Счетчик гейгера-мюллера

Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера (1928г.) служит для детектирования заряженных частиц, нейтронов и гамма-квантов, но не позволяет идентифицировать частицы по типам и измерять их энергию. Для различных счетчиков Гейгера-Мюллера временное разрешение составляет 10³ – 10^-10 с.

Конструктивно схема счетчика такая же, как и у пропорционального счетчика, и отличие фактически состоит лишь в режиме работы. Счетчик представляет собой стеклянную герметическую трубку цилиндрической формы с нанесенным на её внутреннюю поверхность слоем меди (катод). Анодом служит центральная токопроводящая нить диаметром 0.1-0.2 мм. Баллон заполнен водородом, азотом или каким-нибудь инертным газом с примесью органического вещества, например, аргона с парами спирта. Давление в баллоне порядка 100-200 мм.рт.ст. К электродам прикладывается напряжение от нескольких сотен вольт до нескольких киловольт. Попадание заряженной частицы в газовую среду счётчика вызывает её ионизацию. Положительные ионы под действием сил электрического поля устремляются к катоду (стенкам цилиндра), а свободные электроны к аноду (центральному электроду). Вблизи анода напряженность неоднородного электрического поля столь велика, что электроны приобретают энергию достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов и молекул газа. По мере приближения к аноду число ионов и электронов лавинообразно возрастает, так что вдоль анода возникает самостоятельный газовый разряд (коронный разряд) и в цепи имеет место значительный импульс тока (напряжения). Подвижность положительных ионов вследствие их большой массы почти в 10³ раз меньше подвижности электронов, поэтому за время, в течении которого электроны достигнут анода, ионы практически не сдвинутся с места. При этом образуется пространственный положительный заряд, экранирующий анод. Его действие приводит к уменьшению напряженности электрического поля между электродами – электроны уже не вызывают ударной ионизации вблизи анода и самостоятельный разряд прекращается. Через некоторое время, за которое положительные ионы пространственного заряда достигнут катода, напряжение между электродами станет прежним и счетчик готов к регистрации новой частицы. Разряд, будучи «запущенным» влетевшей частицей, переходит в самостоятельный и поэтому величина импульса тока (напряжения) не зависит от энергии частицы, т.е. от её ионизационной способности. Для получения от отдельных быстро следующих одна за другой частиц раздельных импульсов необходимо возникающий самостоятельный разряд прервать. В несамогасящихся счётчиках это достигается путем включения внешнего сопротивления R=10⁸ – 10⁹ Ом. В этом случае на нем возникает большое напряжение, что приводит к значительному уменьшению напряжения между электродами, которое оказывается недостаточным для поддержания разряда.

В самогасящихся счётчиках прерывание разряда достигается за счет процессов, возникающих в самом счётчике. При этом используется газовая смесь, состоящая из инертного газа с примесью небольшого количества паров спирта (или другого многоатомного газа) и галоидов.

Несамогасящийся счётчик Гейгера-Мюллера

Теперь механизм гашения разряда заключается в следующем. В отсутствие паров спирта фотоны достаточной энергии могут выбивать электроны с катода, которые направляясь к аноду, будут усиливать электронные лавины. Пары же спирта делают этот процесс невозможным, т.к. молекулы спирта сильно поглощают фотоны, при этом они возбуждаются и диссоциируют, но практически не испускают электронов. Положительные ионы благородного газа (аргона), возникающие при первичной или последующей ионизации, направляются к катоду. Но на своем пути они сталкиваются с молекулами спирта и нейтрализуются, т.к. потенциал ионизации спирта ниже потенциала ионизации аргона. Поэтому при столкновении энергетически выгодно, чтобы электрон перешел от молекулы спирта к ион аргона. Возбужденные атомы аргона испускают фотоны, которые в отсутствие молекул спирта вызывают фотоэффект с поверхностей электродов счётчика, способствующих развитию разряда. Но молекулы спирта поглощают фотоны и при этом диссоциируют, фотоэффекта не происходит, и разряд обрывается.

Гамма-кванты регистрируются в результате появления в газовой среде вторичных заряженных частиц – фотоэлектронов, комптоновских электронов и электронно – позитронных пар.

Для регистрации быстрых нейтронов, непосредственно не вызывающих ионизацию газа, на круглую (диаметром 2 – 5 см) платиновую фольгу наносится какое – нибудь водородосодержащее вещество, например, парафин. Фольга помещается на одной из сторон цилиндрического катода. Быстрые нейтроны выбивают из водородосодержащего вещества протоны, которые и вызывают ионизацию газовой среды.

В случае регистрации медленных и тепловых нейтронов счетчик наполняют трехфтористым бором ВF₃. Поскольку вор обладает значительным сечением поглощения таких нейтронов, то в результате реакции

образуются заряженные частицы - ядро лития и α – частица, которые вызывают сильную ионизацию газовой среды.

Счетчики Гейгера-Мюллера характеризуются высокой эффективностью и большой амплитудой сигнала (2 – 40 В). Эффективность регистрации заряженных частиц близка к 100%. Эффективность всех газоразрядных счетчиков по отношению к регистрации γ- квантов не превышает 1 – 3%.

Недостатки – невозможность измерять энергию частицы, невысокое временное разрешение (10^-6 с), большое время восстановления чувствительности (10^-4 – 10^-3 с), которое определяется временем дрейфа к катоду положительных ионов, возникающих при ионизации.

Применение – универсальный детектор радиометр-спектрометр РСУ-01 «Сигнал», детектор нейтронов в системах «Янтарь» и МКС-А02.

Дата добавления: 2015-07-26