Файл: Румянцев, С. В. Радиационная дефектоскопия.pdf

ков деления, регистрируется ионизационными камерами и про­ порциональными счетчиками, которые в данном случае назы­ вают камерами деления.

б. Газоразрядные счетчики [29—31]

Если увеличить напряжение па ионизационной камере выше Un (см. рис. 3.1), то электроны ускоряются настолько, что, сталкиваясь с нейтральными молекулами, они выбивают вто­ ричные электроны — создается «газовое усиление» первичных ионизационных процессов, характерное для всех газоразрядных счетчиков. Коэффициент газового усиления (отношение полного^ числа ионов, пришедших к аноду счетчика, к числу первичных ионов, созданных ионизирующей частицей) зависит от приложен­ ного напряжения и может превосходить 107.

Различают счетчики пропорциональные и Гейгера — Мюлле­ ра. С помощью пропорционального счетчика можно определитьвид частицы или ее энергию по величине электрического им­ пульса на его электродах (см. рис. 3.1). Пропорциональный счетчик работает в режиме несамостоятельного разряда, когда коэффициент газового усиления постоянен и равен нескольким тысячам. С дальнейшим повышением напряжения счетчик пере­ ходит в режим самостоятельного разряда и коэффициент газо­ вого усиления (для самогасящихся счетчиков) возрастает до 1010— 10". Здесь величина импульса совершенно не зависит от первичной ионизации. Импульсы одинаковой величины возни­ кают и от рентгеновского или у-фотона, создающего иногда все­ го одну пару ионов в рабочем объеме, и от а-частицы, создаю­ щей десятки тысяч пар ионов. В пропорциональных счетчиках газовое усиление достигается только за счет ударной ионизации первичными электронами.

Самостоятельный разряд в счетчике Гейгера — Мюллера под­ держивается двумя процессами, сопровождающими ударнуюионизацию: фотоэлектронной эмиссией и образованием свобод­ ных электронов при взаимодействии положительных ионов (ка­ тионов) с катодом.

При фотоэлектронной эмиссии часть атомов газа-носителя в- соударениях с ионами возбуждается и, переходя в основное со­ стояние, испускает фотоны ультрафиолетового излучения. Эти фотоны выбивают из материала катода счетчика фотоэлектро­ ны, которые, ускоряясь, дают начало новому импульсу, и т. д. Прилагаемые к счетчику напряжения настолько велики, чтобольшая часть положительных ионов успевает достичь катода и выбить из него электроны, способствующие развитию новой ла­ вины ионов.

Из-за относительнр большой длительности процесса вторич­ ной ионизации и деионизации газа в этих счетчиках применяют гашение разряда двух видов: внешнее — несамогасящиеся счет­

58

чики и внутреннее — самогасящиеся счетчики. В первом случае используют специальную гасящую радиотехническую схему, по­ нижающую напряжение, приложенное к электродам счетчика, до такой величины, при которой продолжение самостоятельного разряда в счетчике уже невозможно.

В самогасящихся счетчиках разряд прекращается в силу того, что в наполняющий их газ вводят гасящие добавки (газо­ образные органические и галогенные соединения и кислород), которые поглощают значительную часть ультрафиолетовых фо­ тонов. Длительность импульсов самогасящихся счетчиков не превышает 10-4— 10-5 сек, а мертвое время (т. е. время, в тече­ ние которого счетчик не способен ответить импульсом на вновь влетевшую частицу) — 10-4 сек. Недостатком счетчиков с много­ атомными наполнителями является ограниченный срок их рабо­

Особенно'широкое распространение в устройствах автомати­ ческого контроля и в измерительной технике получили галоген­ ные счетчики. Эти счетчики заполняют обычно неоном с не­ большой добавкой аргона и одного из галогенов — хлора или брома (до 5%). Механизм гашения разряда в галогенных счет­ чиках обусловлен тем, что избыточная энергия возбужденных атомов основного газа переходит к молекулам галогенов, кото­ рые при этом диссоциируют. Низкое напряжение на электродах галогенных счетчиков уменьшает вероятность выбивания элек­ тронов из катода положительными нонами. Таким образом, устраняется причина, вызывающая развитие лавинного разряда.

Отличительной особенностью этих счетчиков является боль­ шой срок службы, практически не ограниченный, низкое рабочее напряжение (360—400 в) и высокая скорость счета (до

105 импульс)мин).

Основной рабочей характеристикой счетчиков является счет­ ная характеристика, выражающая зависимость числа импуль­ сов N на выходе счетчика от приложенного напряжения U (рис. 3.2). Ограниченный пунктиром участок, получивший назва­ ние плато, — рабочий участок характеристики. Отношение при­ ращения числа импульсов к приращению напряжения (AN/AU) в области плато называется наклоном счетной характеристики. По длине и наклону плато судят о качестве счетчиков. Длина плато должна составлять минимум 200 в, его наклон — не более 5% на 100 в. На практике в качестве окончания срока службы прибора лучше всего принять момент, когда длина плато со­ кращается до 150 в, а наклон возрастает до 15% на 100 в. У га­ логенных счетчиков протяженность плато порядка 60— 100 в и довольно значительный наклон (около 12,5% на 100 в).

Газоразрядные счетчики можно использовать также для ре­ гистрации нейтронов. Поглощение нейтронов стенками счетчи­

59

ка настолько незначительно, что при измерении им можно пре­ небречь.

