Регистрация гамма-излучения и устройство счетчика Гейгера

Самыми распространенными приборами регистрации гамма- и бета- излучения являются газонаполненные детекторы. Они сочетают простоту и хорошую чувствительность к различным видам ионизирующих излучений. Первые из них были изобретены в 1908 г. Г.Гейгером*¹ и Э.Резерфордом*² и усовершенствованы позднее Г.Гейгером и В.Мюллером. В данной работе используется индикатор радиоактивности “Радекс” РД1706 с цилиндрическими счетчиками Гейгера-Мюллера. Такой счетчик обычно состоит из металлической трубки и натянутой по ее оси тонкой (диаметром примерно 0.1 мм) металлической нити. К электродам прикладывается разность потенциалов в несколько сотен В, так, что электрическое поле в трубке направлено от нити к боковой поверхности трубки. Трубку обычно заполняют инертными газами – аргоном и неоном с примесью галогенов или паров этилового спирта.

Источник ионизирующего излучения вызывает внутри счетчика ионизацию газа. Бета-излучение (быстрые электроны) непосредственно выбивают электроны из атомов газа, образуя из них положительные ионы. Гамма-кванты также могут выбить электрон из атома газа при фотоионизации или эффекте Комптона или образовать электрон-позитронную пару. Но вероятность таких процессов очень мала, в том числе из-за малой концентрации атомов газа. Поэтому регистрация гамма-квантов происходит только благодаря образованию вторичных заряженных частиц при перечисленных процессах в стенках счетчика. Для повышения вероятности таких процессов стенки счетчика делают из материала с большим атомным номером . Стенки гамма-счетчика должны быть тоньше длины пробега вторичных электронов (позитронов) в материале стенки, иначе они не попадут в объем счетчика. Отношение числа зарегистрированных частиц к их полному числу, попавшему в счетчик, называется эффективностью счетчика для данного вида частиц. Из-за малой вероятности взаимодействия гамма-квантов с веществом эффективность счетчика Гейгера Мюллера для них также мала и составляет всего 1-2%.

Для работы счетчика Гейгера Мюллера на его электроды подается достаточно высокое напряжение  – от 300 до 1300 В, зависящее от давления газа в трубке . После ионизации атомов первичной или вторичной заряженной частицей свободные электроны под действием электрического поля начинают двигаться к аноду (тонкой нити), а положительные ионы – к катоду (стенкам трубки). Средняя длина свободного пробега ионов

,                                              (4.24)

где  – концентрация атомов газа,  – полное сечение рассеяния ионов на атомах газа, зависящее от энергии электронов или положительных ионов. В течение свободного пробега электрическое поле ускоряет электроны и ионы в направлении силовых линий (вдоль радиусов цилиндрической трубки). При столкновениях с атомами газа направление движения ионов изменяется. В результате, как показывает опыт, устанавливаются некоторые скорости дрейфа электронов к аноду  и положительных ионов к катоду , причем из-за большой разницы в массах . Эти скорости пропорциональны напряженности электрического поля  и длине свободного пробега  и обратно пропорционален концентрации атомов  и давлению газа . Число  электронов, попадающих на анод и ионов, достигающих катода, увеличивается из-за вторичных процессов. Отношение  к первоначальному числу  пар электрон-ион называется коэффициентом газового усиления . В счетчиках Гейгера-Мюллера коэффициент газового усиления достигает 10¹⁰, что дает возможность регистрировать отдельные заряженные частицы. Это достигается за счет того, что они работают в режиме самостоятельного разряда. Конструкция счетчика и состав газа обеспечивают условия для возникновения самостоятельного разряда.

Вблизи нити-анода силовые линии электрического поля сгущаются, напряженность электрического поля  резко возрастает:

,                                                 (4.25)

где  – расстояние до оси счетчика, . Когда на длине свободного пробега  электрон приобретает энергию , превышающую энергию ионизации ,

,                                                (4.26)

он получает возможность ионизировать атомы газа. Образование вторичных электронов приводит к появлению лавин вторичных электронов. Коэффициент газового усиления за счет этого может достигать ~10⁴. Для снижения напряжения начала ионизации используют специальные добавки (например, галогены Cl₂, Br₂, I₂).

Дальнейший рост коэффициента газового усиления происходит из-за образования повторных электронных лавин, вызванных электронами, выбитыми из катода жесткими фотонами, испущенными возбужденными атомами (фотоэлектронная эмиссия, см. работу 3) или ионами (ионно-электронная эмиссия). Такие лавины повторяются, и в счетчике возникает самостоятельный разряд. Благодаря добавкам к газу (галогены, этиловый спирт) разряд через короткое время прерывается для возможности регистрации новой частицы.