Выбор режимов работы газоразрядных счетчиков

 

Главнымусловиемуспешнойэксплуатациигазоразрядногосчетчи­каявляетсяправильныйвыборрабочегонапряжения. Оноопределяетсянапряжениемначаласчета, протяженностьюинаклономплато, „мертвым”временем, срокомслуж­бы, чувствительностьюизмерительнойсхемыидиапазономрабочихтемператур.

Особоевниманиенеобходимообращатьнапротяженностьинаклонплато. Чембольшепротяженностьплатоименьшеегонаклон, темменьшеошибокизмеренийприколебанияхнапряженияпитаниясчетчика. Ухорошихсчетчиковпротяженностьплатосоставляетнеменее 100В, аегонаклоннепревышаетнесколькихпроцентов.Причинами, вызывающимиувеличениенаклонаплатосростомрабочегонапря­жения, являютсявозрастаниечиславторичныхэлектронов, создающихложныеим­пульсы, иувеличениечувствительностисчетчика.Счетнаяхарактеристиканесколькосмешаетсяприизменениизагрузкисчетчика. Приповышенииинтенсивностиоблученияплатосдвигаетсявсторонуболеевы­сокихнапряжений.

 

Дляуменьшенияошибокизмеренийнеобходимовыбиратьсчетчиксминималь­нымнаклономплато. Однакоиухорошихсчетчиковвначалеиконцеплатоско­ростьсчетаменяетсяна 10-15%.Сувеличениемнапряжениявпределахучасткаплато: увеличиваетсячисломногократныхимпульсовврезультатевыбиванияизкатодаэлектроновположи­тельнымиионами; уменьшается„мертвое”времяиувеличиваетсяскоростьсче­та; увеличиваетсячувствительныйобъемсчетчикаителесныйугол, вкоторомпо­явившаясяпараионовможетвызватьразряд. Первыедвепричинынаклонаплатомогутбытьисключеныстандартизацией„мертвого”временисчетчика. Третьяпричинаустраняетсядиафрагмированиемсчет­чикаиоблучениемтолькоцентральнойегочасти, вкоторойэффективностьреги­страциинезависитотнапряжения.
  Рисунок 1 – Счётные характеристики счётчика при использовании методов улучшения:   1 – исходная характеристика (наклон плато 8%); 2 – диафрагмирование (наклон плато 3%) 3 – диафрагмирование и стандартизация мёртвого времени (наклон плато 0,3%)

На рисунке 1 показана эффективность различных методов улучшения счётных характеристик газоразрядных счётчиков[[2]].Мертвое время счетчиков можно стандартизировать с помощью схем искусственного гашения разряда или применением импульсного питания. Более часто разряд гасится спусковыми схемами с одним устойчивым состоянием, которые после разряда уменьшают напряжение на счетчике ниже напряжения начала счета. Лучшее разрешающее время имеют схемы, которые после каждого разряда из­меняют полярность напряжения на электродах счетчика, В этом случае положитель­ные ионы быстрее собираются на близко расположенном аноде и „мертвое” время счетчика уменьшается. Основным преимуществом реверсирующих схем по сравне­нию с импульсным питанием счетчиков является более высокая чувствительность в широком диапазоне измерений.

Срок службы самогасящихся счетчиков,как отмечалось, определяется расходом многоатомных молекул гасящей примеси. С распадом многоатомных молекул повышается давле­ние в счетчике, что вызывает смещение плато в область более высоких напряжений и увеличивает его наклон. Расход молекул гасящей примеси при разряде меньше при напряжениях, соответствующих первой трети плато. Поэтому выбор рабочего напря­жения зависит от требуемых потерь счета импульсов и срока службы.

При отсутствии особых требований к увеличению срока службы рабочее на­пряжение выбирается на 100 В больше, чем в начале счета. Для увеличения амплиту­ды импульсов рабочее напряжение необходимо выбирать в середине или конце плато характеристики. Следует избегать даже кратковременных перегрузок счетчика по напряжению и интенсивности излучения, так как это может привести к изменению параметров или порче счетчика.

Существенное влияние на ре­жим работы счетчика оказывает пороговая чувствительность изме­рительной схемы. С повышением пороговой чувствительности из­мерительной схемы напряжение начала счета UHсмещается к мень­шим значениям. Это позволяет существенно расширить диапазон измерений за счёт уменьшения мёртвого времени, т.е. повышения скорости счёта.

Следует также отметить зависимость скорости счёта импульсов от ориентации оси счётчика относительно потока заряженных частиц даже для цилиндрических счётчиков (не говоря о торцевых). Максимальная скорость достигается при поперечной ориентации счётчика и по сравнению с продольной ориентацией выигрыш может превышать 10%.

Режим импульсного питания.С повышением интенсивности излучения в режиме постоянно­го питания газоразрядного счетчика интервал между двумя последующими разрядами в счетчике может оказаться равным „мертвому” времени счетчика. Дальнейшее повышение интенсив­ности излучения не может увеличить число разрядов за единицу времени т.е. наблюдается завал счётной характеристики.

Для того чтобы газоразрядные счетчики можно было использовать и при измерении больших уровней излучений, следует либо уменьшить их „мертвое” время, либо использовать режим импульсного питания.

В режиме импульсного питания разряд в счетчике возникает только при сов­падении момента прохождения ионизирующей частицей объема счетчика с моментом

поступления импульса напряжения питания. Вид нагрузочной характеристики в ре­жиме импульсного питания может быть определен на основе вероятностного подхода.

Вероятность того, что за время подачи одного импульса напряжения питания длительностью t ионизация в счетчике за счет γ-излучения возникает п раз, определя­ется формулой Пуассона:

, n=0,1,2… (1)

гдеN̅ - среднее число ионизаций в с от источника излучений. Вероятность отсутствия ионизации в течении импульса напряжения на счётчике (n=0):

(2)

Вероятность же того, что за время импульса питания не произойдёт ни одной ионизации, или произойдёт любое их количество, как вероятность достоверного события – равна 1:

(3)

Поэтому вероятность ионизации за время импульса питания равна:

(4)

Чтобы исключить влияние „мертвого” времени на работу счетчика врежиме им­пульсного питания длительность импульсов напряжения питания обычно выбирается в 10-100 раз меньше его „мертвого” времени. Вследствие этого за время подачи од­ного питающего импульса возможен максимум один разряд в счетчике. Этот разряд называется первым актом ионизации. Все последующие акты ионизации, которые могут произойти в счетчике за время подачи питающего импульса длительностиt, накладываются на разряд, возникший от первого акта ионизации. Поэтому вероят­ность того, что за время подачи одного питающего импульса длительностью t в счет­чике произойдет разряд, равна вероятности возникновения одного или любого дру­гого числа актов ионизации, определенной по формуле (4). Если частота импульсов напряжения питанияF, то 1 - Р0 из них сопровождается разрядом в счет­чике. Отсюда количество разрядов счетчика за 1 св режиме импульсного питания равно:

(5)

Среднее число ионизаций в счётчике за 1 с пропорционально уровню радиации в точке измерения:

(6)

где Р – уровень радиации, Р/ч; Н – имп/с при уровне радиации 1 Р/ч.

В качестве примера приведём сравнительные характеристики для режимов постоянного и импульсного питания счётчиков СИ-3БГ. Для счётчиков СИ-3БГ параметр Н лежит в диапазоне от 400 до 700 имп/с.На рисунке 2 при­ведены нагрузочные характеристики счетчика СИ-3БГ в режимах постоянного и импульсного пи­тания при различных длительностях питающих им­пульсов (F= 2000 Гц). Как видно, применение импульсного питания существенно увеличивает верхний предел измерений, а нагрузочную харак­теристику делает ближе к линейной.

 

Рисунок 2 – нагрузочные х-ки счётчика СИ-3БГ в режиме постоянного и импульсного питания (F=2 КГц) при различных длительностях питающих импульсов.

 

В заданном диапазоне мощностей доз отРН до РВ можно выбрать такую нагрузочную характеристику, чтобы ее отклонение отлинейной было мини­мальным.Оптимальная линейная нагрузочная характеристика должна иметь вид:

(7)

где РН, РВ – нижняя и верхняя границы диапазона; NН, NВ – соответствующие им скорости счёта.

Для оценки степени отклонения реальной нагрузочной характеристики от линейной вводится критерий нелинейности Ф:

(8)

где Nл – значение для идеальной линейной нагрузочной характеристики. Знаки «-», «+» относятся к значению отклонения на нижней и верхней границе диапазона соответственно.

При конструировании прибора параметры импульсного питания счетчика выбираются так, чтобы при заданном отклонении нагрузочной характеристики от линейной обеспечивалось измерение уровней радиации до верхнего предела, равного РВ. При этом верхний предел диапазона измерений связан с заданной степенью нелинейности и параметрами им­пульсного питания приближенным соотношением:

(9)

Уве­личение частоты питающих импульсов ведет к линейному увеличению коэффициента наклона (N/Р) нагрузочной характеристики, т. е. к увеличению чувствительности. Линейный участок нагрузочной характеристики мо­жет быть значительно улучшен и продлен в область боль­ших уровней излучений за счет коррекции частоты питащих импульсов. Для получения полностью линейной на­грузочной характеристики частоту питающих импульсов следует увеличивать с увеличением измеряемой мощности дозы в соответствии с формулой:

(10)

Линейная нагрузочная характеристика N=aP, должна быть касательной при Р=0 к нагрузочной характеристике. При этом угол наклона линейной характеристики и определяет частоту питающих импульсов:

(11)

Ограничением сверху для частоты является условие того, что её период не должен быть меньше «мёртвого» времени счётчика. При использовании импульсного питания сам счётчик питается от блокинг-генератора, частота которого регулируется цепью обратной связи (при повышении интенсивности автоматически повышается частота импульсов питания). Для снижения амплитуды импульсов питания применяют комбинированное питание – постоянное, и наложенное на него импульсное. При этом постоянное напряжение выбирается ниже напряжения начала счёта.

Следует отметить что мёртвое время может быть непродлевающимся (не реагирующем на событие происходящее в этом временном интервале и продлевающимся.

Средние скорости регистрации r в этих случаях определяются выражениями:

Ещё один вариант учёта мёртвого времени – коррекция результата расчётным методом.