СЧЕТЧИКИ НЕВИДИМЫХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ

Как работает ионизационная камера

В простейшем случае ионизационная камера представ­ляет собой устройство из двух металлических пластин, изолированных одна от другой и разделенных газовым про­межутком. Любой воздушный конденсатор может выпол­нять роль ионизационной камеры. Пространство между пластинами называют рабочим объемом камеры. Если на пластины подать постоянное напряжение, то в пространстве между ними образуется электрическое поле, силовые ли­нии которого направлены от положительной пластины к отрицательной. На электрически заряженную частицу, помещенную в электрическое поле, будут действовать силы, под действием которых она будет двигаться по пути, совпа­дающем с направлением силовых линий. Направление дви­жения положительно заряженных частиц совпадает с на­правлением силовых линий поля. Отрицательные частицы движутся в противоположном направлении, то есть навстре­чу силовым линиям поля.

Рассмотрим процессы, происходящие в рабочем объеме ионизационной камеры. При отсутствии напряжения на электродах камеры ионы и электроны, образованные в рабо­чем объеме в результате действия радиоактивного излуче­ния, движутся беспорядочно вместе с нейтральными ато­мами, часть из них рекомбинируется, не достигая электро­дов, часть случайно попадает на электроды. Если теперь на электроды подать постоянное небольшое напряжение, то под действием электрического поля ионы и электроны приобретают направленное движение, соответствующее ли­ниям поля (рис. 8). При этом электроны движутся к поло­жительно заряженной пластине — аноду, а положительные ионы — к отрицательно заряженной пластине — катоду. Скорость движения тяжелых положительных ионов в ты­сячи и десятки тысяч раз меньше скорости движения легких электронов.

При малом напряжении на электродах поле между ними слабое и частицы движутся медленно. Поэтому большинство из них, не доходя до электродов, рекомбинирует, т. е. пре­
вращается в нейтральные частицы газа. Вследствие этого во внешней цепи ток будет очень малым.

Сила ионизационного тока равна общему суммарному электрическому заряду, принесенному заряженными час­тицами к поверхности электрода в течение одной секунды. Чем больше ионов собирается у электродов, тем больше сила тока. Этот ток регистрируется с помощью какого-либо электроизмерительного прибора, включенного в цепь ка­меры.

С увеличением приложенного к пластинам напряжения увеличивается сила электрического поля и все большее

Мзмертеятш лри/Зор

Число заряженных частиц, не успевая рекомбинировать, попадает на электроды. Сила тока во внешней цепи увели­чивается (рис. 9, участок от О до Л).

Наконец, при некотором напряжении U сила электри­ческого поля возрастает настолько, что все заряженные частицы, образованные внешним ионизатором в рабочем объеме камеры, будут попадать на электроды. В этом слу­чае сила тока во внешней цепи определяется только иони­зационной способностью данного радиоактивного излуче­ния. Если ионизационная способность радиоактивного излу­чения не меняется, то и ток в цепи камеры течет неизменный (участок кривой А Б). Такой ток называют током насыще­ния камеры.

При дальнейшем увеличении напряжения за точку U2 Ток, протекающий в цепи камеры, начинает вновь возрас­тать сначала медленно, затем все быстрее и быстрее (учас­ток кривой выше точки Б). Это объясняется тем, что при

2 а. В. Александров
напряжении выше точки U2 сила электрического поля внут­ри камеры возрастает настолько, что электроны под дей­ствием его приобретают скорости, достаточные для иони­зации атомов нейтрального газа при их встрече. Поэтому сила тока во внешней цепи определяется общим числом зарядов, образованных под действием внешнего ионизатора и под действием ионизации ударами электронов внутри рабочего объема камеры.

Кривая зависимости ионизационного тока камеры от величины приложенного напряжения носит название вольт - амперной характеристики. На участке характеристики

/

О и; иг и

/Улржж № жтрадая камеры

И

Рис. 9. Вольтамперная характеристика иони­зационной камеры.

От О до Б в газоразрядном промежутке происходит так называемый тихий разряд.

Ионизационные камеры работают, как правило, в об­ласти тока насыщения. Так как величина этого тока про­порциональна числу образующихся ионов, она может слу­жить мерой ионизационной способности радиоактивного излучения.

В зависимости от применения ионизационные камеры бывают двух типов. Камеры, используемые для измерения суммарной ионизации, вызванной прохождением через ее рабочий объем значительного количества ионизирующих частиц, называют интегрирующими ионизационными каме­рами. В такой камере, если она работает в области насы­щения, спустя очень небольшой промежуток времени после начала действия излучения, наступает равновесие между числом пар ионов, возникающих в камере за единицу вре­мени, и числом пар ионов, уходящих на электроды за то
же время. Величина тока насыщения равна произведению числа пар ионов, возникающих за секунду в одном куби­ческом сантиметре камеры, на ее рабочий объем и на заряд каждого иона. Поэтому величина тока насыщения может служить мерой мощности дозы излучения. Последняя про­порциональна числу пар ионов, образующихся в одном кубическом сантиметре в единицу времени.

Вторым типом являются счетно-ионизационные камеры, которые служат для регистрации и определения ионизаци­онной способности одной какой-либо ионизирующей час­тицы (например, а-частицы), попавшей в рабочий объем камеры.

От ионизационной камеры до счетчика Гейгера — Мюллера

Рассмотрим устройство, представленное на рисунке 10, состоящее из металлического цилиндра, по оси которого

Радиоактивное излучение

На изоляторах натянута проволока — нить. Такое устрой­ство мы будем называть газоразрядным счетчиком. На ри­сунке показан поперечный разрез счетчика. Цилиндр со­единим с отрицательным полюсом батареи и поэтому

2*
Назовем его катодом; нить через сопротивление нагрузки — с положительным полюсом и будем называть ее анодом.

Если через рабочий объем счетчика пройдет ионизирую­щая частица, то на пути ее движения возникнут положитель­ные ионы и электроны[7]), которые под действием электриче­ского поля перейдут на электроды: электроны на нить, ионы на цилиндр. Во внешней цепи пройдет импульс тока, кото­рый образует импульс падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Этот импульс напряжения можно зафик­сировать с помощью регистрирующего устройства.

Рассмотрим, как будет изменяться количество электри­чества в импульсе тока в зависимости от величины прило­женного к счетчику напряжения. Вначале, при очень ма­лых напряжениях, так же как и в ионизационной камере, количество электричества в импульсе будет соответствовать неполному числу электронов, дошедших до нити, так как часть из них вследствие слабости электрического поля по пути успеет рекомбинировать. Поэтому с ростом напряже­ния на счетчике растет и количество электричества в им­пульсе. При некотором напряжении все электроны, образо­вавшиеся в процессе ионизации радиоактивной частицей, будут попадать на нить, и количество электричества в им­пульсе не возрастает. Наступает ток насыщения. Этому соот­ветствует горизонтальный участок кривой / на рис. 11.

Количество электричества в импульсе на этом участке определяется только ионизационной способностью первич­ного ионизатора. Чем больше эта способность, тем больше количества электричества в импульсе. Так, а-частице, обладающей наибольшей ионизационной способностью, соот­ветствует верхняя кривая. Область напряжения от О до Uu участок /, называют областью ионизационной камеры, так как на этом участке счетчик работает как ионизационная камера, т. е. величина собранного на электродах заряда равна суммарному заряду электронов, образованных в про­цессе ионизации.

Когда напряжение на счетчике превышает некоторую величину Uv при которой напряженность (сила) электри­ческого поля возрастает настолько, что электроны приобре­тают скорость, достаточную для производства ударной ионизации, количество электричества в импульсе возрас­тает за счет дополнительной ионизации газа соударяющими­ся электронами. При медленном увеличении напряжения этот процесс ударной ионизации сначала происходит толь­ко около нити, где напряженность поля наибольшая. Нам известно, что ионизация атома электроном может про­изойти только в том случае, когда энергия электрона будет равна или больше потенциала ионизации газа, в котором он движется. При каждой встрече с нейтральным атомом элек­трон теряет большую часть своей кинетической энергии.

