Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Физика»

Лаборатория оптики и ядерной физики

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВОГО СЧЕТЧИКА

Методические указания к лабораторной работе № 322

САНКТ – ПЕТЕРБУРГ

2007

Цель работы – определение основных характеристик несамогасящегося газового счётчика Гейгера: рабочего напряжения и разрешающего времени.

I. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГАЗОВОГО СЧЁТЧИКА

Среди различных устройств для регистрации ядерных излучений самым распространённым является так называемый газовый (газоразрядный) счётчик. В газовом счётчике используется явление самостоятельной проводимости газов. Если к электродам счётчика приложено достаточно большое напряжение, то попавшая в счётчик ионизирующая частица "зажигает" газовый разряд, что и позволяет зарегистрировать её. Известно несколько видов самостоятельного разряда в газах. Наиболее удобным для регистрации ядерных частиц является коронный разряд, возникающий в случае сильно неоднородного поля между электродами. Необходимостью создания такого поля и определяется конструкция счётчика.

Газовый счётчик представляет собой баллон, заполненный газом под давлением , в котором расположены два электрода разной геометрии. Чаще других используются счётчики, катодом (K) которых является цилиндрическая металлическая (алюминиевая) стенка баллона (конечно, стенка должна быть достаточно тонкой, чтобы регистрируемая частица могла проникнуть в рабочий объем счётчика), а анодом (A) – металлическая нить, натянутая по оси цилиндра.

Счётчик включается обычно в схему, представленную на рис.1.

Схема подключения счётчика. Рис. 1

Попавшая в счётчик частица ионизирует несколько молекул газа и таким образом создает равное количество свободных электронов и положительных ионов. Электроны, двигаясь к аноду, могут при известных условиях (достаточная напряженность поля и достаточная длина пробега) ионизировать встречные атомы. Этот процесс называется ударной ионизацией. При этом возникают новые электроны, которые, в свою очередь, снова ионизируют встречные атомы и т.д. Число электронов лавинообразно возрастает, и до анода доходит вместо одного электрона целая лавина. Кроме этого основного процесса, в газовом промежутке могут возникать вторичные процессы: ионизация молекул газа положительными ионами, выбивание ими электронов из катода, фотоэффект на поверхности катода, вызываемый излучением возбужденных атомов, и т.д.

Вторичные процессы (в основном фотоэффект, вызываемый излучением возбужденных ударом атомов) создают новые свободные электроны, каждый из которых может дать новую лавину, идущую к аноду, которая опять за счёт вторичных процессов породит новые электроны, и т.д. Возникает устойчивая самостоятельная проводимость – газовый разряд. Он начинается тогда, когда каждая электронная лавина может создавать за счёт вторичных процессов не менее одного свободного электрона. Это происходит при некотором напряжении между электродами, называемом напряжением зажигания – . Напряжение зажигания зависит от состава газа, его давления, формы электродов. Обычно оно составляет несколько сотен вольт.

Вследствие флуктуаций вторичных процессов при напряжении, равном , разряд может быстро погаснуть или вообще не развиться. Для получения устойчивого разряда используют напряжения, большие на некоторую определенную величину, называемую перенапряжением.

Если между электродами счётчика установлено напряжение, обеспечивающее устойчивый разряд (самостоятельную проводимость), то попавшая в счётчик частица инициирует разряд, который будет продолжаться сколь угодно долго. (Счётчик, работающий в таком режиме, называется несамогасящимся или счётчиком Гейгера–Мюллера.) Следующая ионизирующая частица, попавшая в счётчик во время разряда, ничего не изменит и, следовательно, не будет зарегистрирована. Для того чтобы счётчик отвечал своему назначению, необходимо по возможности быстро гасить разряд, вызванный попаданием в него частицы. Это можно сделать, например, резко понизив напряжение между электродами.

Рассмотрим подробнее процесс разряда в счетчике Гейгера–Мюллера.

