Пропорциональный счетчик. Применение пропорциональных счетчиков

Содержание статьи

ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ, приборы для регистрации атомных и субатомных частиц. Чтобы частица была зарегистрирована, она должна взаимодействовать с материалом детектора. Простейшие детекторы («счетчики») регистрируют только сам факт попадания частицы в детектор; более сложные позволяют также определить тип частицы, ее энергию, направление движения и т.д.

Взаимодействие с материалом детектора чаще всего сводится к процессу ионизации – отрыву электронов от некоторых атомов материала детектора, в результате чего они приобретают электрический заряд. Регистрируется либо непосредственно ионизация, либо связанные с ней явления – испускание света, а также фазовые или химические превращения.

Взаимодействие частиц с веществом.

Проходя сквозь вещество, частица сталкивается с атомами этого вещества. Число столкновений зависит в основном от электрического заряда и скорости частицы. Масса частицы и природа самого вещества играют лишь второстепенную роль. При каждом столкновении существует некоторая вероятность того, что атом потеряет электрон и превратится в положительно заряженный ион. Поэтому частица, движущаяся в веществе, оставляет за собой след из электронов и положительных ионов. Этот процесс, называемый ионизацией, схематически изображен на рис. 1. Например, очень быстрый протон (скорость которого близка к скорости света) при движении в воде оставляет на каждом сантиметре пути примерно 70 000 пар электронов и положительных ионов. Одновременно с ионизацией атомы при столкновении могут излучать свет или приобретать импульс, что ведет к нагреву вещества и возникновению в нем разного рода дефектов. Любое из этих явлений может использоваться в детекторе частиц.

ТИПЫ ДЕТЕКТОРОВ

Ионизационные приборы.

Действие ионизационной камеры основано на сборе (в форме электрического тока) ионов, образующихся при прохождении через камеру заряженных частиц. Схема прибора представлена на рис. 2. Электрический ток, возникающий в результате ионизации, дается выражением

i = nq /t ,

где n – число образовавшихся ионов, q – электрический заряд каждого иона, а t – время, необходимое для того, чтобы собрать ионы. Ток можно преобразовать в падение напряжения, разряжая заряженный им конденсатор или пропуская его через резистор. Ток, создаваемый одной частицей, составляет обычно доли микроампера, а падение напряжения измеряется милливольтами. Полные потери энергии частицы при прохождении ее через камеру даются формулой

E = nk ,

где n – число образованных ионов, которое можно определить по току или падению напряжения в камере, а k – средняя энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Величина k для обычных газов составляет около 30 эВ (1 эВ есть энергия, которую приобретает электрон, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В.) Образование ионных пар – случайный процесс, а поэтому возможны флуктуации числа n порядка . Все измеренные величины, основанные на показаниях счетчика, тоже будут обнаруживать флуктуации, и поэтому точность таких измерений повышается с увеличением их длительности.

Основное требование к чувствительному веществу ионизационных приборов состоит в том, чтобы ионы, создаваемые излучением, с большой вероятностью достигали собирающих электродов. Кроме того, это вещество должно обладать высоким удельным сопротивлением, чтобы в нем не было других токов, кроме связанных с ионизацией. Для этих целей хорошо подходят газы, особенно инертные, такие, как гелий и аргон, но можно использовать и другие диэлектрики. Твердотельными аналогами ионизационной камеры являются полупроводниковые детекторы. Подобный прибор с p – n -переходом показан на рис. 3. Для создания перехода в полупроводник (обычно кристалл германия или кремния, по удельному сопротивлению занимающих промежуточное положение между металлами и диэлектриками) вводят небольшие количества определенных примесей. Благодаря этому в области перехода возникает электрическое поле, а при наложении дополнительного внешнего поля образуется обедненная область, в которой отсутствуют свободные носители заряда, необходимые для создания электрического тока. Но если через обедненную область проходит ионизующая частица, в ней возникают свободные носители (электроны и «дырки»), движение которых и создает ток. Средняя энергия, необходимая для образования пары носителей заряда в полупроводниковом детекторе, составляет примерно 3 эВ, тогда как в газовом – 30 эВ. Следовательно, при одинаковых потерях энергии в полупроводниковом детекторе возникает электрический сигнал, в 10 раз превышающий сигнал ионизационной камеры. Соответственно этому возрастает и точность, с которой измеряются потери энергии.

Полупроводниковые детекторы во многом аналогичны полупроводниковым диодам, которые тоже представляют собой полупроводниковые приборы с p – n -переходом. Однако их конструкция имеет свои особенности. Один из широко распространенных типов детекторов, поверхностно-барьерный, изготавливается путем нанесения тонкого слоя золота на кремний или германий. Он имеет вид круглой пластинки диаметром около 1 см с обедненным слоем толщиной менее 1 мм. Такие детекторы применяются для измерения полной энергии сильно ионизующих частиц, например альфа-частиц и протонов с низкой энергией. Благодаря большому сигналу, отвечающему одному акту ионизации, такие приборы измеряют энергию частиц точнее детекторов всех других типов. Кроме того, благодаря небольшим размерам и простоте в обращении они идеально подходят для космических экспериментов.

Еще один тип полупроводникового детектора – литий-дрейфовый детектор с p – i – n -переходом – изготавливается методом диффузии ионов лития в полупроводниковый материал (германий или кремний). Это дает возможность получать обедненные области толщиной в несколько сантиметров и создавать детекторы значительно больших размеров, чем поверхностно-барьерные. Такие детекторы применяются для регистрации частиц с большими энергиями, а также рентгеновского и гамма-излучения, сравнительно слабо взаимодействующего с веществом.

Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера.

Серьезным недостатком полупроводниковых детекторов и ионизационных камер является малый ток, создаваемый в них ионизующей частицей. Он настолько мал, что для его измерения необходимы электронные усилители с большими коэффициентами усиления. Но если увеличить высокое напряжение на ионизационной камере, то электроны, возникающие при первичной ионизации, будут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приведет к увеличению сигнала. Детектор, работающий в таком режиме, называют пропорциональным счетчиком, поскольку импульсы напряжения, снимаемые со счетчика, пропорциональны числу первоначально возникших ионов. Число вторичных ионов, создаваемых в среднем каждым первичным ионом, зависит от напряженности электрического поля в счетчике. В плоскопараллельной камере электрическое поле однородно и его напряженность равна разности потенциалов между пластинами, деленной на расстояние между ними. В такой геометрии трудно получить поля с высокой напряженностью, необходимые для вторичной ионизации. В камерах же с центральной нитью в качестве анода, окруженной цилиндрическим катодом, поле неравномерно и увеличивается вблизи анода. В такой геометрии удается достичь коэффициента усиления в несколько тысяч.

При повышении напряжения на пропорциональном счетчике коэффициент усиления сигнала не возрастает до бесконечности. С какого-то момента сигнал счетчика перестает быть пропорциональным первичной ионизации и ненамного увеличивается с повышением напряжения. Прибор, работающий в таком режиме, называется счетчиком Гейгера. По конструкции он сходен с пропорциональным счетчиком. Более того, можно сконструировать счетчик, который будет работать либо как ионизационная камера, либо какпропорциональный счетчик, либо как счетчик Гейгера в зависимости от напряжения, приложенного между катодом и анодом.

Импульс тока, возникающий в счетчике Гейгера после прохождения заряженной частицы, сходен с электрическим искровым разрядом. Как и в других ионизационных приборах, основной вклад в ток вносят электроны. Присутствующие при этом в больших количествах положительные ионы электрически экранируют анод от катода и тем самым ослабляют поле, действующее на электроны. С увеличением тока экранирование усиливается и достигается насыщение, ограничивающее максимальный ток. Одновременно с насыщением протекает другой процесс – распространение разряда по всему объему счетчика Гейгера. Он обусловлен свечением разряда, свет которого производит в счетчике дополнительную ионизацию за счет фотоэффекта. Повсюду, где происходит фотоионизация, возникает новый разряд. В конечном итоге сигнал уже не зависит от первичной ионизации и может достигать 100 В. Таким образом, разряд усиливает первичный сигнал более чем в миллион раз.

Для гашения разряда в счетчике Гейгера приходится принимать особые меры. Можно уменьшить внешнее напряжение и поддерживать его ниже уровня, при котором возможен устойчивый разряд, пока все ионы не будут выведены из объема счетчика. Более простой способ – ввести в счетчик пар , которые поглощали бы свет, испускаемый разрядом, и рассеивали энергию не за счет фотоэффекта, а, например, за счет диссоциации. Для этого обычно добавляют газообразные галогены (промышленность выпускает, как правило, счетчики именно такого типа).

Пропорциональные счетчики можно использовать для измерения низкой энергии излучения, например электронов или рентгеновского излучения. Счетчик Гейгера лишь фиксирует появление частицы. Иначе говоря, при наличии излучений разных видов счетчик Гейгера дает лишь общее число частиц, прошедших через детектор, а пропорциональный счетчик позволяет анализировать излучение по его виду и энергии. Такими же возможностями обладают и полупроводниковые детекторы, а также многие из рассматриваемых ниже детекторов других типов.

Сцинтилляционные и черенковские счетчики.

Испускание света некоторыми веществами при прохождении сквозь них быстрых заряженных частиц называют сцинтилляцией. На долю испускаемого света может приходиться 5–10% всей энергии, теряемой частицами. Его испускание – частный случай люминесценции – обусловлено атомной структурой вещества, сквозь которое проходит частица. На регистрации света, испускаемого средой при прохождении через нее частицы, основаны сцинтилляционные счетчики.

В современных сцинтилляционных счетчиках, появившихся примерно в 1947, для регистрации сцинтилляций используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие вспышку света в электрический сигнал и одновременно усиливающие этот сигнал. Сцинтилляционный счетчик с ФЭУ схематически изображен на рис. 4.

При выборе сцинтиллирующего вещества встает вопрос о сборе света из кристалла. Известно, что вещества, испускающие свет определенной частоты, поглощают свет той же частоты. Поэтому в очень чистом кристалле сцинтилляционное свечение будет непрерывно поглощаться и вновь испускаться атомами кристалла, пока свет не выйдет наружу через поверхность кристалла или же не будет поглощен в виде тепла. Последнее чаще всего происходит в кристаллах достаточно больших размеров, и по этой причине чистые кристаллы оказываются плохими сцинтилляторами. Ситуация значительно улучшается при введении специальных примесей. Такие активирующие примеси, смещающие длину волны, поглотив свет, испускают его с несколько большей длиной волны, благодаря чему он может выйти наружу. Из неорганических кристаллов обычно используют иодиды натрия и цезия, активированные таллием. Успешно применяются в роли сцинтилляторов также активированные пластмассы и органические жидкости. Типичным примером может служить полистирол, активированный пара-терфенилом. Применяются и некоторые чистые органические кристаллы.

У сцинтилляционных счетчиков имеется ряд преимуществ перед другими детекторами частиц. Твердые и жидкие сцинтилляционные материалы в тысячи раз плотнее газов, используемых в ионизационных счетчиках. Соответственно этому значительно возрастают потери энергии ионизующей частицей на единицу длины и сигнал. Кроме того, ФЭУ обеспечивают такое усиление первичного сигнала, которого не достичь с помощью электронных схем. К тому же длительность сигнала на выходе сцинтилляционного счетчика может составлять всего лишь 10 –9 с, тогда как от ионизационной камеры удается в лучшем случае получить сигнал длительностью примерно 10 –7 с.

Сигнал на выходе сцинтилляционного счетчика, как и у ионизационных приборов, пропорционален энергии, теряемой падающей частицей в веществе сцинтиллятора. Эта энергия может достигать нескольких сотен мегаэлектронвольт и представлять собой полную кинетическую энергию падающей частицы. Сигнал от счетчика можно также использовать для измерения временн х интервалов между моментами появления разных частиц. Примером может служить измерение среднего времени жизни нестабильных частиц, таких, как p - или К -мезон. Суть эксперимента – в регистрации временнóго интервала между сигналом счетчика, соответствующим попаданию в него мезона, и сигналом, соответствующим появлению продукта распада. Время жизни p -мезона примерно 25Ч 10 –9 с, и для точного его измерения нужен счетчик с гораздо меньшим временем отклика.

Сцинтилляционные счетчики широко применяются в экспериментах с пучками частиц в ускорителях на высокие энергии. Такие пучки обычно состоят из сгустков частиц, и чтобы выделить в этих сгустках отдельные частицы, необходимо высокое «временнóе разрешение» (малое время отклика), обеспечиваемое сцинтилляционными счетчиками.

Используя в качестве сцинтилляционных материалов обычные органические жидкости и пластмассы, можно изготавливать счетчики практически любых размеров и форм. Для экспериментов с космическими лучами, где потоки частиц крайне малы, создаются гигантские системы детекторов, содержащие тонны чувствительных материалов. Столь же огромное количество вещества используется для регистрации нейтрино, нейтральных частиц, вероятность взаимодействия которых с веществом исключительно мала. В эксперименте может использоваться и система из большого числа отдельных сцинтилляционных счетчиков. В таких случаях они зачастую выполняют ту же роль, что и счетчики Гейгера, т.е. служат индикаторами наличия частиц. Сцинтилляционные счетчики могут работать значительно надежнее счетчиков Гейгера и благодаря своему высокому временнóму разрешению точно регистрировать гораздо более интенсивные потоки частиц.

Черенковский счетчик представляет собой детектор, внешне сходный со сцинтилляционным счетчиком. Он регистрирует так называемое черенковское излучение – свечение, испускаемое заряженной частицей, которая движется в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Это явление аналогично ударной волне, возникающей в воздухе, когда снаряд летит быстрее звука. В любой преломляющей среде скорость света равна с /n , где с – скорость света в пустоте (3Ч 10 8 м/с), а n – показатель преломления среды. Таким образом, в стекле, показатель преломления которого равен 1,5, скорость света составляет всего лишь 2Ч 10 8 м/c. Любая частица, движущаяся в стекле с большей скоростью, будет испускать черенковское излучение. (Здесь нет противоречия с частной теорией относительности, согласно которой скорость любой частицы, независимо от среды, в которой она движется, не может превышать скорость света в пустоте.) Поэтому черенковский счетчик, чувствительное вещество которого имеет показатель преломления n , будет реагировать на частицы, скорости которых превышают с /n . Интенсивность свечения пропорциональна величине (1 – v 2 /c 2 n 2), которая равна нулю при пороговом значении скорости с /n и быстро возрастает до максимального значения, когда скорость v регистрируемой частицы приближается к скорости света с . Особенность черенковского излучения состоит в том, что оно сосредоточено в переднем конусе относительно направления движения частицы. Угол при вершине конуса дается выражением

cosq = v /cn .

Используя эту зависимость угла испускания от скорости, можно сконструировать счетчик, на катоде ФЭУ которого будет фокусироваться только излучение частиц, движущихся с определенной скоростью.

Световая вспышка черенковского излучения по интенсивности примерно в 100 раз слабее сцинтилляции. Поэтому при выборе чувствительного вещества для черенковского счетчика приходится ограничиваться материалами, в которых не происходят сцинтилляции. Обычно это вода и оргстекло. Для регистрации частиц со скоростями, приближающимися к скорости света, используются газы, показатель преломления которых очень близок к 1. Например, черенковский счетчик с воздухом при атмосферном давлении будет реагировать лишь на частицы со скоростями не менее 0,9997 с .

Используется и зависимость сигнала черенковских счетчиков от скорости. Появление сигнала свидетельствует о прохождении заряженной частицы со скоростью, превышающей пороговую, а схема с двумя счетчиками позволяет выделить частицы, лежащие в узком интервале скоростей. Это дает возможность исследовать спектр частиц с высокими скоростями, а не только регистрировать их появление. Выходной сигнал сцинтилляционного счетчика, как и любого ионизационного прибора, почти постоянен для всех частиц со скоростями выше 2Ч 10 8 м/с (0,67 скорости света).

Детекторы нейтронов и гамма-квантов.

Ионизационные приборы, сцинтилляционные и черенковские счетчики непосредственно реагируют только на заряженные частицы. Нейтральные же частицы, например нейтроны и гамма-кванты, должны сначала как-то подействовать на вещество, чтобы возникли заряженные частицы, на которые может реагировать счетчик. При взаимодействии гамма-излучения с веществом электроны возникают за счет фотоэффекта, комптон-эффекта или рождения электронно-позитронных пар. Фотоэффект – это процесс, обратный испусканию света: гамма-квант поглощается атомом, из которого вылетает электрон с той же энергией, что и у гамма-кванта, за вычетом энергии связи электрона в атоме. Фотоэффект значителен при энергии гамма-квантов, меньшей примерно 1 МэВ. Комптон-эффект – это рассеяние гамма-квантов на электронах. При этом электрон выбивается из атома и приобретает кинетическую энергию в диапазоне от нуля до почти полной энергии гамма-кванта. Этот процесс играет важную роль в области энергий порядка 1 МэВ и для веществ с малым атомным номером, таких, как углерод. Рождение пар происходит в результате взаимодействия гамма-кванта с сильным электрическим полем вблизи ядра. Полная энергия рождающихся электрона и позитрона (кинетическая энергия + энергия покоя) равна энергии гамма-кванта. Рождение пар не происходит при энергиях ниже 1 МэВ. При более высоких энергиях оно доминирует, особенно в веществах с большими атомными номерами, такими, как свинец.

Главная задача при регистрации гамма-квантов – найти вещество, которое легко поглощало бы их и одновременно было бы чувствительно к испускаемым электронам. Ионизационные приборы сравнительно мало чувствительны к гамма-квантам из-за низкой плотности газового наполнения, хотя в какой-то степени преобразование происходит в стенках счетчика. Наиболее подходящими приборами для регистрации гамма-квантов и измерения их энергии оказались сцинтилляционные счетчики с кристаллами высокой плотности, содержащими элементы с большими атомными номерами. Сравнительно небольшие кристаллы иодида натрия дают почти 100%-ную эффективность регистрации гамма-квантов в широком диапазоне энергий. В равной степени подходят и другие сцинтилляционные материалы. Их выбор обычно зависит от исследуемого излучения. Черенковские счетчики тоже применяются для регистрации гамма-квантов, особенно в области высоких энергий. При этом в качестве черенковских излучателей широко применяются свинцовое стекло и бромоформ.

Нейтроны – незаряженные ядерные частицы, поэтому они взаимодействуют с веществом лишь в прямых столкновениях с ядрами его атомов. При столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон может передать всю свою энергию протону, который, будучи заряженной частицей, может быть зарегистрирован обычным способом. Такой процесс, называемый упругим рассеянием, широко используется для регистрации нейтронов с энергиями, превышающими примерно 0,1 МэВ. Благодаря высокому содержанию водорода сцинтилляционные пластмассы и жидкости пригодны для регистрации нейтронов с эффективностью 10–20%. Иногда под действием нейтронов происходят ядерные реакции с испусканием заряженных частиц или гамма-квантов. Некоторые из таких реакций отличаются исключительно большой вероятностью, особенно при энергиях нейтронов порядка 1 эВ. Примером может служить реакция с бором, сопровождающаяся испусканием альфа-частиц. Поэтому высокую эффективность регистрации нейтронов обеспечивает счетчик Гейгера, наполненный трифторидом бора. Еще один пример такой реакции – деление ядер. Применяются ионизационные камеры с внутренним слоем делящего материала, такого, как уран-235. По большому энерговыделению, характерному для деления ядер, можно выявлять нейтроны на фоне других частиц.

