Детекторы ядерного излучения

Свойство ядерного излучения ионизировать атомы и молекулы газа используется в приборах, регистрирующих излучение. Эти приборы называются газоразрядными счетчиками. В зависимости от вида разряда газоразрядные счетчики подразделяются:

· на пропорциональные счетчики (несамостоятельный разряд);

· счетчики Гейгера-Мюллера (самостоятельный разряд);

· коронные счетчики (коронный разряд);

· искровые счетчики (искровой разряд).

3.3.1. Пропорциональные счетчики

Пропорциональные счетчики, как правило, представляют собой цилиндр (катод), по оси которого в виде тонкой металлической нити расположен анод. Частицы ядерного излучения проникают в рабочее пространство счетчика через окошко, сделанное из слюды или алюминиевой фольги, либо непосредственно через стенки счетчика. Счетчик заполнен газом или смесью газов, и заряженная частица или гамма-квант на пути своего следования производят ионизацию нейтральных молекул, создавая тем самым некоторое число пар ионов (электронов и положительных ионов), которые под действием электрического поля движутся к соответствующим электродам. С электродов счетчика импульс тока поступает на усилитель и затем на регистрирующее устройство. По величине импульса тока можно судить об энергии частицы ядерного излучения.

В аппаратуре для измерения ионизирующих излучений пропорциональные счетчики применяются для регистрации мягкого (т.е. низкоэнергетичного) бета- и гамма-излучения, а также для регистрации сравнительно "медленных" нейтронов.

3.3.2. Счетчики Гейгера-Мюллера

Рис. 2.

Данный счетчик (рис. 2) устроен аналогично пропорциональному, но отличается от последнего независимостью величины импульса тока, от начального числа пар носителей зарядов, образованных ионизирующей частицей в чувствительном объеме счетчика. Поэтому счетчики Гейгера-Мюллера определяют лишь интенсивность излучения, не давая информации об энергии частиц излучения. Величина импульса зависит лишь от параметров счетчика и приложенного напряжения. Такой характер работы объясняется особенностями механизма разряда.

Начальная ионизация в счетчиках Гейгера-Мюллера необходима лишь для зажигания разряда, который затем развивается самостоятельно, независимо от начальной ионизации. Для режима самостоятельного разряда большое значение имеют лавины, вызванные ультрафиолетовым излучением атомов и ударами положительных ионов. Ультрафиолетовое излучение испускают атомы, возбужденные частицей ядерного излучения. Положительные ионы и электроны под действием приложенного, более высокого, чем в пропорциональных счетчиках, напряжения приобретают энергию, достаточную для ионизации газа. Новые ионы активно вовлекаются электрическим полем в процесс ионизации нейтральных молекул, обеспечивая тем самым лавинный характер самостоятельного разряда. За время 10 ^-5... 10 ^-7с весь счетчик будет охвачен разрядом.

Самостоятельный разряд после развития первой лавины необходимо погасить. Для этого применяют специальные электронные устройства или вводят в состав газа специальные добавки (например, пары спирта), которые обеспечивают гашение за счет изменения внутреннего механизма разряда. Последний вид счетчиков носит название самогасящихся. В настоящее время выпускают преимущественно самогасящиеся счетчики.

3.3.3. Коронные счетчики

Коронный разряд - одна из форм самостоятельного разряда. Он возникает при сравнительно высоком давлении и сильной неравномерности электрического поля в разрядном пространстве. При повышении напряжения на счетчике от нуля до напряжения зажигания короны имеет место несамостоятельный разряд, и счетчик работает как пропорциональный. При дальнейшем повышении напряжения зажигается корона и начинается коронный разряд. Сила тока растет, размеры святящегося слоя короны и его яркость увеличиваются, и при значениях напряжения, много больших начального, коронный разряд переходит в искровой.

При попадании ионизирующей частицы в чувствительный объем счетчика образуется большое число электронов, каждый из которых, двигаясь к аноду, создает лавину электронов. Амплитуда суммарного импульса тока вызванного приходом этих лавин на анод счетчика, значительно превышает шумы короны и оказывается пропорциональной величине первичной ионизации.

Коронные счетчики, благодаря своим параметрам, все чаще применяются в ядерном приборостроении для регистрации α - частиц и потоков нейтронов.

3.3.4. Искровые счетчики

В простейшем случае искровой счетчик содержит две плоскопараллельные пластины с высоким потенциалом, расположенные в газовой среде. При этом поле однородно и должно быть достаточно велико для начала ударной ионизации и образования электронно-фотонных лавин, приводящих к искровому разряду. Время развития разряда ~ 10^-10 с, т.е. на несколько порядков короче, чем в других газоразрядных счетчиках. Амплитуда выходного импульса с искрового счетчика достигает нескольких сотен вольт.

Недостатком искровых счетчиков являются ограниченный ресурс работы, температурная нестабильность и большое время восстановления после регистрации очередного события прилета частицы.