Электрические детекторы радиоактивных излучений

04.09.2012

Для того чтобы обнаружить и определить активность радиоактивного излучения, применяются приборы, называемые детекторами. Детекторы бывают различные: пластинки с фотоэмульсией, изменяющиеся под воздействием радиоактивного излучения; калориметрические, действие которых основано на измерении тепла, выделяемого веществом при поглощении энергии излучения, и, наконец, электрические и сцинтилляционные, позволяющие регистрировать отдельные элементы радиоактивного излучения в момент распада атома
К электрическим детекторам относятся ионизационные камеры, полупроводниковые детекторы и газонаполненные счетчики. Последние в зависимости от режима работ подразделяются на пропорциональные и с самостоятельным разрядом (счетчики Гейгера-Мюллера). В зависимости от состава заполняющих их газов счетчики Гейгера-Мюллюра делятся также на две группы: а) «медленные», или несамогасящие, и б) самогасящие, или «быстрые».
При агрохимических исследованиях почти исключительно пользуются «быстрыми» счетчиками Гейгера-Мюллера, на которых остановимся несколько подробнее.
Счетчики Гейгера-Мюллера представлены несколькими вариантами, различающимися формой и деталями конструкции. Наиболее распространены: а) цилиндрические счетчики, приспособленные для подсчета более «жестких» излучений, обладающих энергией более 0,6 Мэв; б) торцовые счетчики, приспособленные для более «мягких» излучений, с энергией менее 0,6 Мэв.
Цилиндрические счетчики изготовляют из трубок разного диаметра и длины, материалом для них служат стекло, алюминий (вариант Троста) или нержавеющая сталь. Схему устройства цилиндрического счетчика можно видеть на рис. 1, а, где 1 - стеклянный баллон, заполненный или гелием, или аргоном, или азотом и другими газами с добавкой к ним в количестве примерно 10% многоатомных газов или паров: этилена, ацетилена, паров метилового или этилового спирта и т. д., с целью самогашения электрического разряда в счетчике; 2 - клеммы для включения в цепь; 3 - металлическая нить; 4 - металлический цилиндрический катод. В другом варианте цилиндрических счетчиков (вариант Троста) металлический катод отсутствует, его заменяют стенки баллона счетчика, изготовленного из алюминия; схематический рисунок такого счетчика изображен на рис, 1, б, где 1 - алюминиевый баллон, 2 - клеммы; 3 - нить. На рис. 1, в изображен счетчик из нержавеющей стали.

Электрические детекторы радиоактивных излучений

В торцовых счетчиках, приспособленных для «мягкого» слабопроникающего излучения, одна из стенок изготовляется из тонкой слюдяной мембраны, которая и служит местом проникновения в счетчик β-частиц (рис. 2).

Принцип действия счетчика и механизм разряда. На нить счетчика подается от трансформатора или батареи высокое напряжение - для счетчиков типа СТ-6, СТ-7 порядка 300-400 в, для торцовых счетчиков порядка 900-2000 в, а корпус металлического счетчика или катод стеклянного заземляются. Напряжение на нить подается с таким расчетом, чтобы, с одной стороны, не происходило пробоя газовой прослойки между нитью и катодом и не возникал в счетчике самостоятельный разряд и, с другой стороны, чтобы при уменьшении сопротивления газовой прослойки, например вследствие ионизации газов, возникал бы электрический разряд. Как говорилось выше, β-излучение производит ионизацию газа, через который оно проходит, поэтому при подаче указанного напряжения на нить достаточно будет проникнуть внутрь счетчика одной β-частице, как произойдет, вследствие ионизации газа, разряд, возникнет импульс тока, который после усиления в ламповом усилителе может быть учтен электромеханическим счетчиком.
Механизм такого разряда весьма сложен; схематически он сводится к следующему. При проникновении в счетчик электрона происходит ударная ионизация находящихся в счетчике молекул газа и образование положительных ионов и вторичных электронов, которые, нарастая в количестве, направляются ускоряющимися темпами к положительно заряженной нити счетчика. За короткое время, исчисляемое 10в-7-10в-8 долями секунды, эта лавина электронов, количеством около 10000, достигает нити счетчика, где и разряжается. Одновременно с этим процессом при ионизации молекул происходит возникновение ультрафиолетовых лучей, которые вырывают из стенок счетчика фотоэлектроны; последние тоже ускоренным движением направляются к нити, ионизируют новые молекулы газа и создают новую лавину электронов. Таким путем в счетчике возникает непрерывный разряд, который может быть приостановлен или включением в цепь большого сопротивления (несамогасящие счетчики), или присутствием добавки к газам счетчика высокомолекулярных газов или паров: этилена, метилового и этилового спирта и пр. (самогасящие счетчики Гейгера-Мюллера). Спирт и другие добавки поглощают ультрафиолетовое излучение и предупреждают возникновение вторичных лавин электронов. Таким образом, в самогасящих счетчиках каждому проникшему внутрь счетчика электрону соответствует один короткий разряд или импульс тока.
К описанному механизму разряда следует добавить, что положительные ионы (образующиеся при ионизации) благодаря тому, что весь процесс ионизации сосредоточен вблизи нити, где электроны приобретают наибольшую скорость, располагаются вдоль нити счетчика в виде чехла, образуя пространственный заряд. Разряд этого положительного заряда происходит медленнее разряда электронов, что создает так называемое мертвое время счетчика, о чем будет сказано ниже. Недостатком самогасящего счетчика является его ограниченный срок службы в результате постоянного распада наполнителя - многоатомного газа. Счетчик зарегистрировавший около 10в9 импульсов, практически становится непригодным к работе.
Характеристическая кривая счетчика (рабочая характеристика счетчика, плато). Характеристическая кривая счетчика представляет кривую зависимости числа импульсов, возникающих на счетчике в единицу времени, от напряжения, приложенного к счетчику. На рис. 3 приведена в качестве примера кривая для одного из счетчиков Гейгера-Мюллера. Начальный потенциал счетчика, т. е. тот потенциал, при котором в счетчике начинают появляться разряды, в приведенном на рис. 3 примере составляет около 740 в. При увеличении напряжения число импульсов сначала быстро растет, затем в интервале величины потенциала от 880 до 1230 в практически остается постоянным, после чего число импульсов резко возрастает вследствие возникновения в счетчике самостоятельных разрядов. Горизонтальная часть кривой (АВ) получила название плато. Плато является важной рабочей характеристикой счетчика, показывающей, при каком значении поданного на нить потенциала можно вести работу на счетчике, так как только в этом интервале потенциала число импульсов практически не зависит от величины потенциала.

