При напряжениях, меньших U , счетчик работает в режиме импульсной ионизационной камеры; величина собранного электродами заряда в режиме насыщения равна суммарному заряду ионов, образованных радиоактивной частицей
∆q = n e.
При напряжениях больше U начинается ударная ионизация. Чем больше напряжение на счетчике, тем больше область ударной ионизации и тем большее число электронов будет падать на анод.
В диапазоне напряжений от U до U2 количество электронов (п ), падающих на анод, и их суммарный заряд (∆q ) пропорциональны первоначальному числу пар ионов
Рис.13 Зависимость величины электрического заряда, собираемого электродами за одна импульс, от напряжения на газовом счетчике; I — область ионизационной камеры; II— область пропорционального усиления; III — область ограниченной пропорциональности; IV — область самостоя тельного (гейгеровского) разряда; V — область непрерывного разряда (n ), образованных радиоактивной частицей. Газовые счетчики, работающие в этой области, получили название пропорциональных счетчиков. Если пренебречь утечкой заряда с электродов за время развития импульса тока в счетчике, то амплитуда импульсов напряжения на анодной нагрузке и на аноде счетчика будет
где ∆U - амплитуда импульса напряжения счетчика; Ссч - емкость счетчика (как конденсатора);
-коэффициент газового усиления, показывающий увеличение числа пар ионов за
- счет ударной ионизации.
Таким образом, в пропорциональных счетчиках амплитуда импульса напряжения U пропорциональна первоначальному числу пар ионов, образованных радиоактивной частицей, а коэффициент газового усиления является постоянной величиной. Однако величина коэффициента газового усиления в этом случае относительно небольшая (до 104== 10000 раз). Пропорциональные счетчики используются для регистрации сильно ионизирующих частиц, например альфа-частиц. Их преимущество заключается в том, что амплитуды импульсов от альфа-частиц во много раз больше амплитуды импульсов, создаваемых бета-частицами и гамма-квантами; благодаря этому регистрирующую схему можно отрегулировать так, что она будет считать только импульсы большой амплитуды, Что позволяет обнаруживать и измерять альфа-излучение при наличии бета- и гамма-излучений.
На участке напряжений от U2 до U3 счетчик работает в режиме ограниченной пропорциональности, т. е. с увеличением первоначального числа пар ионов амплитуда импульса увеличивается, но не пропорционально п0 (в большей степени увеличиваются импульсы с малым по); коэффициент газового усиления в этом режиме зависит от первоначального числа пар ионов — n0. Этот режим работы счетчиков практического применения не имеет.
При напряжениях от U3 до U счетчик работает в режиме самостоятельного газового разряда, при котором число образованных в области ударной ионизации пар ионов (n) и заряд, собираемый электродами (∆q=ne), не зависят от первоначального числа пар ионов (n ). Другими словами, амплитуда импульсов напряжения счетчика не зависит от того, создает ли ионизирующая частица всего одну пару ионов в объеме счетчика (например, вторичный электрон с малой энергией, возникший от гамма-кванта в стенке счетчика и проникший в его рабочий объем) или очень большое число пар ионов (например, 50 000 пар, созданных альфа-частицей); амплитуды импульсов напряжения счетчика будут одинаковыми. Характеристики 1 и 2 на рис. 13 для этой области сливаются в одну кривую. Счетчики, работающие в режиме самостоятельного газового разряда, принято называть счетчиками Гейгера-Мюллера. Они широко используются для регистрации бета-частиц и гамма-квантов и позволяют измерять малые активности и мощности доз гамма-излучения.
Если напряжение на счетчике превысит U , то гашение разряда вследствие очень большого числа образующихся при каждом импульсе ионов не обеспечивается и счетчик переходит в режим непрерывного газового разряда.
Конструктивные особенности газовых счетчиков в основном зависят от их назначения, т. е. от вида и энергии регистрируемых частиц и чувствительности счетчиков. Счетчики для регистрации альфа-частиц должны иметь окно, затянутое тонкой (обычно слюдяной) пленкой толщиной 1 — 2 микрона, сквозь которую альфа-частицы могут проникать в рабочий объем. Окно обычно размещено в торце стеклянного цилиндра, поэтому счетчики такой конструкции носят название торцовых счетчиков. К торцовым альфа -счетчикам относятся счетчики САТ-6 и САТ-7.
Рис. 14. Образцы газовых счетчиков: 1-СТС-5; 2 -АС-2; 3— МС-4; 4— МСТ-17; 5— САТ-7
Внешний вид некоторых газовых счетчиков приведен на рис. 14. Торцовые счетчики применяются также для регистрации бета-частиц с малой энергией (меньше 0,3 Мэв), однако толщина слюдяной пленки у них обычно больше, чем у торцовых счетчиков для регистрации альфа-частиц, и составляет 2 - 6 микрон. К такому виду счетчиков относится счетчик МСТ-17.
Для регистрации бета-частиц сравнительно большой энергии (больше 0,3 — 0,5 Мэв) обычно применяются цилиндрические счетчики с тонким (10 — 30 микрон) алюминиевым (для спиртовых и метилалевых счетчиков) или стальным (для галогенных счетчиков) корпусом-катодом. К таким счетчикам относятся счетчики АС-2 (алюминиевый самогасящийся 2-й образец), СТС-5 и СТС-6 (стальной самогасящийся) .
