Расскажи друзьям!

Счетчики ядерного излучения

План:

  1. Введение
  2. Газовый разряд и физические процессы в газоразрядных счетчиках
  3. 2.1. Устройство и принцип работы газоразрядных счетчиков

    2.2. Ударная ионизация. Коэффициент газового усиления

    2.3. Пропорциональные счетчики

    2.4. Непрерывный разряд

    2.5. Методы гашения непрерывного разряда

    2.6. Гасящие схемы

    2.7. Роль газового наполнения в счетчиках

    3. Параметры и типы газоразрядных счетчиков

    3.1. Классификация счетчиков

    3.2.1. Разрешающая способность. “Мертвое время”

    3.2.2. Эффективность счетчика

    3.2.3. Счетная характеристика. Плато счетчика.

    3.2.4. Измерения со счетчиками

    4. Негазоразрядные счетчики

    4.1. Кристаллические счетчики

    4.2. Сцинтилляционные счетчики

    5. Заключение

    6. Библиография

    Введение.

    В течение длительного времени атом считался наименьшей не делимой частицей вещества. Постепенно, в процессе развития физики, ученые стали обнаруживать явления, свидетельствовавшие о сложном строении атома. Так, например, изучение электропроводности металлов и газов, электролиза, термоэлектронной эмиссии привело к открытию отрицательно заряженной элементарной частицы – электрона, являющейся одной из составных частей каждого атома. Поскольку в обычных условиях атомы являются электронейтральными, возникло предположение, что в их состав входят также положительные заряды.

    Впервые человек познал реальную энергию атома в 1939 году. В наше время различного рода ядерные излучения нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, несмотря на то, что они опасны для организма человека. Но самая главная опасность любого рода излучений в том, что мы их не ощущаем. Поэтому для обнаружения и измерения ядерных излучений необходимы специальные приборы.

    Для изучения данных ядерных явлений были разработаны методы регистрации элементарных частиц и излучений. Наиболее распространенными являются методы, основанные на фотохимическом и ионизирующем действии частиц.

    Приборы, предназначенные для обнаружения и счета элементарных заряженных частиц, называют счетчиками частиц.

    Главным элементом прибора регистрирующего излучения является элемент способный реагировать на излучения, для этой цели используются счетчики разных типов, которые могут позволить зарегистрировать попавшую в него частицу в виде кратковременного импульса.

    Самое большое распространение получили газоразрядные счетчики. Их работа основана на ионизирующем действии ядерного излучения, но с развитием ядерной физики и технологий все большее распространение получают сцинтилляционные счетчики. Их действие основано на регистрации вспышек света, которые возникают под ударами частиц в некоторых веществах.

    2.ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗОРАЗРЯДНЫХ СЧЕТЧИКАХ

    2.1.Устройство и принцип работы газоразрядного счетчика

    Принцип действия газоразрядного счетчика, называемого счетчиком Гейгера – Мюллера, основан на регистрации самостоятельного газового разряда, возникающего при попадании заряженной частицы в рабочий объем счетчика.

    Счетчик имеет герметичный стеклянный корпус, выполненный в виде тонкостенного цилиндра, на внутреннюю поверхность которого нанесен слой металла, служащий катодом. Корпус счетчика может быть металлическим. По оси цилиндра расположена тонкая металлическая нить, служащая анодом и изолированная от корпуса.

    Счетчик заполнен инертным газом, чаще всего аргоном, находящемся при пониженном давлении. Между анодом и катодом счетчика прикладывают такое постоянное напряжение (от 800 до 1500 В), чтобы при появлении ионов в газе, заполняющем счетчик, в нем начался бы самостоятельный разряд. Выход счетчика подключен к регистрирующему устройству, состоящему из усилителя, пересчетного прибора и электромеханического счетчика. Когда заряженная частица попадает в счетчик, она ионизирует атомы газа в нем. Образовавшиеся свободные электроны и положительные ионы ускоряются электрическим полем, созданным в счетчике, до таких энергий, при которых в газе начинается ударная ионизация. Возникает лавинный разряд через газ, и по цепи счетчика проходит сильный кратковременный ток. Этот ток создает на сопротивлении нагрузки импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство, ведущее счет этих импульсов и тем самым считающее заряженные частицы.

