Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера

Газоразрядные счетчики Гейгера–Мюллера

При рассмотрении механизма  газового усиления было показано, что  с увеличением разности потенциалов на счетчике быстро растет коэффициент газового усиления M, а с его ростом все большее значение в развитии лавины приобретает фотоионизация:

M_γ = M + M²·γ + M³·γ² + …=M/(1-M·γ),

где: M_γ – полный коэффициент газового усиления; M – коэффициент газового усиления при отсутствии фотоионизации; γ – вероятность появления одного фотоэлектрона на один вторичный электрон.

Поэтому, полный коэффициент усиления M_γ может значительно превышать M, поскольку произведение M·γ растет. Наконец, при некоторой разности потенциалов U_3аж величина M·γ может стать равной единице, и тогда полный коэффициент газового усиления M_γ окажется бесконечно большим. Это означает, что в счетчике возникнет непрерывный самоподдерживающийся разряд. Ток такого разряда не будет бесконечно большим, поскольку в счетчике возникнет объемный заряд, который исказит поле вблизи нити, уменьшит его и тем самым уменьшит полный коэффициент газового усиления. Самостоятельный разряд можно использовать для регистрации частиц, если создать условия для гашения разряда.

Несамогасящиеся счетчики. Рассмотрим качественно процесс, происходящий в цилиндрическом счетчике с тонкой нитью и достаточным для самостоятельного разряда напряжением. Пусть счетчик подключен к измерительному прибору, как это показано на рис. 19, и пусть постоянная RC много больше времени движения положительных ионов от анода к катоду.

Рис. 19. Схема  включения счетчика Гейгера-Мюллера (t₊ – время движения ионов от анода до катода)

Электроны и ионы, появившиеся  после прохождения в счетчике заряженной частицы, движутся в направлении соответствующих электродов. Электроны достигнут нити за время 10^-7…10^-8 с, образовав электроны, ионы и возбужденные молекулы газа. Эти молекулы испускают коротковолновое излучение, которое выбивает фотоэлектроны из катода, и молекул газа.

Таким образом, за очень  малое время весь счетчик будет  охвачен разрядом. За время прохождения нескольких электронно-фотонных лавин образованные положительные ионы практически остаются на месте, так как их подвижность намного меньше подвижности электронов. В основном вторичная ионизация происходит вблизи нити, и поэтому вокруг нити образуется (нарастает) чехол положительных зарядов, который снижает напряженность поля вблизи нити и тем самым практически прекращает образование новых электронно-фотонных лавин. Образовавшиеся ноны движутся в направлении катода. По мере их продвижения происходит зарядка конденсатора и снижение разности потенциалов на счетчике, но в то же время влияние объемного заряда уменьшается по мере приближения ионов к катоду. При подходе к катоду на расстояниях примерно 10^-7 см происходит нейтрализация ионов и могут образовываться молекулы в возбужденных состояниях.

Допустим, что энергии возбужденных состояний превышают работу выхода электронов из катода или энергию ионизации других молекул. Тогда при подходе ионов к катоду могут появиться электроны. Если при этом окажется, что напряжение на счетчике с учетом наряда емкости выше U_заж, то вновь в счетчике начнется разряд. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока на емкости накопится такой заряд, что результирующая разность потенциалов окажется ниже U_заж. В каждой последующей ступени разряда будет образовываться все меньшее количество ионов. На рис. 19 показано накопление заряда на конденсаторе.

Такое представление о разряде  в виде отдельных ступенек не совсем верное, поскольку отдельные стадии процесса могут значительно перекрываться. Это связано с тем, что электроны появляются и за счет высвечивания отдельных возбужденных молекул или атомов, образовавшихся во время развития электронно-фотонных лавин до того, как ионы достигнут катода. Из приведенного качественного рассмотрения ясно, что для прекращения разряда необходимо на конденсаторе С иметь заряд Q ~ (U_o – U_заж)·С, а это возможно в том случае, если сопротивление утечки будет достаточно велико, чтобы конденсатор не успел заметно разрядиться за время движения ионов от анода к катоду. Емкость С целесообразно сделать по возможности меньше. Для емкости около 10 пф и времени движения ионов около 10^-4 с получим, что сопротивление должно быть больше или порядка 10⁸ ом. Это означает, что время разрядки емкости более 10^-3 с. Временные характеристики счетчика не могут удовлетворить требованиям многих измерений. Временное разрешение несамогасящегося счетчика можно значительно улучшить, если использовать специальные электронные схемы гашения разряда. Однако в настоящее время счетчики Гейгера – Мюллера вытеснены самогасящимися счетчиками, в которых разряд прерывается в силу особых свойств его развития.

