Счётчик Гейгера
Счётчик Ге́йгера, или счётчик Ге́йгера-Мю́ллера — газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц[1]. Устройство используется при измерении радиоактивного излучения.
История создания
В 1908 году немецкий физик Ханс Вильгельм Гейгер разработал счётчик радиоактивных частиц. Сконструированный прибор регистрировал ионизирующие частицы, проходящие через золотую фольгу на экран, где они обнаруживались как вспышки. Работа первого счётчика была ограничена: он регистрировал только альфа-частицы, пропуская другие виды излучения[1].
В 1928 году Гейгер, начав сотрудничать с Вальтером Мюллером, усовершенствовал прибор и разработал несколько моделей. Были улучшены детектор излучения, чувствительность и производительность.
Устройство прибора
Счётчик Гейгера — герметичный металлический цилиндр с натянутой вдоль его оси проволокой. Цилиндр является катодом, проволока — анодом. Система помещена в заполненную инертным газом стеклянную колбу. Для работы устройства через нагрузочный резистор подаётся высокое напряжение постоянного тока.
Устройство измеряет радиацию в микрозивертах.
На основе принципов работы счётчика Гейгера в разных странах разрабатывались новые устройства. Для современного дозиметрического контроля используются модели СБМ-20 и СТС-5[2].
Принцип работы
Принцип работы устройства основан на ионизации газа[3].
Регистрация частиц
Если радиоактивные изотопы отсутствуют, то ток в цепи напряжения не появляется. Разряд не возникает благодаря высокому сопротивлению среды.
Если радиоактивные изотопы присутствуют в среде, то они проникают сквозь стенки колбы. Сталкиваясь с атомами газа, радиоактивные частицы выбивают из них электроны. Ионы газа становятся положительными. Положительные ионы и электроны двигаются к аноду и катоду, соответственно, по пути приобретая большую энергию, при которой начинается ударная ионизация. За счёт более высокой разности потенциалов на электродах создаётся такой режим, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс. При высоком напряжении электрического поля между анодом и катодом порождаются вторичные волны ионизации. Таким образом поддерживается самостоятельный заряд, и ток в счётчике увеличивается.
Процесс продолжается, пока между электродами не наступает пробой. В состоянии разряда цепь замыкается на краткий момент, что вызывает появление импульса на резисторе. Импульс напряжения подаётся в регистрирующее устройство.
Количество импульсов в течение определённого промежутка времени прямо пропорционально числу регистрируемых частиц. Чем дольше время измерения, тем выше точность определения радиации[3].
Сброс заряда
Счётчик за один раз регистрирует одну частицу. Чтобы зафиксировать следующую, нужно сбросить заряд. Во многих счётчиках сброс происходит автоматически.
Как только на резисторе возникает импульс тока, напряжение начинает быстро падать. Заряд исчезает, и устройство готово к новым измерениям.
Для ускорения сброса заряда можно использовать принудительное снижение с помощью других веществ. Чаще всего для дополнительного гашения применяют молекулы с большой молекулярной массой. В смесь газа в счётчике добавляют йод, бром или любой спирт. Молекулы веществ связываются с положительными ионами, увеличивая их массу и делая менее подвижными.
Также эти молекулы поглощают ультрафиолетовое излучение частиц. Поглощение УФ и взаимодействие с ионами приводят к самопроизвольному сбросу заряда. Такой принцип действия происходит в самогасящихся счётчиках.
Определённое количество спирта расходуется при каждом импульсе, поэтому счётчик имеет определённый ресурс по регистрации частиц. Когда спиртовая гасящая добавка заканчивается, возрастает скорость счёта даже при отсутствии облучения. Затем в устройстве устанавливается непрерывный заряд.
Галогенная гасящая добавка (йод, хлор, бром) имеет больший ресурс, чем спирт. Это связано с восстановлением распавшихся молекул галогена.
Для сброса заряда в несамогасящихся дозиметрах необходимо прекратить подачу напряжения на электроды. С этой целью в анодную цепь включается высокоомное сопротивление нагрузки (порядка I08-109 Ом). Импульс тока счётчика, вызванный движением ионов, создаёт на этом сопротивлении большое падение напряжения, поэтому напряжение на аноде счётчика значительно уменьшается и разряд прекращается. Новое включение прибора позволяет начать регистрацию сначала[3].
