Описание экспериментальной установки и

Теоретическое введение.

Газоразрядные счетчики.

Счетчики применяются для обнаружения и счета элементарных частиц, а также для измерения интенсивности различных излучений. Действие этих приборов основано на использовании газового разряда.

Счетчик состоит из цилиндрического корпуса 1 (катод), по оси которого натянута тонкая нить 2 (анод). Нить изолирована от корпуса с помощью изоляторов 3 (Рис. 1). Для впуска ионизирующих частиц с малой проникающей способностью один из торцов счетчика делается из слюды или алюминиевой фольги. Другие частицы, а также рентгеновское и γ - излучение проникают в счетчик непосредственно через стенки. Между анодом и катодом с помощью батареи создается разность потенциалов U. Пространство внутри корпуса 1 заполнено газом.

Принцип действия прибора состоит в следующем: пусть газ, находящийся между катодом и анодом, подвергается действию ионизатора (например, рентгеновских лучей). Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. Ионы и отщепленные электроны увлекаются полем к электродам, вследствие чего через сопротивление R (рис. 4) проходит некоторый заряд q, который называется импульсом тока. На рис. 2. Приведена зависимость импульса тока q от напряжения между электродами U для двух различных количеств пар первичных ионов N ₀⁽¹⁾ и N ₀⁽²⁾, число которых зависит от кинетической энергии и заряда влетающих частиц или от энергии γ- квантов.

В области 1 имеют место два конкурирующих процесса: собирание заряда на электродах счетчика и рекомбинация ионов в газовом объеме. При возрастании напряжения U скорость движения ионов увеличивается, вероятность рекомбинации уменьшается и величина заряда, собранного на электродах, растет.

При некотором напряжении U _i все ионы, образовавшиеся в процессе ионизации, будут попадать на электроды и величина импульса тока не возрастет. Дальнейшее увеличение напряжения от величины U _i до величины U _p не приводит к изменению импульса тока. Этому соответствует область 2, называемая областью тока насыщения или областью ионизационной камеры.

Начиная с некоторого значения напряжения U _p, напряженность поля вблизи анода оказывается достаточной для того, чтобы разогнать электроны, созданные в результате первичной ионизации, до тех энергий, что они сами могли бы ионизировать молекулы газа ударом. При этом число образовавшихся электронов и положительных ионов лавинообразно растет. В результате на каждый из электродов попадает A * N ₀ ионов (N ₀ -число пар первичных ионов). Величина A называется коэффициентом газового усиления. В области 3 этот коэффициент зависит от количества первичных ионов и от приложенного напряжения. Поэтому, если поддерживать напряжение постоянным, то импульс тока будет пропорционален количеству первичных ионов N ₀. Область 3 называется областью пропорциональности или областью пропорционального счетчика, а напряжение U_p -порогом пропорциональной области. Коэффициент газового усиления A изменяется в этой области от 1 в начале до 10³ ¸ 10⁴ в конце.

Кроме этого действует еще ряд процессов, приводящих к возникновению электронных лавин:

1 - ускоренные полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны;

2 - положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводят их в возбужденное состояние, а при переходе в нормальное состояние испускается фотон;

3 - фотон с высокой энергией может ионизировать нейтральную молекулу;

4 - выбивание электронов из катода под действием фотонов;

5 - положительные ионы ионизируют нейтральные.

Эти процессы с дальнейшим увеличением напряжения нарушают пропорциональность между импульсом тока и количеством первичных пар ионов N ₀ и в конце участка 4 величина импульса становится независимой от величины первичной ионизации. Область 4 называется областью частичной (или ограниченной) пропорциональности.

При напряжениях, соответствующих области 5 ( область Гейгера, U_g -порог области Гейгера), процесс приобретает характер лавинного разряда. Первичные ионы лишь создают толчок для его возникновения. Импульс тока в этой области совершенно не зависит от количества первичных ионов.

В области 6 напряжение столь велико, что разряд, возникнув, не прекращается. Поэтому ее называют областью непрерывного разряда. Газовый разряд в этой области может приводить к неисправности счетчика.

Счётчики Гейгера-Мюллера.

Счётчик, работающий в области 5, называется счётчиком Гейгера-Мюллера (сокращенно - счётчиком Гейгера). Поскольку в этой области попадания даже одной ионизирующей частицы вызывает полный газовый разряд, счётчик Гейгера позволяет регистрировать прохождение отдельных частиц.

Внутри счетчика находится смесь газа, которая в основном состоит из инертного газа. Ионизированные частицы в газе могут выбивать вторичные электроны из корпуса счетчика, что приводит к возникновению непрерывного разряда. Чтобы получить от отдельных частиц отдельные импульсы, необходимо быстро погасить возникший заряд. Это достигается, в частности, добавлением к газу, заполняющему счётчик, примеси многоатомных органических газов (например, паров спирта). Молекулы подобных газов поглощают ультрафиолетовое излучение, сопровождающее разряд, а при столкновении с положительными ионами нейтрализуют и переводят их из возбуждённого состояния в основное. Возбуждённая же молекула спирта распадается на отдельные атомы или более мелкие молекулы. Всё это позволяет эффективно гасить возникающий разряд.

Важнейшим параметром самогасящегося счётчика является счётная характеристика. Счётная характеристика даёт зависимость скорости счёта (т.е. числа частиц, регистрируемых в секунду) от приложенного напряжения.

Описание экспериментальной установки и