Если напряженность электрического поля будет такой, при которой электрон до следующего столкновения успеет набрать энергию, равную потенциалу ионизации газа, то при столкновении произойдет акт ионизации, то есть из электронной оболочки атома освободится электрон. Этот «вторичный» электрон вместе с «первичным» вновь разго­няются полем и при следующих соударениях каждый из них вновь ионизирует атомы, создавая новые «вторичные» электроны.

Количество их быстро нарастает, наподобие грозных снежных лавин, скатывающихся по крутым склонам гор. Этот процесс поэтому и называют процессом образования электронных лавин. В результате этого процесса с увеличе­нием напряжения количество электричества в импульсе быстро нарастает (участок II на рис. 11).

При своем движении к нити электрон, образованный внешним ионизатором, рождает на своем пути большое чис­ло новых ионов и электронов. Очевидно, количество элек­тричества в импульсе на участке напряжений II будет во столько раз больше количества электричества в импульсе на участке /, во сколько раз «размножится» первичный элек­трон. Электрический ток в счетчике как бы умножает­ся, усиливается, так же как в фотоэлектронном умножи­теле.

Усиление достигает десятков тысяч раз. Число, в кото­рое увеличивается количество протекающего через счетчик электричества по сравнению с участком напряжений /, принято называть коэффициентом газового усиления. Ве­личина коэффициента газового усиления может изменяться в пределах от единицы, в случае когда счетчик работает в режиме ионизационной камеры (участок кривой /), и приблизительно до нескольких тысяч в конце участка II. На этом участке величина коэффициента газового усиле­ния не зависит от числа первичных электронов. Независи­мо от того, создан ли первичный импульс от укванта> ^-частицы или ос-частицы, он усиливается в постояннее число раз.

Поэтому здесь, так же как и в камере, величина импульса будет пропорциональна ионизирующей способности радио­активного излучения, вследствие чего эту область назы­вают областью пропорционального усиления. А счетчик, работающий в этой области, называют пропорциональным счетчиком. Пропорциональные счетчики характеризуются не только тем, что величина коэффициента газового уси­ления б них не зависит от первоначального числа пар, созданных внешним ионизатором, а также и тем, что раз­ряд в них прекращается сразу же после прекращения внешней ионизации. Такой вид разряда называется не­самостоятельным разрядом. С увеличением напряжения коэффициент газового усиления возрастает.

При дальнейшем увеличении напряжения выше U2 ко­эффициент усиления начинает зависеть от величины началь­ной ионизации. Для импульсов, получающихся в резуль­тате прохождения частиц с большой ионизирующей способ­ностью, коэффициент усиления меньше, чем для им­пульсов от частиц с малой ионизирующей способностью Поэтому область напряжений от U2 до Uz называют об­ластью ограниченной пропорциональности.

Если продолжать увеличивать напряжение на счетчи­ке, то величина количества электричества в импульсе уже не зависит от величины начальной ионизации. В этом слу­чае счетчик вступает в режим самостоятельного разряда, т. е. такого разряда, при котором, если не принять специаль­ных мер, возникающий разряд не прекращается после уда­ления внешнего ионизатора, т. е. разряд сам себя поддер­живает. Область напряжений от Uz до получила наз­вание области Гейгера, а счетчики, работающие в этом режиме,— счетчиков Гейгера — Мюллера, или газораз­рядных счетчиков.

У этих счетчиков величина импульса напряжения на нагрузочном сопротивлении не зависит от первоначальной ионизации. Вследствие этого такие счетчики не могут слу­жить непосредственно для измерения ионизирующего дей­ствия излучения. Но эти счетчики обладают огромной чув­ствительностью: достаточно в счетчике появиться хотя бы одному электрону, как в нем рождается электронная лави­на и во внешней цепи пройдет импульс тока.

Если напряжение на счетчике поднять выше точки £/4, счетчик вступает в область непрерывного разряда и стано­вится непригодным для регистрации ионизирующих частиц.

Таким образом, в зависимости от приложенного напря­жения счетчик может работать как ионизационная камера, как пропорциональный счетчик и как газорязрядный счет­чик Гейгера — Мюллера. Однако на практике они пред­ставляют собой три типа различных приборов с различными конструкциями и в зависимости от назначения применяют тот или иной прибор.

В дальнейшем мы остановимся на рассмотрении только счетчиков с самостоятельным разрядом — газоразрядных счетчиков.