Каждый счетчик характеризуется своим начальным потенциалом и своим плато, поэтому перед началом работы с новым счетчиком прежде всего следует снять его характеристическую кривую. Для этого после включения прибора измеряют число импульсов в 1 мин. от какого-нибудь источника при разных значениях потенциала, начиная с напряжения начала счета, указанного в паспорте, например с 750 в. Увеличивая потенциал каждый раз на 50 в, подсчитывают и записывают число импульсов, возникших в счетчике за 1 мин., пока не будет достигнуто резкое возрастание числа импульсов вследствие появления в счетчике самостоятельных разрядов. Данные измерений наносят на график, по которому и устанавливают рабочее плато счетчика.
К новым счетчикам, поступающим в лаборатории, всегда прилагается их характеристика с указанием начального потенциала и рабочего плато. Но следует иметь в виду, что характеристическая кривая и положение на ней плато несколько изменяются со временем, особенно при работе, почему следует раз в 3-6 месяцев снова строить кривую и определять по ней плато. Рабочее напряжение следует устанавливать всегда в пределах первой трети плато. В области плато счетчики регистрируют 100% попадания в него частиц.
Ложные, или самопроизвольные, разряды. Явление ложных импульсов состоит в появлении в счетчиках дополнительных разрядов, которые прямо не связаны с прохождением через счетчик той или другой ионизирующей частицы, например электрона. Появление ложных импульсов связано с материалом катода, загрязнением его поверхности, термической и химической обработкой его. Они всегда появляются в виде группы импульсов, следующих один за другим через равные промежутки времени, и возникают после разряда, вызванного ионизирующей частицей. Характер их появления позволяет легко отличить их от импульсов, вызванных ионизирующей частицей, которые возникают во времени хаотически, неравномерно. Ложные импульсы присущи всем счетчикам. Но в счетчиках хорошего качества число их незначительно, и они почти не влияют на точность подсчета; не оказывают они влияния и на положение характеристической кривой счетчика и ее плато. В счетчиках плохого качества наличие большого числа ложных импульсов приводит к нарушению точности отсчета импульсов и вида характеристической кривой счетчика: более крутому подъему ее после плато и нарушению горизонтальности плато. Хорошие счетчики имеют плато протяженностью 150-200 в и более и наклон плато не более 2-3% на 100 в.
Мертвое время счетчика. При описании механизма разряда в счетчике было указано, что вокруг нити при разряде образуется, в виде чехла, положительный пространственный заряд, который в связи с меньшей скоростью более крупных положительных ионов ликвидируется значительно медленнее, чем заряд лавины отрицательных электронов. Время, необходимое на разрушение положительного заряда, получило название мертвого времени, так как при наличии этого заряда новый импульс тока в счетчике возникнуть не может, даже при проскоке через счетчик ионизирующей частицы. Продолжительность мертвого времени каждого счетчика постоянна для каждого поданного напряжения и имеет порядок 10в-4 сек. (при одном и том же числе импульсов).