IV. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ СЧЕТЧИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ
Более эффективными для регистрации радиоактивных частиц являются газоразрядные счетчики. Для увеличения импульсов в газовых счетчиках используется ударная ионизация атомов газа электронами, ускоренными сильным электрическим полем.
Газоразрядный (сокращенно — газовый) счетчик, так же как и ионизационная камера, представляет собой конденсатор с газовым наполнением пространства между электродами.
В большинстве случаев счетчики конструктивно выполняются в виде закрытого металлического или стеклянного •цилиндра, покрытого внутри слоем металла; по оси цилиндра натягивается тонкая нить (рис. 10). Металлический цилиндр используется в качестве катода, т. е. к нему подводится проводник от отрицательного зажима источника напряжения. Нить является анодом счетчика; через сопротивление нагрузки она соединяется с положительным зажимом источника напряжения. Газовые счетчики наполняются обычно смесью инертных газов — неона (Ne) и аргона (Аг) при пониженном давлении 100—200 мм ртутного столби.
Рис. 10 Устройство газового счетчика с металлическим корпусом и схема включения
Указанные конструктивные особенности счетчиков направлены на обеспечение условий ударной ионизации газов электронами при возможно более низком напряжении источника питания.
Инертные газы находятся в атомарном состоянии; при ионизации в качестве отрицательного иона они всегда имеют электроны (явления «прилипания» электронов к атомам этих газов не наблюдаются); электроны, обладай Массой, в несколько тысяч раз меньшей, чем у ионов, более подвижны, поэтому их легче разогнать до скоростей, при которых начинается ударная ионизация.
Рис. 11. Электрическое поле в газовом счетчике и расположении области ударной
ионизации
Применение анода а виде тонкой нити с диаметром порядка десятых долей миллиметра позволяет значительно увеличить напряженность электрического поля около нее (рис. 11) по сравнению с полем между плоскими электродами при тех же условиях. Сила, действующая на электрон в электрическом поле и создающая ускоренное движение электрона к аноду, определяется напряженностью электрического поля (f=Eе). Однако кинетическая энергия и скорость движения (W =mv²/2) зависят не только от силы, но и от длины пути, пройденного электроном от одного соударения с атомом газовой среды до другого.
Уменьшение давления газа в счетчике увеличивает среднюю длину свободного пробега электронов в газе и, следовательно, также необходимо для получения условий ударной ионизации при более низком напряжении.
Ударная ионизация атомов газа электронами имеет место не во всем объеме счетчика, а только около нити (анода), где напряженность электрического поля достаточно большая. Пространство около анода счетчика, где возможна ударная ионизация, называют областью ударной ионизации (см. рис. 11).
Рассмотрим принцип работы газового счетчика.
При отсутствии ионизирующего излучения газ, наполняющий счетчик, содержит электрически нейтральные атомы, и свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием сил электрического поля, нет, поэтому электрического тока в цепи также нет. Предположим, что в рабочий объем счетчика проникла одна ионизирующая частица и создала там одну пару ионов. Под действием сил электрического поля положительный ион будет двигаться к катоду, а электрон — к аноду. В области ударной ионизации электрон, приобретающий достаточно большую скорость, ионизирует нейтральный атом при соударении с ним. В результате к аноду будут двигаться уже два электрона, которые, набрав скорость, будут также ионизировать атомы газа, вновь удваивая число электронов и ионов, и т. д.
Таким образом, вблизи анода газового счетчика происходит лавинообразное нарастание ионизации; в результате число электронов, падающих на анод, многократно увеличивается (от 10³ до 109 раз в зависимости от напряжения на счетчике). Длительность развития ионизации составляет миллионные доли секунды (микросекунды). За это время все электроны падают на поверхность анода, а тяжелые положительные ионы не успевают сколько-нибудь значительно переместиться с места своего образования, создавая вокруг анода слой («чехол») положительного пространственного заряда.
Постепенно положительные ионы относительно медленно перемещаются к катоду. Когда ион приближается к поверхности катода, он силой электрического поля своего заряда вырывает электрон катода и нейтрализуется.
Движение положительных ионов и электронов вызывает появление импульса тока в цепи счетчика и соответственно импульса падения напряжения на сопротивлении его нагрузки, что создает кратковременное уменьшение положительного напряжения на аноде. Таким образом, ионизирующая частица, создавшая хотя бы одну пару ионов в счетчике, фиксируется импульсом тока и напряжения, которые в свою очередь сравнительно просто можно зарегистрировать соответствующими регистрирующими устройствами, принцип работы которых будет рассмотрен ниже.
Форма импульсов напряжения на аноде счетчика приведена на рис.12
Характерной особенностью счетчиков является наличие так называемого мертвого времени, т. е. промежутка времени, в течение которого счетчик становится нечувствительным к радиоактивным частицам, создающим в его объеме новые первичные пары ионов.
