Реферат: Счетчики ядерного излучения
Вначале, при малых напряжениях на электродах, с ростом напряжения U растет пропорционально и ток I, но, начиная с некоторого значения напряжения Uн, ток достигает насыщения и не изменяется при дальнейшем росте U в значительном интервале 
напряжения. Обьясняется это тем, что при малых напряжениях не все ионы, образовавшиеся под действием излучения, достигают электродов. Часть их сталкивается с ионами противо-положного знака и рекомбинирует. При напряжениях Uн и выше эл.поле настолько велико, что все образующиеся ионы растаскива-ются к противо-положным элек-тродам. Ионизационный ток в интервале напряжений Uн-Uп получил название тока насыщения , так как его величина не зависит от напряжения и определяется только числом образующихся ионов в единицу времени.
Ионизационные приборы, работающие в режиме тока насыщения, наз. ионизационными камерами. Значит, в интервале Uн-Uп счетчик работает как ионизационная камера. Так как одна ионизирующая частица создает очень малый импульс тока (exp(-14)A), то без предварительного усиления не может быть измерен даже чувствительными гальванометрами. Поэтому ионизационные камеры, как правило, делают больших размеров и применяют для регистрации (в отличие от счетчика) целого потока ионизирующих частиц.
2.2. Ударная ионизация. Коэффициент газового усиления.
При дальнейшем увеличении напряжения выше значения Uп при одной и той же начальной ионизации наблюдается рост тока в импульсе. Это означает, что откуда-то в газе берутся дополнительные свободные электрические заряды.
Электроны, образованные первоначальным действием радиации на нейтральные атомы газа, сильно ускоряются электрическим полем, т.к. они обладают малой массой и, следовательно, инерцией. При этом электроны приобретают большую кинетическую энергию, пропорциональную квадрату скорости, и сами становятся быстрыми частицами, способными производить ионизацию при столкновении с нейтральными молекулами и атомами.
Если электрон (бета-частица) пролетает так близко от электрона внешней оболочки атома, что возникающая между ними сила отталкивания превышает силы, удерживающие электрон в атоме, он вылетает за пределы последнего. Такой механизм образования ионов получил название ударной ионизации , а вся область напряжений, при которых она возникает -–области ударной ионизации.
За счет ударной ионизации можно получить значительное увеличение ионизационных токов. Отношение полного числа ионов, пришедших к нити счетчика, к числу первичных ионов, созданных ионизирующей частицей, получило название коэффициента газового усиления . Величина его зависит от приложенного напряжения и может превосходить 10 млн.
Так как газоразрядные счетчики работают в режимах, соответствующих области ударной ионизации, то за счет газового усиления они значительно превосходят ионизационные камеры по своей чувствительности.
2.3. Пропорциональные счетчики
Различают счетчики пропорциональные и счетчики Гейгера-Мюллера. В первых, как показывает само название, возникает импульс тока, пропорциональный первичной ионизации. В этом случае, как видно на рис.2, обе кривые, полученные для первичной ионизации, в области пропорционального счета идут параллельно друг другу. Поэтому по величине импульса, возникшего в пропорциональном счетчике, можно судить о виде частицы или её энергии (первая осцллограмма на рис.2). Коэффициент газового усиления пропорционального счетчика невелик (достигает нескольких тысчяч).
Механизм возникновения разряда в пропорциональном счетчике можно представить на рис.3.
При первом столкновнении количество первичных отрицательных ионов удваивается, при втором - учетверяется, и т.д. В результате целая лавина отрицательных ионов приходит на положительный электрод счетчика, создавая круто нарастающий импульс тока. Последующее развитие тока в импульсе будет определяться движением положительных ионов и параметрами разрядной цепи.
При дальнейшем увеличении напряжения (рис.2) в интервале Uо.п.-Uг пропорциональность между величиной импульса и первичной ионизацией нарушается. Коэффициенты газового усиления для кривых a и b различны для одного и того же напряжения, и поэтому в области ограниченной пропорциональности эти кривые не идут параллельно. Наконец, в области Гейгера при ещё более высоких напряжениях на электродах, превышающих Uг, механизм работы счетчиков значительно усложняется. Здесь величина импульса совершенно не зависит от первичной ионизации. Импульсы одинаковой величины возникают от b-частиц и g-кванта, создающего иногда всего одну пару ионов в рабочем объёме счетчика, и от a-частицы, создающей десятки тысяч пар ионов (вторая осциллограмма на рис.2).
2.4. Непрерывный разряд
К области Гейгера примыкает область непрерывного разряда, для возникновения которого специальный ионизатор не нужен. Достаточно присоединить соответствующеек высокое напряжение, превышающее Uнепр, к электродам, как газ между ними “зажигается” и начинаект напрерывно пропускать ток. Это явление хорошо знакомо по ссвечению неоновых и других газосветных трубок, широко применяемых для рекламы. Следует отметить, что как непрерывный разряд, так и разряд в области Гейгера относятся к самостоятельному разряду, который в отличие от несамостоятельного не требует для своего поддержания непрерывного воздействия внешних ионизаторов.
