Страница 17 из 19
Электрические импульсы, возникающие при прохождении ядерных частиц через счетчик, достаточно велики, что, как уже пояснялось, связано с механизмом газового усиления. Поэтому счетчики можно применять в тех случаях, когда необходимо обнаружить попадание в детектор каждой отдельной частицы или γ-кванта. Значение параметра RC для дифференциальных систем со счетчиком как детектором излучения должно быть относительно мало, вследствие чего нагрузочное сопротивление подбирают равным не более чем 107–108 Ом.
В заключение отметим, что приведенные рассуждения об областях применения детекторов, работающих в дифференциальных и интегральных системах регистрации, справедливы не только для ионизационных, но и для других методов регистрации излучений (в частности, сцинтилляционных).
Счетчики, работа которых основана на ионизационном методе регистрации излучений, заполняют газовой смесью определенного состава, поэтому их часто называют газовыми счетчиками. Схема включения счетчика изображена на рис. 1.15. Как уже говорилось, прохождение ядерной частицы через счетчик вызывает появление импульса электрического тока. Этот импульс в свою очередь создает мгновенное падение напряжения (импульс напряжения) на нагрузочном сопротивлении R. Если построить график зависимости амплитуды импульса при регистрации частицы определенной энергии от напряжения на электродах счетчика, то получится кривая, представленная на рис. 1.16.
Рис. 1.15. Схема включения газового счетчика:
1 – катод; 2 – анод; 3 – изоляторы; 4 – источник высокого стабилизированного напряжения; R – нагрузочное сопротивление; С – конденсатор
Как видно из сравнения рис. 1.14 с рис. 1.16, изменения силы тока и амплитуды импульса от напряжения описываются аналогичными кривыми. Это одна и та же зависимость, только рис.16 дает более детальную и правильную картину физического процесса и возможность оценить kгу. В частности, при напряжении U0U1 амплитуда импульса остается постоянной (рис. 16), что соответствует области плато ВС на рис. 1.14 (режим работы ионизационной камеры). Рис. 1.14 использовался для анализа работы токового детектора. Применительно к импульсным детекторам – счетчикам лучше говорить не о силе протекающего через них тока, а об амплитуде импульсов, и поэтому для анализа работы счетчиков следует обратиться к рис. 1.16.
Рассмотрим область газового усиления, соответствующую напряжениям U1U4
Рис.1.16. Зависимость амплитуды импульса от напряжения
В ней можно выделить три характерных участка. На участке U1U2 газовое усиление обусловлено только процессами ударной ионизации. Увеличение амплитуды импульса на этом участке напряжений за счет газового усиления строго пропорционально числу актов первичной ионизации. Другими словами, здесь kгу зависит только от напряжения и не зависит от начальной ионизации – именно поэтому амплитуда и будет пропорциональна первичной ионизации. Это означает, в частности, что в любой точке на участке U1U2 отношение амплитуд импульсов, вызванных двумя различными ядерными частицами, зависит только от соотношения между энергиями, израсходованными этими частицами внутри детектора. Счетчик, работающий в области напряжений U1U2, называют пропорциональным, а саму область напряжений U1U2 – областью пропорциональности. На участке напряжений U2U3 амплитуда импульса продолжает увеличиваться. Хотя она по-прежнему зависит от числа актов первичной ионизации, но прямая пропорциональность нарушается т. к. kгу начинает зависеть от первичной ионизации. Участок напряжений U2U3 называют областью ограниченной пропорциональности.
При росте напряжения выше U3 газовое усиление обусловлено не только ударной ионизацией, но и, во все возрастающей степени, процессами фотоэффекта. Амплитуда импульса в данной области напряжений перестает зависеть от числа первично образующихся ионов и, следовательно, от энергии регистрируемых частиц. Например, один акт первичной ионизации может вызвать в этой области такой же импульс, как и 1000 первичных актов. Это связано с возникновением разряда во всем объеме счетчика, а число носителей заряда максимально при разных значения kгу, который зависит от начальной ионизации. Область напряжений U3U4 – называют областью Гейгера, а счетчики, работающие при таких напряжениях, – по имени их создателей счетчиками Гейгера – Мюллера. Независимость амплитуды импульса от энергии ионизирующей частицы делает счетчики Гейгера – Мюллера особенно удобными для регистрации β-частиц, обладающих непрерывным спектром энергий.
