СЧЕТЧИКИ НЕВИДИМЫХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ

Низковольтные газовые смеси

Такому условию, когда потенциал метастабильного со­стояния основного газа выше потенциала ионизации при­меси, удовлетворяют многие гасящие примеси, применяе­мые в газоразрядных счетчиках. Но не всякое количество примеси в основном газе будет приводить к понижению по­тенциала. Например, спиртовые счетчики известны как
высоковольтные счетчики (потенциал зажигания разряда в них около 700—800 в и более) только потому, что количе­ство паров спирта в них очень велико.

Это приводит к большему числу столкновенийэлектронов, движущихся в газе с молекулами гасителя. В результате энергия электронов долгое время удерживается ниже, чем энергия местастабильного состояния и потенциала иониза­ции основного газа. А это в свою очередь задерживает раз­витие и нарастание электронных лавин, вследствие чего возрастает потенциал зажигания разряда.

Если теперь понижать количество паров спирта в счет­чике, то при очень небольшом количестве его в смеси на­ступает такой момент, когда электроны очень мало стал­киваются с молекулами спирта. Тогда начинает действовать механизм понижения потенциала ионизации смеси за счет передачи энергии метастабильных атомов неона молекулам спирта. Однако в этом случае паров спирта в счетчике будет настолько мало, что они не будут в состоянии гасить разряд и счетчик не станет самогасящимся. Были, например, из­готовлены счетчики с низким потенциалом зажигания путем прибавления многоатомных паров при давлении в доли мил­лиметра ртутного столба к смеси неон — аргон. Однако такие счетчики имели очень небольшое время жизни и для гашения разряда в них необходимо было применять гасящие схемы, то есть такие счетчики были практически не самога­сящимися. Ясно, что если бы удалось найти такой газ, ко­торый имел бы потенциал ионизации ниже потенциала воз­буждения метастабильного состояния основного газа и при малых примесях его к основному газу сохранял свои гася­щие свойства и позволял счетчику долго служить, то задача с понижением напряжения зажигания разряда в счетчике была бы решена.

Такими газами оказались пары галогенов (хлор, бром, иод). Было установлено на опыте, что небольшие примеси галогенов также способны понизить напряжение зажига­ния разряда. В случае применения галогенов условия для снятия метастабильных состояний основного газа имеются. Так, например, потенциал ионизации брома равен 12,8 эв, А потенциал метастабильного состояния неона 15,6 эв. По­этому при столкновении метастабильного атома неона его энергия будет затрачиваться на ионизацию молекул брома. Однако появилось другое явление, приводящее к повышению потенциала зажигания разряда в данной смеси. Дело в том, что галогены относятся к электроотрицательным газам и легко присоединяют к себе электроны, становясь отрица­тельными ионами. Поэтому в счетчике со смесью неон — галоген при достаточной концентрации галогена молекулы его действуют, как электронные ловушки, не давая тем самым развиваться электронным лавинам и, следовательно, повышая напряжение зажигания разряда. По мере того как понижается концентрация галогенов в счетчике, вероят­ность прилипания электронов понижается, а поэтому и потенциал зажигания разряда понижается.

Наглядно можно проследить изменение напряжения за­жигания галогенного счетчика, наполненного смесью неон— бром, от изменения величины давления брома по кривой, представленной на рисунке 17. От точки А, где кривая пе­ресекается с прямой, равной потенциалу зажигания счет­чика, наполненного чистым неоном, вправо с увеличением брома потенциал зажигания смеси увеличивается. От точ­ки А влево присутствие брома понижает потенциал зажи­гания. Так, при прибавке к неону брома по 0,1 мм рт. ст. потенциал зажигания смеси понизился с 224 в до 208 в. Надо, однако, иметь в виду, что потенциал зажигания счет­чика зависит и от многих других факторов (от геометриче­ских размеров, от общего давления неона, от обработки электродов и др.).

При значительном уменьшении примеси галогена в га­зовой смеси счетчик также может перестать действовать из-за появления так называемого предварительного разряда; как говорят, счетчик начинает коронировать. Поэтому при вы­боре величины концентрации галогена в примеси исходят одновременно из двух желаний: с одной стороны, желая получить как можно меньший потенциал зажигания, коли­чество галогенной присадки уменьшают, с другой стороны, для получения устойчивой работы счетчика количество га­логенной присадки увеличивают. Счетчики, наполняемые смесью неон — аргон — бром и неон — бром, в общем имеют потенциал зажигания ниже, чем неон — аргон — хлор, так как потенциал ионизации хлора выше потенциала ионизации брома.