Для регистрации гамма-излучения применяются счетчики с толстыми стенками (с толстым катодом из меди или других материалов).
Обычные цилиндрические бета-счетчики также широко используются для регистрации гамма-излучений; при этом они помещаются в достаточно толстый алюминиевый чехол, поглощающий бета-излучения.
Одной из важнейших характеристик, определяющих свойства счетчика как датчика дозиметрических приборов, является его эффективность. Эффективностью называется отношение числа радиоактивных частиц, вызвавших импульс газового разряда, к общему числу частиц, попавших в рабочий объем счетчика. Эффективность газовых счетчиков к альфа- и бета-частицам близка к 100%.
Однако указанную эффективность к бета-частицам не следует путать с эффективностью регистрации потока бета-частиц, воздействующих на внешнюю поверхность счетчика; последняя может иметь величину от близкой к 100% до нуля в зависимости от энергии бета-частиц и толщины стенок счетчика.
Эффективность счетчиков к гамма-квантам значительно меньше и имеет величину от 0,2 до 1,6%. Гамма-кванты регистрируются счетчиком главным образом за счет вторичных электронов, выбиваемых гамма-квантами из материала стенок счетчика. Поэтому эффективность зависит от энергии квантов, материала стенок и до некоторой степени от их толщины.
Так, у счетчиков, прикрытых достаточно толстым слоем алюминия (порядка 5 — 8 мм), в диапазоне энергий гамма-квантов от 0,2 до 2,5 Мэв эффективность изменяется в пределах от 0,1 до 1,2%, возрастая примерно пропорционально энергии. Благодаря этому скорость счета импульсов счетчика N, т. е. число импульсов в единицу времени, характеризует мощность дозы гамма-излучения в указанном диапазоне энергий квантов. Действительно,
где Sсч — рабочая поверхность счетчика, на которую воздействует гамма -излучение;
εγ — эффективность счетчика;
. Пγ— плотность потока гамма-квантов, зависящая от мощности дозы и энергии квантов:
Коэффициент поглощения µа гамма-излучения в воздухе в диапазоне энергий квантов от 0,1 до 2 Мэв практически является постоянной величиной поэтому:
где - практически постоянная величина, зависящая от величины рабочей поверхности счетчика.
Таким образом, чувствительность счетчика при измерении мощностей доз гамма-излучения зависит от величины поверхности его рабочего объема. Чем больше поверхность, тем большее число гамма-квантов будет воздействовать на нее в единицу времени при данной мощности дозы, тем чувствительнее счетчик. Однако с увеличением чувствительности уменьшается верхний измеряемый предел мощностей доз, так как предельная скорость счета ограничивается «мертвым временем» счетчика.
Так, например, предельная измеряемая мощность дозы гамма-излучения для счетчика СТС-5 составляет около 0,5 р/час. Путем уменьшения габаритов и рабочего объема созданы счетчики, обеспечивающие измерение мощностей доз до 5 р/час, до 50 р/час и больше.
Счетчики такого типа получили название малочувствительных.
Оценка качества счетчика и определение его рабочего напряжения обычно производятся по его счетной характеристике. Для снятия такой характеристики газоразрядный счетчик подключается к пересчетной установке, т. е. такой регистрирующей схеме, которая позволяет считать число возникающих на нагрузке счетчика импульсов напряжения, амплитуда которых превосходит некоторую пороговую величину. Счетной характеристикой называется зависимость зарегистрированного числа импульсов в единицу времени от напряжения питания счетчика при постоянной интенсивности облучения.
Счетная характеристика имеет вид, представленный на рис. 15. Как видно из рисунка, при напряжении на счетчике меньше U импульсы не регистрируются пересчетной установкой, так как они очень малы. Напряжение Uн, при котором появляется счет импульсов, называется напряжением начала счета. При дальнейшем увеличении напряжения скорость счета быстро увеличивается. В этой области счетная установка регистрирует не все попадающие в счетчик частицы, так как импульсы напряжения счетчика имеют разную величину в зависимости от первичной ионизации и других причин. Начиная с точки A и до точки Б, скорость счета почти не изменяется с возрастанием напряжения, т. е. на участке А — Б практически все частицы, производящие в счетчике начальную ионизацию, регистрируются.
Рис. 15 Счетная характеристика газового счетчика
Этот почти горизонтальный участок характеристики носит название «плато». Некоторое наблюдаемое увеличение скорости счета на участке «плато» объясняется появлением и увеличением числа ложных импульсов вследствие того, что гасящие примеси самогасящегося счетчика не обеспечивают гашение всех без исключения ложных импульсов.
При напряжениях больше UБ наблюдается резкий рост ложных импульсов и переход к непрерывному разряду. Рабочим участком счетной характеристики является «плато». Чем больше протяженность и меньше наклон «плато», тем лучше качество счетчика. Наклон «плато» принято оценивать увеличением скорости счета импульсов при изменении напряжения на 100 в, выраженным в процентах к средней скорости счета на участке «плато»:
