Ионизационные детекторы

К ионизационным (газоразрядным) детекторам относятся счетчик Гейгера-Мюллера и пропорциональный счетчик.

Эти детекторы имеют принципиально одинаковое устройство: (Рис 6).

Рис. 6. Принципиальная схема ионизационного детектора.

Металлический цилиндрический корпус 1 (Рис.6) служит катодом (к нему от источника постоянного тока 6 приложен отрицательный потенциал). Цилиндр заполнен инертным газом Ar или Хе при пониженном давлении 5. Анодом является тонкая вольфрамовая нить 2. Анод изолирован от корпуса (катода) изоляторами 3.

Источник постоянного напряжения 6 создает между катодом и анодом напряжение меньше напряжения пробоя инертного газа. Поэтому электрический ток через газ не идет. Как только в цилиндрическую камеру через прозрачное окно 4 (Пластинка из Ве толщиной примерно 0,2 мм) попадет один рентгеновский квант, произойдет ионизация одного атома инертного газа:

Ar + hn = Ar⁺ + e^-

Образовавшийся электрон при столкновениях ионизирует еще несколько атомов газа. Ионы двигаются к катоду, электроны - к аноду. Если напряжение небольшое (несколько десятков вольт) V - V₁ (Рис.7), ионы двигаются медленно и значительная их часть успевает рекомбинировать (объединиться с электронами и образовать нейтральные атомы) еще до достижения катода.

С повышением напряжения число актов рекомбинации уменьшается, электрический ток немного увеличивается, оставаясь маленьким (Рис.7). Такой режим питания в детекторе рентгеновского излучения нецелесообразен и не используется.

При некотором напряжении (V₁ - V₂) все образовавшиеся ионы доходят до катода, наступает насыщение тока. Однако, ток при этом слишком мал и этот режим также не используется в детекторах.

При более высоком напряжении (V_2-- V₃) кинетическая энергия электронов увеличивается и происходит усиление тока за счет ударной ионизации

При прохождении тока через резистор 8 (Рис.7) на нем возникает импульс напряжения DU, амплитуда (величина) которого растет с увеличением напряжения между катодом и анодом. Измерительный прибор 7 (например, вольтметр), включенный параллельно резистору 8, фиксирует DU = IR. Где I - сила тока, проходящего через резистор. R - сопротивление резистора.

В этом интервале напряжений ток, идущий через резистор, а следовательно и импульс напряжения DU пропорциональны энергии одного рентгеновского фотона, влетевшего в детектор (Ионизация оказалась возможной только благодаря энергии рентгеновского кванта). Такой режим питания осуществляется в пропорциональном счетчике фотонов.

Рис. 7 График зависимости силы тока, проходящего через резистор счетчика, от напряжения между катодом и анодом.

Если между катодом и анодом приложить напряжение U > U₃ (близкое к напряжению пробоя газа), кинетическая энергия электронов оказывается столь высока, что после пробоя за счет энергии рентгеновского фотона возникает лавинная ударная ионизация атомов газа. Сила тока в резисторе перестает зависеть от энергии рентгеновского фотона. Кинетическая энергия электронов в этих условиях определяется, в основном, напряжением на электродах.

Такой режим питания находит применение в счетчиках Гейгера-Мюллера

В ионизационных счетчиках происходит регистрация каждого отдельного фотона и их счет. Поэтому эти детекторы и называют счетчиками фотонов. В современных рентгеновских спектрометрах сигнал с резистора подается на компьютер, и счет фотонов происходит автоматически.

Различные типы ионизационных детекторов (Счетчики Гейгера-Мюллера и пропорциональный) отличаются друг от друга лишь режимом питания. Но в пропорциональном счетчике амплитуда импульса напряжения зависит от энергии рентгеновского фотона, иначе говоря, такой счетчик не только фиксирует излучение, но и разлагает его по величине энергии фотонов.

Как объясняется тот факт, что регистрируется каждый рентгеновский фотон отдельно?

Электроны в счетчике двигаются к аноду (к металлической нити, натянутой вдоль оси цилиндра), а положительно заряженные ионы - к катоду (к поверхности цилиндра). Вблизи нити скапливается большое количество электронов, обладающих кинетической энергией, достаточной для ионизации атомов инертного газа. В результате в этом объеме счетчика образуется много и ионов и электронов. Но электроны очень быстро всего за 10^-7 сек. осаждаются на нити, а тяжелые ионы за это время не могут далеко отойти от анода и создают вокруг него экран, благодаря которому уменьшается кинетическая энергия электронов и становиться невозможной ионизация электронным ударом. Ток при этом счетчиком не фиксируется. По мере передвижения ионов к катоду их экранирующее действие уменьшается и через 10^-4 с., когда в детектор влетит очередной фотон, счетчик опять начнет фиксировать импульс напряжения.

Время, в течение которого импульс напряжения не может быть зарегистрирован, называется “ м ертвым временем” счетчика.