Газоразрядный детектор ионизирующих излучений - счетчик Гейгера-Мюллера (110

Eγ = 660 кэВ известной интенсивности и затем при такой же геометрии из-

мерений источник гамма-излучения радионуклида кобальта-60 известной интенсивности, установив перед входным окном счетчика алюминиевую фольгу толщиной 0,1 0,3 мм, а затем без фольги. Статистическая погрешность измерений должна быть не более 5 %, что определяет длительность измерений и вклад фонового излучения.

Для оценки зависимости относительной светосилы от геометрии измерений, а именно от расстояния между окном торцевого СГМ или поверхностью цилиндрического счетчика и поверхностного коллиматора, проведите измерения интенсивности потока гамма-излучения радионуклида, например цезия-137 или кобальта-60 при двух расстояниях между коллиматором и СГМ. Статистическая погрешность измерений не должна превышать 5 %.

Результаты измерений представить в форме таблицы.

Контрольные вопросы и задачи Вопросы

1)Объясните механизм развития самостоятельного газового разряда в счетчике Гейгера–Мюллера.

2)Объясните механизм гашения разряда в самогасящихся счетчиках Гейгера с многоатомными газовыми компонентами и с галогенами.

3)Объясните вид наблюдаемой счетной характеристики.

4)Почему амплитуды импульсов напряжения СГМ не зависят от энергии регистрируемого излучений?

5)Объясните причины возникновения мертвого времени СГМ.

6)От каких параметров СГМ зависит мертвое время и почему?

7)Почему срок службы счетчиков Гейгера–Мюллера с многоатомными добавками к рабочему газу ограничен регистрацией не более 1010 импульсов, в отличие от галогенной добавки?

8)Почему амплитуда импульса напряжения счетчика Гейгера–Мюллера зависит от напряжения, приложенного к счетчику V ?

11

9)Как влияет мертвое время на результат измерения интенсивности потока изучаемого излучения?

10)Почему самостоятельный разряд счетчика Гейгера–Мюллера распространяется вдоль анодной нити?

11)В чем различие в механизмах работы и назначении торцевых и цилиндрических СГМ?

12)Объясните механизм гашения разряда в счетчиках с галогеном, обеспечивающим гашение.

13)Как зависят амплитуда сигнала и мертвое время от соотношения радиусов анода и катода и давления газа в счетчике?

Задачи

1. Счетчик Гейгера–Мюллера имеет радиус катода rк = 1 см и радиус анода rа = 50 мк. Счетчик наполнен аргоном при давлении 70 мм рт. ст.

Оценить амплитуду импульса, если на счетчик подано напряжение V = 830 В. Подвижность положительных ионов аргона в аргоне составляет 1,5 см2/В сек для E/p = 1–30 В/см мм рт. ст. Скорость дрейфа электронов в аргоне для интервала E/p = 0,25 – 4 В/см мм рт. ст. составляет (2,8 – 13) ×

×105 см / с.

2.Оценить число молекул гасящего газа диссоциирующих в данном разряде, если амплитуда импульса на выходе самогасящегося счетчика равна 10 В, а эквивалентная емкость составляет 20 пар.

3.Оценить срок службы самогасящегося счетчика Гейгера–Мюллера диаметром 2 см с длиной 20 см, наполненного до давления 100 мм рт. ст. смесью из аргона (90 %) и спирта (10 %), если счетчик считается выведенным из строя, если диссоциирует 80 % молекул гасящего газа.

4.Счетчик Гейгера–Мюллера, диаметром 2 см, имеющий медные стенки, толщиной 200 мк, заполнен аргоном давлением 750 мм рт. ст. Сравнить долю гамма-квантов кобальта-60, поглощенных в стенках и газе счетчика, если поток квантов направлен перпендикулярно оси счетчика.

12

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

5.Векслер В. Ионизационные методы исследования излучений /

В. Векслер [и др.]. – М ; Л. : ГИТТЛ, 1949. – 424 с.

