Особенности работы счетчиков излучения

Практически срок службы галогенных счетчиков ограничен, но он значительно больше, чем у спиртовых и метилалевых счетчиков.

К положительным свойствам галогенных счетчиков относятся их более низкое рабочее напряжение (360—400 в) и устойчивость работы в широком диапазоне температур (от -50° до +50° С).

Режимы работы газового счетчика зависят от величины приложенного напряжения. С целью выяснения особенностей различных режимов работы рассмотрим характеристику, приведенную на рис. 13, показывающую зависимость величины заряда, собираемого электродами за один импульс, от приложенного к счетчику постоянного напряжения. Кривая 1 соответствует импульсам с первоначальным числом пар ионов в три раза большим, чем у импульсов для кривой 2 (например, 300 пар ионов для кривой / и 100 пар ионов для кривой 2}.

При напряжениях, меньших U , счетчик работает в режиме импульсной ионизационной камеры; величина собранного электродами заряда в режиме насыщения равна суммарному заряду ионов, образованных радиоактивной частицей

∆q = n e.

При напряжениях больше U начинается ударная ионизация. Чем больше напряжение на счетчике, тем больше область ударной ионизации и тем большее число электронов будет падать на анод.

В диапазоне напряжений от U до U2 количество электронов (п ), падающих на анод, и их суммарный заряд (∆q ) пропорциональны первоначальному числу пар ионов

Рис.13 Зависимость величины электрического заряда, собираемого электродами за одна импульс, от напряжения на газовом счетчике; I — область ионизационной камеры; II— область пропорционального усиления; III — область ограниченной пропорциональности; IV — область самостоя тельного (гейгеровского) разряда; V — область непрерывного разряда (n ), образованных радиоактивной частицей. Газовые счетчики, работающие в этой области, получили название пропорциональных счетчиков. Если пренебречь утечкой заряда с электродов за время развития импульса тока в счетчике, то амплитуда импульсов напряжения на анодной нагрузке и на аноде счетчика будет

где ∆U - амплитуда импульса напряжения счетчика; Ссч - емкость счетчика (как конденсатора);

 -коэффициент газового усиления, показывающий увеличение числа пар ионов за

- счет ударной ионизации.

Таким образом, в пропорциональных счетчиках амплитуда импульса напряжения U пропорциональна первоначальному числу пар ионов, образованных радиоактивной частицей, а коэффициент газового усиления является постоянной величиной. Однако величина коэффициента газового усиления в этом случае относительно небольшая (до 104== 10000 раз). Пропорциональные счетчики используются для регистрации сильно ионизирующих частиц, например альфа-частиц. Их преимущество заключается в том, что амплитуды импульсов от альфа-частиц во много раз больше амплитуды импульсов, создаваемых бета-частицами и гамма-квантами; благодаря этому регистрирующую схему можно отрегулировать так, что она будет считать только импульсы большой амплитуды, Что позволяет обнаруживать и измерять альфа-излучение при наличии бета- и гамма-излучений.

На участке напряжений от U2 до U3 счетчик работает в режиме ограниченной пропорциональности, т. е. с увеличением первоначального числа пар ионов амплитуда импульса увеличивается, но не пропорционально п0 (в большей степени увеличиваются импульсы с малым по); коэффициент газового усиления в этом режиме зависит от первоначального числа пар ионов — n0. Этот режим работы счетчиков практического применения не имеет.

При напряжениях от U3 до U счетчик работает в режиме самостоятельного газового разряда, при котором число образованных в области ударной ионизации пар ионов (n) и заряд, собираемый электродами (∆q=ne), не зависят от первоначального числа пар ионов (n ). Другими словами, амплитуда импульсов напряжения счетчика не зависит от того, создает ли ионизирующая частица всего одну пару ионов в объеме счетчика (например, вторичный электрон с малой энергией, возникший от гамма-кванта в стенке счетчика и проникший в его рабочий объем) или очень большое число пар ионов (например, 50 000 пар, созданных альфа-частицей); амплитуды импульсов напряжения счетчика будут одинаковыми. Характеристики 1 и 2 на рис. 13 для этой области сливаются в одну кривую. Счетчики, работающие в режиме самостоятельного газового разряда, принято называть счетчиками Гейгера-Мюллера. Они широко используются для регистрации бета-частиц и гамма-квантов и позволяют измерять малые активности и мощности доз гамма-излучения.

Если напряжение на счетчике превысит U , то гашение разряда вследствие очень большого числа образующихся при каждом импульсе ионов не обеспечивается и счетчик переходит в режим непрерывного газового разряда.

Конструктивные особенности газовых счетчиков в основном зависят от их назначения, т. е. от вида и энергии регистрируемых частиц и чувствительности счетчиков. Счетчики для регистрации альфа-частиц должны иметь окно, затянутое тонкой (обычно слюдяной) пленкой толщиной 1 — 2 микрона, сквозь которую альфа-частицы могут проникать в рабочий объем. Окно обычно размещено в торце стеклянного цилиндра, поэтому счетчики такой конструкции носят название торцовых счетчиков. К торцовым альфа -счетчикам относятся счетчики САТ-6 и САТ-7.

Рис. 14. Образцы газовых счетчиков: 1-СТС-5; 2 -АС-2; 3— МС-4; 4— МСТ-17; 5— САТ-7

Внешний вид некоторых газовых счетчиков приведен на рис. 14. Торцовые счетчики применяются также для регистрации бета-частиц с малой энергией (меньше 0,3 Мэв), однако толщина слюдяной пленки у них обычно больше, чем у торцовых счетчиков для регистрации альфа-частиц, и составляет 2 - 6 микрон. К такому виду счетчиков относится счетчик МСТ-17.

Для регистрации бета-частиц сравнительно большой энергии (больше 0,3 — 0,5 Мэв) обычно применяются цилиндрические счетчики с тонким (10 — 30 микрон) алюминиевым (для спиртовых и метилалевых счетчиков) или стальным (для галогенных счетчиков) корпусом-катодом. К таким счетчикам относятся счетчики АС-2 (алюминиевый самогасящийся 2-й образец), СТС-5 и СТС-6 (стальной самогасящийся) .

Для регистрации гамма-излучения применяются счетчики с толстыми стенками (с толстым катодом из меди или других материалов).

Обычные цилиндрические бета-счетчики также широко используются для регистрации гамма-излучений; при этом они помещаются в достаточно толстый алюминиевый чехол, поглощающий бета-излучения.

Одной из важнейших характеристик, определяющих свойства счетчика как датчика дозиметрических приборов, является его эффективность. Эффективностью называется отношение числа радиоактивных частиц, вызвавших импульс газового разряда, к общему числу частиц, попавших в рабочий объем счетчика. Эффективность газовых счетчиков к альфа- и бета-частицам близка к 100%.

Однако указанную эффективность к бета-частицам не следует путать с эффективностью регистрации потока бета-частиц, воздействующих на внешнюю поверхность счетчика; последняя может иметь величину от близкой к 100% до нуля в зависимости от энергии бета-частиц и толщины стенок счетчика.

Эффективность счетчиков к гамма-квантам значительно меньше и имеет величину от 0,2 до 1,6%. Гамма-кванты регистрируются счетчиком главным образом за счет вторичных электронов, выбиваемых гамма-квантами из материала стенок счетчика. Поэтому эффективность зависит от энергии квантов, материала стенок и до некоторой степени от их толщины.

Так, у счетчиков, прикрытых достаточно толстым слоем алюминия (порядка 5 — 8 мм), в диапазоне энергий гамма-квантов от 0,2 до 2,5 Мэв эффективность изменяется в пределах от 0,1 до 1,2%, возрастая примерно пропорционально энергии. Благодаря этому скорость счета импульсов счетчика N, т. е. число импульсов в единицу времени, характеризует мощность дозы гамма-излучения в указанном диапазоне энергий квантов. Действительно,

где Sсч — рабочая поверхность счетчика, на которую воздействует гамма -излучение;

εγ — эффективность счетчика;

. Пγ— плотность потока гамма-квантов, зависящая от мощности дозы и энергии квантов:

Коэффициент поглощения µа гамма-излучения в воздухе в диапазоне энергий квантов от 0,1 до 2 Мэв практически является постоянной величиной поэтому:

где - практически постоянная величина, зависящая от величины рабочей поверхности счетчика.

Таким образом, чувствительность счетчика при измерении мощностей доз гамма-излучения зависит от величины поверхности его рабочего объема. Чем больше поверхность, тем большее число гамма-квантов будет воздействовать на нее в единицу времени при данной мощности дозы, тем чувствительнее счетчик. Однако с увеличением чувствительности уменьшается верхний измеряемый предел мощностей доз, так как предельная скорость счета ограничивается «мертвым временем» счетчика.

Так, например, предельная измеряемая мощность дозы гамма-излучения для счетчика СТС-5 составляет около 0,5 р/час. Путем уменьшения габаритов и рабочего объема созданы счетчики, обеспечивающие измерение мощностей доз до 5 р/час, до 50 р/час и больше.

Счетчики такого типа получили название малочувствительных.

Оценка качества счетчика и определение его рабочего напряжения обычно производятся по его счетной характеристике. Для снятия такой характеристики газоразрядный счетчик подключается к пересчетной установке, т. е. такой регистрирующей схеме, которая позволяет считать число возникающих на нагрузке счетчика импульсов напряжения, амплитуда которых превосходит некоторую пороговую величину. Счетной характеристикой называется зависимость зарегистрированного числа импульсов в единицу времени от напряжения питания счетчика при постоянной интенсивности облучения.

Счетная характеристика имеет вид, представленный на рис. 15. Как видно из рисунка, при напряжении на счетчике меньше U импульсы не регистрируются пересчетной установкой, так как они очень малы. Напряжение Uн, при котором появляется счет импульсов, называется напряжением начала счета. При дальнейшем увеличении напряжения скорость счета быстро увеличивается. В этой области счетная установка регистрирует не все попадающие в счетчик частицы, так как импульсы напряжения счетчика имеют разную величину в зависимости от первичной ионизации и других причин. Начиная с точки A и до точки Б, скорость счета почти не изменяется с возрастанием напряжения, т. е. на участке А — Б практически все частицы, производящие в счетчике начальную ионизацию, регистрируются.

Этот почти горизонтальный участок характеристики носит название «плато». Некоторое наблюдаемое увеличение скорости счета на участке «плато» объясняется появлением и увеличением числа ложных импульсов вследствие того, что гасящие примеси самогасящегося счетчика не обеспечивают гашение всех без исключения ложных импульсов.

При напряжениях больше UБ наблюдается резкий рост ложных импульсов и переход к непрерывному разряду. Рабочим участком счетной характеристики является «плато». Чем больше протяженность и меньше наклон «плато», тем лучше качество счетчика. Наклон «плато» принято оценивать увеличением скорости счета импульсов при изменении напряжения на 100 в, выраженным в процентах к средней скорости счета на участке «плато»:

У хороших счетчиков протяженность (ширина) «плато» порядка 100—200 в и наклон не превышают нескольких процентов. В самогасящихся счетчиках по мере распада многоатомных молекул гасящей примеси счетная характеристика постепенно ухудшается — укорачивается протяженность «плато» и увеличивается его наклон. Последнее вызывает необходимость проверки счетчиков в процессе работы с ними, так как могут появиться значительные ошибки в измерениях. Галогенные счетчики обладают значительно более устойчивой счетной характеристикой.

Рабочее напряжение счетчика выбирают в пределах «плато», учитывая, что излишне большое напряжение увеличивает амплитуду импульсов и счетчик будет быстрее выходить из строя; слишком малое напряжение (около начала «плато») вызывает опасность значительного уменьшения скорости счета импульсов вследствие случайного уменьшения напряжения питания.

В лабораторных приборах напряжение счетчика выбирается около середины счетной характеристики (50—80 в от напряжения начала счета).

Одним из параметров счетчика является его фон. Фон счетчика — это средняя скорость счета импульсов при рабочем напряжении и в отсутствии радиоактивных источников. Он определяется всеми посторонними ионизирующими излучениями: природным радиоактивным излучением земли и всех окружающих предметов, космическими излучениями и т. д.

Даже световое излучение (особенно прямые лучи солнца) способно вызывать появление импульсов в газоразрядном счетчике, если его рабочий объем не защищен светонепроницаемым слоем вещества.

Если счетчик помешен в свинцовое защитное устройство (свинцовый домик) с толщиной стенок 50 мм, то фон почти полностью обуславливается космическими лучами и природными загрязнениями радиоактивными веществами материалов, из которых сделаны счетчик и защитное устройство. Фон счетчика, замеренный в указанных условиях, называется темновым фоном и приводится в его паспортных данных.

V. СЧЁТЧИК ГЕЙГЕРА С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ПИТАНИЕМ ОТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ТРИОДЕ

Для разработки схемы счётчика слабого бета-излучения используем схему, приведённую на рис.16.

В схеме счётчика Гейгера, изображённой на рис.16, для питания лампы используется преобразователь напряжения на полупроводниковых приборах. Преобразователь состоит из генератора по трёхточечной схеме на полупроводниковом триоде 2N107, повышающего трансформатора и селенового выпрямителя с фильтром. Преобразователь преобразует напряжение 6-вольтовой батареи Б в стабилизированное напряжение 300 в постоянного тока, необходимое для питания лампы 1В86.

Индуктивностью колебательного контура генератора служит первичная обмотка малогабаритного трансформатора Тр1. Для осуществления обратной связи от неё сделан отвод. Возникающие колебания возбуждают во вторичной обмотке высокое напряжение, которое выпрямляется высоковольтным селеновым выпрямителем. Пульсации сглаживаются конденсатором С2. четыре последовательно соединённые неоновые лампы NE-2 и сопротивление R1 образуют стабилизатор напряжения.

Импульсы с лампы 1В86 счётчика через трансформатор Тр2 подаются на индикатор.

В штепсельные гнёзда “Тел.” могут быть включены телефоны для слуховой индикации. Германиевый диод 1N34 выпрямляет импульсы, и получающийся постоянный ток отклоняет стрелку микроамперметра постоянного тока М (для визуальной индикации). Величину тока в цепи микроамперметра можно регулировать реостатом R3.

Схему, приведённую на рис.16 немного упростим, но так, чтобы можно было использовать в ней в качестве счётчика- счётчик Гейгера. (см.рис.17)

Рис.17 счётчик слабого бетта-излучения

VI. Счётчик СТС-5

Выписка из паспорта счётчика СТС-5, который мы будем использовать в качестве проверки работоспособности нашей схемы с рис.17. На рис.14 изображён внешний вид счётчика СТС-5. Его длина 110±25 мм, анодный выход обозначен знаком “+”.

а) Основные типовые параметры:

1. Напряжение начала отсчёта……………………………….280 ÷ 330 В

2. Рекомендуемое рабочее напряжение……………...............360 ÷ 440 В

3. Наименьшая протяжённость плато...……………………………...80 В

4. Наибольший наклон плато……………………………...0,125% на 1В

5.Наибольший натуральный фон……………………………27 имп. в мин

б) Условия эксплуатации

1.Сопротивление нагрузки………………………………от 5 до 10 Мом.

2. Наибольшая нагрузочная ёмкость, доступная во входной цепи счётно-измерительного устройства………………………………………...10 пф.

3. Переходная ёмкость входа счётного прибора……………….7 ÷ 15 пф

4. Допустимые колебания температуры окружающей среды…от-40˚С до +50˚С

5.Для обеспечения продолжительной и устойчивой работы счётчика следует:

а) не допускать попадания на счётчик всякого рода загрязнений, могущих ухудшить его изоляционные свойства;

б) оберегать счётчик от ударов и механических повреждений;

в) при включении счётчика соблюдать соответствующую полярность – положительный полюс источника питания присоединять к анодному выводу счётчика, обозначенному знаком “+”, а отрицательный полюс источника питания присоединять к катодному выходу счётчика, не имеющему обозначения.

VII. СХЕМА УДВОЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Исходя из паспортных данных [см. VI а) -2] в схеме (рис.17) используется схема удвоения напряжения.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

Uн – Напряжение на нагрузке.

Отличительной особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки– другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах ( на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем.

Преимущества: Вторичную обмотку трансформатора можно расчитывать на значительно меньшее напряжение.

Недостатки: Значительные токи через вентили выпрямителя, Уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двухполупериодных выпрямителей.

Эта же схема может использоваться еще в двух вариантах:

Левая схема предназначена для получения двух напряжений питания одной полярности, правая – для получения двуполярного напряжения с общей точкой.

Во втором варианте схемы характеристики выпрямителя соответствуют характеристикам однополупериодного выпрямителя.

VIII. СЧЁТЧИК “СЛАБОГО БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ”. СТБ-13

В схеме рис.17 заменим счётчик СТС-5 на счётчик СТБ-13. С его помощью у нас есть возможность регистрировать слабее бета-излучение.

Счётчик СБТ-13 (паспортные данные)

Счётчик бета-излучения СБТ-13 предназначен для регистрации мягкого бета-излучения в полевых и лабораторных условиях.

Схема соединения электродов с выводами:

А-анод

К-катод

Основные электрические параметры:

Рабочее напряжение, В 380

Напряжение начала отсчёта, В 250-300

Протяжённость плато счётной характеристики, В, не менее 70

Наклон плато счётной характеристики, , не более 0,15

Чувствительность, 100-140

Собственный фон, , не более 0,6

Амплитуда импульса напряжения, В, не менее 20

Эффективность регистрации бета-излучения,%, не менее 45

Допустимый режим эксплуатации:

Указания по эксплуатации:

При эксплуатации счётчика значения величин, определяющих режим эксплуатации, не должны выходить за указанные значения.

Для продолжительной и устойчивой работы счётчика необходимо:

А) не допускать попадания на счётчик всякого рода загрязнений, могущего ухудшить его изоляционные свойства;

Б) оберегать счётчик от ударов и механических повреждений;

В) при включении счётчика соблюдать полярность.

3. Остальные условия по эксплуатации ССЗ 394 022 ТУ

Драгоценных металлов не содержит.

IX. РАЗРАБОТКА МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ СЧЁТЧИКА СЛАБОГО БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ

После тщательной проверки работоспособность схемы (рис.17) с счётчиком СТБ-13, необходимо разработать микросхему, чтобы наш счётчик был компактным и удобным в применении.

А – счётчик СТВ-13 (4-ый контакт);

Б – счётчик СТВ-13 (8-ой контакт);

В – трансформатор (5-ый вывод);

Г – индикатор;

Д – миллиамперметр;

Е – трансформатор (8 – ой вывод);

Ж – трансформатор (6 - ой вывод);

З – миллиамперметр.

X. ПРИМЕНЕНИЕ СЧЁТЧИКА

С помощью счётчика слабого бета – излучения можно зафиксировать рентгеновские лучи.

При наблюдении дифракции рентгеновских лучей, отражающие плоскости могут быть расположены либо параллельно поверхности образца, либо перпендикулярно.

В первом случае говорят, что кристалл вырезан по геометрии Брега.

Во втором случае говорят, что кристалл вырезан по геометрии Лауэ. (рисунок 18)

Рассмотрим аномальное прохождение рентгеновских лучей .Направим параллельный пучок монохроматических рентгеновских лучей параллельно плоскости. Если на пути этого луча ,проходящего сквозь пластинку, поставить счетчик слабого бета излучения ,то можно будет зафиксировать рентгеновское излучение.(рисунок 19)

Обозначим интенсивность падающего луча J0 ,а выходящего J,тогда получим зависимость:

J=J0 ·exp(-μ0 · t)

μ0 - линейный (фотоэлектрический) коэффициент поглощения фотоэлектрических лучей .Зависит от сорта атомов исследуемого образца.

Если пластина вырезана из монокристалла ,удовлетворяющего модели идеального кристалла, то поворачивая кристалл относительно нормали к поверхности образца и плоскости рисунка до тех пор пока угол скольжения Q не станет равным углу Q из условия Вульфа-Брега :

2·d· sin Q =λ (рисунок 19 лучи 2, 2’ и 2”)

Регистрируя счетчиком прямой и отраженные лучи мы можем прийти к соотношению :

J =J = 0,25 ·J0 ·exp(- μ· t)

μ- интерференционный коэффициент поглощения (аномальный).Получаем ,что здесь интенсивность больше ,чем в случае параллельного прохождения рентгеновских лучей ,так как μ > μ0 (для Ge , Si , GaAs )

Впервые это явление обнаружил немецкий физик Борман. Для наблюдения эффекта Бормана кристалл должен удовлетворять условиям :

Кристалл должен быть практически бездефектным, идеальным.

Кристалл должен быть “толстым”, удовлетворять условию: μ0 · t  10

Аномальное прохождение будет возможно лишь при условии выполнения условия Вульфа – Брега.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. “Дозиметрические приборы”, под редакцией Г.А. Абрамова, Москва, 1958г.

2. “Схемы с полупроводниковыми приборами” (сборник переводов) под редакцией Малинина Р.М., Военное издательство: Москва, 1960г.

Страницы: 1, 2, 3