Счётчик Гейгера

Счётчик Гейгера СИ-8Б (СССР) со слюдяным окошком для измерения мягкого  β-излучения. Окно прозрачно, под ним можно видеть спиральный проволочный электрод, другим электродом является корпус прибора

Счётчик Ге́йгера — газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц, устройство используется для измерения радиоактивного излучения.

История создания

Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в лаборатории Эрнста Резерфорда, в 1908 году предложил принцип работы счетчика «заряженных частиц» как дальнейшее развитие уже известной ионизационной камеры, которая представляла собой электрический конденсатор, наполненный газом при небольшом давлении. Она применялась еще Пьером Кюри с 1895 года для изучения электрических свойств газов. У Гейгера возникла идея использовать ее для обнаружения ионизирующих излучений как раз потому, что эти излучения оказывали прямое воздействие на степень ионизации газа.

В 1928 году Вальтер Мюллер, под началом Гейгера, создает несколько типов счетчиков радиации, предназначенных для регистрации различных ионизирующих частиц. Создание счетчиков было очень острой необходимостью, без которой невозможно было продолжать исследование радиоактивных материалов, поскольку физика, как экспериментальная наука, немыслима без измерительных приборов. Гейгер и Мюллер целенаправленно работали над созданием счетчиков, чувствительных к каждому из открытых к тому видов излучений: α, β и γ (нейтроны открыли только в 1932 году).

Счетчик Гейгера-Мюллера оказался простым, надежным, дешевым и практичным датчиком радиации. Хотя он не является самым точным инструментом для исследования отдельных видов частиц или излучений, однако на редкость подходит в качестве прибора для общего измерения интенсивности ионизирующих излучений. А в сочетании с другими детекторами используется физиками и для точнейших измерений при экспериментах

Устройство прибора

Счётчик Гейгера — Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, как правило, выполняется в виде герметичной трубки, стеклянной или металлической, из которой откачан воздух, а вместо него добавлен инертный газ (неон или аргон или их смесь) под небольшим давлением, с примесью галогенов или спирта. По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. И трубка и проволока являются электродами: трубка – катод, а проволока – анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду – через большое постоянное сопротивление – плюс от источника постоянного напряжения. Электрически получается делитель напряжения, в средней точке которого (место соединения сопротивления и анода счетчика) напряжение практически равно напряжению на источнике. Обычно это несколько сотен вольт.

Когда сквозь трубку пролетает ионизирующая частица, атомы инертного газа, и так находящиеся в электрическом поле большой напряженности, испытывают столкновения с этой частицей. Энергии, отданной частицей при столкновении, хватает для отрыва электронов от атомов газа. Образующиеся вторичные электроны сами способны образовать новые столкновения и, таким образом, получается целая лавина электронов и ионов. Под действием электрического поля, электроны ускоряются в направлении анода, а положительно заряженные ионы газа – к катоду трубки. Таким образом, возникает электрический ток. Но так как энергия частицы уже израсходована на столкновения, полностью или частично (частица пролетела сквозь трубку), то кончается и запас ионизированных атомов газа, что является желательным и обеспечивается кое-какими дополнительными мерами, о которых мы поговорим при разборе параметров счетчиков.

При попадании в счетчик Гейгера-Мюллера заряженной частицы, за счет возникающего тока падает сопротивление трубки, а вместе с ним и напряжение в средней точке делителя напряжения, о которой шла речь выше. Затем сопротивление трубки вследствие возрастания ее сопротивления восстанавливается, и напряжение опять становится прежним. Таким образом, мы получаем отрицательный импульс напряжения. Считая импульсы, мы можем оценить число пролетевших частиц. Особенно велика напряженность электрического поля вблизи анода из-за его малых размеров, что делает счетчик более чувствительным.

Принцип работы

Радиометр, чувствительный элемент — счётчик Гейгера — расположен в выносном блоке на переднем плане

Принцип работы устройства основан на ионизации газа. 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.

• 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.

Схема счётчика Гейгера и его подключение

• Счётная характеристика - зависимость скорости счёта от напряжения на счётчике. 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 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.

• 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. 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. 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.

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

• Контроль радиационного фона. Прибор способен проводить постоянный мониторинг с учётом погодных условий и географического положения.
• Обнаружение радиоактивных источников. Счётчик может выявлять радиоактивный источник на открытой местности и внутри помещения.
• Проверка предметов на наличие излучений. С помощью счётчика Гейгера можно контролировать продукты питания, технику, мебель, одежду и другие предметы.
• Защита персонала и управление технологическими процессами. Счётчики Гейгера используются в системах измерения технологических процессов и блокировки.
• Военная сфера. Нередко счётчики Гейгера применяют в ходе военных действий.  

Счётчики Гейгера являются составными частями дозиметров. В то время как счётчик определяет наличие ионизирующего излучения, дозиметр определяет накопленную дозу ионизирующего излучения.

Литература

• «Регистрация радиоактивности. Счётная характеристика счётчика Гейгера», авторы: Гайнов Р. Р., Дулов Е. Н., Вагизов Ф. Г.. 2013.
• «Газоразрядный детектор ионизирующих излучений — счётчик Гейгера-Мюллера», авторы: Бруданин В. Б., Бабенко А. Г., Вахтель В. М., Работкин В. А.. 2012.
• «Счётчик Гейгера-Мюллера», авторы: Бондаренко В. Г., Кирсанов М. А.. Книга издана в 2009 году издательством МИФИ (Москва).

Ссылки

• Большая китайская
• Большая китайская
• Большая китайская
• Britannica (онлайн)