ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

Лабораторна робота № 1

ВИВЧЕННЯ ГАЗОРОЗРЯДНОГО ЛІЧИЛЬНИКА

ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

МЕТА РОБОТИ: ознайомитися з принципом роботи і робочими характеристиками лічильника Гейгера-Мюллера.

ЗАВДАННЯ: 1. Вивчити елементи теорії і будови лічильника Гейгера–Мюллера: одержати експериментальні дані для побудови рахункової характеристики і визначити характеристики лічильника.

1. ПРИНЦИП РОБОТИ ЛІЧИЛЬНИКА ГЕЙГЕРА - МЮЛЛЕРА.

На рис.1. зображено фізичну установку для дослідження провідності газу, що знаходиться в скляному балоні. До газу прикладене електричне поле, напруженістю Е.

Рис. 1.

1. скляний балон;

2. катод (циліндр);

3. анод (нитка);

4. елементи електричного ланцюга.

Струм у колі виникне у випадку появи в трубці вільних носіїв заряду. У даному випадку заряди в трубці будуть виникати під дією іонізуючого випромінювання (a -, b-, g- випромінювання). Якщо газовий об’єм у балоні пронизує постійний потік іонізуючого випромінювання, то величина струму I у ланцюзі лічильника визначається прикладеною до нього різницею потенціалів (V₂ – V₁ = V). Функція I(V) характеризується таким графіком (рис.2.).

Лічильник Г.-М. працює у відзначеній області Г., що називається областю Гейгера. Різниця потенціалів в області Г настільки велика, що вільні заряди, що утворилися в газі (електрони й іони) здобувають в електричному полі трубки енергію, достатню для вторинної іонізації. Це створює умови для виникнення і підтримки самостійного розряду. Тому область Г дуже чутлива до зовнішніх іонізаторів. У цій області газового розряду працює лічильник Г.-М.

Рис. 2

Самостійний розряд у трубці можна погасити, якщо зменшити різницю потенціалів на електродах трубки. Для цього досить послідовно з газовим проміжком включити опір визначеної величини. Також можливо автоматичне гасіння самостійного розряду в трубці введенням у газ компонентів молекулярного газу і підбором параметрів газу.

Газова трубка, що працює в області газового розряду Гейгера та володіє властивістю автоматично гасити самостійний розряд, що виникає, це лічильник Гейгера-Мюллера.

2. БУДОВА І РОБОТА ЛІЧИЛЬНИКА ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА.

Лічильник складається із катоду (к-корпус) і аноду, яким є металева дротина, протягнена уздовж вісі (рис. 1.). Корпус лічильника заземлюється. На катод і анод подається висока напруга. Напруженість електричного полючи між електродами в циліндричному лічильнику нерівномірна і визначається виразом

(1)

де: D- діаметр циліндра катода;

d - діаметр анодної нитки;

r - відстань від анода до крапки спостереження;

V-напруга на електродах.

Чим менше діаметр нитки d, тобто чим тонше нитка, тим більше напруженість поля Е поблизу анода. Діаметр дроту анода лежить у межах від 0,05мм до 0,3мм, матеріалом є вольфрам чи сталь. Поверхню дроту полірують, тому що незначні шорсткості на ній сильно спотворюють електричне поле і можуть викликати помилкові імпульси. Лічильники заповнюються газом під тиском 10⁴ ё 5Ч 10⁴ Па. Як правило використовуються легкі інертні гази – неон, аргон. До газу додаються важкі молекули (спирти, метани), концентрація яких досягає 10%. Ці домішки створюють у лічильнику умови для самогасіння розряду.

Рис.3. Електричне поле в лічильнику в момент іонізації (Е₁< Е₂)

1. анод;

2. іони, що утворилися;

3. катод.

У деяких лічильниках замість важких молекул органічних сполук використовуються атоми галогенів (хлор, бром). Лічильники з галогенною домішкою газу працюють при напрузі 360-450В і мають довгий термін служби.

3. ЧАСОВА ХАРАКТЕРИСТИКА ЛІЧИЛЬНИКА.

Важливою характеристикою газорозрядних лічильників є МЕРТВИЙ ЧАС – це інтервал часу між початком імпульсу розряду і моментом, коли можливе виникнення наступного імпульсу розряду. Фізична причина існування мертвого часу полягає в тому, що на тлі потужного розряду, викликаного початковою частинкою, поява того чи іншого числа пара іонів зовні не позначається на характері процесів у лічильнику.

Лавинна іонізація виникає поблизу дроту, де Е велике. Електрони, володіючи великою рухливістю, за час t=10^-5з досягають анода. Іони, через велику їхню масу, рухаються до катода повільніше і утворять просторовий позитивний заряд, що оточує анод (рис.3.). Це на якийсь час зменшує напруженість електричного поля Е поблизу анода настільки, що ударна іонізація стає неможливою. Поступово позитивні іони ідуть від анода і напруженість електричного поля поблизу його зростає й у якийсь момент часу знову стає можлива іонізація і виникнення лавинного розряду. Зміна напруженості електричного поля Е у анода з моменту виникнення розряду показане на рис.4. (суцільна лінія 1). Пунктирна лінія 2 відповідає зміні напруженості електричного поля Е у анода при розвитку нового розряду. Лінія 3 відповідає граничному значенню Е.

Звичайно мертвий час t_М=10^-5с. Однак час, необхідне для повного відновлення працездатності лічильника t_В значно більше мертвого часу. Воно визначається швидкістю руху іонів і дорівнює тому часу, що затратять іони на проходження шляху від анода до катода. Якщо установка, що реєструє імпульси в лічильнику, досить чутлива, то відновлення працездатності лічильника визначається мертвим часом t_М..

Рис. 4

 

Роботу радіометричної установки (лічильник і реєструючий пристрій) характеризують роздільною здатністю або роздільним часом t_роз.

Роздільний час - це той мінімальний проміжок часу, яким повинні бути розділені прольоти ядерних часток для того, щоб можна було зареєструвати їх окремо. У загальному випадку цей час визначається мертвим часом t_М, часом відновлення t_в, і чутливістю перерахункової установки. Тому що чутливість перерахункових пристроїв звичайно висока, те ядерні частки, що потрапили в лічильник під час його відновлення, будуть зареєстровані, що тому дозволяє час визначається МЕРТВИМ ЧАСОМ лічильника.

 

4. ЛІЧИЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЛІЧИЛЬНИКА.

Лічильна характеристика n(V) відбиває число імпульсів зареєстрованих установкою в залежності від напруги на електродах лічильника (рис.5.). Крива починає рости з деякого значення напруги V₀. При напругах менших V₀ амплітуда вихідних імпульсів лічильника недостатня для запуску рахункового пристрою.

Рис.5

В міру росту напруги V амплітуди імпульсів наростають, що і приводить до росту швидкості лічби. В області напруг від V₀ до V₁ має місце розкид імпульсів по амплітудах, що виникає унаслідок флуктуацій у розвитку і гасінні розряду і деяка частка імпульсів може виявитися не поліченою! При деякій напрузі V більшому V₁ установка фіксує всі імпульси, що потрапили в лічильник. При подальшому підвищенні напруги швидкість рахунка не повинна змінюватися, однак досвід показує, що вона повільно підвищується.

Це підвищення порозумівається появою так званих помилкових імпульсів, що виникають за рахунок порушення механізму гасіння розряду. Якщо продовжувати збільшувати напруга на лічильнику, то при деякім його значенні число помилкових імпульсів швидко зросте й у лічильнику виникає безупинний розряд, що не піддається гасінню.