Непрерывный разряд происходит вследствие двух новых процессов, сопровождающих ударную ионизацию при очень высоких напряжениях:
1. Молекулы, возбужденные соударениями, освобождаются от избыточной энергии, испуская фотоны ультрафиолетового излучения, и переходят в нормальное состояние. Эти фотоны поглощаются практически по всей поверхности катода и благодаря фотоэффекту вырывают из него электроны. Последние, в свою очередь, создают за счет ударной ионизации новые лавины ионов уже во всем междуэлектордном пространстве счетчика.
2. Положительные ионы при таких высоких напряжениях приобретают настолько большую кинетическую энергию, что выбивают из катода свободные электроны.
Эти процессы происходят и в счетчике Гейгера. Однако в этом случае разность потенциалов на электродах не так велика, чтобы “зажигание” счетчика Гейгера происходило самостоятельно. Для “зажигания” счетчика Гейгера необходим внешний ионизатор, воздающий первичную ионизацию - хотя бы одну пару ионов. Из них развивается первая лавина, служащая, в свою очередь, началом непрерывного разряда. Последний поддерживается в счетчике Гейгера упомянутыми выше двумя процессами: высвечиванием возбужденных молекул газа (испусканием фотонов ) и ударами тяжелых положительных ионов о катод.
2.5. Методы гашения непрерывного разряда
Попадание следующей ионизационной частицы в “зажженный” счетчик не может заметно изменить величину тока и, следовательно, не будет зарегистрировано. Поэтому необходимо автоматически прерывать разряд в счетчике Гейгера и, таким образом, подготовлять счетчик к регистрации новой частицы.
Существуют два основных метода гашения разряда:
1. Применение гасящих радиотехнических схем;
2. Заполнение счетчиков подобранными смесями газов.
В соответствии с этим, в первом случае счетчики называют несамогасящимися , во втором - самогасящимися .
2.6. Гасящие схемы
Простейшая схема состоит из большого ( миллиарды ом) сопротивления, включенного последовательно с анодом счетчика. При прохождении по этому сопротивлению импульса тока на нем падает значительная часть напряжения источника питания, а напряжение на электродах в этот момент уменьшается. Начавшийся непрерывный разряд обрывается, так как счетчик оказывается переведенным в режим области пропорционального счета или даже тока насыщения (сдвиг кривой влево на рис.2).
В более сложных схемах гашения обычно используется своего рода отрицательная обратная связь. В ответ на возникший в счетчике импульс тока специальная радиотехническая схема вырабатывает отрицательный импульс напряжения. Этот отрицательный импульс подается на счетчик, снижает разность потенциалов на электродах и , таким образом, вызывает прекращение газового разряда в счетчике.
2.7. Роль газового наполнения в счетчиках
В настоящее время почти исключительно используются самогасящиеся счетчики, которые обладают рядом преимуществ (быстрота действия, упрощение схемы включения, и др.).
Чтобы сделать счетчик самогасящимся, нужно , очевидно, ограничить явления, способствующие установлению непрерывного разряда в счетчике. Прежде всего следует избежать вырывания электронов из катода при поглощении на нем ультрафиолетового излучения, так как это является главной причиной образования непрерывного разряда. Появление самопроизвольных ложных импульсов вслед за регистрацией настоящего импульса , вызванного частицей, попавшей в счетчик, следует связывать с выбиванием электронов из катода положительными ионами и с высвечиванием так называемых метастабильных атомов. Оказалось, что для этого, что для этого к обычному наполнителю - одноатомному газу, например аргону, следует добавить до 10% газа или паров многоатомных молекул некоторых веществ ( этиловый спирт, метан, хлор, и др.). Возможно подобрать такое сочетание газов в смеси, что образующиеся фотоны будут полностью поглощаться многоатомными молекулами на расстоянии в 1-2 мм. от места их возникновения и не смогут поэтому все долететь до катода и вызвать заметный фотоэффект. При этом многоатомные молекулы либо ионизируются, либо диссоциируют на радикалы - распадаются на нейтральные части.
3. ПАРАМЕТРЫ И ТИПЫ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ СЧЕТЧИКОВ
3.1. Классификация счетчиков
Систематизировать большое количество разнообразных типов счетчиков можно по различным признакам. По механизму действия различают счетчики с несамостоятельным и самостоятельным разрядом. К первым относятся пропорциональные счетчики, ко вторым - счетчики Гейгера (острийные) и Гейгера-Мюллера (нитиевые). Счетчики с самостоятельным разрядом бывают, в свою очередь, самогасящимися и несамогасящимися.
практически наиболее важно систематизировать счетчики по их назначению и по конструктивным признакам, причем особенности конструкции часто обуславливаются назначением счетчика. Следует различать счетчики a-, b-частиц, g-квантов, рентгеновских лучей, нейтронов и счетчики специального назначения. Назначение счетчика предъявляет определенные требования к выбору режима работы счетчика и материалов, из которых он изготавливается. Если, например, нужно определить энергию частицы, а не только регистрировать ее наличие, то применяют пропорциональные счетчики. Для счета g-квантов счетчики делают с катодом из тяжелых элементов, а для счета b-частиц, наоборот, предпочитают изготовлять катоды из легких металлов, чтобы уменьшить фотоэффект.
3. 2. Параметры счетчиков
Параметры газоразрядных счетчиков определяются не только конструкцией, материалом, из которого изготовлены электроды, составом и давлением наполняющих счетчик газов, но и технологией изготовления: для получения стабильных результатов требуется высокая чистота и культура производства.