Такое свойство счетчиков объясняется тем, что «чехол» положительных ионов, образующихся в области ударной ионизации, вместе с электронами, которые удерживаются на поверхности анода силами электрического притяжения к ионам, образует дополнительное электрическое поле. Благодаря этому напряженность результирующего электрического поля около анода уменьшается, настолько, что условия для ударной ионизации не обеспечиваются. Поэтому новые радиоактивные частицы не смогут создать новых импульсов газового разряда. В процессе движения ионов к катоду созданное ими дополнительное электрическое поле около анода уменьшается. Мертвое время в газовых счетчиках заканчивается тогда, когда напряженность поля около анода возрастет до величины, необходимой для ударной ионизации, и в первом приближении совпадет с длительностью импульса (см. рис. 12).
Рис.12 Форма импульсов напряжения на аноде счетчика
Мертвое время имеет величину порядка 10ˉ5—10ˉ3 сек. в зависимости от типа и режима работы счетчика.
Мертвое время ограничивает максимальную интенсивность излучений, которую способен регистрировать счетчик без существенных ошибок, т. е. определяет его разрешающую способность — максимальный счет радиоактивных частиц в единицу времени.
Вторая особенность счетчиков заключается в том, что ионы инертных газов, нейтрализуясь за счет вырванных из катода электронов, остаются в возбужденном состоянии и испускают избыточную энергию в виде фотонов ультрафиолетового излучения . Под воздействием этих фотонов из атомов катода могут быть выбиты новые электроны; последние ускоряются электрическим полем и могут дать начало развитию новому (на этот раз ложному) импульсу газового разряда в счетчике.
Таким образом, в газовом счетчике существуют условия для возникновения после воздействия одной радиоактивной частицы не одного, а целой серии следующих друг за другом импульсов. Такие счетчики, очевидно, непригодны для регистрации радиоактивных частиц, если не будут приняты специальные меры гашения газового разряда, исключающие появление ложных импульсов.
В зависимости от способа гашения разряда счетчики делятся на самогасящиеся и несамогасящиеся.
В несамогасящихся счетчиках с целью гашения газового разряда в анодную цепь включается высокоомное сопротивление нагрузки (порядка I08—109 ом). Импульс тока счетчика, вызванный движением ионов, создает на этом сопротивлении большое падение напряжения, поэтому напряжение на аноде счетчика значительно уменьшается и разряд прекращается. Вследствие большой величины сопротивления нагрузки напряжение на аноде счетчика восстанавливается очень медленно, отчего мертвое время счетчика значительно увеличивается. По этой причине счетчики такого типа называются медленными счетчиками; предельная скорость регистрации у них составляет не более 50—100 частиц в секунду.
Подобные счетчики на практике используются весьма редко.
Более широкое применение в настоящее время получили самогасящиеся счетчики. Для гашения разряда такие счетчики наполняются инертными газами с добавкой молекулярных газов, например паров спирта, метилаля и др. Молекулы гасящей примеси должны обладать работой (потенциалом) ионизации меньшей, чем работа ионизации атомов инертных газов. Ионы инертных атомов при движении к катоду сталкиваются с молекулами гасящей примеси и нейтрализуются за счет вырывания у них электронов. Таким образом, поверхности катода будут достигать только молекулярные ионы. Последние, вырывая электрон из катода, нейтрализуются и, оставшись в возбужденном состоянии, быстро распадаются (диссоциируются) на две более мелкие части (многоатомные молекулы распадаются на радикалы, т. е. группы атомов; двухатомные молекулы — на атомы). На разрушение молекулы затрачивается часть энергии; оставшаяся часть энергии возбуждения разбивается на две доли, каждая из которых мала и не может вызвать вылета электрона из поверхности катода.
Самогасящиеся счетчики с примесью многоатомного газа (например, метилалевые) имеют сравнительно высокое рабочее напряжение (порядка 800—1600 в) и ограниченный срок • работы, так как после каждого импульса уменьшается числю многоатомных молекул; через 10 — 108 импульсов оставшееся число многоатомных молекул становится недостаточным для нормальной работы счетчика.
Кроме того, счетчики с многоатомной гасящей примесью плохо работают при пониженной температуре (ниже —25° С).
В полевых дозиметрических приборах применяются исключительно галогенные самогасящиеся счетчики, в качестве гасящей примеси в которых применены молекулы брома и хлора. Теоретически срок службы таких счетчиков неограничен, так как атомы распавшихся молекул, соединяясь, вновь образуют молекулу.
Практически срок службы галогенных счетчиков ограничен, но он значительно больше, чем у спиртовых и метилалевых счетчиков.
К положительным свойствам галогенных счетчиков относятся их более низкое рабочее напряжение (360—400 в) и устойчивость работы в широком диапазоне температур (от -50° до +50° С).
Режимы работы газового счетчика зависят от величины приложенного напряжения. С целью выяснения особенностей различных режимов работы рассмотрим характеристику, приведенную на рис. 13, показывающую зависимость величины заряда, собираемого электродами за один импульс, от приложенного к счетчику постоянного напряжения. Кривая 1 соответствует импульсам с первоначальным числом пар ионов в три раза большим, чем у импульсов для кривой 2 (например, 300 пар ионов для кривой / и 100 пар ионов для кривой 2}.