Регистрацию нейтронов часто осложняют трудности отделения нейтронов от гамма-излучения. У детекторов медленных нейтронов эффективность регистрации нейтронов, как правило, гораздо выше, чем для гамма-излучения. Но у используемых для регистрации быстрых нейтронов сцинтилляционных счетчиков эффективность обычно примерно одинакова в обоих случаях. Нейтроны можно отличить по форме регистрируемого импульса, поскольку в случае нейтрона импульс оказывается более широким во времени. Но это различие невелико и для его выявления требуется довольно сложная электроника.

Камеры Вильсона и пузырьковые камеры.

При подходящих условиях ионизация, произведенная в веществе заряженной частицей, может вызвать в нем фазовый переход. В так называемой камере Вильсона используется конденсация жидкости из пара. Прибор был изобретен в 1912 Ч.Вильсоном, в течение многих лет исследовавшим физику образования облаков в атмосфере. Вильсон установил, что пересыщенный пар конденсируется в капельки вокруг центров зародышеобразования, которыми служат положительные и отрицательные ионы. Проходя через перенасыщенный пар, заряженная частица оставляет за собой след из капелек. За 1 мс капельки вырастают до видимых размеров.

Пузырьковую камеру изобрел и усовершенствовал в начале 1950-х годов Д.Глейзер. Исходя из аналогии с камерой Вильсона, он нашел иной фазовый переход, который тоже позволяет визуализировать следы частиц. В его приборе используется перегретая жидкость, которая вскипает вблизи центров зародышеобразования, которыми служат ионы. Проходя через такую жидкость, частица оставляет за собой след из пузырьков. Оба эти прибора принесли их создателям Нобелевские премии и дали исследователям возможность почти что «воочию» наблюдать ядерные явления.

Пузырьковые камеры и камеры Вильсона позволяют видеть следы частиц. Это означает, что положение частицы может быть определено с точностью до размера видимой капельки или пузырька, т.е. примерно до 1 мм. Камеры часто помещают в магнитное поле. Это приводит к искривлению траекторий заряженных частиц, обратно пропорциональному их импульсу. При этом положительно заряженные частицы отклоняются в одном направлении, а отрицательно заряженные – в другом. Таким образом, в дополнение к пространственной картине, которую дают эти приборы, они позволяют измерить импульс частицы и определить знак ее заряда.

Ядерные эмульсии.

Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатины с диспергированными в ней зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом. Большие потоки ионизующего и неионизующего излучения вызывают вуалирование эмульсии, видимое простым глазом, как на обычных рентгеновских снимках.

Методика ядерных эмульсий наиболее привлекательна тем, что они довольно компактны. Эмульсии, почти такие же, как и в фотографии, поставляются в виде листков толщиной 0,1 мм. Отдельные листки складывают в стопки нужного объема (характерный размер – порядка десятков сантиметров). После облучения в потоке частиц стопки разделяют на листки для проявления и анализа. Благодаря большой концентрации серебра плотность фотоэмульсий довольно велика, а поэтому потери энергии ионизующих частиц даже на сравнительно небольшом пробеге в эмульсии могут достигать сотен мегаэлектронвольт. Ширина следа частицы составляет лишь несколько микрометров, что позволяет измерять положение частицы с гораздо большей точностью, чем в пузырьковой камере и камере Вильсона. Плотность следа (число почерневших зерен на единицу его длины) прямо пропорциональна ионизации, производимой падающей частицей и, следовательно, зависит от ее скорости. Кроме того, в результате многочисленных столкновений с атомами эмульсии траектория частицы обнаруживает отклонения. По результатам измерения плотности следа и его отклонений можно определить массу частицы, оставившей след, а тем самым идентифицировать ее. Путем таких же измерений можно определить заряд частицы. Так были обнаружены ядра железа с высокой энергией в космических лучах.

Искровые камеры.

Искровая камера представляет собой набор параллельных проводящих пластин, разделенных газом и электрически изолированных друг от друга. Заряженная частица, проходящая через камеру, создает ионы в газе между пластинами. Возникающий при этом импульс запускает внешнюю схему, которая подает на чередующиеся пластины импульс высокого напряжения порядка 10 000 В. В момент подачи этого импульса пары пластин камеры действуют как счетчики Гейгера, и в тех местах, где прошла частица, проскакивают искры. Искры хорошо видны (и слышны).

Твердотельные трековые детекторы.

Проходя сквозь вещество, частицы могут буквально «расталкивать» атомы на своем пути и оставлять за собой след, видимый в электронном микроскопе. Впервые подобные треки наблюдались в слюде. Эти слабые следы можно выявлять селективно разъедающими материал агрессивными средами. След от частицы возникает, только если она создает на своем пути много ионов. Поэтому такие ядерные частицы, как протоны и альфа-частицы, не оставляют следов. Видимыми будут лишь треки целых ядер (например, ядер железа) и осколков их деления.

Специфика таких детекторов определяется их чувствительностью к очень тяжелым частицам, а также способностью сохранять следы событий, произошедших в далекой древности. Для исследования космических лучей большие листы пластиков поднимают на стратостатах. Таким способом регистрировались ядра урана и других тяжелых элементов, проникающие с первичным космическим излучением в земную атмосферу. Треки в минералах позволяют точно определить их возраст. Этим методом исследовались породы не только земного, но и метеоритного, а также лунного происхождения.

Которого пропорциональна энергии регистрируемой частицы , теряемой в его объеме на ионизацию. Заряженная частица, проходя через газ , наполняющий . с., создает на своем пути пары ион - электрон , число которых зависит от энергии, терямой частицей в газе. При полном торможении частицы в П. . импульс пропорционален энергии частицы. Как и в ионизационной камере, под действием электрического поля электроны движутся к аноду, ионы - к катоду. В отличие от ионизационной камеры вблизи анода П. с. поле столь велико, что электроны приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. В результате вместо каждого первичного электрона на анод приходит лавина электронов и полное число электронов, собранных на аноде П. с., во много раз превышает число первичных электронов. Отношение полного числа собранных электронов к первоначальному количеству называется коэффициентом газового усиления (в формировании импульса участвуют также и ионы). В П. с. обычно катодом служит цилиндр , а анодом - тонкая (10-100 мкм) металлическая нить, натянутая по оси цилиндра (см. рис.). Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь электроны дрейфуют под действием поля без «размножения». П. с. заполняют инертными газами (рабочий газ не должен поглощать дрейфующие электроны) с добавлением небольшого количества многоатомных газов, которые поглощают фотоны, образующиеся в лавинах. Типичные характеристики П. с.: коэффициент газового усиления Пропорциональный счетчик 103-104 (но может достигать 106 и больше); амплитуда импульса Пропорциональный счетчик 10-2 в при емкости П. с. около 20 пкф; развитие лавины происходит за время Пропорциональный счетчик 10-9-10-8 сек, однако момент появления сигнала на выходе П. с. зависит от места прохождения ионизующей частицы, т. . от времени дрейфа электронов до нити. При радиусе Пропорциональный счетчик 1 см и давлении Пропорциональный счетчик 1 атм время запаздывания сигнала относительно пролета частицы Пропорциональный счетчик 10-6 сек. По энергетическому разрешению П. с. превосходит сцинтилляционный счетчик, но уступает полупроводниковому детектору. Однако П. с. позволяют работать в области энергий она является одновременно быстродействующим спектрометром и трековым детектором. В 70-х гг. появилась дрейфовая камера , в которой для измерения места пролета частицы используется дрейф электронов, предшествующий образованию лавины. Чередуя аноды и катоды отдельных П. с. в одной плоскости и измеряя время дрейфа электронов, можно измерить место прохождения частицы через камеру с высокой точностью (Пропорциональный счетчик 0,1 мм) при числе нитей в 10 раз меньше, чем в пропорциональной камере. П. с. применяются не только в ядерной физике, но и в физике космических лучей, астрофизике, в технике, медицине, геологии, археологии и т.д. Например, с помощью установленного на «Луноходе-1» П. с. по рентгеновской флюоресценции производился химический элементный анализ вещества поверхности Луны. Лит.: Векслер В., Грошев Л., Исаев Б., Ионизационные методы исследования излучений, . - Л., 1949; Принципы и методы регистрации элементарных частиц, пер. с англ., М., 1963; Калашникова . И., Козодаев М. С., Детекторы элементарных частиц, М., 1966 (Экспериментальные методы ядерной физики, . 1). В. С. Кафтанов, . В. Стрелков.

Пропорциональный счётчик

Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Это позволяет регистрировать частицы с энергией < 10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах "тонут" в шумах усилителя.
Газовое усиление это увеличение количества свободных зарядов в объёме детектора за счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Возникшие при этом новые электроны в свою очередь успевают приобрести энергию достаточную для ионизации ударом. Таким образом, к аноду будет двигаться нарастающая электронная лавина. Это “самоусиление” электронного тока (коэффициент газового усиления) может достигать 10 3 -10 4 . Такой режим работы отвечает пропорциональному счётчику (камере) . В названии отражено то, что в этом приборе амплитуда импульса тока (или полный собранный заряд) остаётся пропорциональной энергии, затраченной заряженной частицей на первичную ионизацию среды детектора. Таким образом, пропорциональный счётчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых.
Конструктивно пропорциональный счётчик обычно изготавливают в форме цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра (рис.1), что обеспечивает вблизи анода напряженность электрического поля значительно бoльшую, чем в остальной области детектора. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт напряжённость поля вблизи нити-анода может достигать 40 000 вольт/см., в то время как у катода она равна сотням в/см.

Если ещё больше увеличить разность потенциалов между анодом и катодом и увеличить коэффициент газового усиления до значений >10 4 , то начинает нарушаться пропорциональность между потерянной частицей в детекторе энергией и величиной импульса тока. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счётчик частиц.
Временнoе разрешение пропорционального счетчика может достигать10 -7 с.
Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бета-частиц, протонов, гамма-квантов и нейтронов. Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном. При регистрации заряженных частиц и гамма-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до регистрации используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в объём счетчика. Эффективность регистрации для мягких гамма-квантов с энергией < 20 кэВ > 80%. Для повышения эффективности регистрации более энергетичных гамма-квантов используют ксенон.
При регистрации нейтронов пропорциональные счетчики заполняются газами 3 He или 10 BF 3 . Используются реакции

Лекция 10

3.3. Пропорциональные счетчики

Они работают в пропорциональной области. Величина импульса пропорциональна начальной ионизации, поэтому с их помощью мы по величине импульсов можем различить α - β - излучение. Они широко применяются при научных исследованиях для снятия спектра.

Зависимость коэффициента газового усиления от напряжения рассчитывается по формуле:

где К – коэффициент газового усиления; U – напряжение; Uп – пороговый потенциал; А – константа, зависящая от природы и давления газа, геометрии счетчика.

Как видно, коэффициент газового усиления экспоненциально возрастает с удалением от порогового напряжения, до величины ≈103.

Это уравнение выведено при следующих допущениях:

1) фотонный механизм усиления отсутствует, перенос заряда должен отсутствовать (добавляется гаситель), ионизация положительными ионами отсутствует.

2) при разряде положительных ионов электроны из катода не вырываются (катод изготавливается из материала с большой работой выхода электрона).

Эти допущения справедливы только при сравнительно малых напряжениях, т. е. только для пропорциональной области.

2.3.1. Зависимость коэффициента газового усиления от места попадания части

Замечено, что чем дальше от нити пролетела частица, тем меньше коэффициент газового усиления. При образовании ионов вблизи катода заметно сказывается диффузия электронов, в результате которой часть их может попасть на катод и не дать начала электронной лавине. Для рекомбинирующих ионов – также зависит от места попадания ионизирующей частицы: чем дальше от нити, тем слабее электрическое поле, тем более вероятна рекомбинация, тем медленнее разделение положительных и отрицательных ионов.

(Но особенно большое влияние оказывает на коэффициент газового усиления присутствие тяжелых отрицательных ионов. Если в счетчике имеется электро-отрицательный газ, то электроны прилипают к молекулам и атомам электро-отрицательного газа и образуют тяжелые отрицательные ионы https://pandia.ru/text/78/242/images/image004_3.gif" alt="Подпись: " align="left" width="386" height="144">Форма импульса, его амплитуда и продолжительность зависят от природы газового наполнителя, от величины напряжения, сопротивления R, емкости счетчика и подводящих проводов (С).

Механизм образования импульса следующий:

После прохождения частицы (α, β) через счетчик образуется электронная лавина. Время ее развития ≈10-7сек. За это время вокруг нити образуются электроны и положительные ионы, причем электроны собираются на нити, а положительные ионы окружают нить чехлом (их скорость мала, и можно считать, что за время образования лавины они остаются на месте). В момент разделения положительных ионов и электронов произойдет первое изменение потенциала нити, но оно незначительно, т. к. чехол положительных ионов связывает электроны. Основное изменение потенциала произойдет в момент отхода положительных ионов от нити к катоду. Электроны, пришедшие на нить, начинают заряжать емкость С (снижают потенциал нити) по мере отхода положительных ионов от нити. Полное освобождение заряда лавины наступает к моменту нейтрализации положительных ионов на катоде. Одновременно с этим происходит разрядка емкости С через сопротивление R. Амплитуда импульса тем больше, чем меньше С и чем больше R. Чем больше R, тем меньший заряд стечет с емкости за время прохождения положительных ионов от нити к катоду. Но чем больше R, тем больше время восстановления нормального потенциала нити (т. к. больше КС), тем больше продолжительность импульса. Оптимальное значение сопротивления R ≈ 106-107 ом. При меньшем R будет мала амплитуда, а при большем – слишком большая длительность импульса.

3.3.4. Применение пропорциональных счетчиков

1) Для регистрации α -частиц. α -частицы обладают большой ионизирующей способностью, поэтому величина импульса будет большой и импульс от α -частицы будет намного превышать импульсы от других частиц (протоны, электроны). Для регистрации α -частиц применяют торцовые счетчики типа САТ-4, САТ-5, САТ-3, САТ-2, САТ-8, наполненные аргоном в смеси с углеводородом. В установке «Протока» 4П - пропорциональный счетчик работает в проточном режиме, т. е. во время измерений через счетчик проходит поток метана или пропана из баллона.

Установка «Протока» позволяет различать β -излучение, протонное излучение и α -излучение, т. к. ее блок вторичной электронной аппаратуры (пересчетный прибор ПП-9) имеет 110 уровней дискриминации.

2) Регистрация быстрых нейтронов – основана на использовании ядер отдачи (протонов отдачи). Для этого слой водородсодержащего вещества (парафин, тристеаретовый глицерин) наносят на платиновую или золотую фольгу путем испарения в вакууме и помещают внутрь счетчика. Такой счетчик не имеет отчетливого плато, т. к. величина энергии, сообщаемая протонам отдачи, будет различна (она зависит от угла встречи). Эффективность подобных счетчиков мала.

3) Регистрация медленных нейтронов – основана на ядерной реакции

.

Ядра Li 7 и Не // производят первичную ионизацию (80000 пар ионов). Так как их энергия постоянна, то счетчик имеет хорошее плато, величина импульсов большая, они легко отличаются от других импульсов. Выполняются они в двух вариантах. В счетчике СНМ-9 катод площадью 43 см3 покрыт слоем аморфного бора (принципиально можно применять любые соединения бора, пир. буру). Длина плато – 400 вольт, наклон 10% на 100 вольт, фон 1 имп/мин, срок сл. 500 часов.

Счетчики СНМ-3, СНМ-4, СНМ-5, СНМ-7, СНМ-8 наполнены боросодержащим газом – BF 3 , обогащенным по легкому изотопу. Например, СНМ-8 наполнен BF 3 , обогащенным до 85% В10 . Длина его плато – 150 в, наклон – 5% на 100 в, фон – 5 имп/мин.

Эффективность борных счетчиков для тепловых нейтронов достигает 5%. С помощью таких счетчиков можно производить относительные измерения потоков быстрых нейтронов, предварительно замедлив нейтроны в толстом слое парафина. Но в этом случае перед парафином необходимо поместить слой кадмия для поглощения медленных нейтронов, имеющихся в первичном пучке.

Пропорциональные счетчики можно применять и для регистрации тяжелых ядер. Например, можно внутренние стенки счетчика покрыть тонким слоем урана. В таком счетчике мы можем наблюдать импульсы осколков деления ядер, которые по своей величине значительно превышают импульсы –α- частиц.

Лекция 11

2.4. Счетчики с самостоятельным разрядом

Счетчики с самостоятельным разрядом в зависимости от рода наполняющего газа и от внешних параметров делятся на две группы:

а) несамогасящиеся (или «медленные») счетчики;

б) самогасящиеся (или «быстрые») счетчики.

Эти счетчики отличаются друг от друга механизмом распространения разряда, механизмом гашения разряда, продолжительностью разряда.

Общая же особенность их – использование самостоятельного разряда , амплитуда которого не зависит от начальной ионизации (т. е. от числа первичных электронов, образованных регистрируемой частицей). Работают эти счетчики в области Гейгера.

2.4.1. Рабочая характеристика счетчика

Свойства счетчика как измерительного прибора определяются его счетной, или рабочей, характеристикой, которая представляет собой зависимость числа регистрируемых в счетчике разрядов (за единицу времени) от величины приложенного к нему напряжения.

Разность потенциалов, при которой впервые возникают импульсы, называется начальным потенциалом работы или потенциалом «зажигания» (UZ). При увеличении напряжения число регистрируемых импульсов возрастает сначала быстро, затем медленнее, а от UA до Uв остается примерно постоянным. В зависимости от величины перенапряжения (Ucч – Uz) рабочая характеристика может быть разделена на 3 части. Если напряжение меньше UA, то не все частицы, регистрируются прибором. Коэффициент усиления здесь еще не настолько велик, чтобы вторичная схема регистрировала все импульсы, здесь еще область ограниченной пропорциональности и регистрируются те частицы, которые образуют значительное число первоначальных ионов. Начиная с UA, счетчик регистрирует все частицы, которые образуют в объеме счетчика хотя бы одну пару ионов, т. е. здесь мы имеем уже гейгеровскую область, область самостоятельного разряда, коэффициент газового усиления велик (~106). Этот участок, простирающийся до UB, носит название плато счетчика. Оно может быть не строго параллельным оси абсцисс, а наклонено под некоторым углом, величина которого зависит от конструкции счетчика, параметров схемы, свойств катода, давления газа и т. п. У хороших счетчиков наклон плато – не более 5–7 % на 100 вольт.

При повышении напряжения выше UB число разрядов начинает резко возрастать. Это происходит не за счет увеличения чувствительности, а в силу появления самопроизвольных разрядов. Работать в этой области невозможно, т. к. число самопроизвольных разрядов зависит от интенсивности облучения, времени и других факторов.

Разряды, происходящие в счетчике, работающем в области плато без облучения, называются темповыми разрядами, или фоном. Величина фона определяется космическим излучением, радиоактивными загрязнениями воздуха, стенок счетчика, а также радиоактивностью земли. В среднем, на 1 см2 поверхности счетчика фон составляет 1–2 импульса в минуту. Для уменьшения фона счетчики помещаются в свинцовые домики. В установке УМФ внутренние стенки свинцового домика выкладываются счетчиками, соединенными между собой параллельно. Схема антисовпадений отбрасывает разряды, происшедшие одновременно в центральном счетчике и в защитном блоке счетчиков.

Некоторые типы счетчиков (БФЛ) изготавливаются из специального бескалиевого стекла, чтобы уменьшить фон от радиоактивного изотопа К40.

3.4.2 Рабочий объем счетчика

Цилиндрический металлический счетчик имеет рабочий объем, почти равный полному объему, охватываемому цилиндрическим катодом.

Зависимость чувствительности от места попадания ионизирующей частицы представлена на рисунке

У металлического счетчика наблюдается небольшое падение чувствительности на краях, которое связано с искажением электрического поля изолирующими пробками.

Если нить укреплена в точках, достаточно удаленных от краев катода (как у стеклянных счетчиков), то рабочий объем может быть несколько больше объема, охватываемого катодом. При увеличении напряжения рабочий объем будет немного возрастать, что и объясняет некоторый наклон плато счетчика.

3.4.2. Чувствительность счетчика

Широкое распространение, которое получили счетчики, обусловлено их большой чувствительностью. Если с помощью ионизационных камер мы можем измерять интенсивность излучения, вызывающего токи 10-14 – 10-15 А, то счетчик дает возможность измерять токи порядка 10-20А. Такому току соответствует появление в счетчике всего нескольких электронов в минуту (Естественно, что колебания фона должны быть меньше измеряемой величины).

В некоторых случаях (при применении специальных схем совпадений) с помощью счетчиков можно обнаружить прохождение одного быстрого электрона одновременно через три счетчика даже тогда, когда это событие происходит реже, чем через час. Поскольку самостоятельный разряд возникает в счетчике в том случае, если в объеме счетчика появится хотя бы один электрон, то с помощью этих счетчиков можно зарегистрировать отдельные g -кванты, что невозможно

3.5. Несамогасящиеся счетчики

3.5.1. Механизм разряда

Несамогасящиеся счетчики заполнены аргоном или гелием с небольшой добавкой водорода – 1 – 2 %. до дав­ления, равного примерно "/з нормального. До появле-ния ионизирующей частицы счетчик пред-ставляет собой емкость, заря-женную до потенциала высоковольт-ного выпрямителя (источника питания).

После прохождения через объем счетчика заряженной частицы электроны и ионы устремляются к соответствующим электродам. Нить счетчика всегда заряжена положительно. Вблизи нити электроны попадают в поле большой напряженности. Возникает электронно-фотонная лавина. Фотоны практически не поглощаются в газе и попадают на катод. Вследствие внешнего фотоэффекта на катоде в объем счетчика попадают электроны, которые под действием электри­ческого поля устремляются к нити, также образуя электронно-фотонные лавины.

Этот процесс повторяется многократно, в результате чего раз­ряд захватывает счетчик по всей длине. Подвижность электронов на три порядка больше подвижности ионов, поэтому электроны собираются к нити за время, в течение которого ионы практиче­ски не успевают сдвинуться с места своего образования. Вблизи нити образуется положительный пространственный заряд. Этот заряд уменьшает электрическое поле вблизи нити, что приводит к затуханию электронно-фотонных лавин. На этом электронные процессы в счетчике не заканчи­ваются, так как положительные ионы, подходя к катоду, выры­вают с его поверхности электроны, которые под действием элек­трического поля устремляются к нити.

На катоде: Ar + é ® Ar* E* = 15,7 – 4,5 = 11,2 эв,

где 15,7 – энергия ионизации аргона; 4,5 – работа выхода электрона из меди. Если энергия возбуждения превышает в 2 раза работу выхода электронов, то возможно вырывание вторичного электрона.

Дальнейшее зависит от того, восстановится или нет потенциал нити до прежнего значе­ния к моменту подхода к ней электронов. Если потенциал нити примет значение, при котором возможна ударная ионизация, то электроны вызовут электронно-фотонные лавины, и все процессы в счетчике будут повторяться. В счетчике возникнет разряд, со­стоящий из отдельных импульсов, следующих один за другим. Каждый такой импульс начинается с электронно-фотонной лави­ны. Разряд в счетчике будет продолжаться до тех пор, пока будет восста­навливаться необходимое для этого напряжение. Если к моменту подхода положительных ионов к катоду потенциал нити станет меньше потенциала, при котором возможно образование электрон­но-фотонных лавин, то разряд в счетчике прекратится. Чтобы это произошло, можно либо воспользоваться схемой гашения, умень­шающей разность потенциалов между электродами счетчика после первой стадии разряда, либо включить резистор с большим со­противлением в цепь счетчика, который будет препятствовать быстрому восстановлению потенциала нити до первоначального значения (постоянная времени RC должна быть больше времени дрейфа положительных ионов от нити к катоду, т. е. по порядку величины 10-3–сек).

3.5.2. Форма и длительность импульса

Емкость С целесообразно сделать по возможности меньше. Для емкости около 10 пф и времени движения ионов около 10-4 сек получим, что сопротивление должно быть больше или поряд­ка 108 ом. Это означает, что время разрядки емкости более 10-3 сек.

Достоинством данных счетчиков является возможность гашения разряда.

Недостатком – наличие большого мертвого времени (Мертвое время это время от начала регистрации частицы до того времени, когда счетчик будет регистрировать новую частицу).

Лекция 12

3.6. Самогасящиеся счетчики

Самогасящиеся счетчики, кроме одноатомного газа, напол­няются некоторым количеством паров одного из многоатомных органических соединений (этиловый спирт, этилен, изопентан и др.). Потенциал ионизации многоатомного газа должен быть ниже, чем потенциал ионизации основного газа. Такой состав наполнителя счетчика обусловливает автоматическое гашение разряда без какого-либо внешнего вмешательства.

Как происходит развитие разряда и его гашение в самогасящемся счетчике?

Начальная фаза развития разряда та же, что ив несамогасящемся счетчике. Ионизирующая частица образует в счетчике положительные ионы и электроны. Последние двигаясь к нити дадут начало электронной лавине. Но фотонный механизм разряда в данном счетчике отсутствует. Ультрафиолетовое излучение возбужденных атомов аргона полностью поглощается молекулами гасящей добавки уже на расстоянии 1-2 мм от нити. Разряд распространяется вдоль нити, переходя от точки к точке так как фотоны производят ионизацию только в непосредственной близости от места своего возникновения. Скорость распространения разряда (скорость движения «чехла» ионов вдоль нити) составляет ~106 см/сек. Поглощая фотон многоатомная молекула гасителя возбуждается, энергия возбуждения расходуется на диссоциацию гасителя.

После того, как вся нить будет окружена чехлом ионов, корона гаснет. Положительные ионы начинают отходить от нити, потенциал нити падает. Одновременно с этим начинается восстановление потенциала нити от выпрямителя через сопротивление R. Поскольку R мало напряженность электрического поля у нити достаточная для ударной ионизации будет достигнута раньше, чем положительные ионы дойдут до катода.

Наибольшее распространение получили самогасящиеся счет­чики, наполненные смесью из аргона (потенциал ионизации 15,7 в) при давлении 87 мм рт. ст. и паров этилового спирта (потенциал ионизации 11,3 в). В таком счетчике прекращение возникшего разряда под действием вторичных электронов, вы­битых с катода счетчика, достигается за счет диссоциации многоатомных молекул спирта, которые поглощают кванты излучения как от возбуждения атомов аргона, препятствуя тем самым возникновению фотоэффекта на катоде, так и от ней­трализации положительных ионов аргона на катоде счетчика.

Ar+ + C2H5OH ® C2H5+ + OH- + Ar + hv (15,7 – 11,3 = 4,4 эв)

Практически только ионы спирта достигают катода счет­чика. Это объясняется тем, что ионы аргона в результате столк­новений с молекулами спирта нейтрализуются, так как ион аргона имеет больший потенциал ионизации, чем молекула спирта. Образовавшиеся возбужденные атомы аргона возвра­щаются в основное состояние с испусканием фотонов, которые, в свою очередь, поглощаются молекулами спирта. Положитель­ные ионы спирта, подойдя к катоду на достаточно малое рас­стояние (10-7 см ), вырывают из него при нейтрализации элек­троны и превращаются в возбужденные молекулы.

При разрядке иона C2H5+ молекула этилового спирта будет иметь энергию, равную 11,3 – 4,5 = 7,8 эв

Известно, что возбужденный атом (или молекула) может вырвать вторичный электрон в том случае, если его энергия возбуждения почти вдвое превышает работу выхода электрона. Но для этого возбужденная молекула должна подойти к катоду на расстояние менее 2×10-8см, для чего ей потребуется ³ 10-12 сек.

Время жизни возбужденной молекулы спирта до диссоциации составляет примерно 10-13 сек, что значительно меньше времени излучения, которое составляет 10-8 сек и времени подхода к катоду от места нейтрализации. Таким образом разряд в самогасящемся счетчике с добавкой многоатомных молекул носит одно лавинный характер.

3.6.1. Форма и длительность импульса

Рассмотрим изменение величины импульса в за­висимости от времени его возникновения после предыдущего импульса (сплошная кривая) и

Рис. 3.12 Изменение величины импульса в зависимости от времени его возникновения от предыдущего импульса.

возникновение последующих импульсов (пунктирные кривые); Тм - мертвое время, в течение которого счетчик не способен зарегистрировать вновь поступив­шие частицы. Мертвое время наступает после возникновения лавины в счетчике. За это время электроны собираются на аноде , а положительные ионы движутся от анода к катоду. Самогасящиеся счетчики имеют мертвое время порядка 10-4 сек, т. е меньше, чем несамогасящиеся 10-2 сек), поэтому их иногда называют быстрыми счетчиками; Тв - время восстановления. Это интервал времени от конца мертвого времени до момента полного восстановления разности потенциалов на электродах счетчика (до момента, когда положительные ионы достигнут катода). Если частица попадет в счетчик во время восстанов­ления, то образующийся при этом импульс (пунктирные кри­вые) будет иметь амплитуду меньше номинального значения, и зарегистрирован не будет. Время восстановления самогасяще­гося счетчика около 10-4 сек. Длительность импульса t опре­деляется суммой мертвого времени и времени восстановления.

