ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра оптики и спектроскопии

Лаборатория микрофизики

Лабораторная работа № 3

Исследование газоразрядного счетчика Челябинск

2010

Цель работы: исследование счетной характеристики счетчика Гейгера-Мюллера, определение мертвого времени.

Приборы и оборудование: два источника ионизирующего излучения (гамма источники), газоразрядная трубка, счетчик импульсов с регулировкой напряжения на газоразрядной трубке.

1. Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера.

Газоразрядный счетчик (счетчик Гейгера-Мюллера) является одним из наиболее распространенных детекторов ядерных излучений. Он используется для счета числа частиц ионизирующего излучения (электронов, ионов, гамма-квантов, нейтронов и др.). Широкое применение этих счетчиков обусловлено такими характеристиками, как высокая эффективность регистрации, возможность регистрации различных видов излучения, большая величина выходного сигнала, простота конструкции и дешевизна. Высокая эффективность счетчика связана с тем, в счетчике Гейгера-Мюллера развивается самостоятельный разряд, что обуславливает возникновение импульса большой величины независимо от энергии частицы. Частице, проходящей через него, достаточно создать в объеме счетчика хотя бы одну пару ионов, чтобы вызвать в нем мощный импульс тока, и таким образом быть зарегистрированной. Для гашения разряда применяются специальные меры.

Газоразрядный счетчик обычно представляет собой цилиндрический конденсатор: стеклянная или металлическая трубка, заполненная газом, на оси которой находится собирающий электрод (анод) в виде тонкой металлической нити. Если корпус счетчика изготовлен из диэлектрического материала (стекла), то внутренняя поверхность трубки покрыта проводящим слоем. Корпус трубки является катодом. Схема включения счетчика приведена на рис.1.

Рис.1. Схема включения счетчика: - балластное сопротивление, С – эквивалентная емкость счетчика и монтажа

На анод счетчика через балластное сопротивление R подается положительный потенциал, и в объеме счетчика создается электрическое поле, имеющее наибольшую напряженность у анода (рис.2).

Рис.2. Распределение напряженности электрического поля по радиусу в счетчике. Здесь и - радиусы анода и катода соответственно.

Рассмотрим качественно процессы, происходящие в счетчике. Их можно разделить на четыре стадии.

1. Первичная ионизация. При прохождении ионизирующей частицы через объем счетчика в результате ионизации атомов газа, наполняющего счетчик, образуются электроны и положительные ионы

2. Вторичная ионизация. Образованные электроны и положительно заряженные ионы движутся под действием электрического поля к соответствующим электродам. Так как масса электронов много меньше массы ионов скорость их движения в электрическом поле примерно в 100 раз больше, чем скорость ионов. Поэтому, рассматривая движение электронов, можно считать ионы неподвижными.

Направленному движению электронов к аноду препятствуют частые столкновения с атомами газа. В результате соударений изменяется направление движения электрона и теряется его энергия. Обозначим через  длину свободного пробега электрона. На пути  электрон в электрическом поле напряженностью E приобретает энергию eE. Если эта энергия больше энергии ионизации атомов газа I_i, то есть eE > I_i, то при соударении с атомом электрон ионизирует его, и после столкновения имеем два электрона с кинетической энергией, близкой к нулю. Как видно из рис.2, в большей части объема счетчика напряженность поля мала, и eE < I_i. Электроны движутся к аноду, испытывая упругие (без передачи энергии атому) столкновения с изменением направления движения. И только вблизи анода, где электрическое поле резко возрастает, может быть выполнено условие газового усиления: eE > I_i, при каждом соударении электрона с атомом происходит ионизация атома, и число электронов возрастает вдвое. Выбитый электрон успевает разогнаться и произвести новую ионизацию, так что число движущихся к аноду электронов лавинообразно нарастает. На один первичный электрон в лавине образуется сотни - тысячи вторичных электронов. Лавинная ионизация происходит в малой области радиусом порядка 10^-2 см. вторая особенность развития лавины- малая длительность- 10^-8 с.

3. Повторные лавины. После первой лавины в счетчике могут возникать повторные за счет двух механизмов. Первый механизм связан с фотоэффектом. Возбужденные электронными столкновениями атомы возвращаются в основное состояние, испуская фотоны с энергией ~ 1эВ. За счет фотоэффекта на катоде выбиваются новые электроны. Развитие данного процесса происходит за время порядка 10^-6 с. Второй более медленный процесс развития повторных лавин вызван нейтрализацией положительно заряженных ионов, достигших катода. При этом выделяется энергия, достаточная для выбивания электрона с катода. Время развития этого процесса 10^-4 с.

4. Гашение разряда. Положительные ионы за время развития разряда практически движутся с малой скоростью, и около анода формируется положительно заряженная область, что приводит к увеличению эффективного радиуса анода и, как следствие, напряженность электрического поля в счетчике падает и разряд прекращается. В современных счетчиках специальные добавки (пары спирта или галогены) препятствуют развитию повторных лавин, поглощая энергия фотонов.

Таким образом, при прохождении заряженной частицы через объем счетчика в нем возникает электрический разряд, собирание электронов на аноде заряжает емкость счетчика С (см. рис.1), понижая потенциал анода. В дальнейшем емкость разряжается через сопротивление R и на выходе счетчика возникает электрический импульс отрицательной полярности амплитудой 0,2-40 В. Амплитуда импульса не зависит от характеристик ионизирующей частицы (энергии, заряда, импульса). Разрешающееся время этих счетчиков 10^-3-10^-5 с.

Эффективность регистрации заряженных частиц счетчиками Гейгера-Мюллера близка к 100%. Эти счетчики используются и для регистрации гамма - квантов за счет вторичных эффектов (фотоэффект, эффект Комптона, рождение пар) на стенках.