Общие указания. Излучение, приходящее на Землю из окружающего космического пространства, называют космическим

Излучение, приходящее на Землю из окружающего космического пространства, называют космическим. Различают первичное и вторичное космические излучения. Первичное излучение представляет собой поток атомных ядер высокой энергии, более 90% из которых составляют протоны (ядра атомов водорода) с энергией эВ, около 7% -альфа-частицы (ядра атомов гелия) и лишь около 1% приходится на ядра более тяжелых элементов. Такой состав первичного космического излучения в какой-то мере соответствует распространению химических элементов во Вселенной. Вторичное космическое излучение - это продукты взаимодействия в атмосфере Земли первичного излучения с ядрами атомов атмосферы. В составе вторичных космических лучей имеются две компоненты. Одна из них сильно поглощается свинцом и поэтому была названа мягкой; вторая же проникает через большие толщи свинца и получила название жесткой.

Основным процессом, ответственным как за поглощение первичных космических лучей, так и за образование всего многообразия частиц вторичного космического излучения является процесс множественного рождения - мезонов при взаимодействии протонов с ядрами атомов атмосферы. Существуют положительный , отрицательный и нейтральный - мезоны, или пионы. Распад заряженных пионов происходит в основном на мезоны (мюоны) и мюонные нейтрино:

.

Мюоны и нейтрино и составляют в основном жесткую компоненту вторичных космических лучей.

Нейтральный пион распадается на два гамма-кванта: • Гамма-кванты в поле атомных ядер превращаются в электронно-позкгроннные пары. Образовавшиеся таким образом электроны и позитроны, тормозясь, в свою очередь создают - кванты, энергия которых достаточна для образования новых электронно-позитронных пар и т.д., до тех пор пока энергия -квантов не будет меньше . Описанный процесс называется электронно-фотонным (или каскадным) ливнем. Хотя первичные частицы, приводящие к образованию ливней, обладают огромной энергией, но ливневые частицы являются "мягкими" - не проходят через большие слои вещества. Полное число частиц в ливне пропорционально энергии первичной частицы. Ливни от частиц с эВ на поверхность Земли выпадают на площадь во много гектаров.

Все методы наблюдений и регистрации частиц радиоактивных излучений и элементарных частиц основаны на способности частиц терять часть своей энергии на ионизацию и возбуждение атомов среды. Счетчик Гейгера-Мюллера относится к приборам, регистрирующим частицы по производимой ими ионизации. Благодаря высокой надежности и простоте изготовления, они широко используются в технике регистрации ядерных излучений.

Счетчики Гейгера-Мюллера бывают двух типов: цилиндрические и торцовые.

Цилиндрический счетчик (рис.2.1) изготавливается из тонкой металлической или металлизированной изнутри стеклянной, герметически замкнутой трубки 1 и металлической нити 2, натянутой вдоль оси внешней оболочки с помощью пружинки 3.

 

Рис.2.1.

 

У торцового счетчика (рис.2.1) металлизированный стеклянный корпус 1 является катодом, нить 2 - анодом, а торец корпуса образует тонкое слюдяное окошко 3 толщиной 20-30 мкм. Конец нити 2 для предотвращения коронного разряда на острие закрыт стеклянной бусинкой.

Ионизирующее излучение попадает в объем счетчика либо через боковую поверхность у цилиндрического, либо через слюдяное окошко у торцового счетчика. Объем счетчиков заполняется благородными газами: аргоном или неоном; рабочее напряжение, подаваемое на счетчик, связано с давлением газа в объеме счетчика (обычно оно составляет 100-200 мм рт. ст.). Электроды счетчика Гейгера - Мюллера, находящиеся под напряжением, образуют газоразрядный

промежуток с сильно неоднородным электрическим полем.

Если заряженная частица проходит сквозь счетчик, то она ионизирует газ. При этом положительные ионы устремляются к катоду, а электроны - к аноду. В результате в цепи счетчика возникает электрический ток. При небольшом напряжении на счетчике величина этого тока пропорциональна количеству пар ионов, образованных частицей. Такой режим работы счетчика называют режимом ионизационной камеры.

При увеличении напряжения электроны на пути к аноду могут набрать энергию, достаточную для того, чтобы ионизировать встречные атомы. Чем выше напряжение на электродах, тем большее число раз успеет произойти такая ионизация. При фиксированном напряжении каждый первичный электрон ионизации вызывает лавину из k электронов. Величина k называется коэффициентом газового усиления. Счетчик, работающий в указанном режиме, называется пропорциональным счетчиком.

При еще больших напряжениях возникновение хотя бы одной пары ионов приводит к началу самостоятельного разряда. Самостоятельный разряд может продолжаться достаточно долго, и счетчик в это время не будет реагировать на пролетающие частицы. Применяя специальные схемы включения или добавляя' в объем счетчика тяжелые газы, можно создать условия для быстрого гашения самостоятельного разряда. Таким образом, в данном режиме попадание частицы в объем счетчика вызывает кратковременный, но достаточно сильный импульс тока. Счетчики, работающие в таком режиме, и называют счетчиками Гейгера-Мюллера.

Во время протекания разряда в счетчике он оказывается неспособным регистрировать частицы. Время полной нечувствительности счетчика называется обычно мертвым временем. Чем меньше мертвое время, тем больше частиц в единицу времени может зарегистрировать счетчик.

Зависимость числа частиц, регистрируемых счетчиком за одинаковое время при неизменных внешних условиях от напряжения на электродах счетчика, называется счетной характеристикой (рис.2.3). На участке

, счетчик работает в переходном режиме от пропорционального счетчика до счетчика Гейгера-Мюллера. В этой области напряжения скорость счета резко возрастает. На участке - скорость счета почти не зависит от напряжения. Этот участок представляет собой "плато" счетной характеристики. Он представляет область рабочих напряжений. На участке появляются ложные импульсы, не связанные с попаданием частиц в объем счетчика. Очевидно, что наиболее рационально выбрать рабочее напряжение на середине "плато". Так как протяженность плато является индивидуальной характеристикой счетчика, то для выбора рабочего напряжения необходимо снимать счетную характеристику.