3.6.2. Время жизни самогасящихся счетчиков

Время жизни самогасящихся счетчиков определяется числом молекул спирта, наполняющих объем счетчика. Обычно счетчик содержит около 1020 молекул спирта. При каждом импульсе диссоциируют 1010 молекул. Следовательно, продолжительность жизни счетчика составляет около 1010 отсчетов. Опыт показал, что устойчивое гашение получается приблизительно после 108 разрядов т. к. для эффекта гашения необходима определенная концентрация гасителя. В результате регистрации импульсов концентрация гасителей уменьшается, но с другой стороны часть радикалов, на которые распадается исходный гаситель, обладают гасящим действием. Экспериментально показано, что в результате распада исходного гасителя этилового спирта в счетчике образуются более легкие молекулы и радикалы типа:

CH2OH ; - НCО; C2H4; C2H2 ; OH - и т. д.

Большинство из них, содержащих три и более атомов, сами являются гасителями.

Однако в результате регистрации ионизирующих частиц постепенно концентрация гасителей уменьшается.

Рабочая характеристика счетчика изменяется: повышается начальный потенциал счета, плато сокращается, увеличивается наклон плато и наступает момент, когда гасящий эффект исчезает, счетчик выходит из строя. Итак срок службы самогасящегося счетчика измеряется не временем работы, а количеством зарегистрированных импульсов.

3.6.3. Галогенные счетчики

Для измерения b - и g - излучений широкое распространение получили гейгеровские счетчики с наполнением гасящей смесью из инертных газов-неона с примесью аргона и одного из галогенов-хлора или брома (до 0,5%), потенциалы ионизации которых (13,2 и 12,8 в) ниже потенциалов ионизации неона (21,5 в) и аргона (15, в ).

Объяснить гасящее действие галогенов, очевидно, можно следующим образом. Под действием ионизирующих частиц, поступающих в счетчик, атомы неона находятся в возбужден­ном состоянии. При переходе атомов неона в основное состоя­ние энергия, излучаемая ими, затрачивается больше на иониза­цию галогена и меньше на ионизацию аргона. Положительные ионы аргона нейтрализуются, приобретая электроны, при столк­новении с ионами и молекулами галогена. Небольшое рабочее напряжение (300–400 В) на электродах счетчика приводит к уменьшению вероятности вырывания электронов (являющихся источниками новых лавин ионов) из катода при подходе к нему положительных ионов. При рекомбинации на катоде молекулы галогенов диссоциируют на атомы, которые через некоторое время вновь образуют молекулы.

В результате всех процессов состав смеси не изменяется, и галогенные счетчики обладают неограниченным сроком служ­бы. Кроме того, такие счетчики имеют небольшое рабочее напряжение – 300 – 400 В (для обычных счетчиков необходимое напряжение составляет 700–1600 В), не боятся перегрузок, имеют сравнительно высокую скорость счета (до 2×103 имп/сек). К недостаткам галогенных счетчиков следует отнести значи­тельный наклон плато (более 5 % на 100 В) и длительное время развития разряда (примерно на два порядка выше, чем у высо­ковольтных счетчиков). Из-за химического действия галогенов для изготовления счетчиков применяются определенные мате­риалы. Катод изготовляется из нержавеющей стали, тантала или углерода, а анод – из вольфрама.

Конструктивное оформление счетчика зависит от рода и энергии регистрируемых частиц. Счетчики, предназначенные для счета b - и длинноволнового g -излучения, имеют стенку из легкого материала во избежание полного поглощения излучения в самой стенке счетчика. Для высокоэнергетического излучения применяются более толстые стенки.

Лекция 14

3.7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

3.7.1. Принцип действия полупроводникового детектора

Бурное развитие в последние годы полупроводниковых детек­торов связано, во-первых, с большим чувствительным объемом (в несколько десятков и даже сотни см3) полупроводниковых детек­торов и, во-вторых, с их очень высокой разрешающей способ­ностью (десятые доли процента) при сохранении достаточной эффективности. Полупроводниковые детекторы применяются для регистрации и спектрометрии заряженных частиц, нейтронов и g - квантов.

В первом приближении полупроводниковый детектор можно рас­сматривать как иониза-ционную камеру с твердым диэлектриком между электродами (Это тип полупровод-никовых детекторов, рабо­тающие в режиме сбора заряда без усиления, т. е. являющиеся аналогом им­пульсной ионизационной камеры. Существуют полупроводниковые детекторы с внутренним усилением (аналоги пропорционального и газоразрядного счет­чиков), но они пока не нашли сколько-нибудь широкого применения.). Часто вместо термина твердотельная камера используют термин счетчик. Так же как и в газонаполненной ионизационной камере при поглощении ионизирующего излучения, в твердотельной камере образуются носители заряда, которые под действием внешнего электрического поля собираются на электродах. Возникающие при этом импульсы тока или напряжения используют­ся для регистрации излучений. Число образовавшихся пар носите­лей заряда практически зависит только от энергии, потерянной ионизирующей частицей, и не зависит от ее характеристик (заряда, скорости и т. д.). Это обеспечивает линейную зависимость между амплитудой импульса и энергией, потерянной в чувствительном объеме детектора для всех видов частиц (также как в иони­зационной камере).

Схема включе­ния такой камеры приведена на рис. 3.13. Предположим, что камера представляет собой однородный брусок полупроводника и что электрическое поле постоянно во всем его объеме, т. е. камера имеет идеальные электро­ды, которые нигде не искажают распределение заряда в полупровод­нике и не изменяют концентрацию носителей заряда. Прохождение заряженной частицы вызывает в диэлектрике образование разноименных носи­телей зарядов (электронов и дырок). Внешнее напряжение U со­здает внутри кристалла электрическое поле. Электроны и дырки (носители заряда в полупроводнике) движутся под действием этого поля к электродам. По мере того, как носители смещаются, они индуцируют на электродах заряд, про­порциональный пройденной ими разности потенциалов.

Лучше всего удовлет­воряют совокупно всем требованиям для наполнителя твердых камер полупроводниковые материалы, к которым относятся – кристаллические кремний и гер­маний, арсенид галлия, арсенид мышьяка, фосфид индия и др.

Преимущества полупроводниковых детекторов перед газонаполненными:

1. В чувствительном объеме этих камер содержится гораздо большая масса вещества, чем в га­зовом промежутке. Следовательно, в твердотельной камере полно­стью укладываются пробеги ионизирующих частиц с гораздо боль­шей энергией, чем в газонаполненной. При регистрации g -квантов эффективность твердотельных камер также существенно выше. Весьма важно для g -спектроскопии то, что g -кванты, попадающие в детектор, выбивают электроны преимущественно не из электродов, как это имеет место в газонаполненных ионизационных камерах, а образуют их в чувствительном объеме камеры. В то же время при необходимости можно сде­лать твердотельную камеру с очень малым промежутком между электродами. В таком детекторе поглощается лишь небольшая доля энергии падающих частиц, что позволяет применять его для измерения удельных потерь энергии.

2. Твердотельные камеры имеют существенно лучшее энер­гетическое и временное разрешение, что связано с иными, чем в газонаполненной камере, процес­сами образования и движения носителей зарядов (и это еще более важно).

3. Полупроводниковые детекторы характеризуются малым значением средней энергии, расходуемой заряженной частицей для создания одной пары носителей заряда, следовательно, чем меньше значение средней энергии, тем больше носителей возникает в чувствительном объеме, тем больше сигнал, снимаемый с камеры, и тем меньше относительная флуктуация этого сигнала, которая определяет предел энергетического разрешения камеры. У полупроводниковых детекторов w - средняя энергия образова­ния пары носителей - на порядок меньше, чем у газовых иониза­ционных камер, и на два порядка меньше, чем у сцинтилляционных счетчиков. На образование одной пары носителей независимо от вида излучения и его энергии в кремниевых детекторах w = (3,5±0,7) эв, а в германиевых - w = (2,94±0,15) эв. Обычно w составляет » 3DЕз, где DЕз - ширина запрещенной зоны.

4. Отсутствие рекомбинации и захвата носителей.

5. Большой и близкой по величине подвижностью носителей обоих знаков;

6. Большим удельным электрическим сопротивлением.

Основные недостатки полупроводниковых детекторов:

1. Сложность изготовления. Создание таких детекторов стало возможным в результате развития высокотехнологичных процессов получения особочистых веществ.

2. Многие детекторы, в частности германиевые, должны работать и хранится при низкой температуре, обычно при температуре жидкого азота .

3. Большая чувствительность к радиационным повреждениям. При работе детекторов с ионизирующим облучением, кроме полезного процесса: создания электронно-дырочных пар, проявляется много других побочных эффектов, ухудшающих свойства детектора, а при больших дозах облучения делают его непригодным к работе.

3.7.2. Основные типы полупроводниковых детекторов

В зависимости от параметров и технологии изготовления полупроводниковые электронно-дырочные детекторы делятся на поверхностно-барьерные Au–Si и диффузионные с (р–п) и (п–р) - переходами соответственно и диффузионно-дрейфовые (р- i -п) - типа.

Поверхностно-барьерные детекторы. р–п переход в детекторах этого типа образуется окислением протравленной поверхности ос­новного материала кислородом воздуха. На образованный таким спо­собом поверхностный р -слой напыляют тонкий слой металла, как правило золота, служащий электродом.

Толщина чувствительной к излучению области в поверхностно-барьерных детекторах не превышает (2–5) 10-2 см . Нерабочий (мертвый) слой золотой пленки на поверхности очень тонок, около 3×10-6 см . В таких детекторах толщину чувствительной области можно варьировать, изменяя напряжение смещения, что позволяет легко проводить дискриминацию заряженных частиц по пробегам и плотности ионизации.