Счетчик обычно представляет собой металлический цилиндр, играющий роль катода, по оси которого натянута металлическая нить – анод. Радиусы катода и анода сильно различаются между собой – первый составляет, как правило, 1–2 см, второй – несколько сотых миллиметра. Напряженность электрического поля вблизи нити на 2–3 порядка выше, чем около стенок цилиндра, и поэтому становится возможным подобрать такие напряжения, при которых область газового усиления охватывает только ближайшее к нити пространство. С ростом напряжения на электродах счетчика область газового усиления постепенно расширяется от нити к катоду, поэтому амплитуда импульса увеличивается с ростом напряжения на детекторе.
Рассмотрим в самых основных чертах механизм газового разряда в счетчиках этого типа, В результате первичной ионизации газа, находящегося в счетчике, образуется некоторое количество электронов и положительно заряженных катионов. Как уже упоминалось выше, для фиксации этого события размеры первичной ионизации не имеют значения: вполне достаточно появления одного электрона, покинувшего атом вследствие любого эффекта (механизм взаимодействия ионизирующего излучения с веществом рассмотрен в предыдущем разделе). Электроны обладают большей подвижностью, чем катионы газа, и, более того, – при движении к аноду (нити, натянутой вдоль центральной оси счетчика), эти электроны первичной ионизации, приобретая энергию за счет электростатического поля, сами начинают ионизировать и возбуждать молекулы газа. При этом вновь образуются электроны (но уже в акте вторичной ионизации), которые, в свою очередь, будут ионизировать газ, в результате чего по направлению к нити возникнет лавина ускоренно движущихся электронов. Вторая лавина разряда распространяется вдоль нити за счет образования новых лавин, которые создаются электронами фотоэффекта (так называемыми "фотоэлектронами"). Эта дополнительная ионизация вызывается фотонами коротковолнового излучения (ультрафиолетовая область), испускаемого возбужденными молекулами. Фотоны взаимодействуют с материалом катода и вновь с молекулами газа-наполнителя, что по механизму фотоэффекта увеличивает поток разряжающихся, электронов.
Через время порядка 10–7 с практически весь объем счетчика охватывается разрядом, который называют коронным или самостоятельным. Когда электроны, образованные последовательными лавинами, соберутся на нити, то с внешней стороны этот "электронный рулет", окружающий нить, все еще будет заключен в "чехол" из катионов, которые вследствие низкой подвижности не успели отойти к катоду. Катионный чехол снижает напряженность электрического поля вблизи нити, а собравшиеся на аноде электроны снижают и величину ее потенциала, так как емкость нити мала, скорость восстановления потенциала относительно велика и зависит от RC, поэтому прекращается дальнёйшая ударная ионизация и затухает активная стадия разряда. Началом следующего этапа разряда будет относительно медленное расширение чехла катионов и заметное движение их в сторону катода. В цепи возникает ток: снижается потенциал нити и формируется импульс в цепи счётчика. В это время восстанавливается напряженность поля вблизи нити, а положительные ионы, разряжаясь на катоде, вызывают новую эмиссию фотоэлектронов, которые могут породить новую лавинную вспышку разряда. Но уже этот разряд, который может возникнуть после формирования импульса, является "паразитным", – он не несет никакой новой информации о первичной ионизации газа частицей или фотоном и грозит перерасти в нескончаемый самоподдерживающийся процесс. Если его не оборвать, то детектор просто "не заметит" очередную ионизирующую частицу. Поэтому должны быть приняты специальные меры для гашения разряда, после того, как он зафиксировал прохождение ионизирующей частицы. Это достигается двумя способами. По одному из них (сейчас редко применяющемуся) в цепь включается высокоомное сопротивление (109 Ом), на котором происходит падение напряжения, а возникающее вследствие этого снижение потенциала нити счетчика и приводит к гашению разряда. Такие счетчики называются несамогасящимися.