Электрические импульсы, возникающие при прохождении ядерных частиц через счетчик, достаточно велики, что, как уже пояснялось, связано с механизмом газового усиления. Поэтому счетчики можно применять в тех случаях, когда необходимо обнаружить попадание в детектор каждой отдельной частицы или γ-кванта. Значение параметра RC для дифференциальных систем со счетчиком как детектором излучения должно быть относительно мало, вследствие чего нагрузочное сопротивление подбирают равным не более чем 107–108 Ом.
В заключение отметим, что приведенные рассуждения об областях применения детекторов, работающих в дифференциальных и интегральных системах регистрации, справедливы не только для ионизационных, но и для других методов регистрации излучений (в частности, сцинтилляционных).
Счетчики, работа которых основана на ионизационном методе регистрации излучений, заполняют газовой смесью определенного состава, поэтому их часто называют газовыми счетчиками. Схема включения счетчика изображена на рис. 1.15. Как уже говорилось, прохождение ядерной частицы через счетчик вызывает появление импульса электрического тока. Этот импульс в свою очередь создает мгновенное падение напряжения (импульс напряжения) на нагрузочном сопротивлении R. Если построить график зависимости амплитуды импульса при регистрации частицы определенной энергии от напряжения на электродах счетчика, то получится кривая, представленная на рис. 1.16.
Рис. 1.15. Схема включения газового счетчика:
1 – катод; 2 – анод; 3 – изоляторы; 4 – источник высокого стабилизированного напряжения; R – нагрузочное сопротивление; С – конденсатор
Как видно из сравнения рис. 1.14 с рис. 1.16, изменения силы тока и амплитуды импульса от напряжения описываются аналогичными кривыми. Это одна и та же зависимость, только рис.16 дает более детальную и правильную картину физического процесса и возможность оценить kгу. В частности, при напряжении U0U1 амплитуда импульса остается постоянной (рис. 16), что соответствует области плато ВС на рис. 1.14 (режим работы ионизационной камеры). Рис. 1.14 использовался для анализа работы токового детектора. Применительно к импульсным детекторам – счетчикам лучше говорить не о силе протекающего через них тока, а об амплитуде импульсов, и поэтому для анализа работы счетчиков следует обратиться к рис. 1.16.
Рассмотрим область газового усиления, соответствующую напряжениям U1U4
Рис.1.16. Зависимость амплитуды импульса от напряжения
В ней можно выделить три характерных участка. На участке U1U2 газовое усиление обусловлено только процессами ударной ионизации. Увеличение амплитуды импульса на этом участке напряжений за счет газового усиления строго пропорционально числу актов первичной ионизации. Другими словами, здесь kгу зависит только от напряжения и не зависит от начальной ионизации – именно поэтому амплитуда и будет пропорциональна первичной ионизации. Это означает, в частности, что в любой точке на участке U1U2 отношение амплитуд импульсов, вызванных двумя различными ядерными частицами, зависит только от соотношения между энергиями, израсходованными этими частицами внутри детектора. Счетчик, работающий в области напряжений U1U2, называют пропорциональным, а саму область напряжений U1U2 – областью пропорциональности. На участке напряжений U2U3 амплитуда импульса продолжает увеличиваться. Хотя она по-прежнему зависит от числа актов первичной ионизации, но прямая пропорциональность нарушается т. к. kгу начинает зависеть от первичной ионизации. Участок напряжений U2U3 называют областью ограниченной пропорциональности.
При росте напряжения выше U3 газовое усиление обусловлено не только ударной ионизацией, но и, во все возрастающей степени, процессами фотоэффекта. Амплитуда импульса в данной области напряжений перестает зависеть от числа первично образующихся ионов и, следовательно, от энергии регистрируемых частиц. Например, один акт первичной ионизации может вызвать в этой области такой же импульс, как и 1000 первичных актов. Это связано с возникновением разряда во всем объеме счетчика, а число носителей заряда максимально при разных значения kгу, который зависит от начальной ионизации. Область напряжений U3U4 – называют областью Гейгера, а счетчики, работающие при таких напряжениях, – по имени их создателей счетчиками Гейгера – Мюллера. Независимость амплитуды импульса от энергии ионизирующей частицы делает счетчики Гейгера – Мюллера особенно удобными для регистрации β-частиц, обладающих непрерывным спектром энергий.