Самогасящиеся счетчики. В 1937 г. Трост обнаружил, что небольшие добавки паров этилового спирта в счетчик Гейгера – Мюллера, наполненный аргоном, существенно изменяют его временные характеристики. Оказалось, что разряд в счетчике с добавкой паров спирта прекращается самопроизвольно, независимо от величины сопротивления утечки R. Рассмотрим развитие и гашение разряда в цилиндрическом счетчике, наполненном смесью аргона (90%) и паров спирта (10%); общее давление в счетчике 100 мм рт. ст.; разность потенциалов превышает U_заж. Электроны, появившиеся в счетчике в результате первичной ионизации, будут дрейфовать к аноду. Вблизи анода будет происходить возбуждение и ионизация молекул спирта и атомов аргона (атомов аргона значительно больше, чем молекул спирта). Фотоны, испускаемые возбужденными состояниями атомов аргона, имеют энергию 11,6 эв, а потенциал ионизации паров спирта составляет 11,5 эв. В связи с тем, что энергии фотонов близки к энергии ионизации молекул спирта, сечение фотоионизации молекул спирта оказывается очень большим – около 5·10⁴ барн. При давлении паров спирта 10 мм рт. ст. средний свободный пробег фотонов, испускаемых атомами аргона, до поглощения молекулами спирта равен 0,1 см. Разряд будет распространяться вдоль нити в основном за счет фотоионизации: фотоны из возбужденных состояний атомов аргона ионизуют молекулы спирта; электроны в сильном поле вблизи анода приобретают энергию, ионизуют и возбуждают атомы аргона и молекулы спирта и т.д.

Возбужденные молекулы спирта имеют малые времена жизни  относительно диссоциации, и поэтому можно считать, что они не испускают фотонов. Далекие от нити счетчика области не будут участвовать в процессе развития разряда, поскольку фотоны, испускаемые атомами аргона, имеют малые пробеги, а возбужденные атомы сконцентрированы вблизи нити. Образующиеся вблизи анода ноны аргона и спирта экранируют электрическое поле, и на этом первая стадия разряда прекращается.

Время развития разряда определяется временем распространения его вдоль анода. Измерения показали, что эта скорость сравнительно невелика и составляет около 10⁶…10⁷ см/с. При движении ионов к катоду происходит большое число соударений (~10⁴). При соударениях ионов аргона с молекулами спирта возможна ионизация молекул спирта и нейтрализация ионов аргона. Этот процесс имеет достаточно большую вероятность: около 10^-3 в одном столкновении, следовательно, к катоду подойдут только ионы молекул спирта. И это обстоятельство оказывается решающим.

Сравним поведение ионов аргона и молекул спирта вблизи катода. Ионы аргона на расстояниях примерно 10^-7 см от катода нейтрализуются (вырывают электрон из катода) и оказываются в возбужденном состоянии, энергия которого равна разности энергии ионизации атома и работы выхода электрона из катода. Для медного катода работа выхода равна примерно – 4,5 эв, поэтому атомы аргона вблизи катода после нейтрализации будут возбуждены до энергии около 11 эв. На расстояниях от катода приблизительно 2·10^-8 см возбужденный атом может вырвать электрон, если энергия его возбуждения выше удвоенной работы выхода электрона из катода. Возможен и другой процесс; атом аргона снимает свое возбуждение, высвечивая фотон, который поглощается в катоде, и происходит фотоэффект на катоде. Следовательно, при нейтрализации ионов аргона у катода появятся электроны, которые будут двигаться к аноду и снова создавать электронно-фотонную лавину. Ионы спирта нейтрализуются у катода и оказываются в возбужденном состоянии. Но время жизни возбужденной молекулы спирта относительно диссоциации (~10^-13 с) значительно меньше времени жизни относительно излучения (~10^-7 с) и меньше времени, необходимого для подхода к катоду от места нейтрализации (~10^-7) до места (~2·10^-8 см), где возможно вырывание электрона из катода (≥10^-12 с). Итак, при смеси аргона и паров спирта разряд заканчивается после одной электронно-фотонной лавины независимо от того, какую разность потенциалов имеет счетчик в момент подхода ионов спирта к катоду, другими словами, независимо от величины сопротивления, с которого снимается импульс.

Самогасящийся счетчик  имеет ограниченный срок службы, поскольку при каждом импульсе в счетчике диссоциируют 10⁹…10¹⁰ молекул спирта. В счетчиках средних размеров имеется около 10²⁰ молекул спирта, поэтому счетчик, наполненный смесью аргона и спирта, «выдерживает» 10⁹…10¹⁰ импульсов. Счетчик может быть наполнен смесью других газов. Смесь легкого одноатомного газа и многоатомного газа будет обладать гасящими разряд свойствами, если потенциал ионизации одноатомного газа выше потенциала ионизации многоатомного газа; сечение поглощения фотонов (из возбужденных состояний атомов) молекулами многоатомного газа велико и время жизни молекул относительно диссоциации мало по сравнению с временем жизни относительна испускания фотонов.

