Радиационные детекторы.

Практически единственным доступным радиолюбителю датчиком ионизирующей радиации является счетчик Гейгера (Гейгера-Мюллера). Этот на удивление простой прибор, изобретенный в 1908 году для нужд зарождавшейся ядерной физики, не утерял своей актуальности и сегодня.

Счетчик Гейгера представляет собой вакуумированный баллон с двумя электродами, в который введена газовая смесь, состоящая из легкоионизируемых неона и аргона с небольшой добавкой галогена — хлора или брома.

К электродам прикладывают высокое напряжение, которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений (см. рис.).

В этом состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации — след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей.

Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют «по дороге» другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.

Обратный процесс — возвращение газовой среды в ее исходное состояние — происходит под действием содержащегося в ней галогена, который способствует интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика и фактически определяющий его быстродействие — так называемое «мертвое» время, — является важной паспортной характеристикой счетчика.

Галоген — расходуемая часть газовой среды счетчика. Но эта часть столь велика, что в режиме фонового счета ее хватило бы на столетия (наработка по галогену, например, счетчика СБМ20 составляет не менее 2 • 1010 импульсов).

Счетчики такого типа называют галогеновыми самогасящимися. Отличаясь самым низким напряжением питания, превосходными параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались особенно удобными для применения в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.

Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения — α, β, γ, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика зависит от его конструкции.

Чаще встречаются счетчики с цилиндрическим баллоном, выполненным из нержавеющей стали толщиной 0,05....0,06 мм. Баллон в таком счетчике является и его катодом. Спектральная чувствительность такого тонкостенного счетчика ограничена γ- и жестким β-излучением.

Счетчики со стеклянным баллоном чувствительны лишь к γ-излучению (стекло толщиной в 1 мм для β-излучения является почти непреодолимой преградой). Катодом в таких счетчиках служит тонкий проводящий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность стекла. Практически полностью теряет чувствительность к β-излучению и счетчик с толстостенным (более 0,2 мм) металлическим баллоном.

В счетчиках Гейгера, предназначенных для регистрации мягкого β-излучения, делают специальные окна из очень тонкой слюды.

Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового — из кварцевого стекла.

В счетчик нейтронов вводят бор, при взаимодействии с которым поток нейтронов преобразуется в легкорегистрируемые α-частицы.

Фотонное излучение — ультрафиолетовое, рентгеновское, γ-излучение — счетчики Гейгера воспринимают опосредованно: через фотоэффект, комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом случае происходит преобразование взаимодействующего с веществом катода излучения в поток электронов.

Каждая фиксируемая счетчиком Гейгера частица возбуждает в нем короткий (доли миллисекунды) импульс тока. Число импульсов, возникающих в единицу времени — скорость счета счетчика Гейгера, — зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Типичный график зависимости скорости счета от напряжения питания Uпит показан на рис. a.

Здесь:

Uнс — напряжение начала счета;

Umin и Umax — нижняя и верхняя границы рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика.

Рабочее напряжение Up обычно выбирают в середине этого участка.

Ему соответствует N(Up) — скорость счета в этом режиме.

На рис. б приведена зависимость N(Uпит) для счетчика СБМ20, находящегося в поле ионизирующей радиации, примерно в 1000 раз превышающей уровень естественного радиационного фона.

Рис. 4 Зависимость скорости счета в счетчике Гейгера от уровня ионизирующей радиации при не слишком высоких ее уровнях Рис. 5 «Ход с жесткостью» в счетчике СБТ9

Зависимость скорости счета от уровня радиационного облучения счетчика — важнейшая его характеристика.

График этой зависимости имеет почти линейный характер, и поэтому нередко радиационную чувствительность счетчика выражают через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета — имп/с — к уровню радиации — мкР/с). На рис. 4 приведен график этой зависимости для счетчика СБМ20.

В тех случаях, когда она не указана (нередких, к сожалению), судить о радиационной чувствительности счетчика приходится по другому его, тоже очень важному параметру — собственному фону.

Так называют скорость счета, причиной которой являются две составляющие: внешняя — естественный радиационный фон, и внутренняя — излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода.

Еще одной важной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии (жесткости) ионизирующих частиц.

На профессиональном жаргоне график этой зависимости называют «ходом с жесткостью». В какой мере эта зависимость важна, показывает график на рис. 5

«Ход с жесткостью» будет влиять, очевидно, на точность проводимых измерений.

