Газоразрадные счетчики

Газоразрядные счетчики являются наиболее распространенными средствами обнаружения и измерения ионизирующих излучений. Эти детекторы отличаются от ионизационных камер большей чувствительностью – они способны зарегистрировать появление в их чувствительном объеме одной пары ионов. Так, если ионизационные камеры, регистрирующие суммарную ионизацию, в основном используются для целей дозиметрии, то газоразрядные счетчики, в основном, применяются в целях радиометрии.

Импульс тока, создаваемый одной частицей, очень мал и не может быть зарегистрирован без специальных усиливающих электронных устройств. Именно поэтому ионизационные камеры, как правило, используются для измерения большого числа ионизирующих частиц и имеют значительные размеры. По этим же причинам газоразрядные счетчики чаще всего используются для измерения отдельных частиц и имеют небольшие размеры. В зависимости от приложенного напряжения различают несколько типов газоразрядных счетчиков (рис.4).

Рис.4. Зависимость амплитуды импульса А от напряжения U для различных режимов работы импульсного ионизационного детектора

Счетчики, с помощью которых получают импульс тока, пропорциональный первичной ионизации, получили название пропорциональных счетчиков. Если еще повышать напряжение, то счетчик перейдет в область самостоятельного разряда, когда импульс тока, создаваемого счетчиком, не зависит от начального числа пар ионов в чувствительном объеме детектора. Такие счетчики называются счетчиками Гейгера-Мюллера (рис. 5).

Рис. 5. Схема стеклянного счётчика Гейгера-Мюллера:

1 – герметически запаянная стеклянная трубка; 2 – катод (тонкий слой меди на трубке из нержавеющей стали); 3 – вывод катода; 4 – анод (тонкая натянутая нить)

С помощью ионизационной камеры можно измерить суммарную ионизацию, но нельзя установить число создающих ее частиц. Счетчиком Гейгера-Мюллера можно сосчитать число ионизирующих частиц, не идентифицируя их природы. Характерной особенностью счетчиков Гейгера-Мюллера – необходимость гашения самостоятельного разряда. В соответствии с применяемым методом гашения самостоятельного разряда счетчики разделяются на самогасящиеся (с внутренним гашением) и несамогасящиеся (с внешним гашением).

Импульсы, возникающие в счетчике, подаются на усилитель и далее регистрируются пересчетным прибором. Порог чувствительности усилителя обычно соответствует началу области Гейгера, поэтому импульсы с меньшей амплитудой не попадают на пересчетное устройство. Зависимость скорости счета импульсов от напряжения на счетчике при постоянной интенсивности излучения является счетной характеристикой (рис.6).

Рис.6. Счетная характеристика газоразрядного детектора

В начальной части (1) счетной характеристики скорость счета быстро возрастает до практически постоянного значения в области плато (2), которое является рабочей областью счетчика. На этом участке скорость счета не зависит от напряжения, т.к. она равна постоянной скорости образования первичных ионизаций в чувствительном объеме счетчика. Небольшой наклон кривой в рабочей области обусловлен эффектом прилипания электронов к молекулам галогенов. Потеря этого электрона в области ударной ионизации приводит к появлению после разряда, который и формирует ложный импульс. За областью плато расположен нерабочий участок (3), в котором число ложных импульсов быстро увеличивается с ростом напряжения и, в конце концов, возникает непрерывный разряд, не поддающийся гашению.

Эффективность регистрации α- и β-частиц, ионизирующих газ между электродами счетчика с самостоятельным разрядом, составляет практически 100%.

Вероятность ионизации газа внутри счетчика Гейгера-Мюллера гамма-квантами чрезвычайно мала, регистрация гамма-излучения обеспечивается за счет вторичных электронов, выбитых из стенки счетчика. Вторичный электрон вылетает в чувствительный объем и создает первичную ионизацию, которая запускает разряд. Зависимость эффективности регистрации гамма-излучения от толщины стенки приведена на рис. 7.

Рис.7. Зависимость эффективности регистрации гамма-излучения  от толщины стенки (х) газоразрядного детектора

На начальном участке эффективность регистрации растет с увеличением толщины стенки, т.к. растет вероятность образования вторичного электрона в стенке счетчика. При толщинах стенки больше длины свободного пробега электрона вероятность проникновения вторичных электронов через стенку в чувствительный объем счетчика начинает уменьшаться, что приводит к уменьшению вероятности регистрации гамма-кванта. Максимальное значение эффективности регистрации – при попадании наибольшего числа вторичных электронов в чувствительный объем счетчика. При этом толщина стенки должна быть близкой к длине свободного пробега электрона. Например, при регистрации гамма-квантов с энергией 1 МэВ счетчиком с латунным катодом оптимальная толщина стенки счетчика составляет 0,5 мм, а эффективность регистрации гамма-квантов – 0,026.

Зависимость эффективности регистрации гамма-излучения от энергии счетчиком с тонкой стенкой (х < х_max) определяется соответствующей зависимостью линейного коэффициента передачи энергии для материала стенки. В случае толстой стенки (x > x_max) эффективность регистрации гамма-излучения пропорциональна его энергии, что используется для измерения мощности дозы гамма-излучения счетчиками Гейгера-Мюллера. Действительно, чем больше энергия гамма-кванта, тем больше энергия вторичного электрона, выбитого гамма-квантом из стенки счетчика. Чем больше энергия вторичного электрона, тем с большей толщины стенки он выбивается в чувствительный объем, т.е. увеличивается действующая толщина стенки. Таким образом, чем больше энергия гамма-кванта, тем выше эффективность его регистрации счетчиком с толстой стенкой (рис. 8), т.е. чем больше мощность дозы гамма-излучения (Рγ~Еγ), тем больше скорость счета импульсов счетчиком.

Рис.8. Зависимость эффективности регистрации гамма-излучения счетчиком

Гейгера-Мюллера с толстой стенкой от энергии

Для регистрации β-частиц с энергией 0,05–0,3 МэВ, а также α-частиц применяются торцевые счетчики Гейгера-Мюллера с входным окном на торце, закрытым слюдяной пластинкой, нейлоновой пленкой или алюминиевой фольгой. Толщина входного окна определяет его проницаемость для регистрируемых частиц. Анодом счетчика служит вольфрамовая нить, впаянная в центре стеклянного корпуса, катодом – медная цилиндрическая стенка. Для регистрации β-частиц с энергией более 0,3 МэВ используются цилиндрические счетчики с тонким алюминиевым катодом. Анод – вольфрамовая нить – крепится в стеклянных трубках.

Для регистрации γ-квантов применяют цилиндрические счетчики, в которых катодом служит тонкий проводящий слой из графита, меди или вольфрама, нанесенный напылением на внутреннюю поверхность стеклянной трубки. Анодом служит вольфрамовая нить, натянутая по оси счетчика.

К основным преимуществам газоразрядных счетчиков относится значительная амплитуда выходного сигнала, а также простота конструкции, низкая стоимость и малое значение фона по сравнению со сцинтилляционными и полупроводниковыми детекторами. К основным недостаткам – ограниченный диапазон измерений и меньшая, чем у ионизационных камер, надежность.

При регистрации нейтронов используют ионизацию, произведенную атомными ядрами или возникающую в результате ядерных реакций и упругих соударений с нейтронами. Для регистрации медленных нейтронов применяют счетчики с борными наполнителями (BF₃), для быстрых нейтронов – с органическими наполнителями. Т.к. детектирование нейтронов ведется, как правило, при наличии высокого уровня гамма-фона, дающего меньший импульс по сравнению с импульсом от атомных ядер и протонов отдачи, то для их регистрации используют счетчики, работающие в пропорциональном режиме.