Лічильники ядерного випромінювання

Міністерство освіти Російської Федерації

Амурський державний університет

Кафедра ОФХіЕ

з ядерної фізики на тему:

«Лічильники ядерного випромінювання»

Виконав: Луковенко Р.Г.

Перевірив: Ваніна Є.А.

м. Благовєщенськ, 2000р.

План:

1. Вступ 3

2. Газовий розряд і фізичні процеси в газорозрядних

лічильниках 4

2.1. Пристрій і принцип роботи газорозрядних лічильників 4

2.2. Ударна іонізація. Коефіцієнт газового підсилення 5

2.3. Пропорційні лічильники 6

2.4. Безперервний розряд 7

2.5. Методи гасіння безперервного розряду 8

2.6. Гасять схеми 9

2.7. Роль газового наповнення в лічильниках 9

3. Параметри і типи газорозрядних лічильників 11

3.1. Класифікація лічильників 11

3.2.1. Роздільна здатність. «Мертве час» 11

3.2.2. Ефективність лічильника 12

3.2.3. Рахункова характеристика. Плато лічильника. 12

3.2.4. Вимірювання з лічильниками 13

4. Негазоразрядние лічильники 14

4.1. Кристалічні лічильники 14

4.2. Сцинтиляційні лічильники 15

5. Висновок 17

6. Бібліографія 18

Введення.

Реальна перспектива використання людиною величезних енергій, схованих у надрах атома, з'явилася вперше в 1939 році. На сьогоднішній день широке практичне застосування отримують різного роду ядерні випромінювання, незважаючи на те, що вони небезпечні для організму людини і в той же час неощущаеми, тому для виявлення та вимірювання ядерних випромінювань необхідні спеціальні прилади.

Основною частиною приладів для реєстрації ядерних випромінювань є елемент, що сприймає випромінювання, - детектор випромінювання. Для цієї мети використовуються лічильники різних типів, що дозволяють зареєструвати потрапила в нього частку у вигляді короткочасного електричного струму - імпульсу. Найбільш широке застосування мають газорозрядні лічильники, робота яких заснована на іонізуючому дії ядерного випромінювання. Поступово їх починають витісняти сцинтиляційні лічильники, дія яких заснована на реєстрації спалахів світла, що виникають у деяких речовинах під ударами частинок.

Щоб не тільки виявити ядерне випромінювання, але й виміряти його інтенсивність, недостатньо одного детектора випромінювання. Необхідні ще електронні пристрої, підраховують кількість електричних імпульсів, тобто число потрапили в лічильник часток, і пристрої, що показують результат підрахунку.

До їх числа слід віднести радіометри різних типів, і т.п.

2.ГАЗОВИЙ РОЗРЯД І ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В газорозрядні лічильники

2.1.Устройство і принцип роботи газорозрядного лічильника

Лічильником може бути будь-який газонаповнений прилад, поставлений в режим роботи, забезпечує реєстрацію потрапляння ядерної частки по виникненню розрядного струму.

За своєю будовою лічильник є своєрідним конденсатором - він складається переважно з двох електродів. Форма електродів, як правило, циліндричної форми. Внутрішнім електродом служить тонка вольфрамова (можна залізо, або ін метал) нитка діаметром 0,1-0,5 мм. Ця нитка натягнута вздовж осі другого електрода - скляного, покритого з внутрішньої сторони проводять шаром, або металевого циліндра діаметром 1-3 см (рис.1).

Для існування струму в газі необхідна наявність в просторі між електродами вільних електричних зарядів і електричного поля, що підтримує струм. Тому, якщо до електродів прикладена різниця потенціалів, то струм через лічильник буде проходити лише за умови, що під дією потрапили в лічильник рухомих частинок або квантів електромагнітного випромінювання в ньому утворюються іони. Величина струму в газі не пропорційна прикладеному до лічильника напрузі.

Розглянемо більш детально показану на малюнку 2 залежність величини струму імпульсу від режиму роботи лічильника, тобто від прикладеної до електродів напруги при потраплянні частинки з певною кінетичної енергією.

Спочатку, при малих напругах на електродах, із зростанням напруги U зростає пропорційно і струм I, але, починаючи з деякого значення напруги Uн, струм досягає насичення і не змінюється при подальшому зростанні U в значному інтервалі напруги. Пояснюється це тим, що при малих напругах не всі іони, що утворилися під дією випромінювання, досягають електродів. Частина їх стикається з іонами протидії положность знака та рекомбінує. При напругах Uн і вище ел.поле настільки велике, що всі утворюються іони розтягування-ються до протидії положность елек-тродам. Іонізаційний струм в інтервалі напруг Uн-Uп отримав назву струму насичення, тому що його величина не залежить від напруги і визначається тільки числом утворюються іонів в одиницю часу.

Іонізаційні прилади, що працюють в режимі струму насичення, зв. іонізаційними камерами. Значить, в інтервалі Uн-Uп лічильник працює як іонізаційна камера. Так як одна іонізуюча частинка створює дуже малий імпульс струму (exp (-14) A), то без попереднього підсилення не може бути виміряна навіть чутливості гальванометра. Тому іонізаційні камери, як правило, роблять великих розмірів і застосовують для реєстрації (на відміну від лічильника) цілого потоку іонізуючих частинок.

2.2. Ударна іонізація. Коефіцієнт газового підсилення.

При подальшому збільшенні напруги вище значення Uп при одній і тій же початкової іонізації спостерігається зростання струму в імпульсі. Це означає, що звідкись у газі беруться додаткові вільні електричні заряди.

Електрони, утворені первинним дією радіації на нейтральні атоми газу, сильно прискорюються електричним полем, тому що вони володіють малою масою і, отже, інерцією. При цьому електрони набувають велику кінетичну енергію, пропорційну квадрату швидкості, і самі стають швидкими частинками, здатними виробляти іонізацію при зіткненні з нейтральними молекулами і атомами.

Якщо електрон (бета-частинка) пролітає так близько від електрона зовнішньої оболонки атома, що виникає між ними сила відштовхування перевищує сили, які утримують електрон в атомі, він вилітає за межі останнього. Такий механізм утворення іонів отримав назву ударної іонізації, а вся область напруг, при яких вона виникає - області ударної іонізації.

За рахунок ударної іонізації можна отримати значне збільшення іонізаційних струмів. Відношення повного числа іонів, які прийшли до нитки лічильника, до числа первинних іонів, створених іонізуючої часткою, отримало назву коефіцієнта газового підсилення. Величина його залежить від прикладеної напруги і може перевершувати 10 млн.

Так як газорозрядні лічильники працюють у режимах, відповідних області ударної іонізації, то за рахунок газового посилення вони значно перевершують іонізаційні камери по своєї чутливості.

2.3. Пропорційні лічильники

Розрізняють лічильники пропорційні і лічильники Гейгера-Мюллера. У перших, як показує сама назва, виникає імпульс струму, пропорційний первинної іонізації. У цьому випадку, як видно на рис.2, обидві криві, отримані для первинної іонізації, в області пропорційного рахунку йдуть паралельно один одному. Тому за величиною імпульсу, що виник у пропорційному лічильнику, можна судити про вид частки або її енергії (перша осцллограмма на рис.2). Коефіцієнт газового посилення пропорційного лічильника невеликий (досягає кількох тисчяч).

Механізм виникнення розряду в пропорційному лічильнику можна представити на рис.3.

При першому столкновненіі кількість первинних негативних іонів подвоюється, при другому - учетверяется, і т.д. У результаті ціла лавина негативних іонів приходить на позитивний електрод лічильника, створюючи круто наростаючий імпульс струму. Подальший розвиток струму в імпульсі буде визначатися рухом позитивних іонів і параметрами розрядної ланцюга.

При подальшому збільшенні напруги (рис.2) в інтервалі Uо.п.-Uг пропорційність між величиною імпульсу та первинної іонізацією порушується. Коефіцієнти газового підсилення для кривих a і b різні для одного і того ж напруги, і тому в області обмеженою пропорційності ці криві не йдуть паралельно. Нарешті, в області Гейгера при ще більш високих напругах на електродах, що перевищують Uг, механізм роботи лічильників значно ускладнюється. Тут величина імпульсу абсолютно не залежить від первинної іонізації. Імпульси однакової величини виникають від b-частинок і g-кванта, що створює іноді всього одну пару іонів в робочому обсязі лічильника, і від a-частинки, що створює десятки тисяч пар іонів (друга осцилограма на рис.2).

2.4. Безперервний розряд

До області Гейгера примикає область безперервного розряду, для виникнення якого спеціальний іонізатор не потрібен. Досить приєднати соответствующеек високу напругу, що перевищує Uнепр, до електродів, як газ між ними "запалюється" і начінаект напреривно пропускати струм. Це явище добре знайоме за ссвеченію неонових та інших газосвітних трубок, широко застосовуються для реклами. Слід зазначити, що як безперервний розряд, так і розряд в області Гейгера відносяться до самостійного розряду, який на відміну від несамостійного не вимагає для своєї підтримки безперервного впливу зовнішніх іонізаторів.