Вблизи катода напряженность электрического поля мала (т.к. мала кривизна цилиндрической поверхности), и в этой области ударная ионизация не имеет места. Образование электронной лавины начинается только вблизи нити, где напряженность поля велика, (т.к. велика кривизна нити в поперечном направлении). Пусть некоторая ионизирующая частица образовала в счётчике пару электрон–ион. Через некоторое время электрон попадёт в область ударной ионизации и создаст лавину. При этом в результате фотоэффекта возникнут другие свободные электроны, и через время порядка весь счётчик будет охвачен газовым разрядом. По мере развития этой активной стадии разряда вблизи нити за счёт гораздо менее подвижных тяжёлых ионов накопится значительный положительный заряд, который уменьшит напряжённость поля вблизи нити и прекратит образование лавин. Дальнейшее течение разряда определяется перемещением положительных ионов к катоду. Если при этом напряжение на счётчике больше , то разряд продолжится, как только восстановится напряженность поля вблизи нити. В результате между электродами будет протекать некоторый, в среднем постоянный ток.

Если счётчик включен в схему рис.1, то ток , протекающий по нагрузочному сопротивлению , снизит потенциал в точке и напряжение на счётчике станет меньше . (Для этого должно быть порядка .) В таком случае разряд прекратится, и напряжение на счётчике постепенно восстановится. Время разряда в счётчике Гейгера–Мюллера составляет , но время восстановления напряжения значительно больше (порядка нескольких миллисекунд). Снижение и последующее восстановление потенциала точки создает импульс напряжения, который регистрируется соответствующим электронным счётным устройством.

Частица, влетевшая в счётчик во время разряда, не создаст нового импульса. Частица же, влетевшая во время восстановления перенапряжения, может вызвать разряд и создать импульс. Однако этот импульс будет меньше первого, и, если чувствительность счётного устройства невелика, он не будет зарегистрирован. Таким образом, в течение некоторого времени после попадания в счётчик ионизирующей частицы он не регистрирует другие частицы. Это время называется мертвым или разрешающим временем счётчика. Как сказано выше, для счётчиков Гейгера–Мюллера это время составляет несколько миллисекунд.

Для уменьшения разрешающего времени были разработаны так называемые самогасящиеся счётчики. В отличие от счётчика Гейгера –Мюллера баллон самогасящегося счётчика заполняется смесью, состоящей из 90% инертного газа (чаще всего аргона) и 10% газа со сложными молекулами (например, этилового спирта). Наличие в газе больших сложных молекул значительно снижает действие вторичных процессов, что приводит к быстрому прекращению разряда в счётчике.

Действительно, при попадании частицы в самогасящийся счётчик электронные лавины возникают так же, как описано выше. Но излучение возбужденных атомов почти полностью поглощается молекулами гасящей смеси, что уменьшает выход фотоэлектронов. Поэтому разряд быстро распространяется к нити, но не захватывает всего объема счётчика, После того как активная стадия разряда закончится (вследствие накопления положительных зарядов вблизи нити), ток определяется только движением ионов к катоду. При этом большинство положительных ионов основного газа, сталкиваясь с молекулами гасящей примеси, теряют свою кинетическую энергию. Такие замедленные ионы, достигая катода, уже не могут выбивать из него вторичные электроны. Избыточная энергия этих ионов расходуется на диссоциацию молекул гасящей примеси.

Так как разряд в самогасящемся счётчике гаснет независимо от напряжения на нём, то сопротивление (см. рис.1) может быть взято значительно меньшим (порядка ) с таким расчётом, чтобы напряжение на счётчике восстановилось одновременно с приходом положительных ионов на катод. Таким образом, разрешающее время счётчика сокращается до приблизительно .

2. Счётная характеристика счётчика

Счётной характеристикой счётчика называют зависимость скорости счёта частиц от напряжения на счётчике (при неизменной интенсивности облучения). Примерный вид счётной характеристики представлен на рис.2.

Счётная характеристика счётчика. Рис.2

При напряжениях разряд в счетчике не возникает. Ток в счетчике и импульс напряжения в точке (рис.1) определяются только первичной ионизацией. Амплитуда импульсов очень мала, и электронное устройство их не регистрирует. В этой области напряжений скорость счета равна нулю. При напряжениях, незначительно больших , импульсы имеют различные амплитуды. В этом случае считаются лишь некоторые из них. При увеличении разброс амплитуды импульсов резко уменьшается, скорость счёта быстро растёт, и при напряжении скорость счета практически равна числу частиц, попадающих в счётчик за единицу времени. При дальнейшем увеличении (до значения ) скорость счёта растет незначительно. В самогасящихся счетчиках это возрастание объясняется некоторым усилением вторичных процессов, вероятность которых зависит от перенапряжения на счётчике. Эта часть счётной характеристики называется плато счётчика. Длина его сравнительно невелика – . При дальнейшем возрастании напряжения скорость счёта растёт из-за большего вклада других фоновых механизмов ионизации, и, наконец, в счётчике может возникнуть непрерывный разряд, что приведет к порче прибора. По найденной характеристике легко определить рабочее напряжение счётчика. Ясно, что его надо взять в интервале , обычно его устанавливают посередине плато счетчика:

.

