Счетчик Гейгера—Мюллера (стр. 2 из 4)
Описываемые ниже счетчики при соответствующем напряжении могут работать как пропорциональные счетчики, если между счетной трубкой и счетным устройством включается линейный усилитель с достаточно большим коэффициентом усиления.
б) Наполнение газом. 1) Давление газа. Средняя удельная ионизация быстрыми электронами составляет для большинства газов примерно от 20 до 100 ионных пар на см пробега при атмосферном давлении; она обратно пропорциональна давлению. Для того чтобы такой электрон на пробеге длиной примерно 2 см в счетчике наверняка образовал хотя бы одну пару ионов и таким образом вызвал бы в счетчике сигнал, требуется минимальное давление примерно в 50 мм рт. ст. Верхний предел давления чаще всего устанавливается на этом уровне; при более высоком давлении рабочее напряжение на счетчике пришлось бы устанавливать слишком высоким.
2) Несамогасящиеся счетчики. В несамогасящихся счетчиках, подбирая подходящий газ для их наполнения и соответствующие параметры контура, можно довести мертвое время до значения, меньшего 10-4сек. Удачными наполнителями являются благородные газы, которые, конечно, не должны быть исключительно чистыми; лучше к ним добавлять определенное количество другого газа для устранения метастабилъных состояний атомов благородного газа, появляющихся после разряда.
Удельная ионизация гелия очень мала, поэтому его следует использовать при давлении не менее 200 мм рт. ст.; гелий можно применять до атмосферного давления; поэтому он подходит для счетчика с очень тонкими окнами. Рабочее напряжение даже при атмосферном давлении составляет около 1100 в. Особенно подходящими газами являются аргон и неон, которые обладают высокой удельной ионизацией и относительно низким рабочим напряжением. Оказалось чрезвычайно удачным добавление до 10% водорода, а небольшое количество паров ртути может устранять метастабильные состояния; но добавления кислорода следует избегать вследствие опасности образования отрицательных ионов у катода. Если в качестве наполнителя применяется углекислый газ, то образования отрицательных ионов можно избежать, добавляя к нему CS2. В воздухе в большом количестве возникают отрицательные ионы, поэтому он мало подходит для наполнения счетчиков. Все газы необходимо тщательно осушать, так как в парах воды особенно легко образуются отрицательные ионы. Также следует избегать паров органических веществ; они могут возникать, например, при употреблении клея.
В качестве наполняющего газа в пропорциональных счетчиках применимы аргон с добавлением нескольких процентов CO2 и, в особенности, чистый метан, который при атмосферном давлении медленно и непрерывно поступает из стального баллона через редукционный вентиль в изолированную от воздуха трубку счетчика.
3) Самогасящиеся счетчики. У самогасящихся счетчиков мертвое время, как правило, составляет несколько десятитысячных долей секунды. Для изготовления качественных самогасящихся счетчиков необходимо, чтобы как наполнитель, так и гасящий газ были очень чистыми, так как уже незначительные загрязнения могут нарушить процесс гашения.
Наиболее часто в качестве наполнителя применяется смесь из аргона и 5–10% этилового спирта при общем давлении около 100 мм рт. ст. Чем выше содержание спирта, тем менее ровным является плато счетчика. Следы водяного пара или воздуха так же, как и небольшое загрязнение азотом, приводят к ухудшению плато. При наличии паров спирта, вследствие их диссоциапии под действием разрядов, плато счетчиков со временем ухудшается, а рабочее напряжение возрастает. Хорошие счетчики в заплавленных стеклянных трубках после IO8–10' разрядов выходят из строя и должны наполняться вновь. Счетчики, изготовленные с применением органического клея, еще менее устойчивы. Так как такие счетчики нельзя прокаливать, то, оставляя их на вакуумном насосе, пропускают через них разряд в течение 1–2 дней; вначале их наполняют только парами спирта, чтобы поверхность клея насытилась спиртом. Только в последующие дни происходит собственно наполнение их газом.
Кроме спирта, в качестве гасящей примеси можно применять также ряд других органических газов или паров, например метилаль 2), муравь-иноэтиловый эфир, метан, ксилол, четыреххлористый углерод, серный эфир, этилен и т.п. Срок службы счетчиков в зависимости от свойств паров, входящих в состав наполнителя, составляет от 10' до IO9 разрядов. Метан можно применять также как самостоятельный наполнитель счетчика.
При диаметре анодной проволоки 0,1 лежи давлении газа от 50 до 120 мм рт. ст. пороговое напряжение имеет величину в диапазоне между 800 и 12U0 в, если в счетчике применяются в качестве гасителей пары органических веществ.
Из двухатомных газов можно применять в качестве гасящей добавки к благородным газам только галоиды; эта добавка должна составлять только несколько тысячных долей, так как в противном случае будут образовываться отрицательные ионы, нарушающие процесс гашения. Так как молекулы галогепов не распадаются, то срок службы счетчика в этом отношении не ограничен. Особенно подходящим для наполнения счетчиков является по данным Либ-зона и Фридмана неон, который добавляется к смеси из четырех частей аргона с одной частью хлора в количестве 0,1–1%. При общем давлении от 200 до 500 мм рт. ст. величина рабочего напряжения лежит в диапазоне от 250 до 600 в. Аргон с добавкой нескольких тысячных долей брома или неопа с хлором дает также низкое пороговое напряжение; однако плато в этом случае оказывается менее хорошим.
в) Катоды. В качестве материала для катодов наиболее пригодна медь; кроме того, можно применять графит, серебро, золото и платину; они применяются, в частности, в стеклянных счетчиках в виде тонких покрытий. Можно применять также нержавеющую сталь и латунь. Металлические трубки хорошо полируются внутри и перед монтажом тщательно очищаются спиртом или ацетоном. Обточенные на токарном станке или отшлифованные металлы обнаруживают непосредственно после обработки самопроизвольную электронную эмиссию, постепенно исчезающую. Поэтому рекомендуется механически обработанные катоды перед сборкой счетчика прогреть или оставить лежать на воздухе в течение суток.
Для надежной очистки медных катодов, в частности, в не-самогасящихся счетчиках применяется смесь из одинаковых частей 50% азотной кислоты и 90% серной кислоты, которая разбавляется 5–10 частями воды. После обработки этим составом катод промывают 5–10 раз водой, в конце – дистиллированной; затем прогревают трубку примерно в течение 2 часов в высоком вакууме при температуре 350–400° С. Если наполнитель содержит примесь водорода, то медные катоды в водороде восстанавливаются; если же постоянной составной частью наполнителя является кислород, то очищенные катоды после интенсивного нагревания в воздухе или кислороде покрываются тонкой пленкой окиси. Рекомендуется также нагревание в атмосфере окиси азота до образования пленки, окрашенной в темно-пурпурный цвет.
Некоторые металлы, например алюминий и свинец, иногда трудно применять в качестве материала для катодов. Но если, несмотря на это, ими все же приходится пользоваться, то изнутри трубку покрывают аквадагом или тонким слоем меди, отлагая его испарением в вакууме. Если необходимо в алюминиевую трубку запаять латунные пробки, то концы трубки плакируют медью.
Оптимальная чувствительность счетчика для исследования рентгеновских и г-лучей достигается тем, что толщину стенки катода делают примерно равной длине пробега вторичных электронов в данном материале. Чувствительность счетчика для излучения, т.е. доля подсчитанных счетчиком квантов по отношению ко всем поступающим в счетчик квантам, зависит от материала катодов и от энергии излучения. Чувствительность алюминиевых катодов уменьшается от 2% при энергии 10 кэе до примерно 0,05% при энергии 100 кэе и увеличивается затем снова на 1,5% при 2,6 Aiae. Чувствительность медных или латунных счетчиков при 10 кэб и 2,6 Мэв приблизительно одинакова; минимум ее лежит между 200 и 300 кэе и составляет около 0,1%. Катоды из тяжелых металлов, например из свинца или золота, имеют чувствительность, которая неравномерно уменьшается от 3–4% при 10 кэе до примерно 0,8% при 600 кэе, а затем снова возрастает до 2% при 2,6 Мэв Аноды. В качестве анодов лучше всего применять вольфрамовую проволоку с одинаковым диаметром по всей длине. Также можно успешно пользоваться проволоками из других металлов, например ковара, нержавеющей и обычной стали. Так как рабочее напряжение возрастает с увеличением диаметра проволоки, то необходимо применять по возможности самую тонкую проволоку: нижняя граница диаметра лежит около 0,08 мм; при диаметре, большем чем 0,3 мм, хорошего плато уже не получается.
Чтобы вплавить проволоку в стеклянную стенку счетчика или в стеклянный изолятор, к обоим концам проволоки приваривают точечной сваркой соответствующие отрезки проволок толщиной 0,5–1 мм для вплавления в стекло. Перед установкой в счетчике проволока должна быть тщательно очищена; ни в коем случае нельзя дотрагиваться до проволоки пальцами. Лучше всю ее прокалить в высоком вакууме или в атмосфере водорода. Если конструкция счетчика такова, что оба конца проволоки выступают наружу, то проволока прокаливается непосредственно перед наполнением счетчика газом. Чтобы получить определенную эффективную длину анода, оба конца проволоки заключают в тонкие стеклянные капилляры или в металлические штифты, которые немного выступают внутрь катода; можно ограничить проволоку по длине при помощи наплавленных стеклянных шариков или стеклянных стержней.