Механизм работы и основные характеристики СГМ

Счетчик Гейгера-Мюллера

Цели работы: изучить механизм работыгазоразрядного детектора - счетчика Гейгера-Мюллера (СГМ); освоить методики определения основных параметров и характеристик СГМ.

Газоразрядный детектор – СГМ с самостоятельным разрядом изобретен в 1908 г. физиками Х.Гейгером и Э.Резерфордом. Позднее он был усовершенствован Х.Гейгером и немецким физиком В.Мюллером и называется теперь «счетчик Гейгера-Мюллера» – СГМ.

СГМ – это детектор для регистрации (счета) отдельных заряженных частиц, нейтронов, квантов рентгеновского и гамма-излучений. Механизм работы СГМ основан на возникновении самостоятельного разряда в рабочем объеме счетчика, заполненного газом, при попадании в этот объем изучаемой высокоэнергетичной частицы.

Самостоятельный газовый разряд – это электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора – высокоэнергетичной частицы, а несамостоятельный – разряд, существующий только при воздействии внешнего источника ионизации. Образование электрического разряда ведет в замкнутой электрической цепи к формированию тока примерно на время существования разряда, который и регистрирует электронное счетное устройство. Таким образом, число импульсов тока соответствует числу частиц, вызвавших разряды в СГМ за время наблюдения (Рис. 1).

СГМ предназначены только для измерения пространственных и временных характеристик потоков частиц или фотонов, но не позволяют определить энергию и природу частиц. Поэтому СГМ применяются в основном, как детекторы в радиометрии различных ионизирующих излучений для оценки потоков излучений.

МЕХАНИЗМ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СГМ

В чувствительном объеме СГМ создается постоянное неоднородное электрическое поле с напряженностью E (r), например, цилиндрической структуры, когда постоянное напряжение V₀ подается между коаксиально расположенными электродами в виде тонкой нити – металлической проволоки в центре – анода радиуса r_a и цилиндрического катода радиуса r_k (Рис.2). Цилиндрический объем СГМ заполнен смесью газов. Изучаемое высокоэнергетическое ионизирующее излучение поступает обычно в чувствительный объем СГМ через его боковую цилиндрическую поверхность – катод. Возникающий в результате ионизации газа импульсный разряд длится до ~ 10^–3с=1мс, и прекращается – гасится в результате специально создаваемых условий протекания процессов разряда в СГМ.

Импульсы тока J(t), образующиеся при разряде, создают на нагрузочном сопротивлении R импульсы напряжения U(t), которые имеют достаточно большие значения, что позволяет регистрировать их непосредственно электронным устройством, называемым счетчиком импульсов. На Рис.1 показана упрощенная функциональная схема работы СГМ.

Рисунок 1. Упрощенная функциональная электрическая схема СГМ.

а) Поперечный разрез цилиндрического СГМ	б) Конфигурация электрического поля в цилиндрическом СГМ

Рисунок 2. Конфигурация электрического поля в цилиндрическом СГМ.

Самостоятельный разряд в СГМ возникает вследствие ионизации газа регистрируемой частицей при определенном пороговом напряжении между анодом и катодом, значение которого зависит от: соотношения радиусов анода – и катода ; состава и давления рабочего газа, заполняющего СГМ. Таким образом, самостоятельный разряд в СГМ может возникнуть только в том случае, когда напряжение на счетчике V превышает некоторый пороговый уровень V_п. Следовательно, необходимым условием регистрации ионизирующих частиц счетчиком Гейгера-Мюллера является условие V≥V_п. При дальнейшем увеличении V амплитуды импульсов напряжения U(t) растут и могут достигать нескольких десятков вольт.

Помимо истинных импульсов, вызываемых попаданием в объем СГМ ионизирующих частиц, при работе счетчика регистрируются ложные импульсы, называемые послеимпульсами, которые возникают в результате ионизации рабочего газа СГМ вторичными электронами, образующимися после завершения разряда. Поэтому число частиц , которое регистрирует СГМ за фиксированное время несколько возрастает с ростом .

Зависимость от напряжения числа зарегистрированных частиц – за время отдельного измерения называется счетной характеристикой СГМ. Эта зависимость является основной характеристикой СГМ (Рис.3).

Параметрами счетной характеристики являются величины:

- Напряжение начала счета (пороговое напряжение) .

- Плато СГМ. Это участок рабочих напряжений СГМ длиной V₂-V₁ вольт. На участке плато величина U_Dt(V) возрастает приметно линейно с ростом V.

- Рабочее напряжение СГМ – середина плато, равное .

- Коэффициент наклона плато K, отнесенный к 100 В. Эта величина определяется следующим образом. Введем обозначения:

n₁ - скорость счета при V=V_р–50В,

n₂ - скорость счета при V=V_р+50В

n₃ - скорость счета при V=V_р.

Тогда

.

Рабочее напряжение СГМ обычно выбирается равным

0 V_n V₁ V_p V₂ V

Рисунок 3. Счетная характеристика СГМ.

Кроме счетной характеристики и ее параметров, важными характеристиками СГМ являются мертвое время и эффективность регистрации данного вида излучения в зависимости от энергии Е излучения и вида излучения.

Эффективность регистрации СГМ – это условная вероятность регистрации частицы, если она попала в чувствительный объем СГМ. Величина <1. Типичные зависимости приведены на Рис.4 Приложения 1.

Зная величину , можно определить значение изучаемого потока частиц , попадающих в СГМ . Методика определения эффективности регистрации СГМ описана в Приложении1.

Дата добавления: 2015-07-26