Лабораторная работа № 4а. Изучение счетчика Гейгера – Мюллера.

Счетчики Гейгера – Мюллера являются разновидностью газонаполненных детекторов. В общем случае детекторам в ядерной физике относят приборы для регистрации, идентификации и установления характеристик заряженных или нейтральных частиц. Счетчики Гейгера – Мюллера предназначены только лишь для регистрации таких частиц как, например α, β – частицы, γ – кванты.

1. Устройство, принцип действия и схема включения.

Конструктивно газоразрядный счетчик представляет собой тонкостенную металлическую или стеклянную, покрытую с внутренней стороны слоем металла, цилиндрическую камеру (рис. 1).

Рис. 1. Цилиндрический (1) и торцевой (2) счетчики Гейгера-Мюллера.

Цилиндр служит катодом. Анодом является тонкая (0,05…0,5 мм) металлическая нить, расположенная по оси цилиндра. Счетчик заполнен специально подобранным газом, например, аргоном, при давлении 10…760 мм.рт.ст. Между катодом и анодом за счет внешнего источника создается разность потенциалов 300…2500 В.

Традиционная схема включения счетчики Гейгера – Мюллера в электрическую цепь показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема включения счетчика Гейгера-Мюллера.

1 – катод, 2 – анод, 3 – сопротивление нагрузки, 4 – разделительный конденсатор, 5 – источник питания.

Регистрируемая частица, проходящая через объем счетчика, создает на выходе схемы электрический импульс отрицательной полярности, т.к. уменьшение сопротивления самого счетчика в момент газового разряда, вызванного частицей, резко увеличивает напряжение на сопротивлении нагрузки.

В комплекте приборов “Арион” применена схема, формирующая импульс положительной полярности (рис.3). Недостатком этой схемы является не заземленность катода, однако, она создает условия для более стабильной работы счетчика импульсов.

Рис. 3. Схема подключения счетчика Гейгера-Мюллера к комплекты приборов «Арион». 1 – катод, 2 – анод, 3 – сопротивление нагрузки, 4 – разделительный конденсатор, 5 – источник питания.

Физические процессы, происходящие в газоразрядных счётчиках, можно разделить на три стадии:

Первичная ионизация. Она возникает вдоль траектории заряженной частицы, проходящей через счетчик. Первичные ноны могут возникнуть в любой области счетчика. Если трек умещается внутри трубки счётчика, то число ионов пропорционально энергии частицы. Вторичная ионизация. Первичные электроны и положительные ноны движутся к электродам, разгоняясь электрическим полем. Электрическое поле внутри счётчика резко неоднородное. Оно очень велико в малой области вокруг анодной нити и небольшое в остальном пространстве счётчика, что является следствием асимметрии геометрии электродов. Электроны, движущиеся к аноду-нити, попадают в область очень больших электрических полей (силовые линия у нити сгущаются) и вблизи нити резко ускоряются. В результате возникает вторичная ударная ионизация. Вновь выбитый электрон успевает разогнаться и произвести новую ионизацию, следовательно, процесс носит лавинный характер. На один первичный электрон в лавине ударных ионизаций образуются до 10³, , а часто и более, вторичных частиц. Рассмотренный выше лавинный процесс имеет две особенности. Во-первых, любой первичный электрон вызывает лавину одной и той же величины. Это следует из того, что вторичная ионизация происходит в области порядка 10^-1 мм около нити, а первичные электроны образуются вне её во всем объеме счётчика. Вторая особенность развития первичной лавины -- малая длительность. Лавина развивается примерно за 10^-8 с. Повторные лавины. Повторные лавины, как следствие первой лавины, могут возникать в счётчике за счёт двух различных механизмов. Первый механизм обусловлен быстро протекающими процессами. В начале развития лавины электроны возбуждают нейтральные молекулы, которые, возвращаясь в исходное состояние, испускают фотоны. Эти фотоны выбивают из катода за счет явления фотоэффекта электроны, которые и являются родоначальниками новых лавин. Время развития этого процесса составляет около 10^-6 - с. Основной вклад в это время вносят дрейф фотоэлектрона от катода до области развития лавин около нити.

