Газоразрядные счетчики

Газоразрядный счетчик представ­ляет собой газонаполненный прибор, поставленный в режим ра­боты и обеспечивающий регистрацию интенсивности ядерных частиц по возникновению газового разряда. Газовым раз­рядом называют явление протекания ионизационного тока через газы.

Газоразрядный счетчик — это своеобразный конденсатор. Одним электродом (анодом) в нем служит тонкая нить из вольфрама, железа или другого металла диаметром 0,1—0,5мм, натянутая вдоль оси стеклянного цилиндра диаметром 1—3 см, вторым электродом (катодом) является внутреннее металличе­ское покрытие этого цилиндра (рис. 2.1.). Роль диэлектрика вы­полняет смесь газов, заполняющая под давлением 1,33-Ю⁴ Па

1 — стеклянный баллон; 2 — металлический цилиндр или металлическое покрытие (ка­тод); 3—нить (анод); 4 — контакты и изоляторы. С—емкость; и—сопротивление;

Рис.2. 1 Принципиальная схема устройства и включения газоразрядныхсчетчиков

ИТ — источник постоянного тока

К электродам приложена достаточно высо­кая разность потенциалов электриче­ского поля.

Образование ионов и электронов в заполняющем газе происходит под дей­ствием попавших в счетчик движущихся ядерных частиц или квантов электромаг­нитных излучений. В общем случае ве­личина тока в газе, хотя и зависит от приложенного к счетчику напряжения (рис.2. 2), но не пропорциональна ему. Сложная зависимость силы тока от на­пряжения связана с особенностью физи­ческих процессов, протекающих в газе при движении ионов в межэлектродном пространстве.

На графике зависимости силы тока в газе от приложенного напряжения (вольтамперная характеристика) в газо­разрядном счетчике выделяют шесть областей (см. рис. 2.2):

/—действия закона Ома, //—ионизационной камеры (тока 'насыщения), 111—пропорциональности, IV—ограниченной пропорциональности, V—Гейгера—Мюллера, VI—самостоя­тельных разрядов (непрерывного счета). Областью Гейгера— Мюллера называется область, где импульс тока на выходе ин­дикатора зависит лишь от напряжения на нем, но не зависит от первичного заряда.

Для регистрации гамма-квантов в радиометрии скважин ис­пользуют газоразрядные счетчики, работающие в области Гей­гера — Мюллера, не чувствительной к интенсивности первичной ионизации исследуемых частиц. Счетчики, работающие в таком режиме, называются счетчиками Гейгера — Мюллера. Их осо­бенностью является большая величина выходного сигнала, до­стигающая единиц и даже первых десятков вольт, и, как след­ствие, простота последующей измерительной схемы аппара­туры.

В области Гейгера — Мюллера напряжение на электродах не так велико, чтобы происходил разряд самостоятельно. Необ­ходим внешний ионизатор — воздействие реактивного излуче­ния (гамма-кванта), создающего первичную ионизацию (хотя бы одну пару ионов), из которых развивается первая лавина ионов — начало непрерывного (сплошного) разряда. Самостоя­тельный разряд поддерживается в счетчике Гейгера — Мюл­лера следующими двумя процессами: 1) молекулы, возбуж­денные соударениями, освобождаются от избыточной энергии, испуская фотоны ультрафиолетового излучения, и переходят в нормальное состояние; фотоны поглощаются практически по всей поверхности катода и благодаря фотоэффекту вырывают из него электроны, которые, в свою

,

Рис.2. 2 график зависимости силы тока в газе от приложенного напряжения (вольтамперная характеристика) в газо­разрядном счетчике

очередь, создают за счет ударной ионизации новые лавины ионов уже во всем межэлек­тродном пространстве счетчика; 2) положительные ионы при таких высоких напряжениях приобретают настолько большую кинетическую энергию, что выбивают из катода свободные элек­троны. Коэффициент газового усиления ' в счетчиках Гейгера — Мюллера достигает 10⁸—10⁹, увеличиваясь с повышением на­пряжения питания электродов.

Ионизирующая частица, попадая в счетчик режима непре­рывного разряда, не может заметно изменить силу тока и, сле­довательно, не будет зарегистрирована, поэтому необходимо ав­томатически гасить разряд в счетчике, т. е. подготовить его к ре­гистрации новой частицы.

Существуют два основных способа гашения разряда: 1) с при­менением гасящих радиотехнических схем; 2) с заполнением счетчиков подобранными смесями газов. В соответствии с этим в первом случае счетчики называются несамогасящимися, во втором — самогасящимися.

В аппаратуре, применяющейся для радиометрии скважин, используются самогасящиеся счетчики, которые обладают ря­дом преимуществ (быстрота действия, упрощенная схема включения и др.). Чтобы сделать счетчик самогасящимся, следует устранить вырывание электронов из катода при поглощении им ультрафиолетового излучения, так как вырывание является главной причиной образования непрерывного разряда. Для этого к обычному наполнителю — одноатомному газу (напри­мер, аргону) следует добавить до 10 % газа или паров много­атомных молекул некоторых веществ (этиловый спирт, метан, пентан, хлор и др.). Образующиеся фотоны будут полностью поглощаться многоатомными молекулами на расстоянии 1— 2 мм от места их возникновения и не смогут поэтому долететь до катода и вызвать заметный фотоэффект. При этом много­атомные молекулы либо ионизируются, либо распадаются на нейтральные части. Вместе с тем многоатомные молекулы об­ладают связанными электронами и легко отдают их положительным ионам аргона при столкновениях, и к катоду подходят лишь тяжелые, с малой кинетической энергией положительные ионы многоатомных органических молекул, которые там нейтрализуются.

Отечественная промышленность выпускает высоковольтные газоразрядные счетчики, наполненные аргоном или неоном с теми или иными примесями многоатомных газов (изопентан).

Материал катода зависит от конкретной задачи: для регист­рации мягкого гамма-излучения лучше применять счетчики типа ЕС с вольфрамовый катодом, жесткого гамма-излучения— счетчики типа МС, ГС с медным и графитовым катодами.

Основные преимущества газоразрядных счетчиков: 1) ста­бильность работы в большом диапазоне изменения темпера­туры (от —55 до -300°С); 2) необязательность постоянства напряжения питания; 3) повышенная чувствительность к жест­кому гамма-излучению при решении некоторых геолого-промыс­ловых задач.

К недостаткам газоразрядных счетчиков относятся: 1) высо­кое рабочее напряжение питания (700—1600 В); 2) ограничен­ный срок службы вследствие диссоциации многоатомных моле­кул; 3) низкая максимальная скорость счета.