Как мы увидим дальше, хорошие качества галогенных смесей не ограничиваются их низкими напряжениями за­жигания.

Как изготовляются галогенные счетчики

Большая химическая активность галогенов (в частности хлора, брома, чаще всего применяемых для наполнения счетчиков) создает основную трудность при изготовлении галогенных счетчиков. Если не принять специальных мер, то небольшое количество паров хлора или брома, которое было в смеси при наполнении счетчика, через некоторое, весьма небольшое время в результате химического взаимо­действия с электродами счетчика полностью поглотится ими, превратившись при этом в новые вещества — хло­риды. В результате этого счетчик становится практически негодным.

Исследователи разных стран, в том числе и Советского Союза, опробовали многие металлы для изготовления элек­тродов галогенных счетчиков. Так были применены железо, медь, латунь, алюминий, молибден, серебро и многие дру­гие, но все они давали неудовлетворительные результаты. После долгих поисков было установлено, что наиболее подхо­дящими материалами для изготовления электродов гало­генных счетчиков могут служить хромо-никелевые сплавы, нихром и нержавеющая сталь, а из чистых металлов — тантал. Последний металл является пока слишком дорогим и для изготовления электродов не применяется.

Устройство одного из галогенных счетчиков, выпускае­мых нашей промышленностью, показано на рисунке 18.

Бета-гамма-счетчик типа СТС-5 (стальной счетчик) представ­ляет собой тонкостенный (до 50 ц цельнотянутый цилиндр, изготовленный из нержавеющей стали. На поверхности его для придания ему прочности выдавлены ребра жесткости.

С обеих сторон цилиндра приварены шайбы плотным воздухонепроницаемым швом. Они изготовлены из специаль­ного сплава — ковара. Ковар хорошо сваривается со стек­лом и позволяет, таким образом, впаять в шайбы стеклян­ные трубочки. Эти трубочки, вваренные в коваровьте шайбы, служат одновременно изоляторами между анодом и като­дом, и дают возможность произвести откачку из счетчика

Воздуха и наполнить его газовой смесью. Внутренние концы стеклянных трубок служат охранными «соломками» и дер­жателями нити. Нить — анод изготовляется из коваровой проволоки. Такая нить достаточно стойка к действию брома и хорошо спаивается со стеклом, что позволяет легко осуще­ствить ее вывод наружу.

Собранные счетчики припаиваются на откачные посты, где из них откачивается воздух до давления 10~6лш рт. ст. Откачанный и обезгаженный счетчик проходит специальную обработку сухим хлором. В результате этой обработки внут­ренние стенки счетчика становятся менее восприимчивыми к действию галогенных примесей, и самопроизвольного по­глощения их при работе не происходит. Затем счетчик на­полняется газовой смесью, состоящей из неона и паров брома. Наполненые счетчики отпаивают, снабжают цоко­лем и подвергают отборочным испытаниям.

Бром поглощает фотоны и гасит разряд

Как нам уже известно, одно из условий, которому должен удовлетворять газ, используемый в счетчиках в качестве га­сителя, состоит в том, чтобы ни один из возбужденных и ионизированных атомов, способных произвести вторичную эмиссию с катода, не достигал его поверхности. Для этого, как мы знаем, потенциал ионизации гасящей примеси дол­жен быть ниже потенциала возбуждения метастабильного состояния основного газа. Другое условие гашения со­стоит в том, чтобы гасящая примесь поглощала кванты света (фотоны), образующиеся в процессе разряда, не давая им по­падать к катоду. Этим требованиям в достаточной мере удовлетворяют галогены — хлор и бром.

Обычное состояние хлора и брома, так же как и многих других газов (кислорода, водорода, азота и др.), молеку­лярное, то есть при обычных условиях отдельных атомов брома и хлора не существует. Молекулы хлора и брома со­стоят каждая из двух атомов. Потенциал ионизации хлора 13,2 эв, а брома 12,8 эв, тогда как потенциал ионизации нео­на, чаще всего применяемого для наполнения счетчиков в качестве основного газа, равен 21,5 эв> а потенциал мета­стабильного состояния составляет 16,5эв. Как видно, первое условие выполняется полностью при сочетании неона с хлором или бромом.