    Для того чтобы счетчик Гейгера – Мюллера мог регистрировать каждую попадающую в него частицу, надо своевременно прекращать лавинный разряд. Этого достигают различными способами.

    Счетчик Гейгера – Мюллера используется главным образом для регистрации электронов, а так же фотонов большой энергии. Для обнаружения последних внутренние стенки корпуса счетчика покрывают веществом, из которого фотоны выбивают электроны. Скорость счета частиц счетчиками Гейгера – Мюллера достигает 104 част./с.

    СПОСОБЫ ГАШЕНИЯ ЛАВИННОГО РАЗРЯДА

    В некоторых счетчиках быстрое гашение лавинного разряда осуществляются примесями, добавляемыми к инертному газу, например, парами спирта. Положительные ионы газа, сталкиваясь с многоатомными молекулами спирта, рекомбинируют в нейтральные атомы и теряют способность выбивать из катода электроны, необходимые для поддержания лавинного разряда. Такие счетчики называются самогасящимися.

    В других счетчиках, называемых несамогасящимися, гашение лавинного разряда производят, подбирая определенное нагрузочное сопротивление в цепи счетчика. Сильный ток, возникающий при самостоятельном разряде, проходя через такое сопротивление, вызывает на нем большое падение напряжения, что приводит к быстрому уменьшению напряжения между анодом и катодом счетчика, и лавинный разряд в нем прекращается. На электродах счетчика восстанавливается первоначальное напряжение, и счетчик вновь становится способным регистрировать заряженные частицы.

    1. УДАРНАЯ ИОНИЗАЦИЯ.

КОЭФФИЦИЕНТ ГАЗОВОГО УСИЛЕНИЯ.

Если в дальнейшем напряжение будет увеличиваться, то при неизменной ионизации начальной наблюдается рост тока в импульсе, что означает, что в газе откуда-то берутся свободные электрические заряды.

Из-за того, что созданные первоначальным действием нейтральные атомы газа и электроны, вследствие того, что обладают малой массой, а следовательно и инерцией, сильно ускоряются электрическим полем. При этом, как правило, электроны приобретут большую кинетическую энергию и теперь смогут сами производить ионизацию при столкновении с атомами и нейтральными молекулами.

При пролете электрона слишком близко от электрона внешней оболочки атома из-за чего между ними возникает сила отталкивания, которая превышает силы, удерживающие электрон в атоме. При этих условиях электрон вылетает с орбиты своего атома.

Этот процесс образования ионов называется ударной ионизации. Область напряжений, при которых она возникает ударная ионизация называется - областью ударной ионизации.

За счет ударной ионизации можно получить значительное увеличение ионизационных токов. Отношение полного числа ионов, пришедших к нити счетчика, к числу первичных ионов, созданных ионизирующей частицей, получило название коэффициента газового усиления. Величина его зависит от приложенного напряжения и может превосходить 10 млн.

Так как газоразрядные счетчики работают в режимах, соответствующих области ударной ионизации, то за счет газового усиления они значительно превосходят ионизационные камеры по своей чувствительности.

2.3. Пропорциональные счетчики

Различают счетчики пропорциональные и счетчики Гейгера-Мюллера. В первых, как показывает само название, возникает импульс тока, пропорциональный первичной ионизации. В этом случае, как видно на рис.2, обе кривые, полученные для первичной ионизации, в области пропорционального счета идут параллельно друг другу. Поэтому по величине импульса, возникшего в пропорциональном счетчике, можно судить о виде частицы или её энергии (первая осцллограмма на рис.2). Коэффициент газового усиления пропорционального счетчика невелик (достигает нескольких тысчяч).