Второй механизм образования повторных лавин обусловлен более медленными процессами. Он состоит в том, что положительные ионы, дохода до катода, выбивают из него электроны в процессе нейтрализации, т.к. потенциал ионизации атомов газа, заполняющего счётчик, в несколько раз выше работы выхода электрона из металла (4... 5 эВ). Например, энергия ионизации аргона равна 15,7 эВ. Длительность развития лавины, возникающей таким способом, обусловлена временем движения положительных ионов к катоду и имеет порядок 10^-4 с. таким образом, если два рассмотренных выше механизма смогут вызывать повторные лавины неопределенно длительное время, то разряд в счётчике превращается в самостоятельный.

При самостоятельном разряде возникает проблема его гашения. Методы гашения самостоятельного разряда в счетчиках делятся на радиотехнические и основанные на добавлении в трубку многоатомных газов.

В радиотехнических методах разряд гасится снижением напряжения на электродах счётчика. Особенно эффективными являются радиотехнические схемы с активным гашением, в которых возникающий при разряде передний фронт импульса вызывает срабатывание быстродействующего электронного устройства, снимающего напряжение на счётчике.

В счётчики с внутренним гашением добавляют многоатомные газы, например, пары этилового спирта. Пары спирта поглощают фотоны с энергиями, достаточными для выбивания фотоэлектронов из катода. При этом молекула спирта возбуждается и диссоицирует, но практически не испускает электронов. Поэтому повторные лавины за счёт фотоэлектронов с катода возникнуть не могут. Подавляются также и повторные лавины за счет положительных ионов, которые, двигаясь к катоду, сталкиваются с молекулами спирта. Потенциал ионизации спирта (11,7 эВ) ниже ионизационного потенциала основного газа аргона (15,7 эВ). При столкновении нона аргона с молекулой спирта происходит переход электрона к иону аргона с ионизацией молекулы спирта и нейтрализацией аргона. В результате до катода доходят только ионизированные молекулы спирта, которые при нейтрализации не выбивают электроны, а разваливаются. Счётчики с добавлением многоатомных газов называются самогасящимися. Счётчики Гейгера-Мюллера работают в режиме самостоятельного разряда с гашением. Импульс напряжения, создаваемый этими счетчиками, достаточно велик (0,2... 40 В) и не зависит от энергии регистрируемой частицы. Следовательно, счетчики Гейгера-Мюллера только регистрируют частицу без измерения её энергии. Разрешающее время этих счётчиков довольно велико: 10^-3…10^-5 с (в лучших до 10^-7 с). В счетчиках с многоатомными газами (внутреннее гашение) разрешающее время меньше, но зато срок их действия ограничен распадом многоатомных молекул (примерно 10⁹ регистраций), Существуют, однако счётчики с многоатомными добавками, имеющие неограниченный срок службы.

Конструктивные особенности счетчиков Гейгера-Мюллера определяются видом регистрируемых частиц, в первую очередь их энергией и проникающей способностью. Так, для регистрации - частиц с энергией, превышающей 0,3.. 0.5 МэВ, применяются цилиндрические счетчики с катодом из достаточно тонкого листа алюминия или нержавеющей стали. Для регистрации β -- частиц используют торцевые счётчики. Отверстие для входа частиц в таких счётчиках закрыто тонкой пластинкой слюды или алюминиевой фольги. Металлическая анодная нить одним концом впаивается в корпус счетчика, а другой её конец располагается около входного окна. Для предотвращения самопроизвольного срабатывания счётчика за счёт стекания зарядов с острия проволочки на её свободном конце закрепляется бусинка из стекла. Для регистрации α -- частиц, обладающих малой проникающей способностью, используются торцевые счётчики с тончайшей пленкой на входном окне. В этих счётчиках давление газа близко к атмосферному. Для регистрации - частиц с малой энергией используются счётчики открытого типа с давлением газа равным атмосферному. Недостаток таких счетчиков - большое анодное напряжение (2000... 3000 В) и зависимость режима работы от влажности температуры воздуха, наличия в них примесей.