Газоразрядные (газонаполненные) детекторы




Индикаторы (детекторы) радиоактивного излучения

Детектором радиоактивного излучения является чувствительный эле­мент средств измерения, предназначенный для преобразования энергии ио­низирующего излучения в другой вид энергии, удобный для передачи на рас­стояние, измерения и регистрации. В практике геолого-поисковых работ ис­пользуются главным образом газоразрядные и сцинтилляционные детекторы гамма-излучения и нейтронов.

Газоразрядные (газонаполненные) детекторы

Газоразрядные детекторы представляют собой стеклянный или метал­лический баллон, по оси которого натянута тонкая металлическая проволоч­ка. На внутренней поверхности баллона, заполненного под низким давлением смесью инертных газов (аргон, гелий и т.д.) и паров высокомолекулярного соединения, нанесен тонкий слой металла (серебро, вольфрам, медь и т.д.). Металлизированная поверхность (катод) и нить (анод) подключаются к источнику постоянного тока высокого напряжения.

Работа газоразрядного детектора основывается, с одной стороны, на явлениях взаимодействия гамма-излучения с веществом стенок баллона и, с другой стороны, на явлении электропроводности газов. Первое явление заключается в усилении первоначально заряженных частиц (электронов), которые возникают при взаимодействии g-квантов с металлом катода. Приобретая дополнительное ускорение в электрическом поле между катодом и анодом, первичные электроны ионизируют основной газ, вырывая из него вторичные электроны и образуя положительно заряженные ионы. Второе явление – управление лавинообразно развивающимся процессом образования заряженных частиц осуществляют вхо­дящие в газовую смесь молекулы многоатомного газа (пары спиртов, метана и др.) или галогенов. При столкновении с ионами основного газа детектора молекулы мно­гоатомного газа отдают ему электроны и нейтрализуют его. В результате к катоду подходят уже ионы гасящего вещества, которые, вырывая электрон из катода, также возбуждаются, но возбуждение в них за редким исключением снимается не путем высвечивания фотонов, а в результате диссоциации молекулы на составные атомы.

За счет взаимодействия гамма-квантов с веществом ка­тода в объеме детекторов все­гда возникает какое-то количе­ство электронов, ионизирую­щих газ. Если к электродам де­тектора приложить некоторую разность потенциалов DU, ме­жду электродами возникает движение ионов – электриче­ский ток. Зависимость силы то­ка J от приложенной разности потенциалов называется вольт-амперной характеристикой. Типичный вид такой характе­ристики приведен на рис. 1.

 

 

Рис. 1

При малых значениях напряжения DU (участок ОА) приобретаемая ионами энергия не достаточна для ударной ионизации. На пути движения к электродам часть ионов рекомбинируется (соединяется) в нейтральные молекулы. Чем больше разность потенциалов, тем меньше вероятность рекомбинации и, следовательно, тем больше сила тока.

 

При дальнейшем увеличении DU пропорциональность между напряжением и силой тока нарушается и наступает так называемое насыщение, когда увеличение разности потенциалов не вызывает изменение силы тока (участок АБ). Этот участок соответствует случаю, когда скорости ионов ста­новятся столь значительными, что все они достигают электродов не реком­бинируясь. Ток насыщения пропорционален ионизирующему фактору (числу гамма-квантов). В этом режиме работают интегрирующие ионизационные камеры. Ионизационные камеры в основном используются для регистрации α-частиц.

Дальнейшее увеличение разности потенциалов приводит к тому, что ионы приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных молекул газа. Увеличение количества ионов определяет возрастание силы тока (участок БВ), а при еще большем увеличении DU ударная ионизация приобретает лавинный характер (участок ВГ) и заканчивается самостоятель­ным разрядом (участок ГД).

 

Рост тока с увеличением напряжения в области пропорциональности БВ связан с увеличением напряженности поля до таких величин, при которых электроны между двумя соударениями с молекулами успевают набрать энергию, достаточную для их ионизации, – происходит вторичная ионизация. Вторичные электроны вместе с первичными в следующих столкновениях ионизируют другие молекулы и т. д. возникает лавинообразное размножение зарядов. Это явление, называется газовым усилением. Индикатор, работающий в области пропорциональности, называется пропорциональным счетчиком.

Электроны, образованные в результате первичной и вторичной ионизации, собираясь на аноде счетчика, вызывают на нем отри­цательный импульс напряжения. Последний через разъединительную емкость С подается на вход усилителя.Импульсы на выходе пропорциональных счетчиков менее мощные, чем у счетчиков Гейгера - Мюллера, но в 103-104 раз мощнее, чем у импульсных ионизацион­ных камер. Конструктивно пропорциональные счетчики подобны счетчикам Гейгера-Мюллера, но отличаются меньшей напряженностью поля в критической области.

Преимущество этих счетчиков заключается в пропорциональ­ности импульса первичному заряду, что позволяет определять тип частиц и их энергетический спектр, а недостаток – в малой ам­плитуде импульса и ее зависимости от напряжения питания.

Пропорциональные счетчики широко применяются для реги­страции медленных нейтронов. Нейтроны не обладают электрическим зарядом, не могут непосредст­венно ионизировать вещество в рабочем объеме детектора. Такие счетчики заполняются газом, хорошо поглощающим нейтроны: 3Не или ВF3. При поглощении нейтрона этими веществами по реакции 3Не (n, р) и 10В (n, α) образуются быстрые протоны и α-частицы:

10В + 1n → 7Li + 4Не.

Ионизирующими частицами являются ядро атома гелия (α-частица) и ядро отдачи 7Li.