Механизм возникновения разряда в пропорциональном счетчике можно представить на рис.3.

При первом столкновнении количество первичных отрицательных ионов удваивается, при втором - учетверяется, и т.д. В результате целая лавина отрицательных ионов приходит на положительный электрод счетчика, создавая круто нарастающий импульс тока. Последующее развитие тока в импульсе будет определяться движением положительных ионов и параметрами разрядной цепи.

При дальнейшем увеличении напряжения (рис.2) в интервале Uо.п.-Uг пропорциональность между величиной импульса и первичной ионизацией нарушается. Коэффициенты газового усиления для кривых a и b различны для одного и того же напряжения, и поэтому в области ограниченной пропорциональности эти кривые не идут параллельно. Наконец, в области Гейгера при ещё более высоких напряжениях на электродах, превышающих Uг, механизм работы счетчиков значительно усложняется. Здесь величина импульса совершенно не зависит от первичной ионизации. Импульсы одинаковой величины возникают от b -частиц и g -кванта, создающего иногда всего одну пару ионов в рабочем объёме счетчика, и от a -частицы, создающей десятки тысяч пар ионов (вторая осциллограмма на рис.2).

2.4. Непрерывный разряд

К области Гейгера примыкает область непрерывного разряда, для возникновения которого специальный ионизатор не нужен. Достаточно присоединить соответствующеек высокое напряжение, превышающее Uнепр, к электродам, как газ между ними “зажигается” и начинаект напрерывно пропускать ток. Это явление хорошо знакомо по ссвечению неоновых и других газосветных трубок, широко применяемых для рекламы. Следует отметить, что как непрерывный разряд, так и разряд в области Гейгера относятся к самостоятельному разряду, который в отличие от несамостоятельного не требует для своего поддержания непрерывного воздействия внешних ионизаторов.

Непрерывный разряд происходит вследствие двух новых процессов, сопровождающих ударную ионизацию при очень высоких напряжениях:

1. Молекулы, возбужденные соударениями, освобождаются от избыточной энергии, испуская фотоны ультрафиолетового излучения, и переходят в нормальное состояние. Эти фотоны поглощаются практически по всей поверхности катода и благодаря фотоэффекту вырывают из него электроны. Последние, в свою очередь, создают за счет ударной ионизации новые лавины ионов уже во всем междуэлектордном пространстве счетчика.

2. Положительные ионы при таких высоких напряжениях приобретают настолько большую кинетическую энергию, что выбивают из катода свободные электроны.

Эти процессы происходят и в счетчике Гейгера. Однако в этом случае разность потенциалов на электродах не так велика, чтобы “зажигание” счетчика Гейгера происходило самостоятельно. Для “зажигания” счетчика Гейгера необходим внешний ионизатор, воздающий первичную ионизацию - хотя бы одну пару ионов. Из них развивается первая лавина, служащая, в свою очередь, началом непрерывного разряда. Последний поддерживается в счетчике Гейгера упомянутыми выше двумя процессами: высвечиванием возбужденных молекул газа (испусканием фотонов ) и ударами тяжелых положительных ионов о катод.

2.5. Методы гашения непрерывного разряда

Попадание следующей ионизационной частицы в “зажженный” счетчик не может заметно изменить величину тока и, следовательно, не будет зарегистрировано. Поэтому необходимо автоматически прерывать разряд в счетчике Гейгера и, таким образом, подготовлять счетчик к регистрации новой частицы.

Существуют два основных метода гашения разряда:

1. Применение гасящих радиотехнических схем;

2. Заполнение счетчиков подобранными смесями газов.

В соответствии с этим, в первом случае счетчики называют несамогасящимися, во втором - самогасящимися.

2.6. Гасящие схемы

Простейшая схема состоит из большого ( миллиарды ом) сопротивления, включенного последовательно с анодом счетчика. При прохождении по этому сопротивлению импульса тока на нем падает значительная часть напряжения источника питания, а напряжение на электродах в этот момент уменьшается. Начавшийся непрерывный разряд обрывается, так как счетчик оказывается переведенным в режим области пропорционального счета или даже тока насыщения (сдвиг кривой влево на рис.2).

В более сложных схемах гашения обычно используется своего рода отрицательная обратная связь. В ответ на возникший в счетчике импульс тока специальная радиотехническая схема вырабатывает отрицательный импульс напряжения. Этот отрицательный импульс подается на счетчик, снижает разность потенциалов на электродах и , таким образом, вызывает прекращение газового разряда в счетчике.

2.7. Роль газового наполнения в счетчиках

В настоящее время почти исключительно используются самогасящиеся счетчики, которые обладают рядом преимуществ (быстрота действия, упрощение схемы включения, и др.).

Чтобы сделать счетчик самогасящимся, нужно , очевидно, ограничить явления, способствующие установлению непрерывного разряда в счетчике. Прежде всего следует избежать вырывания электронов из катода при поглощении на нем ультрафиолетового излучения, так как это является главной причиной образования непрерывного разряда. Появление самопроизвольных ложных импульсов вслед за регистрацией настоящего импульса , вызванного частицей, попавшей в счетчик, следует связывать с выбиванием электронов из катода положительными ионами и с высвечиванием так называемых метастабильных атомов. Оказалось, что для этого, что для этого к обычному наполнителю - одноатомному газу, например аргону, следует добавить до 10% газа или паров многоатомных молекул некоторых веществ ( этиловый спирт, метан, хлор, и др.). Возможно подобрать такое сочетание газов в смеси, что образующиеся фотоны будут полностью поглощаться многоатомными молекулами на расстоянии в 1-2 мм. от места их возникновения и не смогут поэтому все долететь до катода и вызвать заметный фотоэффект. При этом многоатомные молекулы либо ионизируются, либо диссоциируют на радикалы - распадаются на нейтральные части.

3. ПАРАМЕТРЫ И ТИПЫ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ СЧЕТЧИКОВ

3.1. Классификация счетчиков

Систематизировать большое количество разнообразных типов счетчиков можно по различным признакам. По механизму действия различают счетчики с несамостоятельным и самостоятельным разрядом. К первым относятся пропорциональные счетчики, ко вторым - счетчики Гейгера (острийные) и Гейгера-Мюллера (нитиевые). Счетчики с самостоятельным разрядом бывают, в свою очередь, самогасящимися и несамогасящимися.

практически наиболее важно систематизировать счетчики по их назначению и по конструктивным признакам, причем особенности конструкции часто обуславливаются назначением счетчика. Следует различать счетчики a -, b -частиц, g -квантов, рентгеновских лучей, нейтронов и счетчики специального назначения. Назначение счетчика предъявляет определенные требования к выбору режима работы счетчика и материалов, из которых он изготавливается. Если, например, нужно определить энергию частицы, а не только регистрировать ее наличие, то применяют пропорциональные счетчики. Для счета g -квантов счетчики делают с катодом из тяжелых элементов, а для счета b -частиц, наоборот, предпочитают изготовлять катоды из легких металлов, чтобы уменьшить фотоэффект.

3. 2. Параметры счетчиков

Параметры газоразрядных счетчиков определяются не только конструкцией, материалом, из которого изготовлены электроды, составом и давлением наполняющих счетчик газов, но и технологией изготовления: для получения стабильных результатов требуется высокая чистота и культура производства.

Основными характеристиками счетчика являются: максимальная скорость счета или разрешающая способность, эффективность, счетная характеристика.

3.2.1. Разрешающая способность. Мертвое время.

Максимальная скорость счета, т.е. наибольшее число импульсов, которые могут возникнуть в счетчике за 1 сек, очевидно, зависит от длительности так называемого “мертвого времени”, в течение которого счетчик не способен ответить импульсом на влетевшую в него частицу.

