы за 10
-4
с достигают
катода, нейтрализуются и испускают фотоны. В свою очередь,
фотоны вырывают из катода фотоэлектроны, и в объеме счетчика
132
начинается первый послеразряд, за которым возникнет второй и т. д.
Таким образом, первичная ионизация порождает в объеме счетчика
незатухающий газовый разряд. Счетчик Гейгера–Мюллера, в
котором протекает незатухающий газовый разряд, непригоден как
детектор излучения.
Для нормальной работы счетчика Гейгера–Мюллера необходимо
оборвать длительный газовый разряд сразу же после первого
основного разряда. Тогда появлению заряженной частицы в газе
будет соответствовать один импульс напряжения. По способу
гашения газового разряда счетчики Гейгера–Мюллера подразделяют
на самогасящиеся и несамогасящиеся. В самогасящихся счетчиках
газовый разряд гасится газом-наполнителем, в несамогасящихся–
внешними устройствами.
На значение амплитуды импульса влияет коэффициент газового
усиления. В счетчике Гейгера–Мюллера амплитуда импульсов
возрастает до 1–50 в. Такие импульсы можно регистрировать с
помощью простейшего усилителя.
Для гашения газового разряда в счетчике необходимо создать
условия, при которых становится невозможным появление
послеразряда, а вместе с ним и ложного импульса. В
несамогасящихся счетчиках газовый разряд гасится выбором
сопротивления R, при котором постоянная времени τ=RС превышает
на два порядка время движения положительных ионов от анода к
катоду. Сопротивление R и выполняет роль внешнего гасителя
газового разряда.
После начала газового разряда напряжение U на сопротивлении R
падает настолько значительно, что оно становится меньше
порогового U
n
.
Такое напряжение собирающего электрода
поддерживается примерно 10
-2
с.
Положительные ионы первой лавины подходят к катоду через 10
-4
с, затем в газе появляются фотоэлектроны. Так как U<U
п
, то в газе
протекает затухающий газовый разряд. В течение 10
-2
с газовый
разряд в счетчике затухает, и счетчик снова может зарегистрировать
заряженную частицу. Несамогасящиеся счетчики наполняют
чистыми газами: аргоном, неоном, азотом и. др. Разрешающее время
несамогасящихся счетчиков составляет 10
-2
с. Поэтому ими
регистрируют небольшие потоки частиц.
В самогасящихся счетчиках газовый разряд гасится внутри самого
счетчика. Для этого к чистому газу (аргон, неон, гелий и др.)
133
добавляют гасящую примесь органических многоатомных молекул
(пары спирта и др.).
Небольшие добавки примесных молекул не оказывают большого
влияния на образование первичной лавины электронов. Поэтому
развитие лавины электронов в самогасящихся счетчиках мало
отличается от развития лавины в счетчике, наполненном чистым
газом.
Возбужденные молекулы аргона, возникающие в первой лавине,
испускают фотоны. Аргон прозрачен для фотонов и пропускает их на
катод. Примесный газ, имеющий большой коэффициент линейного
ослабления, интенсивно поглощает фотоны.
Положительные ионы аргона, сталкиваясь с многоатомными
молекулами, отнимают у последних по одному электрону и
нейтрализуются.
Ионы
многоатомных
молекул
сначала
превращаются на катоде в возбужденные молекулы, а затем
диссоциируют так же, как и возбужденные многоатомные молекулы,
поглотившие фотоны. За один газовый разряд в счетчике
диссоциирует около 10
10
многоатомных молекул.
Диссоциация многоатомных органических молекул–необратимый
процесс. Поэтому количество примеси–гасителя в счетчике
уменьшается и счетчик постепенно изменяет свои свойства и
приходит в негодность.
Хорошим заменителем органических молекул в самогасящихся
счетчиках служат галогены Cl
2
, Вr
2
, I
2
. 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 молекул 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
количество молекул галогенов в счетчике остается неизменным. Это
выгодно отличает галогенные счетчики от счетчиков с добавками
паров органических веществ.
Галогены относятся к химически активным газам. При
134
конструировании галогенных счетчиков особое внимание обращают
на выбор материалов. Для корпуса галогенных счетчиков, например,
нельзя использовать стекло, алюминий и медь, которые вступают в
химическую реакцию с галогенами. Поэтому корпус приходится
изготовлять из нержавеющей стали.