6.Групен К. Детекторы элементарных частиц / К. Групен. – Новосибирск : Сибирский хронограф, 1999. – 407 с.

7.Гришина Т.В. Сборник задач по курсу «Методы регистрации излучений» / Т.В. Гришина, Г.И. Климова, О.В. Михайлова. – М. : МИФИ, 1969.

13

Приложение 1

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГИСТРАЦИИ

Эффективность регистрации излучения СГМ зависит от вероятности ионизации излучением газа в счетчике, которая в свою очередь зависит от вида и энергии излучения, а также от таких параметров СГМ, как его геометрические размеры чувствительного объема, материала и толщины катода (или входного окна), через который излучение попадает в объем СГ.

Так, для гамма-излучения с энергией более 0,1 МэВ вероятность его взаимодействия W с газом в объеме СГМ существенно меньше вероятности взаимодействия с материалом входного окна или (катода счетчика). Это легко показать, поскольку W ~1−exp−μ(E ) d , где μ(E ) – линейный коэффи-

циент ослабления гамма-излучения с энергией E в веществе поглотителя толщиной d , с атомным номером Z и плотностью ρ . А так как для газа в СГМ величина μd много меньше, чем для катода из металла, то вероятность ионизации газа непосредственно гамма-квантом, пропорциональная W , пренебрежимо мала в сравнении с вероятностью W ионизации электроном, образовавшимся в катоде счетчика под действием гамма–кванта.

Таким образом, эффективность регистрации εγ гамма-излучения с данной энергией Eγ определяется следующими факторами: вероятностью

взаимодействия излучения с веществом катода (входного окна) СГМ, которая с ростом Eγ до 2 МэВ уменьшается; вероятностью попадания вторично-

го электрона, (образованного в результате взаимодействия гамма-кванта с катодом), в чувствительный объем детектора, которая увеличивается с ростом Eγ в связи с увеличением энергии вторичных электронов и, соответст-

венно, ростом длин их пробега в катоде СГМ и увеличением возможности выхода в газовый объем; вероятностью ионизации газа этими вторичным электроном.

Для получения максимальной эффективности регистрации излучения с данной Eγ необходимо, чтобы толщина катода была примерно равна дли-

не максимального пробега вторичных электронов в катоде. Следовательно, εγ ~WQ , где Q = exp(−λR) – вероятность электрону с

энергией T пройти слой вещества катода толщиной R при линейном коэффициенте поглощения электрона λ . Поскольку T ~ T (Eγ ), а λ ~ λ(T ) – убы-

вающая функция, то при данном Eγ функция ε (Eγ , R) имеет максимум при некоторой толщине R данного катода. Очевидно, R зависит от Eγ и мате-

риала катода. На рис. 4 приведены зависимости эффективности регистрации гамма-излучения различными СГМ и влияние на εγ материала катода.

14

Для регистрации бета-частиц применяют СГМ одного из двух следующих типов. При низкой энергии бета-частиц с максимальной энергией бета-спектра ~0,8 МэВ применяют торцевые СГМ, в которых бета-частицы попадают в чувствительный объем счетчика через тонкий слой вещества

(слюды), толщиной 1–5 мг/см2 в торце счетчика.. При большой энергии бе- та-частиц с максимальной энергией бета-спектра выше 0,8 Мэв применяют СГМ с металлическим катодом (как и для гамма-излучения), например, из стали толщиной 40–60 мг/ см2.

В отличие от гамма-квантов бета-частицы обладают достаточно высокой ионизирующей способностью. Практически каждая бета-частица в слое газа толщиной ~1 см при нормальном давлении образует несколько ионэлектронных пар, что достаточно для возникновения самостоятельного разряда в СГМ. Поэтому эффективность регистрации бета-частиц близка к 1. Способность к регистрации бета-излучения СГМ зависит от толщины и свойств вещества, отделяющего чувствительный объем СГМ от бетаисточника.

