Счетчик Гейгера-Мюллера

На практике используется множество типов детекторов, поскольку приходится решать широкий класс исследовательских задач: определять полный поток частиц, их массу, заряд, скорость, энергию, распределение частиц в потоке по энергиям и т.д. В простейшем случае детектор только фиксирует факт прохождения через него некоторой частицы. К таким детекторам относится счетчик Гейгера-Мюллера.

Главная трудность в регистрации отдельной частицы в том, что ее воздействие на вещество детектора крайне мало и для его обнаружения требуется усилить микроскопический эффект, превратив его в макроскопический сигнал. В качестве

первичного воздействия в счетчике Гейгера-Мюллера используется ионизация газа регистрируемой частицей.

Рис.6

Конструктивно счетчик представляет собой тонкостенную стеклянную герметичную камеру цилиндрической формы (рис.6).

С внутренней стороны камера покрыта тонким слоем металла, который служит катодом.

Анодом служит тонкая металлическая нить, протянутая по оси цилиндра. Такая геометрия электродов приводит к тому, что электрическое поле очень велико в малой области вокруг анодной нити и мало в остальном пространстве внутри счетчика. Заряженная частица, пролетая в газе, ионизирует его (ударная ионизация), создавая положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых они также становятся способными производить ударную ионизацию, поэтому в ранее нейтральном газе возникает лавинный процесс образования заряженных частиц и по цепи проходит ток - самостоятельный разряд. Для того, чтобы приготовить счетчик к восприятию новых частиц - разряд надо погасить. Это достигается включением в цепь счетчика большого сопротивления R (рис.6). В момент проявления тока на этом сопротивлении возникает большое падение потенциала. В результате напряжение между катодом и анодом уменьшается настолько, что разряд прекращается и счетчик снова готов к работе. Регистрирующее устройство отмечает и запоминает, что по цепи прошел импульс тока. Своевременное быстрое гашение самостоятельного разряда достигается еще введением в счетчик специально подобранных газовых смесей.

Вполне очевидно, что если в счетчик попадают другие частицы, когда разряд в нем еще не погашен, то все они будут зафиксированы им как одна. Поэтому время t, проходящее от появления в одной частице в счетчике до полного гашения вызванного ею разряда, называется «мертвым» временем счетчика. Физическая величина называется разрешающей способностью счетчика. Она показывает, при каком максимальном количестве частиц, влетающих в счетчик в единицу времени, они будут разрешены (зафиксированы) как отдельные частицы.

Детекторы описанной конструкции могут работать в различных режимах. Если разность потенциалов между катодом и анодом настолько мала, чтобы не возникло ударной ионизации, и достаточно велика, чтобы не наступила рекомбинация ионов, то, измерив суммарный заряд и число ионов, можно найти энергию пролетевшей частицы. Работающий в таком режиме (малое напряжение, нет ударной ионизации) прибор называется ионизационной камерой. С ростом напряжения на счетчике вблизи нити, где поле имеет наибольшую напряженность, начинается ударная ионизация, приводящая к процессу образования лавин. Каждая лавина протекает независимо от других, что обеспечивает пропорциональное усиление первичной ионизации независимо от ее величины. Таким образом, величина импульса оказывается пропорциональной энергии ионизирующей частицы. Поэтому счетчик, работающий в этом режиме, называют пропорциональным счетчиком. Необходимые для газового усиления большие напряженности полей, при сравнительно небольших, разностях потенциалов между электродами, обеспечиваются цилиндрической конструкцией счетчика.

При дальнейшем увеличении напряжения счетчик переходит в режим самостоятельного разряда, и величина заряда, созданного в процессе газового усиления, становится независимой от первичной ионизации. При этом теряется возможность определения величины энергии ионизирующей частицы. Задача счета частиц сильно облегчается, т.к. величина импульса даже при возникновении в счетчике одной пары ионов может достигать десятков вольт. Работающие именно в таком режиме детекторы называются счетчиками Гейгера-Мюллера.

Для определения напряжений, необходимых для обеспечения различных режимов работы детектора, экспериментально строят его рабочую характеристику - график зависимости скорости счета частиц n от разности потенциалов между катодом и анодом при облучении детектора одним и тем же радиоактивным источником. Типичная характеристика имеет вид (рис.7): область АВ

Рис.7

соответствует режиму «ионизационная камера», область ВС - пропорциональный счетчик, область СД - счетчик Гейгера-Мюллера.

Влияние мертвого времени t на результаты измерений сказывается в том, что число зарегистрированных частиц N счетчиком за время t меньше числа частиц N ₀, влетевших в счетчик за это же время, т.е. скорость счета частиц меньше число частиц, попавших в счетчик в единицу времени.

Записав очевидное равенство , получим или . Зная величину t, постоянную для данного счетчика, можно уточнить экспериментально найденное число n.

Измерение t проводится методом двух источников. Счетчик облучается одним потоком частиц Ф₁, затем другим – Ф₂, затем обоими вместе – Ф₁₂=Ф₁+Ф₂. Если бы t =0, то в последнем случае мы имели бы: n _01,2= n ₀₁+ n ₀₂. Если t ¹0, то с учетом поправочной формулы (8), запишем:

.

Откуда в первом приближении получим:

, (9)

где скорость счета частиц при облучении каждым источником в отдельности.

Экспериментальная установка

Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис.8. Счетчик Гейгера-Мюллера укреплен в специальной кассете, в которой могут устанавливаться и исследуемые радиоактивные образцы.

Работа счетчика обеспечивается специальной электронной схемой управления, в которой могут быть предусмотрены элементы для уменьшения мертвого времени и для сопровождения каждого разряда звуковым и световым сигналами. Напряжение питания электронной схемы управления и самого счетчика может плавно регулироваться ЛАТРом. Счетчик электрических импульсов считает число разрядов в счетчике Гейгера-Мюллера.

Рис.8

Ход работы

1. Изучить теорию. Ознакомиться с экспериментальной установкой, изучить назначение каждого прибора и методику работы о нем.

2. Снять рабочую характеристику счетчика в пределах напряжения от 140 до 220 В с шагом 10В; измерения представить в виде таблицы и графика. Отметить на графике область пропорционального усиления и область счетчика Гейгера-Мюллера.

2^/. При каждом значении напряжения произвести 6 измерений по 1 мин.

3^/. Рассчитать мертвое время t детектора, работавшего в режиме счетчика Гейгера-Мюллера, методом двух источников, произведя 3 измерения по 1 минуте для каждого источника при определенном значении напряжения (заданном преподавателем).

Контрольные вопросы:

1.Указать основные типы детекторов ядерных частиц. Назвать их основные характеристики и принцип действия.

2.Объясните принцип действия и устройство счетчика Гейгера-Мюллера.

3.Что такое мертвое время счетчика? Как t сказывается на результате измерений.

4.Как можно измерить t?

5.Объясните ход рабочей характеристики счетчика.

6.Объясните работу экспериментальной установки, использованной в работе.