Не обсуждая вопрос о том, нужна ли высокая точность измерений бытовому радиометру, заметим, что подобные приборы промышленного изготовления отличаются от любительских лишь коррекцией счетчика Гейгера по жесткости. Для этого на него надевают «рубашку» — пассивный фильтр. Этот фильтр должен, во-первых, «отрезать» посторонние излучения (прежде всего, (β-излучение), и, во-вторых, своей приблизительно обратной по отношению к счетчику жесткостной характеристикой скомпенсировать «ход с жесткостью» самого счетчика. Некоторые из промышленных дозиметров учитывают также и спонтанную активность счетчика Гейгера.

То, что счетчик Гейгера является лавинным прибором, имеет и свои минусы — по реакции такого прибора нельзя судить о первопричине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые счетчиком Гейгера под действием α-частиц, электронов, γ-квантов (в счетчике на все эти виды излучения реагирующем), ничем не различаются.

Сами частицы, их энергии совершенно исчезают в порождаемых ими лавинах-близнецах.

В принципе регулировать радиационную чувствительность счетчика Гейгера можно изменением напряжения питания в пределах от напряжения начала счета до выхода на плато: Uпит ? [Uнс, Umin]. Но этот режим весьма неустойчив, и в сколько-нибудь серьезных случаях полагаться на него нельзя.

Стабильная регулировка чувствительности возможна лишь в трехэлектродном счетчике Гейгера, в котором от напряжения на управляющем электроде зависят конфигурация и объем пространства, в котором возможны лавинные вспышки. На рис. 6, а показана схема включения такого счетчика, а на рис. 6, б — зависимость его радиационной чувствительности от напряжения на управляющем электроде.

Рис. 8. Включение трехэлектродного счетчика Гейгера (а); зависимость его радиационной чувствительности от напряжения на управляющем электроде (б)

Однако трехэлектродные счетчики Гейгера широкого распространения не получили. Причина в генераторе Uynp. Электроника, учитывающая реальную радиационную чувствительность двухэлектродного счетчика Гейгера, оказалась проще, нежели этот высоковольтный источник.

В бытовых дозиметрических приборах быстродействие счетчика Гейгера не является сколько-нибудь лимитирующим фактором (человек должен обнаружить источник радиации до того, как это быстродействие ему потребуется). Поэтому нет необходимости включать многоанодный счетчик Гейгера так, как это обычно рекомендуют справочники (рис.).

Постоянная времени при прямом объединении даже всех десяти анодов счетчика СБТ10, самого многосекционного из отечественных, остается еще достаточно малой (R • n • Са = 15 • 106 • 10 • 5 • 10-12 = 0,75 мс), чтобы практически никак не влиять на результат измерений даже в полях, тысячекратно превышающих уровень естественного радиационного фона.

Есть ли счетчики Гейгера, способные реагировать на α-излучение — одного из самых опасных для человека?

Оценим способность счетчиков, имеющих слюдяные окна (другие можно и не рассматривать), реагировать на α-излучение того же плутония-239 (Еа = 5,16 МэВ). Пробег в воздухе его α-частиц около 3,5 см. Слюда плотностью 2,8 г/см3 (она плотнее воздуха примерно в 2200 раз) и толщиной 10 мкм (10-3см) эквивалентна воздушной «подушке» толщиной 2200 • 10-3 = 2,2 см. То есть, счетчик со слюдяным окном 10-микронной толщины сможет обнаружить излучение плутония-239, если сблизится с ним практически вплотную. Во всяком случае, «зазор» между излучателем и счетчиком должен быть меньше 3,5 — 2,2 = 1,3 см.

Из счетчиков отечественного производства слюду примерно такой толщины имеют СБТ7 и СБТ11. Еще тоньше слюда в счетчике СБТ9 (4...5 мкм), но из-за маленького окна (0,2 см2) его α-чувствительность очень невелика. Но — и это важно! — не равна нулю, как у многих других.

Практически непригодны для обнаружения α-излучения счетчики СБТ10 (воздушный эквивалент его слюды — 2,6...3,7 см), СИ8Б (3,1...3,7 см), СИ13Б и СИ14Б (2,9.-3,1 см) и тем более металлические счетчики Гейгера (более 40 см).