Обозначая разрешающую способность счетчика через Nмакс [импсек], можем её связь с мертвым временем выразить формулой: Nмакс=1/tм

Для определения полного числа частиц, попавших в счетчик, нужно внести поправки на просчет, т.е. на те незарегистрированные частицы, которые попали внутрь счетчика в течение мертвого времени: N=Nизм/1-Nизмtм

3.2.2. Эффективность счетчика.

Эффективенсть счетчика характеризует способность счетчика реагировать на то или иное излучение. Численно она равна отношению числа частиц, вызвавших импульсы, к общему числу частиц, попавших в счетчик за еденицу времени. Обычно эффективность обозначают в процентах.

3.2.3. Счетная характеристика. Плато счетчика.

Знание счетной характеристики позволяет поставить счетчик в нормальный режим работы. Обычно счетная характеристика представляет собой график зависимости числа импульсов в еденицу времени от напряжения на электродах.

На рис.4 изображена типичная счетная характеристика, видно, что при напряжениях, меньших начала счета Uн.с. , счетчик не считает. Затем с увеличением напряжения до Uн.п. (начало плато) число число регистрируемых в минуту импульсов резко возрастает при увеличении напряжения, а затем остается примерно постоянным до значения напряжения Uк.п. (конец плато). Этот горизонтальный участок Uн.п.-Uк.п. получил название плато и является рабочим участком характеристики.

3.2.4. Измерения со счетчиками.

Существует 2 основных метода измерений: относительный и абсолютный.

Сущность относительного метода состоит в сравнении количества импульсов в минуту Nх, зарегистрированных счетчиком от препарата с неизвестной активностью Ах, с количеством импульсов Nэт, зарегистрированных за 1 мин от эталонного препарата с известной активностью Аэт. Получаем формулу для определения активности препарата:

Ах=АэтNх/Nэт

Сущность абсолютного метода измерений активности сводится к определению полного числа распадов, происходящих в препарате, путем умножения измеренной скорости счета Nизм (число импульсов в минуту) на ряд поправочных коэффициентов, которые учитывают соотношения между формой и размерами счетчика, поглощение излучений во всех средах, отделяющих препарат от рабочего объема , поправку на разрешающую способность, и т.д.

A=Nизм/ωΚοКсКоКрКм

Нетрудно заметить, что в таком написании обе расчетные формулы могут быть приведены к виду:

А=СiN,

где первый множитель в обеих формулах есть цена одного импульса Сi .

Т.о. , активность равна цене импульса(распад/мин), умноженной на скорость счета. Разница только в том, что в случае абсолютного метода цена импульса определяется расчетным путем.

4. НЕГАЗОРАЗРЯДНЫЕ СЧЕТЧИКИ

4.1. Кристаллические счетчики

По принципу действия наиболее близки к газоразрядным кристаллические счетчики проводящего типа. Если пространство между электродами газоразрядного прибора заполнить не газом, а кристаллическим диэлектриком или полупроводником, то при прохождении ионизирующей частицы через него появляется импульс тока.

В основном кристаллические счетчики это счетчики, работающие как фотодиоды. Действие ионизирующей частицы подобно действию квантов света на фотосопротивление. При освещении ток через него увеличивается. Счетчики представляют собой плоскостной диод из германия с ьольшим сопротивлением(рис.5).

Если α-частица проникает со стороны n-германия, то в слое толщиной Δ = 10-20 мк она потеряет свою кинетическую энергию отдав ее на образование пар электрон-дырка. Дырки легко проходя через затормаживающий слой, образуют ток в следующей замкнутой цепи: кристалл, сопротивление, батарея.

Если ток проходит через фотодиод, то на внешнем сопротивлении нагрузки падает почти все напряжение источника тока, вследствие чего удается получить достаточно большие импульсы. Еще нужно сказать, что ток в отсутствии облучения, достигает величин нескольких микроампер.

Кристаллические счетчики, как и все другие приборы, обладают своими достоинствами и недостатками.

К преимуществам можно отнести:

- способны регистрировать сильно проникающее жесткое излучение счетчиками малых размеров;

- большие скорости счета ( из-за фронта импульса);

- можно установить прямо пропорциональную зависимость между импульсом и энергией частицы, благодаря этому частицы можно различать по энергиям;

  • эти приборы лучше засекают частицы излучения и гамма лучи, чем газоразрядные счетчики.

К основным недостаткам газоразрядных счетчиков можно отнести то, что в них накапливается пространственный заряд, что приводит к уменьшению импульса и скорости счета.

    1. Метод сцинтилляций

Данный метод стали применять раньше других. Он сыграл большую роль в развитии ядерной физики.

Сцинтилляцией называют вспышку света, возникающую при попадании заряженной частицы в среду, обладающую способностью люминесцировать. В некоторых люминофорах, например в сернистом цинке, сцинтилляция (световая вспышка), вызванная заряженными частицами, является достаточно яркой и может наблюдаться невооруженным глазом.

Первый прибор, основанный на использовании сцинтилляции, - спинтарископ был изобретен Круксом в 1903 году. Он представлял собой маленькую цилиндрическую камеру, дно которой было покрыто люминофором. Внутрь камеры помещали иглу, на острие которой находилось небольшое количество радиоактивного вещества. Вылетевшие из него заряженные частицы попадали на люминофор и вызывали сцинтилляции, которые наблюдали визуально и подсчитывали с помощью лупы, находившейся в верхней части камеры.

В настоящее время спинтарископ не применяют, но метод сцинтилляций не утратил своего значения, а получил современное техническое выражение и широко используется в науке и технике. Сцинтилляции теперь наблюдают и считают не визуально, а с помощью специальных устройств, называемых сцинтилляционными счетчиками.

Основной частью сцинтилляционного счетчика является фотоэлектронный умножитель – прибор, объединяющий в себе фотоэлемент с внешним фотоэффектом и многокаскадный электронный усилитель особой конструкции.

Преимуществом сцинтилляционных счетчиков является очень короткое разрешающее время (10-8 с) и очень большая скорость счета частиц, которая на несколько порядков превышает скорость счета ионизационных счетчиков.

Важной особенностью сцинтилляционных счетчиков является их способность оценивать энергию регистрируемых частиц, поскольку интенсивность сцинтилляций пропорциональна энергии частиц.

Работает сцинтилляционный счетчик следующим образом:

При попадании частицы в сцинтиллятор она начинает взаимодействовать с некоторыми атомами плотной среды сцинтиллятора. При этом какое то количество атомов вещества, составляющего сцинтиллятор, переходит в возбуждение.

При обратном переходе атомов в нормальное состояние происходит испусканием света, т. е. люминесценция.

Бывает два вида люминесценции – флуоресценция и фосфоресценция. В первом случае высвечивание атома происходит почти мгновенно, во втором – возбужденные молекулы находятся в метастабильном состоянии неопределенное время.

Сцинтилляционный счетчик объединил в себе достоинства счетчика Гейгера-Мюллера и пропорционального счетчика и при всем этом он превзошел их по многим показателям.

Заключение:

Изучив все вышеперечисленные методы и счетчики ионизации, можно сделать вывод, что ни один из них не является универсальным, применимым ко всем случаям. У каждого из них свои достоинства и недостатки.

Список литературы:

  1. Корсунский М.И., Атомное ядро, Гостехиздат, 1957
  2. Векслер В., Грошев Л., Исаев Б., Ионизационные методы исследования излучений, Гостехиздат, 1949
  3. Бочкарев В., и др., Измерение активности источников бета- и гамма- излучения, АН СССР, 1953
  4. Соминский М.С., Полупроводники и их применение, Госэнергоиздат, 1955