Счетчики радиоактивного излучения

В разведочной радиометрии для регистрации радиоактивного излучения применяются счетчики двух типов: газоразрядные и сцинтилляционные.
Газоразрядный счетчик гамма-квантов (рис. 66) состоит из стеклянного цилиндрического корпуса 1, внутренняя стенка которого имеет металлическое покрытие 2, служащее катодом счетчика. Катод соединен с выводом 6 (металлическим наконечником) при помощи проводника 7. Посередине корпуса натянута вольфрамовая нить 3, которая является анодом счетчика. С одной стороны цилиндра нить 3 укреплена на изоляторе 5, с другой стороны она проходит внутри стеклянной трубки 8 и припаяна к выводу 4. Выводы 4 и 6 представляют собой металлические наконечники, служащие для включения счетчика в электрическую схему радиометра. Рабочее пространство счетчика заполнено смесью инертных газов при давлении около 100 мм рт. ст.
В зависимости от материала катода счетчики обозначаются буквами MC (медный счетчик), BC (вольфрамовый счетчик), CTC (стальной счетчик) и т. д.

На анод газоразрядного счетчика, находящегося в рабочем состоянии, подается высокий (от сотен до тысячи вольт) положительный потенциал по отношению к катоду. Гамма-кванты, попадая в материал катода, выбивают из него вторичные электроны, которые, направляясь к положительно заряженной нити анода, приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации молекул газа. Образуется лавина электронов, поступающая на нить счетчика, и в нем происходит разряд, создающий на выходе импульсы тока. Число импульсов тока за единицу времени пропорционально числу гамма-квантов, поступающих на счетчик. Подобная закономерность наблюдается лишь в определенном интервале напряжения питания счетчика (между напряжениями U1 и U2; рис. 67), называемом плато. Если напряжение питания будет меньше U1 (обычно U1 = 600/700 в), число импульсов на выходе счетчика будет мало и частота их будет сильно зависеть от изменения напряжения питания. При напряжении свыше U2 (U2 = 900/1000 в) число импульсов резко возрастает, счетчик переходит в непрерывный разряд.
График изменения частоты импульсов в зависимости от величины приложенного напряжения (см. рис. 67) называется рабочей (или счетной) характеристикой счетчика. Перед тем как вставить счетчик в прибор исследуют опытным путем его рабочую характеристику. На основании анализа рабочей характеристики устанавливают величину напряжения на аноде счетчика (Up), которая выбирается на первой трети расстояния от начала плато.

Разрядный счетчик для регистрации β-излучения имеет тонкостенный цилиндрический корпус (обычно из алюминиевой или стальной фольги), являющийся одновременно катодом. Анодом счетчика служит вольфрамовая нить. Ионизация газа — наполнителя β-счетчика происходит под действием β-лучей, свободно проникающих в рабочее пространство через топкие стенки корпуса. Эффективность разрядных счетчиков составляет 1—2%.
Сцинтилляционный счетчик (рис. 68) состоит из сцинтиллирующего кристалла 1 (фосфора) и фотоэлектронного умножителя. Сцинтиллирующий кристалл характеризуется тем, что при попадании в него заряженной частицы или гамма-кванта в нем возникает световая вспышка (сцинтилляция).
В качестве фосфора в счетчике γ-излучения используются кристаллы иодистого натрия, активированного таллием — NaJ (Tl). Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой стеклянный вакуумный сосуд, внутри которого расположены фотокатод 2, фокусирующий динод 3, эмиттеры 6 и анод 4. На ФЭУ подается напряжение порядка 1000 в, которое распределяется на эмиттеры делителем напряжения 5.
В момент попадания гамма-квантов от источника излучения 7 в кристалл в нем возникают вспышки света, под действием которых с фотокатода ФЭУ выбиваются электроны. Пучок электронов при помощи фокусирующего динода ускоряется и направляется на первый эмиттер, где каждый попавший электрон выбивает несколько вторичных электронов, которые устремляются на второй эмиттер. Аналогичные процессы происходят на всех последующих эмиттерах, в результате чего на аноде ФЭУ возникают импульсы тока, усиленные в 10в5—10в6 раз. Амплитуда напряжения усиленных импульсов достигает нескольких вольтов и зависит от энергии γ-излучения. Частота импульсов пропорциональна интенсивности γ-излучения, т. е. числу гамма-квантов, попадающих в кристалл за единицу времени.

Основными преимуществами сцинтилляционных счетчиков перед разрядными являются высокая (60—70% и более) эффективность регистрации γ-излучения и практически ощутимая зависимость амплитуды импульсов на выходе ФЭУ от энергии гамма-квантов. Использование указанной зависимости позволяет изучать спектры и, следовательно, природу γ-излучения.
Регистрация β-излучения осуществляется при помощи кристаллов антрацена, стильбена, сцинтиллирующих пластмасс и других веществ. Толщину кристалла β-счетчика подбирают такую, которая может обеспечить высокую эффективность регистрации β-излучения и уменьшить регистрацию γ-лучей. Так, при толщине кристалла 0,1 г/см2 β-счетчики малочувствительны к γ-излучению, в то время как эффективность счета β-частиц близка к 100%. В лабораторных приборах в качестве сцинтиллятора часто используется CsJ(Tl), который в виде порошка наносится на стеклянную пластинку.
Для регистрации α-частиц применяются тонкие люминофоры с поверхностной плотностью 3—5 мг/см2. В α-счетчиках наиболее часто используется сернистый цинк (ZnS), активированный серебром или медью. Ввиду малой проникающей способности α-лучей эти счетчики обычно открытого типа. Сцинтилляционным составом, содержащим мелкокристаллический ZnS1 покрываются стенки эманационных камер эманометров ЭМ-6П и «Радон», лабораторной установки РАЛ. Вспышки света, возникающие в сцинтиллирующем покрытии за счет аαчастиц эманаций радона, торона, актинона и их продуктов распада, попадают на фотоэлектронный умножитель, находящийся в боковой стенке камеры, в результате чего на выходе ФЭУ возникают импульсы напряжения.