Поскольку электроны  при вторичной ионизации образуются вблизи анода, импульс самогасящегося счетчика, как и пропорционального, будет обусловлен движением положительных ионов к катоду, скорость дрейфа которых зависит от напряженности поля. Однако напряженность поля в самогасящемся счетчике определяется не только приложенным к счетчику напряжением u₀, но и полем, создаваемым самими ионами. В этом случае электрическим полем, созданным ионами (влиянием объемного заряда), нельзя пренебрегать, так как развитие электронно-фотонных лавин обусловлено именно им. В результате разряда в счетчике образуется тонкий цилиндрический слой ионов (его толщина порядка нескольких длин пробегов фотонов, испускаемых аргоном).

Если считать, что скорость распространения разряда вдоль  счетчика бесконечна или первичная ионизация произошла по всей длине счетчика, то форму импульса можно вычислить так же. как и для цилиндрической камеры, но с учетом зависимости скорости дрейфа ионов от места положения их в счетчике.

На самом деле временем распространения разряда вдоль  анода нельзя пренебрегать. Более  того, скорость нарастания импульса напряжения определяется скоростью распространения разряда вдоль нити и зависит от места первичной ионизации в счетчике.

Время нарастания импульса тока до определенного значения зависит от места первичной ионизации. Самое медленное нарастание в случае, когда частица попадает вблизи одного из концов нити. Разброс во времени нарастания импульса тока порядка нескольких единиц на 10^-7 с. Как и в пропорциональных счетчиках, время от момента прохождения частицы в счетчике до начала разряда определяется временем дрейфа электронов от места образования до анода.

Рассмотренный механизм разряда в счетчике показывает, что после каждого разряда счетчик некоторое время остается нечувствительным к заряженным частицам.

Сгусток ионов движется к катоду. По мере продвижения ионов  к катоду электрическое поле вблизи анода растет и, наконец, когда ионы достигнут расстояния r_с от центра счетчика, вблизи анода вновь возможно развитие разряда. Время от предыдущего разряда до момента, когда ионы достигнут радиуса r = r_с, называется мертвым временем. Пространственный заряд ионов оказывает влияние на поле вблизи анода при расстояниях r > r_с.

Пока это влияние  заметно, импульсы от частиц, попавших в счетчик в это время, будут иметь меньшие амплитуды. Время, в течение которого частицы регистрируются, но амплитуды импульсов имеют меньшие, величины, называется восстановительным временем счетчика. Время движения ионов от анода до r = r_с в самогасящихся счетчиках около 200 мкс. В течение мертвого времени τ_м нет наложения импульсов.

Мертвое время счетчика зависит от количества разрядов, происходящих в нем в единицу времени. С ростом скорости счета мертвое время уменьшается и может достигать величин около 10 мкс. Это явление можно объяснить следующим образом. Чем больше скорость счета, тем больше разрядов начинается в течение восстановительного времени, т.е. тем больше импульсов имеют меньшую амплитуду. Частицы, попавшие в счетчик в течение восстановительного времени, создают меньшую плотность заряда σ, и, следовательно, нонам потребуется пройти меньшее расстояние от анода, чтобы вблизи анода вновь была напряженность ноля, достаточная для развития разряда. Измеряемая величина τ_м будет зависеть еще и от уровня дискриминации схемы регистрации. Чем ниже уровень дискриминации, тем меньшая величина τ_м может быть при больших скоростях счета.

Зависимость числа отсчетов при постоянном источнике излучения от напряжения на счетчике называется счетной характеристикой. Такая характеристика самогасящегося счетчика имеет почти горизонтальный участок на протяжении 100…200 в. Начальный участок этой характеристики имеет резкий подъем (форма начального участка зависит от уровня дискриминации регистрирующей схемы), который обусловлен зависимостью амплитуды импульса от перенапряжения на счетчике (U₀ -U_заж) и большим разбросом амплитуд импульсов из-за флуктуации в развитии и гашении разряда. Небольшой наклон плато счетной характеристики объясняют краевыми эффектами (поле вблизи концов счетчика не имеет резкой границы и с увеличением U_o растет эффективный чувствительный объем счетчика) и возникновением так называемых ложных импульсов. Ложные импульсы в самогасящемся счетчике возникают в основном за счет нарушения механизма гашения разряда в счетчике. Эти нарушения, например, произойдут в том случае, если ион основного газа (например, аргона), сталкиваясь с молекулами гасящего газа, случайно избежит нейтрализации. В таком случае при нейтрализации на катоде он может образовать свободный электрон, который инициирует новый разряд в счетчике. Ионы гасящего газа при нейтрализации на катоде тоже могут образовать свободный электрон, если, например, возбужденная после деонизации молекула высветит фотон, а не диссоциирует. Чем больше образуется в разряде ионов, тем больше вероятность появления таких ложных импульсов. Поэтому с увеличением напряжения U_o число ложных импульсов возрастает, а, начиная с некоторого напряжения, каждая, попавшая в счетчик частица, вызывает многоступенчатый разряд и создает пачку импульсов. В хороших счетчиках наклон плато обычно небольшой и составляет несколько процентов на 100 в.