Безперервний розряд відбувається внаслідок двох нових процесів, що супроводжують ударну іонізацію при дуже високих напругах:

1. Молекули, порушені зіткненнями, звільняються від надлишкової енергії, випускаючи фотони ультрафіолетового випромінювання, і переходять в нормальний стан. Ці фотони поглинаються практично по всій поверхні катода і завдяки фотоефекту виривають з нього електрони. Останні, у свою чергу, створюють за рахунок ударної іонізації нові лавини іонів вже в усьому междуелектордном просторі лічильника.

2. Позитивні іони при таких високих напругах набувають настільки велику кінетичну енергію, що вибивають з катода вільні електрони.

Ці процеси відбуваються і в лічильнику Гейгера. Однак у цьому випадку різниця потенціалів на електродах не така велика, щоб "запалювання" лічильника Гейгера відбувалося самостійно. Для "запалювання" лічильника Гейгера необхідний зовнішній іонізатор, що віддає первинну іонізацію - хоча б одну пару іонів. З них розвивається перша лавина, що служить, у свою чергу, початком безперервного розряду. Останній підтримується в лічильнику Гейгера згаданими вище двома процесами: висвічування збуджених молекул газу (випусканням фотонів) і ударами важких позитивних іонів про катод.

2.5. Методи гасіння безперервного розряду

Попадання наступної іонізаційної частки в "запалений" лічильник не може помітно змінити величину струму і, отже, не буде зареєстровано. Тому необхідно автоматично переривати розряд у лічильнику Гейгера і, таким чином, підготовляти лічильник до реєстрації нової частинки.

Існують два основні методи гасіння розряду:

1. Застосування гасять радіотехнічних схем;

2. Заповнення лічильників підібраними сумішами газів.

Відповідно до цього, в першому випадку лічильники називають несамогасящіміся, у другому - самогаситься.

2.6. Гасять схеми

Найпростіша схема складається з великої (мільярди му) опору, включеного послідовно з анодом лічильника. При проходженні з цього опору імпульсу струму на ньому падає значна частина напруги джерела живлення, а напруга на електродах в цей момент зменшується. Розпочатий безперервний розряд обривається, так як лічильник виявляється переведеним у режим області пропорційного рахунку або навіть струму насичення (зсув кривої вліво на рис.2).

У більш складних схемах гасіння зазвичай використовується свого роду негативний зворотний зв'язок. У відповідь на виниклі в лічильнику імпульс струму спеціальна радіотехнічна схема виробляє негативний імпульс напруги. Цей негативний імпульс подається на лічильник, знижує різницю потенціалів на електродах і, таким чином, викликає припинення газового розряду в лічильнику.

2.7. Роль газового наповнення в лічильниках

В даний час майже виключно використовуються самогаситься лічильники, які мають низку переваг (швидкість дії, спрощення схеми включення, та ін.)

Щоб зробити лічильник самогаситься, потрібно, очевидно, обмежити явища, що сприяють встановленню безперервного розряду в лічильнику. Перш за все слід уникнути виривання електронів з катода при поглинанні на ньому ультрафіолетового випромінювання, так як це є головною причиною утворення безперервного розряду. Поява самовільних помилкових імпульсів слідом за реєстрацією цього імпульсу, викликаного часткою, що потрапила в лічильник, слід пов'язувати з вибиванням електронів з катода позитивними іонами і з висвічування так званих метастабільних атомів. Виявилося, що для цього, що для цього до звичайного наповнювачу - одноатомного газу, наприклад аргону, слід додати до 10% газу або парів багатоатомних молекул деяких речовин (етиловий спирт, метан, хлор, та ін.) Можливо підібрати таке поєднання газів в суміші, що утворюються фотони будуть повністю поглинатися багатоатомними молекулами на відстані в 1-2 мм. від місця їх виникнення і не зможуть тому всі долетіти до катода і викликати помітний фотоефект. При цьому багатоатомні молекули або іонізуються, або дисоціюють на радикали - розпадаються на нейтральні частини.

3. ПАРАМЕТРИ І ТИПИ ГАЗОРОЗРЯДНИХ ЛІЧИЛЬНИКІВ

3.1. Класифікація лічильників

Систематизувати велику кількість різноманітних типів лічильників можна за різними ознаками. За механізмом дії розрізняють лічильники з несамостійним і самостійним розрядом. До перших відносяться пропорційні лічильники, до других - лічильники Гейгера (острійние) і Гейгера-Мюллера (нітіевие). Лічильники з самостійним розрядом бувають, у свою чергу, самогаситься і несамогасящіміся.

практично найбільш важливо систематизувати лічильники за їх призначенням і за конструктивними ознаками, причому особливості конструкції часто обумовлюються призначенням лічильника. Слід розрізняти лічильники a-, b-частинок, g-квантів, рентгенівських променів, нейтронів і лічильники спеціального призначення. Призначення лічильника пред'являє певні вимоги до вибору режиму роботи лічильника і матеріалів, з яких він виготовляється. Якщо, наприклад, потрібно визначити енергію частинки, а не тільки реєструвати її наявність, то застосовують пропорційні лічильники. Для рахунку g-квантів лічильники роблять з катодом з важких елементів, а для рахунку b-частинок, навпаки, вважають за краще виготовляти катоди з легких металів, щоб зменшити фотоефект.

3. 2. Параметри лічильників

Параметри газорозрядних лічильників визначаються не тільки конструкцією, матеріалом, з якого виготовлені електроди, складом і тиском наповнюють лічильник газів, але і технологією виготовлення: для отримання стабільних результатів потрібна висока чистота і культура виробництва.

Основними характеристиками лічильника є: максимальна швидкість рахунку або роздільна здатність, ефективність, рахункова характеристика.

3.2.1. Роздільна здатність. Мертве час.

Максимальна швидкість рахунку, тобто найбільше число імпульсів, які можуть виникнути в лічильнику за 1 сек, очевидно, залежить від тривалості так званого "мертвого часу", протягом якого лічильник не здатний відповісти імпульсом на влетіла в нього частинку.

Позначаючи роздільну здатність лічильника через Nмакс [імпсек], можемо її зв'язок з мертвим часом виразити формулою: Nмакс = 1/tм

Для визначення повного числа частинок, які потрапили в лічильник, потрібно внести поправки на прорахунок, тобто на ті незареєстровані частинки, які потрапили всередину лічильника протягом мертвого часу: N = Nізм/1-Nізмtм

3.2.2. Ефективність лічильника.

Еффектівенсть лічильника характеризує здатність лічильника реагувати на те чи інше випромінювання. Чисельно вона дорівнює відношенню числа частинок, що викликали імпульси, до загального числа частинок, які потрапили в лічильник за одиницю часу. Зазвичай ефективність позначають у відсотках.

3.2.3. Рахункова характеристика. Плато лічильника.

Знання лічильної характеристики дозволяє поставити лічильник в нормальний режим роботи. Зазвичай лічильна характеристика являє собою графік залежності числа імпульсів в еденицу часу від напруги на електродах.

На рис.4 зображена типова лічильна характеристика, видно, що при напругах, менших початку рахунку Uн.с. , Лічильник не вважає. Потім зі збільшенням напруги до Uн.п. (Початок плато) число число реєстрованих в хвилину імпульсів різко зростає при збільшенні напруги, а потім залишається приблизно постійним до значення напруги Uк.п. (Кінець плато). Цей горизонтальну ділянку Uн.п.-Uк.п. отримав назву плато і є робочим ділянкою характеристики.

3.2.4. Вимірювання з лічильниками.

Існує 2 основних методи вимірювань: відносний і абсолютний.

Сутність відносного методу полягає в порівнянні кількості імпульсів у хвилину Nх, зареєстрованих лічильником від препарату з невідомою активністю Ах, з кількістю імпульсів Nет, зареєстрованих за 1 хв від еталонного препарату з відомою активністю АЕТ. Отримуємо формулу для визначення активності препарату:

Ах = АетNх / Nет

Сутність абсолютного методу вимірювань активності зводиться до визначення повного числа розпадів, що відбуваються в препараті, шляхом множення виміряної швидкості рахунку Nізм (число імпульсів у хвилину) на ряд поправочних коефіцієнтів, які враховують співвідношення між формою і розмірами лічильника, поглинання випромінювань у всіх середовищах, що відокремлюють препарат від робочого об'єму, поправку на роздільну здатність, і т.д.

A = Nізм / ωКпКсКоКрКм

Неважко помітити, що в такому написанні обидві розрахункові формули можуть бути приведені до вигляду:

А = СiN,

де перший множник в обох формулах є ціна одного імпульсу Сi.