Характеристики счётчика
Счётная характеристика
Счётная характеристика — зависимость скорости счёта от напряжения на счётчике[4]. Эта характеристика имеет вид кривой с очень широким, почти горизонтальным участком, называемым плато. Счёт начинается с определённого напряжения, так как при меньших электрическое поле недостаточно для начала электрического разряда.
Чем шире плато и меньше его наклон, тем эффективнее работает счётчик. Рабочее напряжение выбирают в пределах плато, чтобы ослабить влияние нестабильности источника питания.
Длительность сигнала
Длительность сигнала со счётчика Гейгера сравнительно велика (≈ 10-4 с). Именно такое время требуется, чтобы медленные катионы, заполнившие пространство вокруг анодной нити после прохождения частицы, ушли к катоду. После этого восстанавливается чувствительность детектора[4].
Эффективность регистрации ионного излучения
Счётчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения: альфа-, бета-, гамма-излучение, рентгеновское. Но действительный диапазон чувствительности счётчика в значительной мере зависит от его устройства[4].
Не все частицы могут быть зарегистрированы счётчиком. Это связано с тем, что некоторые виды излучения не вызвали ионизацию в данном устройстве, или с тем, что количество прошедших частиц велико, поэтому прибор дал сбой. Отклонения могут происходить и по другим причинам.
Эффективность регистрации зависит от типа частиц. Альфа- и бета-излучение почти всегда вызывает ионизацию в счётчике. Но часть их поглощается стенками устройства, не достигнув газа. Для повышения их фиксирования в счётчике устанавливают окно из полимерной плёнки или фольги из алюминия или бериллия. Толщина окна для улавливания альфа-частиц составляет 2-7 мкм, для бета-частиц — 10-15 мкм.
Для улавливания рентгеновского излучения также используют бериллиевое окно. Для регистрации ультрафиолета — из кварцевого стекла.
Гамма-излучение слабо взаимодействует, поэтому эффективность счётчиков для его измерения мала. Она увеличивается, если стенки устройства сделаны из материала с большим количеством протонов в ядре, так как при этом повышается вторичное образование ионов. Также стенки должны быть толстыми. Толщина должна быть равна длине пробега вторичных электронов в материале стенок.
Величина собственного фона
Величина собственного фона, или шума показывает количество импульсов, проходящих за секунду. Устройство никогда не показывает нулевую скорость счёта. Это связано с проникающим излучением из космоса, которое преодолевает даже свинцовую защиту. Также радиационное искажение дают материалы самого счётчика[4].
Для измерения собственного фона счётчик в лабораторных условиях помещают в хорошо защищённую, толстостенную камеру из свинца и определяют уровень радиации, испускаемой устройством.
Конфигурация
Конструкция корпуса устройства и материал, из которого оно изготавливается, даёт возможность улавливать разные виды излучения.
Наиболее распространены датчики цилиндрического и торцевого вида. Цилиндрические изготавливаются в виде трубки небольшого радиуса. Торцевой счётчик может быть прямоугольным или округлым, но обязательно с большой поверхностью торца[4].
Сфера применения
Счётчик Гейгера-Мюллера обладает высокой чувствительностью, регистрирует излучения разных типов и отличается простотой работы, поэтому устройство имеет широкое применение. Прибор может выявлять радиоактивный источник на открытой местности и внутри помещения. Устройство может контролировать на отсутствие или наличие излучений[5]:
- продукты питания;
- технику;
- мебель;
- одежду и другие предметы.
Счётчики Гейгера являются составными частями дозиметров. В то время как счётчик определяет наличие ионизирующего излучения, дозиметр определяет накопленную дозу ионизирующего излучения.
Примечания
- ↑ Перейти обратно: 1,0 1,1 Счётчик Гейгера-Мюллера: принцип работы и для чего ....
- ↑ ГОСТ 25935-83. ПРИБОРЫ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ. Методы измерения основных параметров. — М:«Комитет стандартизации и метрологии СССР», 1985. — С. 2—45..
- ↑ Перейти обратно: 3,0 3,1 3,2 Счётчик Гейгера — урок. Физика, 9 класс..
- ↑ Перейти обратно: 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 изучение работы счётчика гейгера-мюллера.
- ↑ СЧЁТЧИК ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА.