Газоразрядные и сцинтилляционные счетчики: устройство, принцип действия, применяемые типы, характеристики

Аппаратура для различных радиоактивных методов исследования (кроме ЯММ) имеет много общего. Её основная функция — измерение интенсивности нейтронов или гамма-квантов, и потому она содержит электронные схемы для различных методов исследования, базирующиеся в общем на одних и тех же принципах.

Главные отличия аппаратуры для различных методов связаны с конструкцией зондов, источника, фильтров и детекторов излучения. Учитывая общую функцию всех типов радиометрической аппаратуры — измерение интенсивности излучения, эту аппаратуру принято называть скважинными радиометрами. Конструктивно все радиометры состоят из скважинного прибора и наземного пульта, соединенных геофизическим кабелем. Упрощенная блок-схема измерительной части радиометрической аппаратуры показана на рисунке 54. Последовательно рассмотрим назначение и устройство отдельных блоков:

Детекторы излучения — важнейшие элементы радиометров. В качестве детекторов излучения в, скважинной аппаратуре применяют газоразрядные или сцинтилляционные счетчики. Газоразрядные счетчики конструктивно представляют собой цилиндрический баллон, по оси которого натянута металлическая нить, служащая анодом (рис. 55). Металлическая боковая поверхность баллона служит катодом. Между катодом и анодом подается постоянное напряжение, равное для разных типов счетчиков от 300 — 400 В до 2 — З кВ.

Счетчики для регистрации гамма-квантов заполняются смесью инертного газа с парами высокомолекулярных органических соединений или с галогенами. При взаимодействии гамма-излучения с катодом из него выбивается электрон. Электрон, попадающий в заполненный газом объем счетчика, осуществляет ионизацию газа, т. е., в свою очередь, вырывает электроны из атомов газа, превращая их в положительно заряженные ионы.

Эти электроны, называемые первичными, ускоренные электрическим полем, по пути к аноду вызывают вторичную ионизацию и т. д. В результате число электронов лавинообразно возрастает, превышая число первичных электронов в тысячи и сотни тысяч раз — в счетчике возникает разряд. При относительно небольшом напряжении общее число электронов пропорционально числу первичных электронов, а следовательно, энергии ядерной частицы, регистрируемой счетчиком – такие счётчики называются пропорциональными. При большом напряжении между анодом и катодом общее число электронов перестает зависеть от числа первичных электронов и от энергии регистрируемой частицы - такие называют счетчиками Гейгера-Мюллера.

Для регистрации гамма-квантов в скважинных радиометрах применяют счетчики Гейгера. Их преимущество — больший, чем у пропорциональных счетчиков, выходной сигнал (до нескольких вольт), что упрощает усиление и передачу сигналов на поверхность.

Нейтроны не ионизируют газ в счетчике. Поэтому счетчики, предназначенные для регистрации нейтронов, заполняют газом, в молекулу которого входит вещество, при взаимодействии нейтронов с которым возникают быстрые заряженные частицы, производящие ионизацию. Таким веществом является газ фтористый бор BF₃ или один из изотопов гелия ³Не. При поглощении медленных нейтронов ядром изотопа ¹⁰В образуется альфа-частица. Поэтому при попадании тепловых и надтепловых нейтронов в счетчик, заполненный соединением бора, возникают альфа-частицы, вызывающие разряд в газовом объеме счетчика и импульс напряжения на его выходе. При захвате нейтронов ядром ³Не возникает быстрый протон.

Счетчики нейтронов работают в пропорциональном режиме, что позволяет исключить импульсы от гамма-квантов, которые имеют гораздо меньшую величину, чем импульсы от альфа-частиц, или протонов.

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора, сопряженного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). При падении гамма-кванта в сцинтиллятор происходит возбуждение атомов последнего. Возбужденные атомы испускают ЭМ-излучение, часть которого лежит в световой области. Кванты света от сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ и выбивают из него электроны.

Фотоэлектронный умножитель кроме фотокатода содержит анод и систему электродов (динодов), размещенную между анодом и катодом (рисунок – Схема сцинтилляционного счётчика: 1 – сцинтиллятор, 2 – корпус, 3 – отражатель, 4 – фотон, 5 – корпус ФЭУ, 6 – фотокатод, 7 – фокусирующий электрод, 8 – диноды, 9 – собирающий электрод (анод), R₁-R_N – делитель напряжения). На диноды подается положительное (относительно катода) напряжение от делителя напряжения R_l—R_N, при этом чем дальше анод от катода, тем его потенциал выше. В результате электроны, испускаемые фотокатодом при попадании на него света, ускоряются, бомбардируют первый из динодов и выбивают из него вторичные электроны. В дальнейшем эти электроны ускоряются под действием разности потенциалов, приложенной между первым и вторым динодами, бомбардируют второй динод и выбивают из него «третичные» электроны. Так происходит на каждом из динодов, вследствие чего общее количество электронов возрастает в геометрической прогрессии. Общее усиление потока в ФЭУ может достигать 106 раз и более. Таким образом, при попадании вспышки света на фотокатод на входе ФЭУ образуется импульс напряжения, через емкость С подаваемый на вход усилителя.

В качестве сцинтилляторов для регистрации гамма-квантов в скважиной аппаратуре используют кристаллы йодистого натрия. Для регистрации нейтронов применяют смесь сцинтиллятора (сернистого цинка) с одним из соединений бора.

Сцинтилляционный счетчик гамма-квантов имеет ряд преимуществ перед разрядным: обладает высокой эффективностью, т. е. регистрирует больше гамма-квантов, проходящих через счетчик (до 20 — 30% и более для сцинтилляционного и менее 1 — 2% для разрядных счетчиков). Сцинтилляционные счетчики также позволяют определять энергию регистрируемых гамма-квантов. Последнее обусловлено тем, что интенсивность световой вспышки люминофора пропорциональна энергии кванта. Преимущество счетчиков Гейгера-Мюллера — большая теплостойкость, надежность в работе, менее жесткие требования к стабильности питающего напряжения.