Счетчик обычно представляет собой металлический цилиндр, играющий роль катода, по оси которого натянута металлическая нить – анод. Радиусы катода и анода сильно различаются между собой – первый составляет, как правило, 1–2 см, второй – несколько сотых миллиметра. Напряженность электрического поля вблизи нити на 2–3 порядка выше, чем около стенок цилиндра, и поэтому становится возможным подобрать такие напряжения, при которых область газового усиления охватывает только ближайшее к нити пространство. С ростом напряжения на электродах счетчика область газового усиления постепенно расширяется от нити к катоду, поэтому амплитуда импульса увеличивается с ростом напряжения на детекторе.
Рассмотрим в самых основных чертах механизм газового разряда в счетчиках этого типа, В результате первичной ионизации газа, находящегося в счетчике, образуется некоторое количество электронов и положительно заряженных катионов. Как уже упоминалось выше, для фиксации этого события размеры первичной ионизации не имеют значения: вполне достаточно появления одного электрона, покинувшего атом вследствие любого эффекта (механизм взаимодействия ионизирующего излучения с веществом рассмотрен в предыдущем разделе). Электроны обладают большей подвижностью, чем катионы газа, и, более того, – при движении к аноду (нити, натянутой вдоль центральной оси счетчика), эти электроны первичной ионизации, приобретая энергию за счет электростатического поля, сами начинают ионизировать и возбуждать молекулы газа. При этом вновь образуются электроны (но уже в акте вторичной ионизации), которые, в свою очередь, будут ионизировать газ, в результате чего по направлению к нити возникнет лавина ускоренно движущихся электронов. Вторая лавина разряда распространяется вдоль нити за счет образования новых лавин, которые создаются электронами фотоэффекта (так называемыми "фотоэлектронами"). Эта дополнительная ионизация вызывается фотонами коротковолнового излучения (ультрафиолетовая область), испускаемого возбужденными молекулами. Фотоны взаимодействуют с материалом катода и вновь с молекулами газа-наполнителя, что по механизму фотоэффекта увеличивает поток разряжающихся, электронов.
Через время порядка 10–7 с практически весь объем счетчика охватывается разрядом, который называют коронным или самостоятельным. Когда электроны, образованные последовательными лавинами, соберутся на нити, то с внешней стороны этот "электронный рулет", окружающий нить, все еще будет заключен в "чехол" из катионов, которые вследствие низкой подвижности не успели отойти к катоду. Катионный чехол снижает напряженность электрического поля вблизи нити, а собравшиеся на аноде электроны снижают и величину ее потенциала, так как емкость нити мала, скорость восстановления потенциала относительно велика и зависит от RC, поэтому прекращается дальнёйшая ударная ионизация и затухает активная стадия разряда. Началом следующего этапа разряда будет относительно медленное расширение чехла катионов и заметное движение их в сторону катода. В цепи возникает ток: снижается потенциал нити и формируется импульс в цепи счётчика. В это время восстанавливается напряженность поля вблизи нити, а положительные ионы, разряжаясь на катоде, вызывают новую эмиссию фотоэлектронов, которые могут породить новую лавинную вспышку разряда. Но уже этот разряд, который может возникнуть после формирования импульса, является "паразитным", – он не несет никакой новой информации о первичной ионизации газа частицей или фотоном и грозит перерасти в нескончаемый самоподдерживающийся процесс. Если его не оборвать, то детектор просто "не заметит" очередную ионизирующую частицу. Поэтому должны быть приняты специальные меры для гашения разряда, после того, как он зафиксировал прохождение ионизирующей частицы. Это достигается двумя способами. По одному из них (сейчас редко применяющемуся) в цепь включается высокоомное сопротивление (109 Ом), на котором происходит падение напряжения, а возникающее вследствие этого снижение потенциала нити счетчика и приводит к гашению разряда. Такие счетчики называются несамогасящимися.
Другой путь гашения предусмотрен в самогасящихся счетчиках. Гашение здесь достигается благодаря наполнению баллона детектора "гасящей" смесью, которая обычно представляет собой смесь аргона с парами спирта или какого-либо многоатомного газа (этана, этилена и др.). Газ в счетчике, тем не менее, находится под разряжением (общее давление 133 гПа). При соударении ионов аргона с нейтральной многоатомной молекулой обычно происходит электронный переход от неё к катиону аргона, так как этот процесс энергетически выгоден. Эти переходы сопровождаются высвечиванием фотонов с энергией несколько электрон-вольт, которые снова с большой вероятностью поглощаются парами органической добавки. Катода достигают почти исключительно ионы многоатомного соединения, которые, разряжаясь на нем (т.е. присоединяя к себе "вырванный" из фотокатода электрон), превращаются в нейтральные, хотя и возбужденные молекулы. Эти молекулы с большей вероятностью распадаются (необратимо диссоцируют), чем высвечивают фотоны. Следовательно, разряд обрывается. Таким образом, многоатомный газ выполняет две функции: во-первых, он не позволяет фотонам достичь катода и вызвать тaм фотоэффект, который мог бы породить новую "паразитную" лавину; во-вторых, его катионы, преимущественно разряжаясь на катоде, резко снижают вероятность выбивания из катода вторичных электронов катионами аргона, ибо ионы гасящего газа в отличие от ионов аргона не вырывают с поверхности катода свободные электроны.
Вот так предупреждается образование новой "паразитной" лавины, о которой шла речь выше, и разряд будет завершен после одной электронно-фотонной лавины, возникшей после одного акта первичной ионизации.
Самогасящиеся счетчики имеют ограниченный срок жизни из-за необратимого распада молекул гасящего газа: после фиксации около 109 импульсов счетчик приходит в негодность. В этом отношении большими преимуществами обладают так называемые галогенные счетчики. Они обычно заполняются неоном (с очень небольшой примесью аргона), а роль гасящей добавки в этих счетчиках выполняют галоиды при содержании около 0,1%. Уже при небольших напряжениях вторичные электроны будут возбуждать атомы неона, которые, в свою очередь, будут ионизировать атомы аргона (метастабильный уровень неона 16,57 эВ, а ионизационный потенциал аргона 15,7 эВ). Образовавшиеся ионы аргона при соударениях с молекулами галоида станут нейтрализоваться за счет ионизации галоидов. В итоге к аноду будут в основном подходить возбужденные ионы галоида, которые с малой вероятностью способны "вырвать" при разряжении из катода дополнительные электроны (потенциал ионизации галоидов сравнительно невелик). Возбуждение разряженных ионов снимается обратимой диссоциацией молекул галоида. Это обстоятельство и обрывает "паразитную" лавину. Вследствие того, что в газовой смеси с добавкой галогенов протекают только обратимые процессы, срок службы таких счетчиков никак не связывается с общим числом зарегистрированных импульсов: теоретически он бесконечен (хотя "ничто не вечно под луной").
Счетчик Гейгера-Мюллера прост, дешев и надежен; столь же простой является и регистрирующая аппаратура. Но разрешающая способность этих счетчиков относительно невысока: так называемое "мертвое время" (время после регистрации импульса, в течение которого счетчик не реагирует на новые акты ионизации, происходящие внутри него) имеет порядок 10–4 с. Поэтому рекомендуется ограничивать скорость счета при измерении активности препарата, не поднимая ее выше значений (3–6) 103 имп/мин, – при этих условиях не требуется введения специальных поправок на "мертвое время" данным измерениям. Эта рекомендация, разумеется, имеет смысл только тогда, когда экспериментатор сам изготовляет препарат или влияет на его изготовление.
Итак, амплитуда импульса, возникающего в счетчике под действием ионизирующей частицы, зависит от напряжения на электродах, а для пропорциональных счетчиков – и от энергии частицы. Подаваемое на счетчик напряжение всегда колеблется в некоторых пределах, а энергии отдельных частиц могут сильно различаться между собой (например, у β-радиоактивных нуклидов). Поэтому для того чтобы работа счетчика была удовлетворительна, необходимо среди других условий соблюдать следующие два. Во-первых, любая ионизирующая частица должна возбуждать в счетчиках только один импульс и, во-вторых, регистрирующее устройство должно срабатывать на каждый возникающий в детекторе импульс. Если эти условия выполнены, то число импульсов, регистрируемых в единицу времени от одного и того же радиоактивного препарата (так называемая скорость счета), остается постоянным в некоторой области напряжений, подаваемых на счетчик. Эта область напряжений и является рабочей областью счетчика.
Для нахождения рабочей области напряжений снимают, используя препарат с постоянной радиоактивностью, счетную характеристику счетчика – зависимость скорости счета импульсов от приложенного напряжения. Типичная счетная характеристика газового счетчика приведена на рис. 1.17.
В точке Uа, соответствующей началу счета, начинается регистрация импульсов. Область, отвечающую напряжениям UbUc, называют плато счетной характеристики. У некоторых типов газовых счетчиков плато начинается практически сразу же (через 10–15 В) после напряжения начала счета. Регистрируемая скорость счета в области плато может несколько увеличиваться с ростом напряжения на счетчике, что объясняется появлением ложных импульсов, образующихся, например, за счет эмиссии вторичных электронов с катода. Поэтому в области плато счетная характеристика часто имеет небольшой наклон.
Количественно наклон плато счетной характеристики (%) оценивают по формуле
,где ΔI – увеличение скорости счета при изменении напряжения на счетчике на ΔU В.
Рис. 1.17.Типичная счетная характеристика газового счетчика.
Счетная характеристика тем лучше, чем больше плато по протяженности и чем меньше его наклон. Длина плато и его наклон зависят от того, в каком режиме – пропорциональном или гейгеровском – работает счетчик, и от его конструктивных особенностей. У лучших счетчиков наклон плато практически отсутствует, а протяженность плато достигает 400–500 В. Счетчик считается пригодным для работы, если наклон плато счетной характеристики и его протяженность не выходят за пределы, указанные в паспорте счетчика.
Рабочее напряжение Up, при котором ведут измерение на счетчике, рекомендуется выбирать в середине плато или в первой трети плато, при условии стабильного напряжения на электродах счетчика и постоянно (не реже 1 раза в 2–3 дня) контролировать положение рабочего напряжения на плато счетной характеристики.
По своему внешнему виду кривая, приведенная на рис. 17, напоминает график зависимости амплитуды импульса или тока от напряжения (см. рис. 1.14 и 1.16). Это сходство иногда приводит к путанице. Следует иметь в виду, что сходство между кривыми чисто формальное. Если на рис. 16 речь идет об изменении амплитуды импульса, вызванного прохождением через детектор одной ядерной частицы, то на рис. 17 о числе регистрируемых в единицу времени импульсов, причем соответствующие им амплитуды могут быть как равны, так и различны.
В основе работы сцинтилляционного детектора лежит способность некоторых материалов – сцинтилляторов – преобразовывать энергию ядерных излучений в фотоны – кванты видимого или ультрафиолетового светового излучения. Отдельная вспышка света, вызванная прохождением через сцинтиллятор ядерной частицы или γ-кванта, Получила название сцинтилляции.