Особенности газового разряда

В пропорциональном счетчике газовый разряд развивается только в части объема газа. В ней образуется сначала первичная ионизация, а затем и лавина электронов. Остальной объем не охватывается газовым разрядом.

С повышением напряжения критическая область расширяется. В ней увеличивается концентрация возбужденных молекул, а, следовательно, и количество испущенных фотонов. Под действием фотонов из катода и молекул газа вырывается все больше и больше фотоэлектронов. Последние в свою очередь дают начало новым лавинам электронов в объеме счетчика, не занятым газовым разрядом от первичной ионизации. Таким образом, повышение напряжения U приводит к распространению газового разряда по объему счетчика. При некотором напряжении U_п, называемом пороговым, газовый разряд охватывает весь объем счетчика.

В области ограниченной пропорциональности число фотоэлектронов, возникающих в процессе газового разряда, сравнимо с числом первичных электронов. Фотоэлектроны оказывают в этой области значительное влияние на течение газового разряда и дают заметный вклад в ионизационный ток.

При напряжении U_п начинается область Гейгера–Мюллера. Количество фотоэлектронов, участвующих в газовом разряде, становится намного больше числа первичных электронов. Это означает, что один первичный электрон порождает в лавинах огромное число фотоэлектронов. Поэтому вклад первичной ионизации в ионизационный ток настолько мал, что им можно пренебречь.

Он не зависит от числа первичных пар ионов. Газовый разряд охватывает одинаково весь объем счетчика при появлении в газе и одной, и нескольких тысяч ионных пар. Это является одной из особенностей газового разряда в счетчике Гейгера–Мюллера.

После удаления из газа электронов около нити располагаются положительные ионы. Они образуют вокруг нити плотный чехол по всей длине счетчика. Положительные ионы сильно экранируют электрическое поле, и напряженность электрического поля вблизи нити резко уменьшается. Вследствие этого в счетчике становится невозможным новый газовый разряд, пока положительные ионы не отойдут от нити на определенное расстояние.

Предположим, что в счетчик длительное время не поступает очередная заряженная частица. Возникнет ли снова лавина электронов в счетчике? Положительные ионы за 10^-4 с достигают катода, нейтрализуются и испускают фотоны. В свою очередь, фотоны вырывают из катода фотоэлектроны, и в объеме счетчика начинается первый послеразряд, за которым возникнет второй и т. д. Таким образом, первичная ионизация порождает в объеме счетчика незатухающий газовый разряд. Счетчик Гейгера–Мюллера, в котором протекает незатухающий газовый разряд, непригоден как детектор излучения.

Для нормальной работы счетчика Гейгера–Мюллера необходимо оборвать длительный газовый разряд сразу же после первого основного разряда. Тогда появлению заряженной частицы в газе будет соответствовать один импульс напряжения. По способу гашения газового разряда счетчики Гейгера–Мюллера подразделяют на самогасящиеся и несамогасящиеся. В самогасящихся счетчиках газовый разряд гасится газом-наполнителем, в несамогасящихся–внешними устройствами.

На значение амплитуды импульса влияет коэффициент газового усиления. В счетчике Гейгера–Мюллера амплитуда импульсов возрастает до 1–50 в. Такие импульсы можно регистрировать с помощью простейшего усилителя.

Для гашения газового разряда в счетчике необходимо создать условия, при которых становится невозможным появление послеразряда, а вместе с ним и ложного импульса. В несамогасящихся счетчиках газовый разряд гасится выбором сопротивления R, при котором постоянная времени τ=RС превышает на два порядка время движения положительных ионов от анода к катоду. Сопротивление R и выполняет роль внешнего гасителя газового разряда.

После начала газового разряда напряжение U на сопротивлении R падает настолько значительно, что оно становится меньше порогового U_n. Такое напряжение собирающего электрода поддерживается примерно 10^-2 с.

Положительные ионы первой лавины подходят к катоду через 10^-4 с, затем в газе появляются фотоэлектроны. Так как U<U_п, то в газе протекает затухающий газовый разряд. В течение 10^-2 с газовый разряд в счетчике затухает, и счетчик снова может зарегистрировать заряженную частицу. Несамогасящиеся счетчики наполняют чистыми газами: аргоном, неоном, азотом и. др. Разрешающее время несамогасящихся счетчиков составляет 10^-2 с. Поэтому ими регистрируют небольшие потоки частиц.

В самогасящихся счетчиках газовый разряд гасится внутри самого счетчика. Для этого к чистому газу (аргон, неон, гелий и др.) добавляют гасящую примесь органических многоатомных молекул (пары спирта и др.).

Небольшие добавки примесных молекул не оказывают большого влияния на образование первичной лавины электронов. Поэтому развитие лавины электронов в самогасящихся счетчиках мало отличается от развития лавины в счетчике, наполненном чистым газом.

Возбужденные молекулы аргона, возникающие в первой лавине, испускают фотоны. Аргон прозрачен для фотонов и пропускает их на катод. Примесный газ, имеющий большой коэффициент линейного ослабления, интенсивно поглощает фотоны.

Положительные ионы аргона, сталкиваясь с многоатомными молекулами, отнимают у последних по одному электрону и нейтрализуются. Ионы многоатомных молекул сначала превращаются на катоде в возбужденные молекулы, а затем диссоциируют так же, как и возбужденные многоатомные молекулы, поглотившие фотоны. За один газовый разряд в счетчике диссоциирует около 10¹⁰ многоатомных молекул.

Диссоциация многоатомных органических молекул–необратимый процесс. Поэтому количество примеси–гасителя в счетчике уменьшается и счетчик постепенно изменяет свои свойства и приходит в негодность.

Хорошим заменителем органических молекул в самогасящихся счетчиках служат галогены Cl₂, Вr₂, I₂. Молекулы галогенов легко отдают электроны при столкновении с положительными ионами аргона. Возбужденные молекулы галогенов расходуют свою энергию возбуждения на диссоциацию. Следовательно, галогены обладают гасящими свойствами. Счетчики Гейгера–Мюллера, в которых газом–гасителем служат галогены, называют галогенными.

Галогены имеют значительно больший порядковый номер, чем органические вещества. Они эффективнее поглощают фотоны. Поэтому добавка молекул галогенов к аргону составляет всего 0,1% вместо 10–15% органических молекул. Кроме того, диссоциация молекул галогенов – обратимый процесс. Атомы галогенов при столкновении рекомбинируют в молекулу, вследствие чего количество молекул галогенов в счетчике остается неизменным. Это выгодно отличает галогенные счетчики от счетчиков с добавками паров органических веществ.

Галогены относятся к химически активным газам. При конструировании галогенных счетчиков особое внимание обращают на выбор материалов. Для корпуса галогенных счетчиков, например, нельзя использовать стекло, алюминий и медь, которые вступают в химическую реакцию с галогенами. Поэтому корпус приходится изготовлять из нержавеющей стали.

Разрешающее время самогасящихся счетчиков значительно меньше, чем несамогасящихся.

Отметим особенности распространения газового разряда по объему счетчика Гейгера–Мюллера. В несамогасящихся счетчиках фотоэлектроны возникают во всем объеме газа. Поэтому газовый разряд охватывает весь объем счетчика за время, сравнимое с временем сбора электронов на аноде. В самогасящихся счетчиках почти все фотоны поглощаются в критической области, так как газ-наполнитель характеризуется большим коэффициентом линейного ослабления. Поэтому газовый разряд распространяется только вдоль нити, занимая небольшой объем счетчика.

Амплитуда импульса в самогасящихся счетчиках зависит от доли длины нити, на которую распространяется газовый разряд. Максимальная амплитуда импульса наблюдается в том случае, когда газовый разряд охватывает всю длину нити. Поэтому к состоянию поверхности нити предъявляются жесткие требования. Поверхность нити тщательно полируют, чтобы устранить все неровности. Появление неровностей на поверхности может привести к тому, что газовый разряд начнет охватывать не всю нить и амплитуда импульса уменьшится.