Основные теоретические понятия

Ионизационные детекторы излучения представляют собой заполненный газом объём для создания в нём соответствующего электрического поля. Ядерное излучение, попавшее в объём детектора, производит в нём первичную ионизацию газа либо непосредственно за счёт потери энергии излучением (в случае заряженных частиц), либо через вторичные эффекты взаимодействия с газовой средой (в случае нейтральных частиц или γ-квантов).

Электроны или ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа, движутся в электрическом поле между электродами, создавая тем самым ионизационный ток. При этом происходит собирание и накопление зарядов на электродах, а также «разряд» источника питания через среду рабочего объёма детектора. Под действием приложенного напряжения, образовавшиеся в результате электроны (ионы) собираются на электродах. Наличие ионизационного тока на нагрузке в виде разности потенциалов, можно зарегистрировать радиометрическим устройством и фиксировать тем самым попадание излучения в объём детектора.

Газонаполненные ионизационные детекторы (счетчики) представляют собой наполненную газом оболочку, в объем которой введены два или три электрода. В газонаполненных детекторах для регистрации частиц используется ионизация газа. Следует отметить, что на выходной сигнал влияет величина первичной ионизации, т.е. число первичных пар ионов, создаваемых в объёме детектора. Первичная ионизация зависит от удельной величины ионизационных потерь (т.е. от энергии, необходимой для образования одной пары ионов), связанной с типом излучения и свойствами среды. Так, потери энергии заряженной частицы (β- частицы) на ионизацию и возбуждение молекул газа зависят от массы, скорости и заряда частицы, а также от плотности и других свойств газа.

В соответствии с характером процесса, обеспечивающего регистрацию излучения, различают:

-ионизационные камеры,

-пропорциональные счетчики,

-счетчики Гейгера-Мюллера.

Наиболее обширную группу детекторов этого типа образуют газонаполненные детекторы. Простейшим из газонаполненных детекторов является ионизационная камера. Она представляет собой систему двух электродов в объеме, заполненном инертным газом (чаще всего аргоном и неоном).

Если частица полностью останавливается в объёме камеры, то по величине собранного заряда (количеству электронов, пришедших на анод) легко определить энергию частицы. Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи, которые трудно регистрировать. Этот недостаток преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением.

Если ещё больше увеличить разность потенциалов между анодом и катодом и довести коэффициент газового усиления до 104 -105, то начинает нарушаться пропорциональность между потерянной частицей в детекторе энергией и величиной импульса тока. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счётчик частиц. При дальнейшем увеличении напряжённости электрического поля (и газового усиления) счётчик переходит в такой режим работы, когда достаточно появления в его объёме одного электрона, чтобы он запустил столь мощный лавинообразный процесс, который способен ионизовать всю область вблизи нити- анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации. Счётчик, работающий подобным образом, называется счётчиком Гейгера-Мюллера. Если разность потенциалов между анодом и катодом в газонаполненном счетчике превысит некоторое критическое значение, то появление в его объёме свободных носителей зарядов вызовет искровой пробой (разряд). При этом амплитуда электрического сигнала с такого счётчика (называемого искровым) может достигать сотен вольт.

Регистрация частиц происходит следующим образом. Частица, попадая внутрь счетчика, вызывает ионизацию газа. Электроны, тяжелые положительные и отрицательные ионы, образованные ионизирующей частицей, двигаясь в электрическом поле, испытывают многократные столкновения, упругие и неупругие, с молекулами газа. Средняя скорость направленного движения электронов и ионов пропорциональна напряженности электрического поля и обратно пропорциональна давлению газа. Возникающий ток обусловлен в основном электронами, так как их подвижность на три порядка выше, чем подвижность тяжелых ионов. Импульс напряжения на сопротивление R1 усиливается и подается на регистрирующую аппаратуру.

На Рис.1 схематически представлены вольт-амперные характеристики газоразрядного промежутка q=f(U) для трёх значений начальной ионизации n0: 105 пар ионов от α-частицы, 103 от β-частицы и 10 от γ- излучения. Здесь предполагается, что постоянная времени τ = R1C1 много больше времени собирания заряда в детекторе.

Рис 1

-При малых значениях U (участок I) происходят два конкурирующих процесса: собирание зарядов на электродах и рекомбинация ионов в газовом объеме.

- Насыщение сохраняется при дальнейшем увеличении U (горизонтальный участок II)

-На участках III и IV образуются лавины электронов и положительных ионов, а возникший при этом разряд называется лавинным или таусендовским. Форма разряда, соответствующая начальной части вольтамперной характеристики, включая и область насыщения (участки I и II), называются тихим разрядом

-На участке V газовое усиление возрастает настолько, что собираемый заряд не зависит от первичной ионизации. Это так называемая область Гейгера.

- Ширина области существования прерываемой короны (участок напряжений V), после которой начинается непрерывный самостоятельный разряд (участок VI), пропорциональна величине сопротивления, включаемого последовательно с детектором для снятия выходного сигнала.

Зависимость скорости счета от уровня радиационного облучения счетчика - важнейшая его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому нередко радиационную чувствительность счетчика выражают через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета - имп/с - к уровню радиации - мкР/с). В тех случаях, когда она не указана (нередких, к сожалению), судить о радиационной чувствительности счетчика приходится по другому его тоже очень важному параметру - собственному фону

О качестве счетчика Гейгера-Мюллера судят обычно по виду его счетной характеристики. Для «хороших» счетчиков протяженность счетной части составляет 100-300 В при наклоне плато не более 3 - 5 % на 100 В. Рабочее напряжение счетчика Vраб выбирают обычно в середине его счетной области.

Измерять активность бета-источников необходимо при эталонировании образцов, при измерениях содержания р/а изотопов в воздухе, воде, почве, при измерении нейтронных потоков активационным методом и т.д. В настоящее время для измерения активности бета-источников довольно широко используется абсолютный метод с помощью торцевых счетчиков.

При измерении активности исследуемый образец помещается под окошко торцевого счетчика, располагающегося в свинцовом домике. Счетчик регистрирует не все частицы, испускаемые источником. Часть бета-частиц проходит мимо рабочего объёма счетчика, часть поглощается на пути следования в измерительный объем воздухом, окном счетчика, препаратом. Поэтому связь между скоростью счетчика и активностью образца можно записать в следующем виде:

где:

n - суммарная скорость счета образца и фона имп/сек

nф - скорость счета фона, имп/сек

Fa - поправка на разрешающее время

F1- поправка на поглощение бета-частиц между образцом и измерительным объемом

F2 - поправка на поглощение в источнике

F3-обратное рассеяние

G - поправка на геометрию

Nβ - эффективность регистрации частиц счетчиком

Ход работы:

I.

Опыт 1, Результаты:

Опыт 2, Результаты:

Вывод:

Были изучены принципы действия и устройства газоразрядных детекторов. Было выяснено, что кол-во импульсов напрямую зависит от напряжения. При увеличении напряжения, кол-во импульсов увеличивалось, достигая насыщения, а также экспериментально выявлено «плато», а также его наклон.

Выявлены и экспериментально определены основные характеристики детекторов с самостоятельным разрядом. Было изучено, что развиваясь лавинообразно, мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией, завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. По существу, при попадании в счетчик Гейгера частицы в нём вспыхивает (зажигается) самостоятельный газовый разряд. При этом величина импульса может достигать десятков вольт. Возникает вспышка коронного разряда и через счётчик течёт ток.

Также определены активности источника бета-излучения с учетом поправок

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: