Реферат: Счетчик Гейгера—Мюллера
Из двухатомных газов можно применять в качестве гасящей добавки к благородным газам только галоиды; эта добавка должна составлять только несколько тысячных долей, так как в противном случае будут образовываться отрицательные ионы, нарушающие процесс гашения. Так как молекулы галогепов не распадаются, то срок службы счетчика в этом отношении не ограничен. Особенно подходящим для наполнения счетчиков является по данным Либ-зона и Фридмана неон, который добавляется к смеси из четырех частей аргона с одной частью хлора в количестве 0,1–1%. При общем давлении от 200 до 500 мм рт. ст. величина рабочего напряжения лежит в диапазоне от 250 до 600 в. Аргон с добавкой нескольких тысячных долей брома или неопа с хлором дает также низкое пороговое напряжение; однако плато в этом случае оказывается менее хорошим.
в) Катоды. В качестве материала для катодов наиболее пригодна медь; кроме того, можно применять графит, серебро, золото и платину; они применяются, в частности, в стеклянных счетчиках в виде тонких покрытий. Можно применять также нержавеющую сталь и латунь. Металлические трубки хорошо полируются внутри и перед монтажом тщательно очищаются спиртом или ацетоном. Обточенные на токарном станке или отшлифованные металлы обнаруживают непосредственно после обработки самопроизвольную электронную эмиссию, постепенно исчезающую. Поэтому рекомендуется механически обработанные катоды перед сборкой счетчика прогреть или оставить лежать на воздухе в течение суток.
Для надежной очистки медных катодов, в частности, в не-самогасящихся счетчиках применяется смесь из одинаковых частей 50% азотной кислоты и 90% серной кислоты, которая разбавляется 5–10 частями воды. После обработки этим составом катод промывают 5–10 раз водой, в конце – дистиллированной; затем прогревают трубку примерно в течение 2 часов в высоком вакууме при температуре 350–400° С. Если наполнитель содержит примесь водорода, то медные катоды в водороде восстанавливаются; если же постоянной составной частью наполнителя является кислород, то очищенные катоды после интенсивного нагревания в воздухе или кислороде покрываются тонкой пленкой окиси. Рекомендуется также нагревание в атмосфере окиси азота до образования пленки, окрашенной в темно-пурпурный цвет.
Некоторые металлы, например алюминий и свинец, иногда трудно применять в качестве материала для катодов. Но если, несмотря на это, ими все же приходится пользоваться, то изнутри трубку покрывают аквадагом или тонким слоем меди, отлагая его испарением в вакууме. Если необходимо в алюминиевую трубку запаять латунные пробки, то концы трубки плакируют медью.
Оптимальная чувствительность счетчика для исследования рентгеновских и г-лучей достигается тем, что толщину стенки катода делают примерно равной длине пробега вторичных электронов в данном материале. Чувствительность счетчика для излучения, т.е. доля подсчитанных счетчиком квантов по отношению ко всем поступающим в счетчик квантам, зависит от материала катодов и от энергии излучения. Чувствительность алюминиевых катодов уменьшается от 2% при энергии 10 кэе до примерно 0,05% при энергии 100 кэе и увеличивается затем снова на 1,5% при 2,6 Aiae. Чувствительность медных или латунных счетчиков при 10 кэб и 2,6 Мэв приблизительно одинакова; минимум ее лежит между 200 и 300 кэе и составляет около 0,1%. Катоды из тяжелых металлов, например из свинца или золота, имеют чувствительность, которая неравномерно уменьшается от 3–4% при 10 кэе до примерно 0,8% при 600 кэе, а затем снова возрастает до 2% при 2,6 Мэв Аноды. В качестве анодов лучше всего применять вольфрамовую проволоку с одинаковым диаметром по всей длине. Также можно успешно пользоваться проволоками из других металлов, например ковара, нержавеющей и обычной стали. Так как рабочее напряжение возрастает с увеличением диаметра проволоки, то необходимо применять по возможности самую тонкую проволоку: нижняя граница диаметра лежит около 0,08 мм; при диаметре, большем чем 0,3 мм, хорошего плато уже не получается.
Чтобы вплавить проволоку в стеклянную стенку счетчика или в стеклянный изолятор, к обоим концам проволоки приваривают точечной сваркой соответствующие отрезки проволок толщиной 0,5–1 мм для вплавления в стекло. Перед установкой в счетчике проволока должна быть тщательно очищена; ни в коем случае нельзя дотрагиваться до проволоки пальцами. Лучше всю ее прокалить в высоком вакууме или в атмосфере водорода. Если конструкция счетчика такова, что оба конца проволоки выступают наружу, то проволока прокаливается непосредственно перед наполнением счетчика газом. Чтобы получить определенную эффективную длину анода, оба конца проволоки заключают в тонкие стеклянные капилляры или в металлические штифты, которые немного выступают внутрь катода; можно ограничить проволоку по длине при помощи наплавленных стеклянных шариков или стеклянных стержней.
В пропорциональных счетчиках для предотвращения небольших разрядов в направлении к аноду по поверхности изолятора рекомендуется ввод анода окружит, защитным кольцом, потенциал которого постоянен и примерно равен потенциалу анода.
Стеклянный счетчик
д) Форма счетчиков. Ниже даются указания Для самостоятельного изготовления счетчиков.
1) Размеры. Счетчики могут быть весьма различными по форме и величине, что объясняется большим разнообразием их применений. В большинстве случаев применяются счетчики с катодом диаметром между 5 и 25 мм и анодными проволоками длиной от 2 до 20 Cjh; при исследованиях, например, космических лучей употребляются значительно более длинные счетчики. Вообще, длина счетчика должна быть во много раз больше его диаметра. Так как мертвое время счетчика увеличивается приблизительно пропорционально квадрату диаметра катода, лучше вместо одного счетчика большого диаметра применять несколько включенных параллельно счетчиков малого диаметра; например, вместо одного г-счетчика диаметром 3 см можно применять комплекс из семи счетчиков, каждый диаметром в 1 см, которые вплавляются в одну стеклянную трубку и имеют общее газовое наполнение. В очень длинных самогасящихся счетчиках можно получить более короткое мертвое время, если анодную проволоку разделить на несколько частей, наплавив на нее маленькие стеклянные бусинки диаметром приблизительно 0,5 мм.
Ввод в металлический счетчик с впаянной металлической пробкой, стеклянным изолятором и металлическим цоколем.
Жидкостный счетчик
2) Стеклянные счетчики. Простейший стеклянный счетчик показан на рис. В качестве катода служит тонкостенная металлическая или угольная трубка, вплавленная в стеклянную трубку, с концами, хорошо закругленными или выгнутыми немного наружу; можно также отложить на внутренних стенках стеклянной трубки тонкий слой металла, применяя для этого испарение в вакууме или химическое осаждение. В частности, для этой цели пригодны также тонкие графитовые слои, которые получают, нанося слой аквадага. Перед нанесением металлического или графитового слоев необходимо стеклянную трубку весьма тщательно очистить с помощью раствора двухромовокислого калия в серной кислоте или другим подобным очистителем, так как необходимо, чтобы слой хорошо прилип к стеклу; в противном случае, если от слоя будут отделяться маленькие пленки, счетчик быстро придет в негодность. Подвод к катоду изготавливается в виде тонкой вплавленной в стеклянную трубку проволоки. У трубки из мягкого натрового стекла с толщиной стенки менее 0,8 мм графитовый слой можно нанести на стеклянную трубку снаружи: проводимость тонких слоев стекла достаточна, чтобы ток мог пройти через стенку.
Счетчик с тонким слюдяным дном
Так как большинство катодов уже под действием видимого света испускает небольшое количество фотоэлектронов, которые приводят счетчик в действие, то необходимо при измерениях тщательно защищать счетчики экранами от действия световых лучей. Стеклянные счехчики лучше всего покрыть светонепроницаемым хорошо изолирующим лаком или церезином, в который вводят непрозрачный краситель, растворимый в жирах.
3) Металлические счетчики. Наиболее просто изготовляется счетчик из металлической трубки, оба конца которой закрываются хорошо подогнанными изоляторами, приклеенными пицеином или, если они будут работать при высокой температуре, аральдитом. В изоляторы по центру устанавливаются просверленные по длине латунные штифты толщиной от 3 до 4 мм с хорошо закругленными краями, выступающие на несколько мм внутрь трубки. Анодная проволока протягивается через отверстия в штифтах и припаивается на их наружных концах. Кроме того, в одном из изоляторов устанавливается тонкая стеклянная трубочка для откачки и наполнения счетчика. Эбонит легко выделяет газ, который быстро приводит счетчик в негодность; поэтому такие изоляторы должны применяться только в тех случаях, когда срок службы счетчика не имеет значения. Лучше применять плексиглас, тролитул и подобные материалы; однако более подходящими материалами для изоляторов являются стекло или керамические вещества, такие, как фарфор, стеатит и т.п. При стеклянных изоляторах можно избежать применения клея, если пользоваться стеклянными трубками с приплапленнымп к ним металлическими трубками. Эти стеклянные трубки можно впаять металлическими концами в латунные пробки, которыми заканчивается металлический счетчик. Анодная проволока вплавляется так же, как в стеклянные трубки. На рис. кроме того, показан металлический цоколь, приделанный к счетчику, со штекерным штифтом для соединения с экранированным кабелем, который ведет к усилителю. Керамические изоляторы можно по краям покрыть медью и припаять к металлическим катодам.