Различают три вида счетчиков для регистрации нейтронов:

1)счетчики, наполненные водородом, или счетчики, стенки которых покрыты водородсодержащими соединениями;

2)счетчики, стенки которых покрыты делящимися вещест­

вами;

3)счетчики, в которых реакции происходят в газовом напол­ нителе.

Ра.. 3.2. Счетная характеристика газоразрядного счетчика.

Счетчики первой группы регистрируют протоны отдачи и пригодны поэтому для измерения энергии и потока быстрых ней­ тронов. Счетчики второй группы в зависимости от используемо­ го делящегося вещества служат для обнаружения или только быстрых нейтронов (U238, Th232), или как быстрых, так и мед­ ленных нейтронов (U235, Ри239).

Для счетчиков третьей группы особенно удобны в качестве наполнителя газообразные соединения В10. В результате реак­ ции нейтронов с ядром В10 образуются заряженные частицы (ядро Ы7 и а-частица), которые при движении ионизируют мо­ лекулы газа.

2.Полупроводниковые детекторы

Впоследнее время широкое распространение получают де­ текторы, в которых преобразование энергии частиц или фотонов

вэлектрические импульсы происходит в переходной области по­

сто их называют твердыми ионизационными камерами. Полу­ проводниковые детекторы — быстродействующие приборы, весь­ ма удобные для регистрации и измерения спектров а-частпц, протонов, нейтронов и дейтронов. Некоторые детекторы п—р- и

60

р—п*- и особенно /г—;'—р- н р—/—/t-типов пригодны для регист­ рации и спектроскопии f5- и у-излучений; они пригодны также для дозиметрических целей.

Если в кристаллический полупроводник (Si или Ge) «-типа (рис. 3.3, а) методом диффузии ввести примеси р-типа, т. е. ак­ цепторы, то в результате п-—p-перехода возникает запирающий слой, расстояние которого от поверхности кристалла зависит от

p-Si n-SL p-Si L-Si ' n-SL

Рис. 3.3. Принципиальная схема полупроводниковых счетчиков типа п—р (а) и п—i—р (б). Заштрихованные области — чув­ ствительные области счетчиков.

температуры и длительности диффузии (т. е. легко регули­ руется). Методом диффузии можно также ввести доноры в ве­ щество р-типа.

Зона пространственного заряда запирающего слоя («актив­ ная толщина»), или зона поля, зависит от напряжения и может достигать 1 мм. Если приложить к такому запирающему слою напряжение в направлении запираний, то в высокоомном крем­ нии при комнатной температуре возникает лишь слабый темпо­ вой ток. Если в результате облучения в запирающем слое наб­ людается ионизация, то свободные электроны перемещаются из зоны пространственного заряда к р-слою и, наоборот, образовавг шиеся дырки движутся к л-слою.

В последнее время применяют также счетчики п—i—р-типа (см. рис. 3.3, б), в которых с помощью специальной технологии достигается большая толщина чувствительного слоя (несколько миллиметров), не зависящая (начиная от нескольких вольт и выше) от рабочего напряжения. Этот детектор представляет собой пластинку монокристаллического кремния, состоящую из трех слоев, различных по типу проводимости: п- и p-слои обла­ дают соответственно электронной и дырочной проводимостью (низкого удельного сопротивления); t-слой— область с собст­

* п — примесный полупроводник, в котором преобладающими носителями являются электроны (донорный полупроводник); р — примесный полупровод­ ник, в котором преобладающими носителями являются дырки (акцепториьш полупроводник).

61

венной проводимостью, т. е. с малой концентрацией носителей заряда и высоким удельным сопротивлением. При включении такого счетчика в запирающем направлении все напряжение сосредоточивается в i-слое (чувствительной области счетчика). При прохождении заряженной частицы через чувствительный слой вдоль ее пути (трека) создаются электронно-дырочные па­ ры. Образовавшиеся носители заряда под действием сильного поля перехода движутся к его границам. Когда трек заряженной частицы не выходит за границы чувствительного слоя, амплиту­ да импульса оказывается с высокой точностью пропорциональ­ ной энергии частицы. Счетчики п—i—р- и p—i—л-типов рабо­ тают удовлетворительно уже при низких рабочих напряжениях.

Полупроводниковые счетчики позволяют с высокой точностью измерять энергию ядерных излучений. К преимуществам таких счетчиков следует отнести высокую скорость счета, нечувстви­ тельность к магнитным полям, малые размеры, возможность разрешения по энергии спльнононизирующнх частиц на значи­ тельном фоне слабопонизирующих частиц (например, а-частиц

щих излучений, обладающим низкой эффективностью регистра­ ции рентгеновского и у-излучений, в настоящее время широко применяют сцинтилляционный метод.

Современный сцинтилляционный счетчик (рис. 3.4) пред­ ставляет собой комбинацию фосфора, реагирующего на ядерное излучение вспышками света (сцинтилляции), и фотоэлект­ ронного умножителя (ФЭУ), в котором слабые вспышки света преобразуются в импульсы электрического тока.

Чаще всего в качестве сцинтилляторов используют щелочно­ галоидные кристаллы (Nal, KI, Csl), активированные редкозе­ мельными элементами (Т1, Ей), и органические вещества в раз­ личных состояниях (жидкие, например раствор n-терфенила в толуоле, монокристаллы— антрацен, стильбен и пр.). Механизм их высвечивания под действием заряженных частиц (электро­ нов, а-частиц, протонов и других частиц, непосредственно па­ дающих на детектор или являющихся продуктом взаимодейст­ вия таких незаряженных частиц, как у-фотоны и нейтроны, с материалом сцинтиллятора) не выяснен до конца. В настоящее

■62