3. Определение разрешающего времени

ГАЗОВОГО СЧЕТЧИКА

Разряд в счетчике гасится через непродолжительный промежуток времени после попадания в него ионизирующей частицы. Однако до тех пор, пока разряд длится, счетчик неспособен регистрировать следующую частицу. Время, в течение которого после прихода одной частицы счетчик остается нечувствительным к следующей, называется разрешающим временем (или мёртвым временем). Из-за наличия определённого разрешающего времени число сосчитанных счётчиком частиц всегда меньше истинного количества частиц, попадающих в счётчик. Разрешающее время является важной характеристикой любого счётчика ядерных частиц. Во-первых, знание разрешающего времени позволяет по сосчитанному числу частиц рассчитать истинное количество частиц, прошедших через счётчик. Во-вторых, разрешающее время позволяет оценить ту максимальную загрузку, допустимую для данного счётчика, при которой количество сосчитанных частиц ещё мало отличается от истинного числа частиц.

Найдем связь между истинным числом частиц, попадающих в счётчик за 1 с, и числом сосчитанных за 1 с частиц. Величина просчёта, т.е. число незарегистрированных счётчиком частиц за 1 с, будет равна . Обозначим через разрешающее время счётчика. Так как за 1 с в счётчике возникло разрядов, то счётчик будет находиться в нечувствительном состоянии время, равное . Поскольку за 1 с в счётчик попадает частиц, то за время должно попасть частиц, которые не будут зарегистрированы.

Таким образом,

,

откуда

. (1)

Эта формула годится только в том случае, когда среднее время между регистрируемыми частицами заметно больше разрешающего времени : или .

Метод определения разрешающего времени состоит в сопоставлении совместного и раздельного действия двух источников ядерного излучения. Используемое в данной работе устройство изображено на рис.3.

Схема устройства измерительного прибора. Рис.3

Под цилиндрическим газовым счётчиком расположены два алюминиевых стаканчика и , в крышках которых имеются небольшие отверстия. В центре каждого стаканчика укреплены радиоактивные препараты и . В работе используются препараты , которые излучают электроны и частицы. Это излучение полностью поглощается стенками стаканчиков, так что в счётчик попадает только узкий пучок излучения, вырезаемый отверстием в каждом стаканчике. Отверстия стаканчиков могут быть перекрыты свинцовыми задвижками, которые полностью поглощают электроны и частицы радиоактивных источников. Предположим, что:

– число частиц, считаемых счётчиком за 1 с при закрытом втором источнике;

– число частиц, считаемых счётчиком за 1 с при закрытом первом источнике;

– число частиц, считаемых счётчиком за 1 с при одновременном действии двух источников;

– число частиц, попадающих в счётчик за 1 с соответственно от первого источника, второго и одновременно от двух источников.

Тогда

. (2)

Используя формулу (1), напишем

, , .

Подставим эти значения в формулу (2):

. (3)

Величины легко определяются опытным путем.

По формуле (3) можно рассчитать :

.

Раскрывая скобки и пренебрегая малыми членами получим:

,

отсюда

(4)

Таким образом, для определения разрешающего времени описанным методом необходимо определить число частиц, считаемых счётчиком раздельно от каждого источника, и число частиц при совместном действии обоих источников.

При практическом использовании этого метода нужно учесть, что любой счётчик обладает некоторым фоном, обусловленным космическими лучами и радиоактивным загрязнением окружающих предметов. Хотя число частиц фона за 1 с много меньше , и , тем не менее пренебрежение фоном может привести к сильному искажению результатов опыта, так как в числителе формулы (4) стоит разность двух очень близких по значению величин и .

Строгий учёт влияния фона приводит к замене формулы (4) другой, более сложной. Однако, учитывая малую точность определения предлагаемым методом, можно воспользоваться приближенным расчётом.

Пусть при закрытых обоих источниках счётчик регистрирует за 1 с импульсов (это и есть фон). Вместо , и в формулу (4) следует подставить соответственно , и . В результате приходим к соотношению

(5)