Пробег тяжелых частиц почти полностью укладывается в объеме счетчиков, и они образуют относительно мощный импульс на выходе счетчика. В то же время электроны и позитроны, выбивае­мые из материалов счетчика γ-квантами, имеют малую плотность ионизации и образуют импульсы тока с небольшой амплитудой. Применяя пороговую дискриминацию, легко отсечь импульсы от γ-квантов и регистрировать одни только нейтроны даже при наличии интенсивного поля γ-квантов.

Эффективность счетчиков нейтронов для тепловых нейтронов составляет несколько десятков процентов. При необходимости регистрации лишь надтепловых нейтронов счетчики медленных нейтронов окружают чехлом из кадмия, имеющего высокое се­чение поглощения для тепловых и относительно небольшое для надтепловых нейтронов.

 

Для регистрации гамма-квантов в радиометрии скважин используются газоразрядные детекторы, работающие на участке ВГ (область Гейгера-Мюллера), не чувствительные к энергии регистрируемых частиц. Следует отметить, что в области Гейгера-Мюллера напряжение на электродах не так велико, чтобы происходил самостоятельный разряд. Необходим внешний «толчок» – воздействие ионизатора (гамма-кванта), создающего хотя бы одну пару ионов, из которых развивается лавина ионов – начало непрерывного разряда. Наличие непрерывного разряда препятствует возможности зарегистрировать следующую частицу, т.к. она не может заметно изменить силу тока. Поэтому необходимо погасить разряд, тем самым подготовить детектор к ре­гистрации нового кванта. Для этого в объем счетчика вводятся пары многомолекулярных соединений или галогенов, на ионизацию которых тратится значительное количество энергии. В этих условиях попадание иони­зирующей частицы вызывает кратковременное протекание тока в объеме де­тектора, что определяет формирование единичного отрицательного импульса на выходе детектора. Счетчики Гейгера – Мюллера обеспечивают высокую амплитуду выходного импульса (единицы и даже десятки вольт) и широко применяются при регистрации γ-квантов, β- и α-частиц.

 

При дальнейшем увеличении напряжения (область ГД) наблюдается пробой газа – самостоятельный газовый разряд, возникающий даже без наличия излучения, благодаря вырыванию мощным электрическим полем электронов из материала электродов.

 

Основные характеристики детекторов

Счетная характеристика - зависимость скорости счета (N) от величины приложенного напряжения (DU), при постоянной интенсивности излучения. На графике счетной характеристики (рис. 2) выделяют три участка. При напряжении меньше некоторого значения (DUн) детектор не работает. До напряжения U1 счетчик работает в области ограниченной пропорциональности.

Амплитуда импульсов различна благодаря различию в энергии частиц и различию их пути в рабочем объеме счетчика. Поскольку любая регистрирующая схема имеет некоторый порог, то регистрируются лишь импульсы, имеющие амплитуду выше этого порога. В области Гейгера-Мюллера U > U1: все импульсы регистрируются, поскольку все они имеют одинаковую амплитуду. В некоторой области напряжений U1 < U < U2, называемой плато счетчика, скорость счета почти не зависит от напряжения.

Протяженность плато достигает нескольких сот вольт. Если рабочее напряжение выбрать в середине плато, то скорость счета не зависит от изменения напряжения до нескольких десятков вольт. Это наряду с большой амплитудой импульсов позволяет создавать на счетчиках Гейгера-Мюллера простые и надежные радиометры.

 

Рисунок 2. Счетная характеристика счетчиков Гейгера-Мюллера

 

Эффективность детекторов – определяется как отношение числа зарегистрированных квантов к общему числу квантов, прошедших через объем детектора. Величина эффективности определяется энергией регистрируемого излучения, конструкцией детекторов, материалом его изготовления. Для детекторов гамма-излучения эффективность колеблется от долей до нескольких процентов, но у сцинтилляционных детекторов, как правило, в несколько раз больше.

Мертвое время детектора – называется интервал времени после возникновения разряда, в течение которого детектор не способен регистрировать ионизирующие частицы.

За время сбора электронов на аноде (10-7 с) тяжелые положи­тельные ионы успевают уйти в направлении катода на очень малое расстояние. Чехол положительных зарядов вокруг анода осла­бляет напряженность поля вблизи последнего. Если в это время пролетит новая заряженная частица, в критическом объеме не будет происходить газового усиления зарядов и эта частица не будет зарегистрирована счетчиком. Время (tм≈10-4 с), в течение которого невозможно газовое усиление, называется мертвым временем счетчика. Через время, несколько большее tм все ионы достигают катода и счетчик полностью восстанавливает свои свойства. Однако при нейтрализации ионов на катоде образуются возбужденные атомы и ультрафиолетовое излучение, способное вырвать фотоэлектроны из металла и начать новый разряд в счетчике. Чтобы исключить эти вторичные раз­ряды, не связанные с попаданием в счетчик новой ядерной частицы, чаще всего применяют систему самогашения счетчика.

Близким, по смыслу, понятию «мертвое время» является разрешающее время или разрешающая способность – равное минимальному времени, через которое схема восстанавливается после регистрации частицы и готова к регистрации новой частицы. Обе эти характеристики определяют максимально возможную скорость счета и связаны с длительностью разряда. Для газораз­рядных детекторов мертвое время составляет 10-5 – 10-7 с, для сцинтилляцион­ных 10-8 – 10-9 с.

Основным недостатком газоразрядных детекторов гамма-излучения является то, что амплитуда выходного сигнала не за­висит от энергии гамма-кванта и не может быть использована для спектрометрии. Этого недостатка лишены сцинтилляционные детекторы гамма-излучения.




Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-08-27 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: