Газоразрядный счетчик ионизирующих излучений

 

Использование: для регистрации ионизирующих излучений, в первую очередь гамма- и бета-излучения, в дозиметрической и радиометрической аппаратуре. Сущность изобретения: газоразрядный счетчик ионизирующих излучений, содержащий корпус, заполненный рабочим газом и с расположенными внутри него электродами. При этом в качестве рабочего газа использована смесь воздуха с парами многоатомных углеводородов, объемная доля которых в рабочем газе составляет не менее 10%, а парциональное давление воздуха определяют из определенного соотношения. В качестве многоатомного углеводорода предпочтительно использовать пропан-бутановую смесь (бытовой газ). 1 з. п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к устройствам для регистрации ионизирующих излучений, в первую очередь гамма-К и бета-излучений, в дозиметрической и радиометрической аппаратуре. Целью изобретения является улучшение счетных характеристик газоразрядного счетчика ионизирующего излучения за счет устранения влияния электроотрицательных газов на условиях сбора заряда. На фиг. 1 приведена схема одного из вариантов выполнения счетчика с цилиндрическим корпусом-катодом; на фиг.2 дан общий вид микрострипового счетчика ионизирующих излучений; на фиг.3 приведена зависимость скорости счета анодного напряжения счетчика ионизирующих излучений. Газоразрядный счетчик (на фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1, являющийся катодом и расположенный внутри него коаксиально анод 2, представляющий собой нить, отделенную от корпуса изолятором 3. Между катодом и анодом приложена разность потенциалов. Микростриповый газоразрядный счетчик ионизирующих излучений на фиг.2 содержит корпус 1 и расположенную внутри него систему электрода 2, включающую катод 3 и анод 4. Корпус счетчика, катод и анод разделены изолятором 5. В корпусе счетчика размещено окно 6. Корпус счетчика заполнен рабочим газом, представляющим собой смесь воздуха с углеводородными газами, например, с пропан-бутановым газом, объемная доля которого составляет не менее 10% Счетчик ионизирующих излучений работает следующим образом: ионизирующая частица или фотон гамма-излучения через окно или стенку попадает в рабочий объем счетчика и вызывает ионизацию рабочего газа, в котором образуются электронно-ионные пары. Образовавшиеся в результате первичной ионизации положительные ионы дрейфуют к катоду, а электроны к аноду. Конфигурацию электродов и их потенциал устанавливают такими, чтобы обеспечить напряженность электрического поля вблизи анода, достаточную для ударной ионизации рабочего газа электронами и для возникновения электронно-ионных лавин. При этом достигается существенное (на несколько порядков) увеличение первоначального заряда и соответствующий рост амплитуды импульса на выходе счетчика. Необходимым условием возникновения лавины является попадание первичных электронов в область ударной ионизации. Вероятность (g) того, что электрон, вышедший из стенки счетчика, достигнет области ударной ионизации, описывается соотношением g exp(-t_др/t_ж), (1) где t_др время дрейфа электрона; t_ж время жизни электрона. Для того, чтобы счетчик имел плато счетной характеристики с достаточно малым наклоном не менее 90% электронов должны достигнуть области ударной ионизации. При этом из соотношения (1) следует t_др≅0,1 t_ж (2) Время дрейфа электрона может быть найдено по скорости дрейфа U t_др= ∫ (3) Учитывая, что U a, где Е напряженность электрического поля; λ- длина свободного пробега электрона в рабочем газе, находим для счетчика с коаксиальными цилиндрическими электродами E t_др= (4) где V напряжение на аноде счетчика; R_к радиус катода и R_а радиус анода. Для счетчика с однородным полем E
t_др= где R расстояние между электродами. В общем случае, учитывая, что R R_k-R_a и R_k >>R_a, находим
t_др=
(5)
В случае микростриптового счетчика (фиг.2) под R следует понимать длину дрейфового промежутка. Среднее время жизни электрона может быть выражено как
t_ж= B (6) где Р_возд парциальное давление воздуха; В коэффициент определяемый содержанием в воздухе электроотрицательного газа (кислорода) и вероятностью захвата электрона его атомами при единичном столкновении. Объединяя выражения (2), (5) и (6) и, учи-
тывая, что λ где λ_o- средняя длина свободного пробега электрона при давлении в 1 атм, находим значение парциального давления воздуха, не препятствующее функционированию счетчика
P_возд≅ K
(7)
Как следует из полученного неравенства, предельно допустимое парциальное давление воздуха в рабочем газе возрастает с увеличением длины свободного пробега электрона при атмосферном давлении λ_o и уменьшением линейных размеров счетчика. Наличие в воздухе многоатомных углеводородов создает условия достижения электронами области ударной ионизации за счет снижения вероятности захвата электронов вследствие уменьшения концентрации атомов кислорода. Кроме того, наличие молекул многоатомных углеводородов, обладающих большим числом колебательных и вращательных уровней с низкой энергией возбуждения (порядка долей эВ), приводит к снижению средней скорости электронов и увеличению средней длины свободного пробега λ_o. При содержании углеводородов в воздухе более 10% λ_o достигает постоянного значения порядка 10^-4см и парциальное давление воздуха в рабочем газе может быть определено по соотношению
P_возд≅ 1,2·10^-2
(8) при давлении выраженном в атмосферах, линейных размерах в см и анодном напряжении в В. На фиг.3 приведены счетные характеристики (зависимость скорости счета от рабочего напряжения) газоразрядных счетчиков ионизирующих излучений с цилиндрическими коаксиальными электродами, корпуса которых заполнены рабочим газом на основе воздуха. Для всех счетчиков диаметр катода составляет 10 мм, анода 100 мкм; давление рабочего газа 90,3 атм. Исследовался счетчик с чисто воздушным наполнением (кривая 1), со смесью воздуха с 30% пропан-бутана (кривая 2) и смесью воздуха с 50% пропан-бутана (кривая 3). Расчетные значения времени дрейфа (t_др), времени жизни электронов (t_ж), их отношение и вероятности достижения электроном области ударной ионизации q для этих счетчиков, приведены в таблице. Результаты расчетов и эксперимента хорошо коррелируют между собой. В счетчике наполненном воздухом без пропан-бутана, время жизни электронов мало по сравнению со временем дрейфа. Поэтому только небольшая часть электронов достигает анода при заданном напряжении и "плато" счетной характеристики отсутствует (кривая 1). При использовании рабочей смеси воздуха с 30% пропан-бутана, уже 90% электронов достигают анода и на счетной характеристике (кривая 2) имеется "плато", при 50% пропан-бутана плато расширяется и его наклон уменьшается (кривая 3). Очевидно, что если суммарное парциальное давление воздуха в счетчике, определяемое суммой давления воздуха при заполнении счетчика и давления, обусловленного газовыделением конструкционных материалов и натеканием из окружающей среды, не превысит рассчитанного по соотношению (8), то такой газоразрядный счетчик не требует при изготовлении соблюдения строгой вакуумной гигиены. Предлагаемый газоразрядный счетчик ионизирующих излучений по сравнению с известными техническими решениями (аналогами, прототипом) имеет четко выраженное "плато" в счетной характеристике и характеризуется низкой себестоимостью при технологичности изготовления, высокой стабильности и надежности в связи с устранением влияния электроотрицательных газов на условии сбора заряда.

Формула изобретения

1. ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ СЧЕТЧИК ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, содержащий корпус с расположенными внутри него электродами и заполненный рабочим газом, отличающийся тем, что, с целью улучшения его счетных характеристик за счет устранения влияния электроотрицательных газов на условия сбора заряда, рабочий газ выполнен в виде газовой смеси воздуха с парами многоатомных углеводородов, в которой объемная доля многоатомных углеводородов составляет не менее 10%, а парциальное давление воздуха выбирают из условия


где R_к - радиус катода, см;
R - расстояние между анодом и катодом, см;
U - напряжение на аноде, В;
P - давление газа, атм. 2. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве многоатомного углеводорода используют пропан-бутановую смесь (бытовой горючий газ).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4