Реферат: Счетчики ядерного излучения
Министерство образования Российской Федерации
Амурский государственный университет
Кафедра ОФХиЕ
РЕФЕРАТпо ядерной физике на тему:
«Счетчики ядерного излучения»
Выполнил: Луковенко Р.Г.
Проверил: Ванина Е.А.
г. Благовещенск, 2000г.
План:
1. Введение 3
2. Газовый разряд и физическиепроцессы в газоразрядных
счетчиках 4
2.1. Устройство и принцип работы газоразрядных счетчиков 4
2.2. Ударная ионизация. Коэффициент газового усиления 5
2.3. Пропорциональные счетчики 6
2.4. Непрерывный разряд 7
2.5. Методы гашения непрерывного разряда 8
2.6. Гасящие схемы 9
2.7. Роль газового наполнения в счетчиках 9
3. Параметры и типы газоразрядных счетчиков 11
3.1. Классификация счетчиков 11
3.2.1.Разрешающая способность. «Мертвое время» 11
3.2.2.Эффективностьсчетчика 12
3.2.3.Счетная характеристика. Плато счетчика. 12
3.2.4.Измерения сосчетчиками 13
4. Негазоразрядныесчетчики 14
4.1. Кристаллические счетчики 14
4.2. Сцинтилляционные счетчики 15
5. Заключение 17
6. Библиография 18
Введение.
Реальнаяперспектива использования человеком огромных энергий, скрытых в недрах атома,появилась впервые в 1939 году. На сегодняшний день широкое практическое применениеполучают различного рода ядерные излучения, несмотря на то, что они опасны дляорганизма человека и в то же время неощущаемы, поэтому для обнаружения иизмерения ядерных излучений необходимы специальные приборы.
Основнойчастью приборов для регистрации ядерных излучений является элемент, воспринимающийизлучения, — детектор излучения. Для этой цели используются счетчики разныхтипов, позволяющие зарегистрировать попавшую в него частицу в виде кратковременногоэлектрического тока – импульса. Наиболее широкое применение имеют газоразрядныесчетчики, работа которых основана на ионизирующем действии ядерного излучения.Постепенно их начинают вытеснять сцинтилляционные счетчики, действие которыхосновано на регистрации вспышек света, возникающих в некоторых веществах подударами частиц.
Чтобыне только обнаружить ядерное излучение, но и измерить его интенсивность, недостаточноодного детектора излучения. Необходимы еще электронные устройства, подсчитывающиечисло электрических импульсов, то есть число попавших в счетчик частиц, иустройства, показывающие результат подсчета.
Ких числу следует отнести радиометры различных типов, и т.п.
2.ГАЗОВЫЙРАЗРЯД И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗОРАЗРЯДНЫХ СЧЕТЧИКАХ
2.1.Устройство и принцип работы газоразрядногосчетчика
Счетчикомможет быть любой газонаполненный прибор, поставленный в режим работы, обеспечивающийрегистрацию попадания ядерной частицы по возникновению разрядного тока.
/>/>Посвоему устройству счетчик является своеобразным конденсатором – он состоитобычно из двух электродов. Форма электродов, как правило, цилиндрическая.Внутренним электродом служит тонкая вольфрамовая (можно железо, или др. металл)нить диаметром 0,1-0,5 мм. Эта нить натянута вдоль оси второго электрода –стеклянного, покрытого с внутренней стороны проводящим слоем, илиметаллического цилиндра диаметром 1-3 см (рис.1).
Длясуществования тока в газе необходимо наличие в пространстве между электродамисвободных электрических зарядов и электрического поля, поддерживающего ток.Поэтому, если к электродам приложена разность потенциалов, то ток через счетчикбудет проходить лишь при условии, что под действием попавших в счетчикдвижущихся частиц или квантов электромагнитного излучения в нем образуютсяионы. Величина тока в газе не пропорциональна приложенному к счетчикунапряжению.
Рассмотримболее подробно показанную на рисунке 2 зависимость величины тока импульса отрежима работы счетчика, т.е. от приложенного к электродам напряжения припопадании частицы с определенной кинетической энергией.
Вначале,при малых напряжениях на электродах, с ростом напряжения Uрастет пропорционально и ток I, но, начиная с некоторого значения напряжения Uн,ток достигает насыщения и не изменяется при дальнейшем росте U в значительноминтервале />/>напряжения. Обьясняется это тем, чтопри малых напряжениях не все ионы, образовавшиеся под действием излучения,достигают электродов. Часть их сталкивается с ионами противо-положного знака ирекомбинирует. При напряжениях Uн и выше эл.поле настолько велико, что всеобразующиеся ионы растаскива-ются к противо-положным элек-тродам. Ионизационныйток в интервале напряжений Uн-Uп получил название тока насыщения, таккак его величина не зависит от напряжения и определяется только числомобразующихся ионов в единицу времени.
Ионизационныеприборы, работающие в режиме тока насыщения, наз. ионизационными камерами.Значит, в интервале Uн-Uп счетчик работает как ионизационная камера. Так какодна ионизирующая частица создает очень малый импульс тока (exp(-14)A), то без предварительного усиления не может быть измерен дажечувствительными гальванометрами. Поэтому ионизационные камеры, как правило,делают больших размеров и применяют для регистрации (в отличие от счетчика)целого потока ионизирующих частиц.
2.2. Ударная ионизация. Коэффициентгазового усиления.
Придальнейшем увеличении напряжения выше значения Uп при одной и той же начальнойионизации наблюдается рост тока в импульсе. Это означает, что откуда-то в газеберутся дополнительные свободные электрические заряды.
Электроны,образованные первоначальным действием радиации на нейтральные атомы газа,сильно ускоряются электрическим полем, т.к. они обладают малой массой и,следовательно, инерцией. При этом электроны приобретают большую кинетическуюэнергию, пропорциональную квадрату скорости, и сами становятся быстрымичастицами, способными производить ионизацию при столкновении с нейтральнымимолекулами и атомами.
Еслиэлектрон (бета-частица) пролетает так близко от электрона внешней оболочкиатома, что возникающая между ними сила отталкивания превышает силы,удерживающие электрон в атоме, он вылетает за пределы последнего. Такоймеханизм образования ионов получил название ударной ионизации, а вся областьнапряжений, при которых она возникает -–области ударной ионизации.
Засчет ударной ионизации можно получить значительное увеличение ионизационныхтоков. Отношение полного числа ионов, пришедших к нити счетчика, к числупервичных ионов, созданных ионизирующей частицей, получило название коэффициентагазового усиления. Величина его зависит от приложенного напряжения и можетпревосходить 10 млн.
Таккак газоразрядные счетчики работают в режимах, соответствующих области ударнойионизации, то за счет газового усиления они значительно превосходятионизационные камеры по своей чувствительности.
2.3. Пропорциональные счетчики
Различают счетчики пропорциональные и счетчикиГейгера-Мюллера. В первых, как показывает само название, возникает импульстока, пропорциональный первичной ионизации. В этом случае, как видно на рис.2,обе кривые, полученные для первичной ионизации, в области пропорциональногосчета идут параллельно друг другу. Поэтому по величине импульса, возникшего впропорциональном счетчике, можно судить о виде частицы или её энергии (перваяосцллограмма на рис.2). Коэффициент газового усиления пропорциональногосчетчика невелик (достигает нескольких тысчяч).
/> Механизмвозникновения разряда в пропорциональном счетчике можно представить на рис.3.
/> При первом столкновнении количество первичныхотрицательных ионов удваивается, при втором — учетверяется, и т.д. В результатецелая лавина отрицательных ионов приходит на положительный электрод счетчика,создавая круто нарастающий импульс тока. Последующее развитие тока в импульсебудет определяться движением положительных ионов и параметрами разрядной цепи.
При дальнейшемувеличении напряжения (рис.2) в интервале Uо.п.-Uг пропорциональность междувеличиной импульса и первичной ионизацией нарушается. Коэффициенты газовогоусиления для кривых a и b различны для одного и того женапряжения, и поэтому в области ограниченной пропорциональности эти кривые неидут параллельно. Наконец, в области Гейгера при ещё более высоких напряженияхна электродах, превышающих Uг, механизм работы счетчиков значительно усложняется.Здесь величина импульса совершенно не зависит от первичной ионизации. Импульсыодинаковой величины возникают от b-частиц и g-кванта, создающего иногда всего одну пару ионов в рабочем объёмесчетчика, и от a-частицы, создающей десятки тысяч пар ионов (втораяосциллограмма на рис.2).
2.4. Непрерывный разряд
К области Гейгера примыкает область непрерывногоразряда, для возникновения которого специальный ионизатор не нужен.Достаточно присоединить соответствующеек высокое напряжение, превышающее Uнепр,к электродам, как газ между ними “зажигается” и начинаект напрерывно пропускатьток. Это явление хорошо знакомо по ссвечению неоновых и других газосветныхтрубок, широко применяемых для рекламы. Следует отметить, что как непрерывныйразряд, так и разряд в области Гейгера относятся к самостоятельному разряду,который в отличие от несамостоятельного не требует для своего поддержания непрерывноговоздействия внешних ионизаторов.
Непрерывный разряд происходит вследствиедвух новых процессов, сопровождающих ударную ионизацию при очень высоких напряжениях:
1. Молекулы, возбужденные соударениями, освобождаютсяот избыточной энергии, испуская фотоны ультрафиолетового излучения, и переходятв нормальное состояние. Эти фотоны поглощаются практически по всей поверхностикатода и благодаря фотоэффекту вырывают из него электроны. Последние, в свою очередь,создают за счет ударной ионизации новые лавины ионов уже во всеммеждуэлектордном пространстве счетчика.
2. Положительные ионы при таких высоких напряженияхприобретают настолько большую кинетическую энергию, что выбивают из катодасвободные электроны.
Эти процессыпроисходят и в счетчике Гейгера. Однако в этом случае разность потенциалов наэлектродах не так велика, чтобы “зажигание” счетчика Гейгера происходилосамостоятельно. Для “зажигания” счетчика Гейгера необходим внешний ионизатор,воздающий первичную ионизацию — хотя бы одну пару ионов. Из них развиваетсяпервая лавина, служащая, в свою очередь, началом непрерывного разряда.Последний поддерживается в счетчике Гейгера упомянутыми выше двумя процессами:высвечиванием возбужденных молекул газа (испусканием фотонов ) и ударамитяжелых положительных ионов о катод.
2.5. Методы гашения непрерывного разряда
Попадание следующейионизационной частицы в “зажженный” счетчик не может заметно изменить величинутока и, следовательно, не будет зарегистрировано. Поэтому необходимоавтоматически прерывать разряд в счетчике Гейгера и, таким образом,подготовлять счетчик к регистрации новой частицы.
Существуют два основных метода гашенияразряда:
1. Применение гасящих радиотехнических схем;
2. Заполнение счетчиков подобранными смесями газов.
В соответствии с этим, в первом случаесчетчики называют несамогасящимися, во втором — самогасящимися.
2.6. Гасящие схемы
Простейшая схема состоит избольшого ( миллиарды ом) сопротивления, включенного последовательно с анодомсчетчика. При прохождении по этому сопротивлению импульса тока на нем падаетзначительная часть напряжения источника питания, а напряжение на электродах вэтот момент уменьшается. Начавшийся непрерывный разряд обрывается, так каксчетчик оказывается переведенным в режим области пропорционального счета илидаже тока насыщения (сдвиг кривой влево на рис.2).
В более сложных схемах гашения обычноиспользуется своего рода отрицательная обратная связь. В ответ на возникший всчетчике импульс тока специальная радиотехническая схема вырабатывает отрицательныйимпульс напряжения. Этот отрицательный импульс подается на счетчик, снижаетразность потенциалов на электродах и, таким образом, вызывает прекращение газовогоразряда в счетчике.
2.7. Роль газового наполнения в счетчиках
В настоящее время почти исключительно используются самогасящиеся счетчики, которые обладают рядом преимуществ (быстрота действия,упрощение схемы включения, и др.).
Чтобы сделать счетчик самогасящимся, нужно, очевидно, ограничить явления, способствующие установлению непрерывногоразряда в счетчике. Прежде всего следует избежать вырывания электронов изкатода при поглощении на нем ультрафиолетового излучения, так как это являетсяглавной причиной образования непрерывного разряда. Появление самопроизвольныхложных импульсов вслед за регистрацией настоящего импульса, вызванногочастицей, попавшей в счетчик, следует связывать с выбиванием электронов изкатода положительными ионами и с высвечиванием так называемых метастабильныхатомов. Оказалось, что для этого, что для этого к обычному наполнителю — одноатомному газу, например аргону, следует добавить до 10% газа или паровмногоатомных молекул некоторых веществ ( этиловый спирт, метан, хлор, и др.).Возможно подобрать такое сочетание газов в смеси, что образующиеся фотоны будутполностью поглощаться многоатомными молекулами на расстоянии в 1-2 мм. отместа их возникновения и не смогут поэтому все долететь до катода и вызватьзаметный фотоэффект. При этом многоатомные молекулы либо ионизируются, либо диссоциируют на радикалы — распадаются на нейтральные части.
3. ПАРАМЕТРЫ И ТИПЫГАЗОРАЗРЯДНЫХ СЧЕТЧИКОВ
3.1. Классификация счетчиков
Систематизировать большое количество разнообразных типовсчетчиков можно по различным признакам. По механизму действия различаютсчетчики с несамостоятельным и самостоятельным разрядом. К первым относятсяпропорциональные счетчики, ко вторым — счетчики Гейгера (острийные) иГейгера-Мюллера (нитиевые). Счетчики с самостоятельным разрядом бывают, в своюочередь, самогасящимися и несамогасящимися.
практически наиболее важносистематизировать счетчики по их назначению и по конструктивным признакам,причем особенности конструкции часто обуславливаются назначением счетчика.Следует различать счетчики a-, b-частиц, g-квантов, рентгеновских лучей, нейтронов и счетчикиспециального назначения. Назначение счетчика предъявляет определенныетребования к выбору режима работы счетчика и материалов, из которых онизготавливается. Если, например, нужно определить энергию частицы, а нетолько регистрировать ее наличие, то применяют пропорциональные счетчики. Длясчета g-квантов счетчики делают с катодом из тяжелыхэлементов, а для счета b-частиц, наоборот, предпочитают изготовлять катоды излегких металлов, чтобы уменьшить фотоэффект.
3. 2. Параметры счетчиков
Параметры газоразрядных счетчиков определяются нетолько конструкцией, материалом, из которого изготовлены электроды, составом идавлением наполняющих счетчик газов, но и технологией изготовления: дляполучения стабильных результатов требуется высокая чистота и культура производства.
Основными характеристиками счетчикаявляются: максимальная скорость счета или разрешающая способность,эффективность, счетная характеристика.
3.2.1. Разрешающая способность. Мертвое время.
Максимальная скорость счета, т.е. наибольшее число импульсов,которые могут возникнуть в счетчике за 1 сек, очевидно, зависит отдлительности так называемого “мертвого времени”, в течение которого счетчик неспособен ответить импульсом на влетевшую в него частицу.
Обозначая разрешающую способность счетчикачерез Nмакс [имп\сек], можем её связь с мертвым временем выразить формулой:Nмакс=1/tм
Для определения полного числа частиц,попавших в счетчик, нужно внести поправки на просчет, т.е. на тенезарегистрированные частицы, которые попали внутрь счетчика в течение мертвоговремени: N=Nизм/1-Nизмtм
3.2.2.Эффективность счетчика.
Эффективенсть счетчика характеризует способностьсчетчика реагировать на то или иное излучение. Численно она равна отношениючисла частиц, вызвавших импульсы, к общему числу частиц, попавших в счетчик заеденицу времени. Обычно эффективность обозначают в процентах.
3.2.3.Счетная характеристика. Плато счетчика.
/>/> Знаниесчетной характеристики позволяет поставить счетчик в нормальный режим работы.Обычно счетная характеристика представляет собой график зависимости числаимпульсов в еденицу времени от напряжения на электродах.
На рис.4 изображена типичная счетная характеристика,видно, что при напряжениях, меньших начала счета Uн.с., счетчик не считает.Затем с увеличением напряжения до Uн.п. (начало плато) число числорегистрируемых в минуту импульсов резко возрастает при увеличении напряжения, азатем остается примерно постоянным до значения напряжения Uк.п. (конец плато).Этот горизонтальный участок Uн.п.-Uк.п. получил название плато и являетсярабочим участком характеристики.
3.2.4.Измерения со счетчиками.
Существует 2 основных метода измерений: относительныйи абсолютный.
Сущностьотносительного метода состоит в сравнении количества импульсов в минуту Nх,зарегистрированных счетчиком от препарата с неизвестной активностью Ах, сколичеством импульсов Nэт, зарегистрированных за 1 мин от эталонного препаратас известной активностью Аэт. Получаем формулу для определения активностипрепарата:
Ах=АэтNх/Nэт
Сущность абсолютного метода измеренийактивности сводится к определению полного числа распадов, происходящих впрепарате, путем умножения измеренной скорости счета Nизм (число импульсов вминуту) на ряд поправочных коэффициентов, которые учитывают соотношения междуформой и размерами счетчика, поглощение излучений во всех средах, отделяющихпрепарат от рабочего объема, поправку на разрешающую способность, и т.д.
A=Nизм/ωКпКсКоКрКм
Нетрудно заметить, что в таком написании оберасчетные формулы могут быть приведены к виду:
А=СiN,
где первый множитель в обеих формулах есть цена одногоимпульса Сi .
Т.о., активность равна ценеимпульса(распад/мин), умноженной на скорость счета. Разница только в том, что вслучае абсолютного метода цена импульса определяется расчетным путем.
4. НЕГАЗОРАЗРЯДНЫЕ СЧЕТЧИКИ
4.1. Кристаллические счетчики
Попринципу действия наиболее близки к газоразрядным кристаллические счетчикипроводящего типа. Если пространство между электродами газоразрядного приборазаполнить не газом, а кристаллическим диэлектриком или полупроводником, то припрохождении ионизирующей частицы через него появляется импульс тока.
/>Выделяют два типа кристаллических счетчиков, имеющихразличный механизм действия: счетчики, работающие как фотосопротивления, исчетчики, работающие как фотодиоды. Можно считать, что действие ионизирующейчастицы на первый тип подобно действию квантов света на фотосопротивление – приосвещении ток через него увеличивается. Второй тип счетчиков представляет собойплоскостной диод из высокоомного монокристалла германия (рис.5).
/>Пусть со стороны n-германияпопадает α-частица. В небольшом слое Δ толщиной 10-20 мк оназатормозится, полностью отдав свою энергию на образование пар электрон-дырка.Дырки через запорный слой легко проходят, и возникает ток в замкнутой цепикристалл — сопротивление R — батарея.α Таккак при прохождении тока через фотодиод на внешнем сопротивлении нагрузкипадает почти все напряжение источника тока, удается получить достаточнобольшие импульсы. Следует также отметить, что такие счетчики имеют «темновойток», т.е. ток в отсутствии облучения, его величина достигает несколькихмикроампер.
Отметим достоинства и недостатки кристаллическихсчетчиков.
Основными преимуществамиявляются:
1. Возможность регистрации сильнопроникающего жесткогоизлучения счетчиками малых размеров благодаря большой тормозной способности;
2. Высокие скорости счета (до 100000имп/сек) благодарякрутому фронту импульса;
3. Пропорциональность между высотой импульса и энергиейчастицы, что позволяет различать частицы по энергиям, как в пропорциональныхсчетчиках;
4. Возможность детектировать частицы и гамма-лучи сбольшей эффективностью, чем при использовании газоразрядных счетчиков.
Основнымнедостатком кристаллических счетчиков является накопление пространственногозаряда, создаваемого захваченными в ловушки электронами и дырками, что приводитс течением времени к уменьшению высоты импульса и скорости счета.
4.2. Сцинтилляционныесчетчики
Возникновение кратковременных вспышек света(сцинтилляций) известно давно. Счетчик имеет два основных элемента:сцинтиллятор и фотоумножитель, преобразующий эти слабые вспышки света в электрическиеимпульсы, которые усиливаются внутри этого же фотоумножителя в миллионы раз иболее.
/>/>Действие сцинтилляционного счетчика происходитследующим образом:
Частица попадает в сцинтиллятор и взаимодействуют сатомами плотной среды сцинтиллятора. При этом нек. Количество атомов вещества,составляющего сцинтиллятор, переходит в возбужденное состояние. Обратныйпереход атомов в нормальное состояние сопровождается импусканием света –люминисценцией. Различают два вида люминисценции – флуорисценцию ифосфоресценцию. В первом случае высвечивание атома происходит почти мгновенно,во втором – возбужденные молекулы находятся в метастабильном состояниинеопределенное время.
Достоинства сцинтилляционных счетчиков:
1. Высокая чувствительность ко всем видам ядерныхизлучений
2. Большая разрешающая способность
3. Способность различать частицы по энергиям и измерятьее.
Таким образом, сцинтилляционный счетчик, соединяя всебе достоинства пропорционального счетчика и счетчика Гейгера-Мюллера,обладает при этом превосходящей их эффективностью и разрешающей способностью.
ЗаключениеПодводя итогвышеприведенному обзору, хочется сказать, что нет особенных, самых лучших исамых худших, счетчиков. У каждого есть свои плюсы и минусы. Необходимовыбирать тип счетчика из учета условий целесообразности, рабочей обстановки иконструкторских соображений.
Библиография1. Корсунский М.И., Атомное ядро,Гостехиздат, 1957
2. Векслер В., Грошев Л., Исаев Б.,Ионизационные методы исследования излучений, Гостехиздат, 1949
3. Бочкарев В., и др., Измерениеактивности источников бета- и гамма- излучения, АН СССР, 1953
4. Соминский М.С., Полупроводники иих применение, Госэнергоиздат, 1955