4) Тонкостенные счетчики для в-частиц. Вследствие незначительной проникающей способности в-частиц для их исследования необходимы очень тонкостенные счетчики. в-частицы с энергией 0,7 Мэв уже не пропинают через стекло или алюминий толщиной 1 мм или через медь толщиной 0,3 мм. При диаметре трубки от 10 до 15 мм еще можно откачивать стеклянные счетчики и алюминиевые, если стенка очень равпомерна по толщине. Тонкие алюминиевые трубки лучше всего изготовлять из дюралюминия, при этом для повышения устойчивости на концах трубки можно укрепить толстые фланцы. Если в состав газового наполнителя входят галогены, то рекомендуется в качестве катода в тонкостенную стеклянную трубку вставить почти вплотную к ее стенкам, проволочную спираль из нержавеющей стали; спираль должна иметь шаг, равный нескольким мм, и состоять из трех идущих параллельно проволок.
Счетчик для исследования жидкостей показан на рис. Тонкостенная стеклянная трубка приплавляется к наружной стеклянной трубке счетчика так, чтобы жидкость можно было вводить В узкое промежуточное пространство между трубками. При этом жидкость должна заполнить это пространство до верхнего конца трубки счетчика. Для того чтобы повысить эффективность счета электронов с малой энергией, в трубке счетчика необходимо иметь очень тонкое окно, например из листочка слюды, как это показано на рис. Слюдяную фольгу кладут на нагретый и равномерно смазанный клеем фланец, укрепленный на конце трубки счетчика, и прижимают ее горячим металлическим кольцом, также смазанным клеем. Слюдяное окно диаметром от 20 до 25 мм устойчиво до толщипы приблизительно от 2 до 3 мг/см2 , т.е. округленно 0,01 мм. Проволока толщиной 0,2 мм укрепляется в счетчике только одним концом; непосредственно позади окна она оканчивается стеклянной бусинкой диаметром 1–2 мм.
Стеклянное окно можно изготовить толщиной от 10 до 15 мг\смг . Длн этого стеклянную трубку нагревают с заплавленного конца на длине 1–2 см до почти полного размягчения; затем ее заплавленный конец очень сильно нагревают и возможно быстрее втягивают в трубку воздух так, что она приобретает форму, показанную на рис. Внутренняя часть трубки сплавляется с наружной стенкой; затем трубка откалывается примерно по месту, показанному на рисунке штриховой линией, и край трубки оплавляется.
Изготовление тонкого стеклянного окна
В) Усилители для счетчиков
а) Входной контур. Для регистрации и счета числа импульсов напряжения, появляющихся на сопротивлении Rсчетчика, разработано большое количество схем, из которых здесь будут описаны только некоторые наиболее простые.
У самогасящихся счетчиков импульсы подводятся к измерительной схеме или непосредственно, или через предварительный усилитель, который в наиболее простом случае состоит из одного пентода или же из двух триодов с резистивно-емкостной связью между каскадами. Поступающие в схему импульсы превращаются в импульсы, равные по величине и форме. Для этого может, например, служить тиратрон в триггерпой схеме, в которой конденсатор Сз разряжается через тиратрон, как только сеточное напряжение под действием положительных импульсов превысит запирающее напряжение. Отрицательное запирающее напряжение составляет обычно примерно 5% от анодного напряжения; чтобы обеспечить надежное гашение, сеточное напряжение устанавливают на 5–10 в ниже напряжения запирания тиратрона. Тиратроны, наполненные гелием, обладают временем срабатывания около 10 ~ 5 сек, а наполненные аргоном – несколько большим временем.
Тиратроны очень дорога, поэтому в большинстве случаев, особенно когда требуется высокая разрешающая способность, применяют триггеры на вакуумных электронных лампах. Пример такого