Поверхностно-барьерные детекторы изготавливаются из кремния и могут работать при комнатной температуре без специального ох­лаждения. Используют их в основном для регистрации и спектромет­рии заряженных частиц с небольшим пробегом: осколков деле­ния, a-частиц и протонов небольших энергий.

Поверхностно-барьерные детекторы из-за малой толщины чув­ствительной области имеют большую емкость и, следовательно, не­высокое энергетическое разрешение, поскольку энергетический эк­вивалент в основном емкостного шума составляет десятки кило-электронвольт.

Схема включе­ния золото-кремниевого детектора представлена на рис. 3.14.

Поверхностно-барьерные кремниевые счетчики применяют также для регистрации быстрых и медленных нейтронов. Такой счетчик (Рис.3.15.) состоит, из кремниевого диска 1 с нанесен­ными на него двумя полукруговыми дисками золота 2, к ко­торым прикреплены контакты 3. Таким образом, две половинки представляют собой два счетчика, которые должны давать одинаковые показания при снятии фона. На одну из полови­нок наносится слой полиэтиленовой пленки 4, служащей источ­ником протонов отдачи при облучении счетчика быстрыми нейтронами. При включении такого счетчика по дифференци­альной схеме можно определить число протонов отдачи.

Для регистрации тепловых нейтронов в счетчике использу­ется ядерная реакция Li6(n, a ) H3. Этот счетчик состоит из двух разделенных кремниевых детекторов. На внутреннюю поверх­ность одного из них нанесен тонкий слой золота, а на другой –Li6F (Рис. 3.16). Нейтроны регистрируются по схеме совпадения протонов с тритием. Импульсы от двух счет­чиков суммируются, а суммарный импульс после усиления по­дается на многоканальный анализатор. Эффективность такого счетчика мала, так как она в значительной степени зависит от сечения реакции и толщины слоя Li6F.

Детекторы с р - i - n - переходом. Свойства лития, внедренного в германий или кремний, таковы, что позволяют создавать достаточ­но большие области (толщиной большей 1 см ) почти полной компен­сации, а значит и области с проводимостью, близкой к собственной. Это связано как с исключительно высокой подвижностью ионов ли­тия в четырехвалентных кристаллах, так и с низкой энергией его ионизации (0,033 эв в Si и 0,0043 эв в Ge). Например, подвижность, а следовательно, и коэффициент диффузии лития в Германии в 107 раз больше, чем у обычных доноров, так как благодаря своему малому радиусу ион лития может находиться не в узлах решетки, а в междоузлиях.

Компенсация акцепторных атомов в р -материале с помощью дрей­фа лития производится следующим образом. Сначала литий напы­ляется на р -материал, затем температура поднимается примерно до 400° С и литий диффундирует внутрь образца. Диффузия продол­жается несколько минут, и литий диффундирует на глубину пример­но 0,01 см . После этого к р–i–n -переходу прикладывается обратное смещение и ионы лития, которые несут положительный заряд, на­чинают двигаться от п -стороны перехода к р -стороне, где они ком­пенсируют акцепторные атомы р -материала.

Кремниевые детекторы с р- i -n -переходом, толщина чувстви­тельной области в которых достигает 0,5-1 см, нашли применение для регистрации тяжелых заряженных частиц средних энергий и электронов, пробег которых не укладывается в чувствительном слое поверхностно-барьерных и диффузионных детекторов. Их основное достоинство-возможность работы без охлаждения. Энергетический эквивалент шума таких детекторов составляет несколько десятков килоэлектронвольт.

Германиевые детекторы с р- i - n -переходом получили очень широкое распространение в g -спектрометрии из-за высокой разре­шающей способности и эффективности. Эффективность и форма ли­нии такого гамма-детектора более явно зависит от объема чувстви­тельной области, чем от ее ширины, поэтому дрейфовые германиевые детекторы принято характеризовать объемом чувствительной области. Плоские, или как их еще называют планарные, детекторы имеют объем до 10–15 см3. Детекторы коаксиального типа, при из­готовлении которых дрейф лития ведется от поверхности цилинд­рического образца к его оси, могут иметь объем до 100 см3.

Германиевые детекторы с р- i – n - переходом должны работать и храниться при низкой температуре, обычно при температуре жидко­го азота. Работать с ними при комнатной температуре нельзя из-за большого темнового тока, а хранить при низкой температуре необ­ходимо, чтобы предотвратить необратимый процесс выхода лития из объема детектора. Выход лития на поверхность является следствием того, что в процессе дрейфа при высокой температуре в монокристалл Германия внедрено лития больше, чем должно быть в равновесном растворе лития в германии, и при комнатной температуре скорость выпадения лития из раствора недопустимо велика.

Работа при низкой температуре в условиях малых темновых то­ков и малая емкость перехода обусловливает рекордно высокое энер­гетическое разрешение германиевых детекторов с р - i - п -переходом.

Радиационные германиевые детекторы. В детекторах этого типа чувствительная область создается в результате компенсации доноров в исходном n -Германии акцепторными уровнями радиационных де­фектов, возникающих в нем под действием g -излучения. Эти дефекты стабильны при комнатных температурах. Отсюда вытекает главное преимущество таких детекторов перед дрейфовыми: их можно хра­нить при комнатной температуре. Энергетическое разрешение ра­диационных германиевых детекторов хуже, чем дрейфовых (соб­ственный шум приблизительно в 2 раза выше), меньше и толщина чувствительной области, достигающая в лучшем случае 0,2-0,3 см.

3.7.3. Спектрометрия излучений

Необходимым условием для применения детекторов для изме­рения энергии частицы является условие, чтобы пробег частицы полностью укладывался в объеме детектора. Полупроводниковые детекторы имеют сравнительно небольшие размеры. Поэтому об­ласть применения ограничена средними и низкими энергиями. Особенно существенное преимущество полупроводниковые детек­торы имеют при регистрации рентгеновского и g -излучения.

Для измерения короткопробежных частиц (a-частиц, осколков деления ядра, тяжелых ионов) применяют детекторы с р–п переходами. Для спектрометрии рентгеновского и g -излучения при меняют детекторы с р– i – n - структурой, имеющей значительно больший рабочий объем.

Рис. 3.17. Спектры у-излучения, измеренные с помощью германиево-литиевого полупроводникового детектора (---) и сцинтилляционного детектора с кри­сталлом Csl (Na) ()

Энергетическое разрешение полупро­водниковых детекторов в области средних энергий (порядка со­тен килоэлектрон-вольт) превосходит энергетическое разрешение других детекторов (рис.3.17). По эффективности регистрации рентгеновского и g -излучения они превосходят газовые на не­сколько порядков (при одном и том же рабочем объеме).

Лекция 15

4. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

4.1.Сцинтилляционные детекторы ионизирующих излучений

Сцинтилляционный метод регистрации частиц – один из наиболее старых и простых методов.

Сцинтилляторами называют вещества, способные под действием заряженных частиц и электромагнитного излучения испускать фотоны в видимой или ультрафиолетовой части спектра.

В простейшей форме данный метод был осуществлен в спинтарископе Крукса (Рис.4.1).

На острие иголочки (2) помещается источник a-частиц – ничтожное количество Ra. В нижнем конце трубки находится экран (1) из сульфида цинка (ZnS). При ударе a-частицы об экран возникает вспышка сцинтилляции, которую исследователь наблюдает через объектив (3). Этот метод с успехом применялся на раннем этапе развития ядерной физики, с его помощью были открыты и изучены процессы преобразования ядер под действием a-частиц.

Поскольку число сцинтилляций подсчитывалось визуально, то результат будет сильно зависеть от субъективных факторов: тренированности исследователя, утомления и т. п. Естественно, исследовать с помощью такого прибора можно только источники с малой интенсивностью. По мере разработки ионизационных счетчиков визуальный метод счета сцинтилляций был вытеснен.

Широкое распространение метод сцинтилляций получил после создания фотоэлектронных умножителей (ФЭУ в 1948–49 г. г.) – приборов способных регистрировать слабые вспышки света. Это придало методу объективный характер. Современный сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора и ФЭУ.

Решающим для успеха этого метода оказалось применение сцинтилляторов из органических веществ (нафталина, антрацена и др.) и из галогенидов щелочных металлов Благоприятной особенностью этих веществ является то, что они прозрачны для своей флуоресценции (люминесценции), возбужденной быстрой частицей на своем пути внутри экрана. В сцинтилляторе вспышки света появляются не только под воздействием заряженных частиц, но и под действием g-квантов и нейтронов, так как g-кванты, взаимодействуя с атомами создают при рассеянии электроны отдачи, а нейтроны, взаимодействуя с ядрами, создают ядра отдачи или заряженные частицы в результате (n, a)-, (n, p)-реакций и т. д. Это позволило применить этот метод не только для регистрации a-излучения, но и для b - g-излучений, нейтронного излучения.

В качестве сцинтилляторов для a-излучения применяются тонкие пленки (7 – 9 мг/см2) сульфида цинка, активированного серебром, медью.

Для регистрации b-излучения применяются активированные монокристаллы щелочно-галоидных солей NaI, CsI, LiI, вольфраматы Са или Cd, а также органические кристаллы, толщина которых порядка 1 мм.

Для регистрации g-излучения можно применить те же кристаллы, что и для регистрации b-излучения, только толщиной несколько см.

Основной характеристикой сцинтиллятора является конверсионная эффективность – это отношение энергии световой вспышки к энергии, поглощенной в сцинтилляторе.

Если в сцинтилляторе поглощается энергия W , то число испускаемых фотонов (n ) со средней энергией (hv ср ), равна

n = W ∙ k / h ∙ n ср (4.1),

где k – коэффициент, характеризующий конверсионную эффективностьсцинтиллятора.

Конверсионная эффективность – этоэффективность преобразования в сцинтилляторе энергии ионизирующего излучения в световую энергию вспышки люминесценции.

Обычно спектр фотонов сцинтиллятора лежит в видимой части спектра, поэтому hv ср » 3 эв . Значения k для разных сцинтилляторов различны, но не превышают 0,3.

Физическая эффективность – отношение энергии фотонов к поглощенной энергии, или доля поглощенной энергии, которая фактически превращается в световую энергию фотонов.

Техническая эффективность – отношение энергии фотонов, вышедших из сцинтиллятора к поглощенной энергии – доля энергии, соответствующая испускаемому (т. е. вышедшему из сцинтиллятора) свету люминесценции.

Сцинтилляторы (люминофоры) с высокой физической эффективностью, но мало прозрачные для собственного излучения обладают малой технической эффективностью. Особенно жесткие требования к прозрачности предъявляются к сцинтилляторам, используемым в сцинтилляционных спектрометрах. Для сцинтилляторов, используемых в спектрометрах, важно, чтобы конверсионная эффективность не зависела от энергии излучения. Спектр люминесценции должен соответствовать области наибольшей спектральной чувствительности ФЭУ. (для сурьмяно-цезиевых фотокатодов 3800–7000Å).

В органических кристаллах при регистрации частиц с высокой удельной ионизацией (a-частицами) наблюдается уменьшение k. Так в антрацене при поглощении b - частицы с энергией 5 Мэв образуется в 10 раз больше фотонов чем при поглощении a-частицы с той же энергией

Основные характеристики некоторых сцинтилляторов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Основные характеристики некоторых сцинтилляторов

Материал	Тип излучения	Световой выход по отношению к антрацену (по b-излучению)	Конверсионная эффективность, k, % %	Время высвечивания (время уменьшения яркости вспышки в е раз), сек
Нафталин Антрацен Транс-стильбен
Полистирол

Схема сцинтилляционного датчика с ФЭУ представлена на рис.4.2.

Детектор работает следующим образом: Быстрая частица, попадая в сцинтиллятор, возбуждает его атомы, в результате чего получается вспышка сцинтилляции. Получаемые в сцинтилляторе фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают там электроны. Эти электроны попадают в ускоряющее электрическое поле внутри ФЭУ. Ускоренный электрон, попадая на первый динод, в результате вторичной эмиссии выбивает из него уже несколько электронов. Полученные электроны снова ускоряются и попадают на второй динод, где происходит то же самое, и т. д.

Общий коэффициент усиления

К = Ln (4.2),

где L – коэффициент вторичной эмиссии (размножения на 1 ступени) (при напряжении 100–120 вольт на каскад L = 3–4), n – число каскадов усиления.

Рис.4.2 Схема сцинтилляционного детектора с ФЭУ.

Используемые в сцинтилляторных датчиках ФЭУ имеют 9–13 динодов и обеспечивают K =105–1010. Поскольку в ФЭУ обеспечивается большое усиление, то импульс напряжения с нагрузочного сопротивления подается на мультивибратор, где усиливается, формируется и меняет полярность, а импульс с анодной цепи мультивибратора подается непосредственно в пересчетную схему. Формирующий каскад в старых схемах выполнялся на лампах, в новых – на транзисторах, микросхемах.

Рабочая характеристика a-счетчика имеет плато протяженностью 100-300 вольт, а при регистрации b - и g-излучений плато отсутствует. (Роль постоянства энергии a-частиц и полное ее поглощение в сцинтилляторе, поэтому одинаковая величина импульсов).

Рабочее напряжение сцинтиляционных b - и g-счетчиков находится по максимуму отношения https://pandia.ru/text/78/242/images/image023_4.gif" alt="Подпись:" align="left" width="324" height="282">определения концентрации радиоактивных элементов на поверхности,

например, в микроскопических минеральных зернах горной породы.

Радиографический препарат должен иметь плоскую поверхность, на которую в темноте накладывается чувствительная поверхность фотопластинки. Время экспозиции зависит от чувствительности эмульсии и от интенсивности излучения. После экспозиции пластинка проявляется и на ней получается отпечаток распределения радиоэлемента. (Если препарат может оказать вредное химическое действие на эмульсию, то между препаратом и пластинкой прокладывается тонкая пленка целлофана)

Контрастная радиография дает возможность исследовать визуально распределение радиоэлемента на значительной поверхности. Для количественного определения фотометрируются различные участки

Газовые счетчики ионизирующего излучения представляют собой детектор и предназначены для регистрации ионизирующего излучения. Для усиления используют газовый разряд. Данный класс детекторов имеет высокую чувствительность, следовательно, они способны детектировать отдельные частицы, возникающие в объеме газонаполненного счетчика. В зависимости от типа газового разряда выделяю следующие газовые счетчики:

Пропорциональные (основаны на явлении несамостоятельного газового разряда);

Счетчики Гейгера-Мюллера (основаны на самостоятельном газовом разряде).

Пропорциональные счетчики

Пропорциональные счетчики относятся к группе газоразрядных детекторов. Такое название было присвоено им потому, что электрический сигнал на выходе счетчика по амплитуде пропорционален энергии, потерянной регистрируемой частицей в рабочем объеме, при условии, что пробег частицы полностью в нем укладывается. С помощью пропорционального счетчика можно измерять энергетические спектры полей ионизирующих излучений. Пропорциональные счетчики конструктивно не отличаются от цилиндрических ионизационных камер, но их газовое наполнение (обычно 90% аргона и 10% метана) и режим работы – различны. Пропорциональный счетчик, в отличие от импульсной ионизационной камеры, работает при более высоком напряжении на электродах, то есть в той области вольтамперной характеристики, в которой вблизи поверхности тонкого анодного электрода возникают условия для начала вторичной ударной ионизации (Вторичная ударная ионизация – процесс, при котором электроны, образовавшиеся в результате первичной ионизации, сами способны производить ионизацию за счет достаточной кинетической энергии). Счетчик часто выполняется в коаксиальной цилиндрической геометрии. Анод изготавливается в виде тонкой металлической нити (0,1 мм), натянутой строго по оси цилиндрического корпуса. Объем счетчика наполняется инертным газом с добавкой многоатомных газов. Давление газа выбирается близким к атмосферному или немного большим. На анод подается положительное напряжение U 0 несколько сотен В относительно катода. В объеме счетчика возникает неоднородное электрическое поле, напряженность которого изменяется по мере приближения к аноду по закону1/r, где r – текущее значение радиуса в объеме счетчика. Изменение напряженности поля приводит к ускорению электронов по направлению к аноду. Вблизи поверхности анода электроны ускоряются до таких энергий, что приобретают способность производить вторичную ударную ионизацию рабочего газа. Процесс размножения ионов при вторичной ионизации ограничен несколькими поколениями, но не развивается в неуправляемую лавину. Разряд прекращается, как только прекращается первичная ионизация. Газовый разряд такого сорта называют несамостоятельным, то есть способным прекратиться без дополнительного на него воздействия. Рассмотрим график зависимости величины импульса от напряжения на газовом детекторе (рис. 1).

1 – Область ионизационной камеры. При малых напряжениях пропорциональный счетчик работает как ионизационная камера, ток не зависит от напряжения, а будет определяться количеством ионов, которые образуются в объеме газа. Затем, при повышении напряжения, импульс будет возрастать за счет явления ударной ионизации;

2 – Пропорциональная область. Пропорциональный счетчик работает таким образом, что амплитуда импульсов пропорциональна ионизации с учетом газового усиления;

3 – Область ограниченной пропорциональности. Область, к которой при дальнейшем повышении напряжения коэффициент газового усиления* возрастает по абсолютной величине и зависит от первоначальной ионизации.

4 – Область Гейгера. В этой области каждый вторичный электрон будет вызывать разряд в газе т. е. в этой области величина импульс уже не зависит от первоначальной ионизации. Работает как счетчик Гейгера-Мюллера.

При дальнейшем повышении напряжения в газе будет наблюдаться повышение разряда, не связанное с ионизацией – самопроизвольный разряд. В этом случае счетчик не может быть использован, так как происходит пробой в газе.

Коэффициент газового усиления

Если число пар ионов, созданных влетевшей в рабочее тело счетчика регистрируемой частицей, равно n, то число пар ионов, рожденных вторичной, ударной ионизацией будет равно K ⋅ n. Величину K называется коэффициентом газового усиления. Можно определить коэффициент газового усиления через число пар ионов, имевшихся в объеме счетчика во время формирования сигнала: К = n/n 0 , где n 0 – число пар ионов, созданных ионизирующей частицей; n – общее число пар ионов.

Эффективность детектирования

Эффективностью детектирования называется выраженное в процентах отношение числа регистрируемых частиц к числу всех частиц, попавших в рабочий объем детектора. Зависит от материала стенок детектора, их толщины и энергии излучения.

Применение пропорциональных счетчиков

Область применения пропорциональных счетчиков достаточно обширна, что определяется их свойствами. Эффективность регистрации ими альфа-частиц, осколков деления, протонов, и мягкого гамма- и рентгеновского излучения (с энергией до 10–20 кэВ) близка к 100 %. Для таких измерений (особенно для измерений заряженных частиц) используют датчики с окнами из тонкой слюды или органических пленок. Иногда источник излучения помещается внутри объёма. Пропорциональные счетчики активно используются для исследования поверхностей на загрязнения, включая системы мониторинга загрязнения поверхности тела, одежды, обуви и так далее. Для регистрации нейтронов пропорциональные счетчики заполняются 3 Не или 10 BF 3 .

Использование пропорциональных счетчиков для спектрометрии ограничено. В большинстве случаев системы на их основе уступают полупроводниковым и сцинтилляционным. Однако надёжность и простота дают возможность применять их, если не требуется высоко–энергетическое разрешение, для работы в области энергий ~0,2 кэВ, где полупроводниковый детектор неприменим. По сравнению со сцинтилляционным детектором пропорциональные счетчики имеют лучшее энергетическое разрешение, меньшие шумы, нечувствительны к магнитному полю.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+