Т.ч. , Активність дорівнює ціні імпульсу (розпад / хв), помноженої на швидкість рахунку. Різниця тільки в тому, що в разі абсолютного методу ціна імпульсу визначається розрахунковим шляхом.

4. НЕГАЗОРАЗРЯДНИЕ ЛІЧИЛЬНИКИ

4.1. Кристалічні лічильники

За принципом дії найбільш близькі до газорозрядним кристалічні лічильники проводить типу. Якщо простір між електродами газорозрядного приладу заповнити не газом, а кристалічним діелектриком або напівпровідником, то при проходженні іонізуючої частки через нього з'являється імпульс струму.

Виділяють два типи кристалічних лічильників, що мають різний механізм дії: лічильники, що працюють як фотосопротивлений, і лічильники, що працюють як фотодіоди. Можна вважати, що дія іонізуючої частки на перший тип подібно до дії квантів світла на фотосопротивлений - при освітленні струм через нього збільшується. Другий тип лічильників представляє собою площинний діод з високоомного монокристала германія (мал. 5).

Нехай з боку n-германію потрапляє α-частинок. У невеликому шарі Δ товщиною 10-20 мк вона загальмується, повністю віддавши свою енергію на утворення пар електрон-дірка. Дірки через запірний шар легко проходять, і виникає струм у замкнутому ланцюзі кристал - опір R - батарея.α Оскільки при проходженні струму через фотодіод на зовнішньому опорі навантаження падає майже всю напругу джерела струму, вдається одержати досить великі імпульси. Слід також зазначити, що такі лічильники мають «темнової струм», тобто струм у відсутності опромінення, його величина досягає декількох мікроампер.

Відзначимо достоїнства і недоліки кристалічних лічильників.

Основними перевагами є:

1. Можливість реєстрації сільнопронікающего жорсткого випромінювання лічильниками малих розмірів завдяки великий гальмівний здібності;

2. Високі швидкості рахунку (до 100000імп/сек) завдяки крутому фронту імпульсу;

3. Пропорційність між висотою імпульсу і енергією частинки, що дозволяє розрізняти частки по енергіях, як у пропорційних лічильниках;

4. Можливість детектувати частинки і гамма-промені з більшою ефективністю, ніж при використанні газорозрядних лічильників.

Основним недоліком кристалічних лічильників є накопичення просторового заряду, створюваного захопленими в пастки електронами і дірками, що призводить з часом до зменшення висоти імпульсу і швидкості рахунку.

4.2. Сцинтиляційні лічильники

Виникнення короткочасних спалахів світла (сцинтилляций) відомо давно. Лічильник має два основні елементи: сцинтилятор і фотопомножувач, що перетворює ці слабкі спалахи світла в електричні імпульси, які посилюються всередині цього ж фотопомножувача в мільйони разів і більше.

Дія сцинтиляційного лічильника відбувається наступним чином:

Частка потрапляє в сцинтилятор і взаємодіють з атомами густого середовища сцинтилятора. При цьому недо. Кількість атомів речовини, що становить сцинтилятор, переходить у збуджений стан. Зворотний перехід атомів в нормальний стан супроводжується імпусканіем світла - люминисценции. Розрізняють два види люмінесценції - флуорисценцией і фосфоресценцію. У першому випадку висвічування атома відбувається майже миттєво, у другому - збуджені молекули знаходяться в метастабільних станів невизначений час.

Переваги сцинтиляційних лічильників:

1. Висока чутливість до всіх видів ядерних випромінювань

2. Велика роздільна здатність

3. Здатність розрізняти частки по енергіях і вимірювати її.

Таким чином, сцинтиляційний лічильник, поєднуючи в собі достоїнства пропорційного лічильника і лічильника Гейгера-Мюллера, має при цьому перевершує їх ефективністю і роздільною здатністю.

Підводячи підсумок вищенаведеного огляду, хочеться сказати, що немає особливих, найкращих і найгірших, лічильників. У кожного є свої плюси і мінуси. Необхідно вибирати тип лічильника з обліку умов доцільності, робочої обстановки і конструкторських міркувань.

1. Корсунський М.І., Атомне ядро, Гостехиздат, 1957

2. Векслер В., Грошев Л., Ісаєв Б., Іонізаційні методи дослідження випромінювань, Гостехиздат, 1949

3. Бочкарьов В., та ін, Вимірювання активності джерел бета-і гамма-випромінювання, АН СРСР, 1953

4. Соминським М.С., Напівпровідники і їх застосування, Госенергоіздат, 1955