Лабораторная работа № 1. Устройство и работа радиометра. Снятие счетной характеристики и нахождение рабочего напряжение счетчика Гейгера-Мюллера
В основе любого радиометрического прибора или детектора лежит преобразование энергии ионизирующего излучения в электрический сигнал. Основным элементом прибора, непосредственно взаимодействующим с ионизирующим излучением, является детектор (счетчик), подающий в усилительно-измерительную схему сигналы о поступлении ионизирующих частиц или гамма-квантов. По принципу действия детекторы можно разделить на ионизационные, полупроводниковые, химические и сцинтилляционные.
Самым простым устройством этого типа является ионизационная камера. Она представляет собой воздушный конденсатор, состоящий из двух металлических пластин, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, к которым приложена разность потенциалов. В сеть включен амперметр (устройство, регистрирующее силу тока в цепи). В отсутствии радиации – тока в цепи не будет, поскольку воздух сам по себе не содержит заряженных частиц, а значит, является изолятором. Радиоактивные частицы, попав внутрь конденсатора, ионизируют воздух, превращая его в проводник электричества. Отрицательно заряженные электроны при этом устремляются к положительной пластине, положительно заряженные ионы – к отрицательной. При достаточно высокой плотности ионизирующего излучения в электрической цепи возникает движение зарядов.
Возникающая при этом сила тока пропорциональна числу ионов, образующихся в единицу времени – и может быть измерена с помощью амперметра. Это позволяет определить интенсивность ионизирующего излучения.
При низкой плотности ионизирующего излучения, когда акты ионизации происходят через достаточно большие промежутки времени, амперметр заменяют гальванометром, регистрирующим прошедший через него заряд.
В зависимости от типа и интенсивности детектируемого излучения ионизационные камеры имеют те или иные особенности. Наиболее распространенный тип ионизационной камеры, предназначенной для регистрации ионизирующего излучения относительно невысокой интенсивности, представлен в счетчике Гейгера-Мюллера.
Счетчик Гейгера-Мюллера представляет собой герметичную трубку, заполненную газовой смесью из аргона и спирта. По оси трубки натянута нить, служащая в качестве анода. Катодом является внутреннее металлическое покрытие трубки. На электроды подается высокое напряжение постоянного тока.
При попадании внутрь трубки частиц или электронов, выбитых из стенок счетчика гамма-лучами, происходит ионизация газа. Выбитый с внешней орбиты атома аргона электрон устремляется к аноду, ускоряясь в электрическом поле, напряженность которого растет с уменьшением расстояния до анода. Энергия, которую приобретает электрон за счет ускорения электрическим полем, может достигать 500 эВ, что делает возможной ионизацию других атомов. Вновь выбитые электроны также разгоняются до энергий, превышающих потенциал ионизации и, в свою очередь, тоже ионизируют атомы аргона. В результате один первично ионизированный электрон вызывает лавину, в которой может быть до 1 миллиарда электронов. Электрический импульс такой величины без труда регистрируется электроникой и поступает на вход счетного устройства. Чувствительность счетчика Гейгера-Мюллера определяется в первую очередь материалом стенки счетной трубки и материалом катода.
Изучение устройства и принципа работы радиометра
В настоящее время существует много разнообразной аппаратуры для количественного определения интенсивности радиоактивного излучения. Такие приборы называются радиометрами. Для лабораторных исследований применяют радиометры с пересчетным устройством, позволяющим регистрировать каждый импульс тока, возникающий в счетчике. Лабораторные радиометры, состоящие из отдельных блоков, называются радиометрическими установками. Примером может служить установка Б-2 (рисунок 6), состоящая из высоковольтного выпрямителя - стабилизатора ВСВ-2500, пересчетного устройства ПС-64, электромеханического счетчика, блока газового счетчика с панелью для крепления счетчика, и собственно счетчика Гейгера. По своей конструкции это наиболее простая установка лабораторного типа.
Рисунок 6. Внешний вид лицевой панели установки Б-2.
По схеме установки Б-2 (рисунок 7) легко проследить назначение и работу отдельных ее узлов. На нить счетчика от высоковольтного выпрямителя ВСЭ-2500 подается высокое напряжение постоянного тока. Импульсы тока, возникшие в счетчике, формируются и усиливаются в блоке газового счетчика, откуда по экранированному проводу передаются на пересчетное устройство. Пересчетная и усилительная схемы смонтированы в основном блоке. Благодаря пересчетному устройству можно ограничить поступление импульсов в электромеханический счетчик с таким расчетом, чтобы число их не превышало 300 имп/мин. При включении тумблеров x1, х4, х16, х64, расположенных на передней панели пересчетного устройства, в механический счетчик будут поступать или все импульсы от датчика или, соответственно, каждый 4-й, 16-й, 64-й импульс.
Рисунок 7. Блок-схема установки Б-2.
Счетная характеристика выражает зависимость числа сосчитываемых импульсов от подаваемого напряжения при постоянном уровне воздействия ионизирующего излучения. Типичная счетная характеристика представлена на рисунке 8. При постепенном увеличении напряжения счетчик сначала не реагирует на влетающие в него частицы – энергии возникающих вследствие ионизации свободных электронов недостаточно для ионизации нейтральных атомов среды счетчика, а разность потенциалов между электродами слишком мала, чтобы сообщить им эту энергию за короткий интервал между соударениями с нейтральными атомами. При напряжении, превышающем UА (называемое потенциалом зажигания), отдельные частицы при удачном стечении обстоятельств вызывают в ионизационной камере сигнал значительной амплитуды, который сосчитывается счетчиком. При дальнейшем увеличении напряжения все большее число частиц дают сигнал нужной амплитуды. После достижения напряжения UB, любой акт ионизации в камере сопровождается импульсом тока. Для счетчика важно количество импульсов, а не их величина, поэтому при дальнейшем увеличении напряжения до верхнего порогового значения UC увеличения скорости счета не происходит. Этот участок счетной характеристики называется «плато», а число сосчитанных импульсов на этом участке равняется числу актов ионизации, произошедших в камере за время наблюдения (выделено пунктирной линией на рисунке 8). При напряжении выше UC в счетчике начинают возникать самопроизвольные разряды, и счетчик начинает завышать измеряемые значения. Рабочее напряжение, при котором счетчик работает оптимально, выбирают ближе к началу «плато».
Рисунок 8. Счетная характеристика счетчика Гейгера-Мюллера.
Необходимо помнить, что если на счетчик подать рабочее напряжение, то и в отсутствии радиоактивного препарата в ионизационной камере возникают разряды, обусловленные попаданием космических частиц и загрязнениями, которые могут быть в лаборатории. Число разрядов, возникающих в счетчике в единицу времени в отсутствии радиоактивного препарата, называют фоном счетчика. Таким образом, при измерении активности радиоактивного препарата, мы считаем одновременно и фон. Поэтому величину фона нужно вычитать из полученных данных. Чтобы уменьшить фон, некоторые счетчики помещают в специальные свинцовые «домики». В ходе лабораторной работы необходимо снять счетные характеристики для счетчика СТС-6.