Газовый разряд и физические процессы в газоразрядных счетчиках

Газовый разряд и физические процессы в газоразрядных счетчиках. Устройство и принцип работы газоразрядного счетчика Счетчиком может быть любой газонаполненный прибор, поставленный в режим работы, обеспечивающий регистрацию попадания ядерной частицы по возникновению разрядного тока. По своему устройству счетчик является своеобразным конденсатором он состоит обычно из двух электродов.

Форма электродов, как правило, цилиндрическая. Внутренним электродом служит тонкая вольфрамовая можно железо, или др. металл нить диаметром 0,1-0,5 мм. Эта нить натянута вдоль оси второго электрода стеклянного, покрытого с внутренней стороны проводящим слоем, или металлического цилиндра диаметром 1-3 см рис.1. Для существования тока в газе необходимо наличие в пространстве между электродами свободных электрических зарядов и электрического поля, поддерживающего ток. Поэтому, если к электродам приложена разность потенциалов, то ток через счетчик будет проходить лишь при условии, что под действием попавших в счетчик движущихся частиц или квантов электромагнитного излучения в нем образуются ионы. Величина тока в газе не пропорциональна приложенному к счетчику напряжению.

Рассмотрим более подробно показанную на рисунке 2 зависимость величины тока импульса от режима работы счетчика, т.е. от приложенного к электродам напряжения при попадании частицы с определенной кинетической энергией.

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-14A, 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. 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 е 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 и различны для одного и того же напряжения, и поэтому в области ограниченной пропорциональности эти кривые не идут параллельно. Наконец, в области Гейгера при ещ 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 -частиц и -кванта, создающего иногда всего одну пару ионов в рабочем объме счетчика, и от -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.