Вторым хорошим качеством хлора и брома является их сплошной спектр поглощения света с длинами волн до 1500 А, т. е. все фотоны, имеющие длину волны от 1500 А и ниже, поглощаются хлором и бромом. Но так как воз­бужденный атом неона высвечивает наиболее интенсивный фотон с длиной волны 736 А, то, очевидно, и второе условие гашения для галогенов также удовлетворяется.

Несмотря на то, что и хлор и бром вполне удовлетворяют условиям гашения, предпочтение пока отдают брому. Глав­ной причиной этого предпочтения является меньшая хими­ческая активность брома сравнительно с хлором.

Общая картина механизма разряда галогенных счетчи­ков сходна с рассмотренной выше картиной механизма раз­ряда спиртовых счетчиков. Однако при подробном рассмот­рении обнаруживается целый ряд явлений, присущих только галогенным счетчикам. Подробно останавливаться на всех этих явлениях мы не будем, а отметим только не­которые особенности разряда, дающие возможность при­менять галогенные счетчики не только в счетном (импульс­ном) режиме, а еще в так называемом токовом режиме, о котором будет сказано ниже.

При поглощении фотона ультрафиолетового излучения, возникающего при высвечивании возбужденного неона, мо­
лекула брома (хлора) распадается на отдельные нейтральные возбужденные атомы. Как указывалось в первом разделе, атомы хлора и брома имеют на внешней оболочке по семи электронов. Поэтому они соединяются в двойные моле­кулы, образуя устойчивую восьмиэлектронную оболочку. Образовавшиеся под действием кванта света атомы брома вновь соединяются в молекулу, и таким образом молекула брома вновь восстанавливает все свои свойства. Следо­вательно, в результате работы брома (или хлора) как гаси­теля, его количество не изменяется, как это имело место с органическими парами. Поэтому с этой точки зрения счет­чик, наполненный смесью неона с бромом, может работать сколь угодно долгое время. Это позволяет применять га­логенный счетчик при измерении излучений большой актив­ности. При больших мощностях дозы радиоактивного излу­чения спиртовые счетчики не успевают справиться с гаше­нием разряда и быстро переходят в непрерывный разряд, в результате которого счетчик перестает работать навсегда. Галогенные счетчики, вследствие способности галогенов быстро восстанавливаться в молекулы, не боятся таких перегрузок. Больше того, они способны устойчиво рабо­тать в полях излучения сравнительно большой мощности. При этом частота следования импульсов настолько ве­лика, что проще измерять не число их в единицу времени, а общую сумму, то есть средний ток, протекающий через счетчик.

Так же как и в случае спиртовых счетчиков, образовав­шиеся ионы основного газа передают свою энергию иониза­ции молекулам гасящей примеси (брома). Оставшаяся энер­гия у возбужденного атома неона в 8,7 эв испускается в виде фотона, который поглощается бромом. Образовавшиеся таким образом ионы брома приходят на катод.

Для того чтобы завершить гашение разряда, как об этом уже говорилось, надо, чтобы пришедшие на катод ионы брома не вызвали появления вторичного электрона. Для это­го должно быть выполнено условие: энергия иона должна быть меньше удвоенной работы выхода материала катода. Работа выхода нержавеющей стали около 4,7 эв, а энергия иона брома 12,8 эв. Условие не выполняется. Однако в случае применения брома и хлора в качестве гасителей и при предварительной обработке хлором поверхности ме­талла его работа выхода электронов значительно возрастает (до 8—9 эв) и условие становится реализуемым.

3 А. В. Александров

Отрицательной стороной галогенов как гасителей яв­ляется их большое сродство с электроном, т. е. их большая способность присоединять к себе электроны. При этом обра­зуются отрицательные ионы, которые движутся так же, как электроны к нити — аноду, но со значительно меньшей ско­ростью. В галогенных счетчиках это приводит к так назы­ваемому запаздыванию импульса.

Следует заметить, что достаточно стройной и четкой тео­рии работы галогенных счетчиков еще не существует.