Разрешающее время самогасящихся счетчиков значительно
меньше, чем несамогасящихся.
Отметим особенности распространения газового разряда по
объему счетчика Гейгера–Мюллера. В несамогасящихся счетчиках
фотоэлектроны возникают во всем объеме газа. Поэтому газовый
разряд охватывает весь объем счетчика за время, сравнимое с
временем сбора электронов на аноде. В самогасящихся счетчиках
почти все фотоны поглощаются в критической области, так как газ-
наполнитель характеризуется большим коэффициентом линейного
ослабления. Поэтому газовый разряд распространяется только вдоль
нити, занимая небольшой объем счетчика.
Амплитуда импульса в самогасящихся счетчиках зависит от доли
длины нити, на которую распространяется газовый разряд.
Максимальная амплитуда импульса наблюдается в том случае, когда
газовый разряд охватывает всю длину нити. Поэтому к состоянию
поверхности нити предъявляются жесткие требования. Поверхность
нити тщательно полируют, чтобы устранить все неровности.
Появление неровностей на поверхности может привести к тому, что
газовый разряд начнет охватывать не всю нить и амплитуда
импульса уменьшится.
9.6.2
Рабочие характеристики
Пороговое напряжение. Пороговое напряжение зависит от
природы газа–наполнителя и его давления. С повышением давления
газа пробег электронов в газе укорачивается. Вследствие этого
электрон получает от электрического поля между двумя
столкновениями с молекулами газа меньше энергии. Для увеличения
энергии ускоряемых электронов необходимо более высокое
напряжение.
Каждый газ имеет определенную энергию ионизации ε
и
. Так, для
аргона ε
и
=15,7 эВ, для неона ε
и
=21,5 эВ и т. д. Вторичная ионизация
молекул наиболее вероятна при энергиях электрона, превышающих в
несколько раз энергию ионизации. При меньших энергиях электрона
в большинстве столкновений образуются возбужденные молекулы.
135
Следовательно, чем больше энергия ионизации газа–наполнителя,
тем выше пороговое напряжение. Для счетчиков Гейгера–Мюллера,
заполненных чистыми газами (аргоном, неоном и др.) или чистыми
газами с примесью органических молекул, пороговое напряжение
лежит в пределах 800–1300 В, а для галогенных счетчиков оно
составляет примерно 600 В.
В галогенных счетчиках, наполненных неоном с малыми
примесями аргона (0,1%) и галогена (0,1%), пороговое напряжение
снижается до 300 В. Небольшое пороговое напряжение объясняется
особенностью газового разряда, протекающего в такой смеси газов.
Среди возбужденных атомов некоторых веществ встречаются
метастабильные атомы. Они имеют сравнительно продолжительное
время жизни. Если время жизни большинства возбужденных атомов
составляет около 10
-8
с, то у метастабильных атомов возбужденное
состояние длится на несколько порядков дольше. У неона первый
возбужденный уровень с энергией 16,6 эВ метастабилен.
Если энергия первичных электронов близка к энергии ионизации
неона, равной 21,5 эВ, то в счетчике происходит не лавинное
размножение электронов, а накопление метастабильных атомов
неона. Энергия возбуждения атомов неона (16,6 эВ) больше энергии
ионизации атомов аргона (15,7 эВ). При столкновении возбужденный
атом неона передает энергию возбуждения атому аргона и
ионизирует его. В результате таких столкновений и порождается
лавина электронов в газе.
Пороговое напряжение снижается за счет ионизации аргона
возбужденными атомами неона. К электродам такого галогенного
счетчика подводят низкие напряжения, при которых атомы неона
при столкновениях с электронами переводятся в метастабильное
состояние.
Счетная характеристика. До порогового напряжения U
п
счетчик
работает в области ограниченной пропорциональности (рисунок 9.6).
Амплитуды импульсов еще зависят от первичной ионизации и
отличаются своими значениями. С повышением напряжения
амплитуда импульса возрастает и через усилитель пропускается все
больше и больше импульсов. При U>U
п
каждая регистрируемая
частица сопровождается импульсом, амплитуда которого больше
порога чувствительности усилителя. Поэтому скорость счета при
постоянной интенсивности излучения становится почти неизменной.