16

Приложение 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕРТВОГО ВРЕМЕНИ

Определение мертвого времени СГМ методом Стевера

Рассмотрим отдельные стадии разряда в СГМ. При вспышке газового разряда, вызванной попаданием ионизирующей частицы, вокруг нити-анода образуется облако электронов и положительных ионов. Так как подвижность электронов велика по сравнению с подвижностью ионов, то электроны соберутся возле нити прежде, чем положительные ионы успевают от нее удалиться. При этом потенциал нити резко падает. Падение потенциала анода и наличие в объеме СГМ облака положительных ионов снижают величину электрического поля в области ударной ионизации счетчика до величины, при которой невозможно развитие самостоятельного разряда в счетчике. Частица, попавшая в объем СГМ в этот период, не будет зарегистрирована счетчиком.

По мере отхода положительных ионов от нити поле вблизи анода постепенно возрастает. Когда ионное облако отойдет от анода на достаточное расстояние, называемое критическим радиусом rкр, поле возрастает до величины, при которой становится возможным развитие самостоятельного разряда в счетчике.

Таким образом, с момента (t = 0) попадания инициирующей частицы, вызвавшей разряд в СГМ, и до момента (t = TМ), когда положительное ионное облако отойдет от анода на расстояние rкр, СГМ оказывается нечувствительным к ионизирующим частицам, попавшим в его объем. Интервал времени TМ называют мертвым временем счетчика.

Время, затрачиваемое на перемещение ионного облака от rкр до катода, называют временем восстановления τвост СГМ. По истечении этого времени поле внутри счетчика восстанавливается до исходного значения. Частица, попавшая в объем счетчика в период времени восстановления, вызывает разряд в счетчике. Однако амплитуда импульса при этом будет, меньше номинальной, в соответствии с пониженной напряженностью поля, вызванной экранирующими свойствами ионного облака.

Мертвое время и время восстановления СГМ можно измерить при помощи осциллографа со ждущей разверткой. Если присоединить выход ГСМ к осциллографу, то при малой частоте следования импульсов, каждый импульс будет запускать развертку. Луч осциллографа при этом нарисует на экране этот импульс так, что его начало будет совпадать с началом развертки (см. рис. 5 – сплошная линия).

Если теперь увеличивать интенсивность облучения СГМ, то все чаще будут иметь место случаи, когда один импульс запускает развертку, а следующий возникает раньше, чем луч осциллографа успевает пробежать весь экран.

17

При ντ≤ 0,1можно τ определить по упрощенной формуле:

τ = I1 + I2 − I3 .

2I1 I2

Дисперсия τ оценивается по формуле:

19

Приложение 3

ФОРМА ВЫХОДНОГО СИГНАЛА СГМ

Ионизирующее излучение, попадая в объем СГМ, может ионизировать с некоторой вероятностью газ, заполняющий СГМ, что вызывает вспышку самостоятельного газового разряда, если напряжение V, приложенное между катодом и анодом СГМ, превышает значение V3, называемое напряжением зажигания. Величина V3 зависит от радиусов анода ra и катода rк, давления Р и характеристик газа ϕ, g следующим образом:

Ток разряда приблизительно можно представить в виде J = (V −V3 )Rb ,

где Rb – внутреннее сопротивление счетчика. Величину (V – V3) называют напряжением на счетчике. Величину Rb характеризует формула:

Rb = rk2 ln rk ra , 2K l V3

где l – длина чувствительного (газоразрядного) объема счетчика, K – эмпирическая константа.

Форма импульса напряжения

нии несамогасящегося СГМ в электрическую цепь, показанную на рис. 1, задается приблизительным выражением:

тивлением нагрузки R счетчика и эквивалентной емкостью С, tm – момент времени, в который импульс U (t ) достигает максимального амплитудного

значения U (t = tm )=Um .

Для t > tm U (t ) =Um e−tτ . Если R >> Rb , то для t < tm формула для U (t ) имеет вид:

U(t ) = (V0 −V (t )) (1−e−tτ ), для t < tm .

Всамогасящемся СГМ для интервала от момента зажигания разряда до полного завершения активной стадии разряда зависимость величины импульса от времени имеет вид:

20