Электрические детекторы
К электрическим детекторам относятся ионизационные камеры, полупроводниковые детекторы и газонаполненные счетчики. Последние в зависимости от режима работ подразделяются на пропорциональные и с самостоятельным разрядом (счетчики Гейгера — Мюллера). В зависимости от состава заполняющих их газов счетчики делятся на две группы: а) «медленные», или несамогасящие, и б) «быстрые», или самогасящие.
При агрохимических исследованиях почти исключительно пользуются «быстрыми» счетчиками Гейгера — Мюллера, различающимися формой и деталями конструкции. Наиболее распространены: цилиндрические счетчики, приспособленные для подсчета более «жестких» излучений, обладающих энергией более 0,6 Мэв, и торцовые счетчики, приспособленные для более «мягких» излучений, с энергией менее 0,6 Мэв.
Цилиндрические счетчики изготовляют из трубок разного диаметра и длины, материалом для них служат стекло, алюминий (вариант Троста) или нержавеющая сталь. Схему устройства цилиндрического счетчика можно видеть на рис. 1, а, где 1 — стеклянный баллон, заполненный гелием, аргоном, азотом или другими газами с добавкой к ним в количестве примерно 10% многоатомных газов или паров: этилена, ацетилена, паров метилового или этилового спирта и т. д., с целью самогашения электрического раз ряда в счетчике; 2 — клеммы для включения в цепь; 3 — металлическая нить; 4 — металлический цилиндрический катод. В другом варианте цилиндрических счетчиков катодом служат металлические стенки баллона счетчика; схематический рисунок такого счетчика изображен на рис. 1, б, где 1 — алюминиевый баллон, 2 — клеммы; 3 — нить. На рис. 1 в изображен счетчик из нержавеющей стали.
В торцовых счетчиках, приспособленных для «мягкого» слабопроникающего излучения, одна из стенок изготовляется из тонкой слюдяной мембраны, которая и служит местом проникновения в счетчик (J-частиц (рис. 2).
Принцип действия счетчика и механизм разряда. На нить счетчика подается высокое напряжение от выпрямителя или батареи, а корпус металлического счетчика или катод стеклянного заземляются. Напряжение на нить подается с таким расчетом, чтобы, с одной стороны, не происходило пробоя газовой прослойки между нитью и катодом и не возникал в счетчике самостоятельный разряд и, с другой стороны, чтобы при уменьшении сопротивления газовой прослойки, например вследствие ионизации газов, возникал бы электрический разряд. Счетчики типа СТС-6, СБТ-7, СБТ-13 работают при напряжении 300—400 в, счетчики МСТ-17, Т-25-БФЛ. СИ-2Б и другие — 1300—2000 в. Как говорилось выше, β--излучение производит ионизацию газа, через который оно проходит, поэтому при подаче указанного напряжения на нить достаточно будет проникнуть внутрь счетчика одной β--частице, как произойдет, вследствие ионизации газа, разряд, возникнет импульс тока, который после усиления в ламповом усилителе может быть учтен пересчетным устройством.
Механизм такого разряда весьма сложен; схематически он сводится к следующему. При проникновении в счетчик электрона происходит ударная ионизация находящихся в счетчике молекул газа и образование положительных ионов и вторичных электронов, которые, нарастая в количестве, направляются ускоряющимися темпами к положительно заряженной нити счетчика. За короткое время, исчисляемое 10в-7—10в-8 долями секунды, эта лавина электронов, количеством около 10 000, достигает нити счетчика, где и разряжается. Одновременно с этим процессом при ионизации молекул происходит возникновение ультрафиолетовых лучей, которые вырывают из стенок счетчика фотоэлектроны; последние тоже ускоренным движением направляются к нити, ионизируют новые молекулы газа и создают новую лавину электронов. Таким путем в счетчике возникает непрерывный разряд, который может быть приостановлен включением в цепь большого сопротивления (несамогасящие счетчики). Тот же эффект получается при добавке к газам счетчика высокомолекулярных газов или паров: этилена, метилового и этилового спирта и пр. (самогасящие счетчики Гейгера — Мюллера). Спирт и другие добавки поглощают ультрафиолетовое излучение и предупреждают возникновение вторичных лавин электронов. Таким образом, в самогасящих счетчиках каждому проникшему внутрь счетчика электрону соответствует один короткий разряд, или импульс тока.
Процесс ионизации сосредоточен вблизи нити, где электроны приобретают наибольшую скорость и образующиеся при ионизации положительные ионы располагаются вдоль нити в виде чехла. Разряд этого положительного заряда происходит медленнее разряда электронов, что создает так называемое мертвое время счетчика, о чем будет сказано ниже. Недостатком само-гасящего счетчика является его ограниченный срок службы в результате постоянного распада наполнителя — многоатомного газа. Счетчик, зарегистрировавший около 10в9 импульсов, практически становится непригодным к работе.
Характеристическая кривая счетчика (рабочая характеристика счетчика, плато). Характеристическая кривая счетчика представляет кривую зависимости числа импульсов, возникающих на счетчике в единицу времени, от напряжения, приложенного к счетчику. На рис. 3 приведена в качестве примера кривая для одного из счетчиков. Начальный потенциал счетчика, т. е. потенциал, при котором в счетчике начинают появляться разряды, в приведенном на рис. 3 примере около 740 в. При увеличении напряжения число импульсов п сначала быстро растет, затем в интервале величины потенциала 880—1230 в практически остается постоянным, после чего число импульсов резко возрастает вследствие возникновения в счетчике самостоятельных разрядов. Горизонтальная часть кривой (AB) получила название «плато». Плато является важной рабочей характеристикой счетчика, показывающей, при каком значении поданного на нить потенциала можно вести работу на счетчике, так как только в этом интервале число импульсов практически не зависит от величины потенциала.
Каждый счетчик характеризуется своим начальным потенциалом и своим плато, поэтому перед началом работы с новым счетчиком прежде всего следует снять его характеристическую кривую.
Для этого измеряют число импульсов в 1 мин. от какого-нибудь источника при разных значениях потенциала, начиная с напряжения начала счета, указанного в паспорте, например с 750 в. Увеличивая потенциал каждый раз на 50 в, подсчитывают и записывают число импульсов, возникших в счетчике за 1 мин., пока не будет достигнуто резкое возрастание числа импульсов вследствие появления в счетчике самостоятельных разрядов. Данные измерений наносят на график, по которому и устанавливают рабочее напряжение.
К новым счетчикам, поступающим в лаборатории, всегда прилагается их характеристика с указанием начального потенциала и рабочего плато. Ho следует иметь в виду, что характеристическая кривая и положение на ней плато несколько изменяются со временем, особенно при работе, почему следует раз в 3—6 месяцев снова строить кривую и определять по ней плато. Рабочее напряжение следует устанавливать всегда в пределах первой трети плато. В области плато счетчики регистрируют 100% попавших в него частиц.
Ложные, или самопроизвольные, разряды. Явление ложных импульсов состоит в появлении в счетчиках разрядов, которые прямо не связаны с прохождением через счетчик той или другой ионизирующей частицы, например электрона. Появление ложных импульсов связано с материалом катода, загрязнением его поверхности. Они всегда появляются в виде группы импульсов, следующих один за другим через равные промежутки времени, и возникают после разряда, вызванного ионизирующей частицей. Характер появления позволяет легко отличить их от импульсов, вызванных ионизирующей частицей, которые возникают во времени хаотически, неравномерно. Ложные импульсы присущи всем счетчикам, но в счетчиках хорошего качества число их незначительно и не влияет на точность подсчета. В счетчиках плохого качества наличие большого числа ложных импульсов приводит к нарушению точности отсчета импульсов и вида характеристической кривой счетчика: более крутому подъему ее после плато и нарушению горизонтальности плато. Хорошие счетчики имеют плато протяженностью 150—200 в и более и наклон плато не более 2—3% на 100 в.
«Мертвое время» счетчика. Как описано выше, в счетчике при разряде образуется вокруг нити положительный пространственный заряд, который в связи с меньшей скоростью более крупных положительных ионов ликвидируется значительно медленнее, чем заряд лавины отрицательных электронов. Время, необходимое для разрушения положительного заряда, получило название «мертвого времени», так как при наличии этого заряда новый импульс тока в счетчике при проскоке через счетчик ионизирующей частицы возникнуть не может. Продолжительность мертвого времени счетчика постоянна для каждого поданного напряжения и имеет порядок 10в-4 сек. (при одном и том же числе импульсов).
