примерно 0,1%.

Эффективность. Пропорциональный счетчик, работающий на плато, регистрирует все заряженные частицы. В области ниже плато не все частицы регистрируются счетчиком и его эффективность уменьшается. Поэтому наиболее приемлем режим работы пропорционального счетчика в области плато, на котором эффективность для заряженных частиц близка к 100%.

Разрешающее время. Пропорциональный счетчик реагирует на очередную заряженную частицу некоторое время спустя после конца мертвого времени. Этот интервал времени обусловливается чувствительностью схемы. Следовательно, разрешающее время зависит от мертвого времени и чувствительности схемы.

Для уменьшения мертвого времени пропорциональный счетчик включают в электрическую цепь с постоянной времени τ, сравнимой со временем собирания электронов τе. Электронно-импульсный счетчик характеризуется значением τр~10-5 с. Однако снижение разрешающего времени приводит к падению амплитуды импульса. Поэтому импульсы от такого счетчика можно регистрировать только высокочувствительными схемами.

Срок службы счетчиков измеряют числом зарегистрированных заряженных частиц без существенных изменений свойств счетчика. Счетчики, наполненные чистыми газами, работают продолжительное время, так как состав газа остается постоянным после многочисленных разрядов. Число регистрации счетчиком, наполненным смесью чистого газа и органических молекул, ограничено. Срок службы счетчика не превышает 1015 импульсов.

9.5.4 Конструкция и применение пропорциональных счетчиков

Пропорциональный счетчик имеет цилиндрическую форму (рисунок 9.5). Он состоит из катода–корпуса, по оси которого натянута металлическая нить–собирающий электрод. Для увеличения коэффициента газового усиления на электроды подают напряжение до 1000 в и выше. Диаметр нити выбирают в пределах от 0,05 до 0,3 мм. Верхний предел диаметра нити ограничивается очень высоким напряжением, которое необходимо подводить к пропорциональному счетчику, нижний предел–прочностью материала нити. Собирающий электрод обычно изготовляют из вольфрамовой или стальной нити. Поверхность нити полируют, так как незначительные шероховатости

129

поверхности сильно искажают электрическое поле вблизи собирающего электрода.

Рисунок 9.5 – Конструкция цилиндрического пропорционального счетчика:

1 – собирающий электрод; 2 – охранное кольцо; 3 – изолятор; 4 – корпус.

Пропорциональный счетчик наполняют газами, давление которых изменяется в широких пределах–от 50 до 760 мм рт. ст. и выше. Пробег электрона в разреженном газе значительно больше, чем в плотном. За время между двумя соударениями в разреженном газе электрон получает энергию, превышающую энергию ионизации при более низких напряжениях. В счетчиках с плотным газом (р=1 атм) область пропорциональности лежит в интервале нескольких киловольт.

Для корпуса пропорционального счетчика пригодны медь, латунь, алюминий и другие материалы. Минимальная толщина стенок ~ 0,05 мм ограничивается прочностью материалов и условием герметичности рабочего объема. Корпус счетчика, наполненного газом под небольшим давлением, должен выдерживать внешнее атмосферное давление.

Собирающий электрод натягивают между торцовыми пробками– изоляторами из стекла, керамики и пластиков. Пробки–изоляторы приклеивают к металлическому катоду специальными клеями и замазками. Для регистрации α- и β-частиц внешних источников в корпусе счетчика вырезают входное окно. Его закрывают тонкой фольгой. Такие счетчики работают при атмосферном давлении.

9.6Счетчик Гейгера–Мюллера

9.6.1Особенности газового разряда

Впропорциональном счетчике газовый разряд развивается только

вчасти объема газа. В ней образуется сначала первичная ионизация, а затем и лавина электронов. Остальной объем не охватывается

130

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 Uп, 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 Uп 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

131

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 Un. 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<Uп, 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.)

132

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 1010 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 Cl2, Вr2, I2. 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

133