С открытием и изучением такого явления как радиация стало ясно, что ионизирующее излучение представляет серьезную опасность для живых организмов. Поэтому стал вопрос о том, как защититься от него.
Но специфика радиации такова, что мы не можем явно узнать когда находимся под ее воздействием. Для обнаружения различных типов ионизирующего излучения существуют множество типов детекторов.
Сегодня мы с вами разберем принцип работы детекторов основанных на газоразрядной камере. Для более осознанного понимания материала статьи приветствуется знание того, как ионизирующее излучение взаимодействует с веществом.
Если заряженная частица пролетает через воздух или какой-нибудь другой газ, то возникающие ионы довольно быстро рекомбинируют (т.е. взаимодействуют и нейтрализуются), в результате чего все возвращается в первоначальное состояние. Однако, с помощью электрического поля можно «растащить» разноименные ионы, не дать им рекомбинировать, а затем, измерив, их суммарный заряд (а стало быть, и число), найти энергию пролетевшей частицы.
Работающий на этом принципе прибор называется ионизационной камерой.
Простейшая ионизационная камера — это плоский конденсатор с воздушным промежутком между пластинами. Для того чтобы создать между электродами камеры электрическое поле, ее подключают к источнику постоянного напряжения. Посмотрим, как будет работать ионизационная камера, если ее включить в электрическую цепь так, как показано на рисунке.
Если замкнуть ключ К, то ионизационная камера — конденсатор С— зарядится до напряжения между пластинами, равного полному напряжению источника U0. Потенциал верхней пластины относительно земли останется равным U0 и после размыкания ключа К, так как количество зарядов на ней не изменится.
Если теперь в воздушном промежутке конденсатора пролетит заряженная частица, то возникшие ионы пойдут к пластинам, отдадут им свои заряды и тем самым несколько уменьшат заряд конденсатора, а следовательно, и разность потенциалов между его пластинами. Давайте определим, на какую именно величину уменьшится потенциал верхней пластины конденсатора. Начальное значение потенциала U0 связано с зарядом пластины q0 и емкостью конденсатора С известным соотношением :
q0 = CU0.
После того как пролетит частица, заряд конденсатора уменьшится на суммарный заряд образовавшихся ионов, который в свою очередь равен заряду одного иона е, умноженному на число ионов N. Следовательно, после пролета частицы
q = q0 ‒eN
а потенциал верхней пластины
𝑈 = 𝑞 𝐶 = (𝑞 − 𝑒𝑁) 𝐶 = 𝑈 − 𝑒𝑁/𝐶
Таким образом, напряжение на конденсаторе уменьшается после попадания в него частицы на величину
ΔU=U0-U=eN/C.
Таким образом, измерив это падение напряжения можно подсчитать количество ионов, которые образовались в результате пролета частицы. И исходя из параметров ионизационной камеры можно приблизительно высчитать энергию этой частицы.
Посмотрим, что произойдет, если еще больше увеличить напряжение между электродами детектора. В этом случае при попадании в него заряженной частицы образуется мощная лавина электронов, которая с большой скоростью обрушивается на положительный электрод и выбивает из него несколько фотонов в ультрафиолетовой области спектра.
Эти фотоны, попадая на отрицательный электрод, могут вырвать новые электроны, которые, в свою очередь, устремятся к положительному электроду (нити счетчика), и т. д. В результате в счетчике возникает так называемый самостоятельный разряд, который будет гореть с постоянной силой независимо от того, попадают в счетчик новые частицы или нет. Точно так горит разряд в неоновых трубках световых реклам. Но ведь счетчик — не реклама! Он должен реагировать на каждую попадающую в него частицу, поэтому такой режим работы никому не нужен.
Однако, применяя специальные схемы включения или добавляя в атмосферу счетчика некоторые тяжелые газы, можно создать условия, при которых возникающий при попадании в счетчик частицы самостоятельный разряд будет гаснуть через очень короткое время. Таким образом, попадание в счетчик каждой новой частицы будет вызывать появление кратковременного, но довольно сильного тока. Работающий в описанном режиме прибор получил название счетчика Гейгера—Мюллера.
Приводить какие-либо электрические схемы я не стану, так как вариаций существует немало.
Амплитуда импульса от счетчика Гейгера—Мюллера может достигать нескольких десятков или даже сотен вольт. С такими импульсами можно работать без всякого усиления. Но эта победа была завоевана дорогой ценой. Дело в том, что амплитуда импульса в счетчике Гейгера—Мюллера определяется только свойствами самого счетчика и параметрами электрической цепи и совершенно не зависит ни от вида, ни от энергии первичной частицы. Импульсы от медленного электрона, создавшего всего несколько пар первичных ионов, и от α-частицы, создавшей несколько сотен тысяч ионов, оказываются совершенно одинаковыми. Поэтому счетчики Гейгера— Мюллера можно использовать только для подсчета числа пролетевших частиц, но не для определения их типа и энергии. Именно по этому он называется счетчиком.
На этом все, я рассмотрел базовые особенности работы счетчика Гейгера. Если вам интересны другие приборы предназначенные для изучения ионизирующего излучения, то ставьте пальцы вверх! Всего вам доброго и до скорых встреч!