Счетчик Гейгера-Мюллера: история создания, принципы работы и назначение. Счетчики Гейгера. Принцип работы Счетчик гейгера применение прибора

В связи с экологическими последствиями деятельности человека, связанной с атомной энергетикой, а также промышленностью (в том числе военной), использующую радиоактивные вещества как компонент или основу своей продукции изучение основ радиационной безопасности и радиационной дозиметрии становится сегодня достаточно актуальной темой. Помимо природных источников ионизирующего излучения с каждым годом все больше и больше появляется мест, загрязненных радиацией впоследствии человеческой деятельности. Таким образом, чтобы сохранить свое здоровье и здоровье своих близких необходимо знать степень зараженности той или иной местности или предметов и пищи. В этом может помочь дозиметр – прибор для измерения эффективной дозы или мощности ионизирующего излучения за некоторый промежуток времени.

Прежде чем приступать к изготовлению (или же покупке) данного устройства необходимо иметь представление о природе измеряемого параметра. Ионизирующее излучение (радиация) – это потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество. Разделяется на несколько видов. Альфа-излучение представляет собой поток альфа частиц – ядер гелия-4, альфа-частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде, могут быть легко остановлены листом бумаги, поэтому опасность представляет в основном при попадании внутрь организма. Бета-излучение – это поток электронов, возникающих при бета-распаде, для защиты от бета-частиц энергией до 1 МэВ достаточно алюминиевой пластины толщиной в несколько миллиметров. Гамма-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, поскольку состоит из высокоэнергичных фотонов, не обладающих зарядом, для защиты эффективны тяжелые элементы (свинец и т.п.) слоем в несколько сантиметров. Проникающая способность всех видов ионизирующего излучения зависит от энергии.

Для регистрации ионизирующего излучения в основном используются счетчики Гейгера-Мюллера. Это простое и эффективное устройство обычно представляет собой цилиндр металлический или стеклянный металлизированный изнутри и тонкой металлической нити, натянутой по оси этого цилиндра, сам цилиндр наполняется разреженным газом. Принцип работы основан на ударной ионизации. При попадании на стенки счетчика ионизирующего излучения выбивают из него электроны, электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, приводящая к размножению первичных носителей. При достаточно большой напряженности поля энергии этих ионов становится достаточной, чтобы порождать вторичные лавины, способные поддерживать самостоятельный разряд, в результате чего ток через счетчик резко возрастает.

Не все счетчики Гейгера могут регистрировать все виды ионизирующего излучения. В основном они чувствительны к одному излучению – альфа, бета или гамма-излучению, но часто так же в некоторой степени могут регистрировать и другое излучение. Так, например, счетчик Гейгера СИ-8Б предназначен для регистрации мягкого бета-излучения (да, в зависимости от энергии частиц излучение может разделяться на мягкое и жесткое), однако данный датчик так же в некоторой степени чувствителен к альфа-излучению и к гамма-излучению.

Однако, приближаясь все-таки к конструкции статьи, наша задача сделать максимально простой, естественно портативный, счетчик Гейгера или вернее сказать дозиметр. Для изготовления этого устройства мне удалось раздобыть только СБМ-20. Этот счетчик Гейгера предназначен для регистрации жесткого бета- и гамма излучения. Как и большинство других счетчиков, СБМ-20 работает при напряжении 400 вольт.

Основные характеристики счетчика Гейгера-Мюллера СБМ-20 (таблица из справочника):

Данный счетчик обладает относительно невысокими показателями точности измерения ионизирующего излучения, но достаточными для определения превышения допустимой для человека дозы излучения. СБМ-20 применяется во многих бытовых дозиметрах в настоящее время. Для улучшения показателей часто используется сразу несколько трубок. А для увеличения точности измерения гамма-излучения дозиметры оснащаются фильтрами бета-излучения, в этом случае дозиметр регистрирует только гамма-излучение, но зато достаточно точно.

При измерении дозы радиации необходимо учитывать некоторые факторы, которые могут быть важны. Даже при полном отсутствии источников ионизирующего излучения счетчик Гейгера будет давать некоторое количество импульсов. Это так называемый собственный фон счетчика. Сюда так же относится несколько факторов: радиоактивное загрязнение материалов самого счетчика, спонтанная эмиссия электронов из катода счетчика и космическое излучение. Все это дает некоторое количество «лишних» импульсов в единицу времени.

Итак, схема простого дозиметра на основе счетчика Гейгера СБМ-20:

Схему собираю на макетной плате:

Схема не содержит дефицитных деталей (кроме, естественно, самого счетчика) и не содержит программируемых элементов (микроконтроллеров), что позволит собрать схему в течении короткого времени без особого труда. Однако такой дозиметр не содержит шкалы, и определять дозу радиации необходимо на слух по количеству щелчков. Такой вот классический вариант. Схема состоит из преобразователя напряжения 9 вольт – 400 вольт.

На микросхеме NE555 выполнен мультивибратор, частота работы которого составляет примерно 14 кГц. Для увеличения частоты работы можно уменьшить номинал резистора R1 примерно до 2,7 кОм. Это будет полезно, если выбранный вами дроссель (а может и изготовленный) будет издавать писк – при увеличении частоты работы писк исчезнет. Дроссель L1 необходим номиналом 1000 – 4000 мкГн. Быстрее всего можно найти подходящий дроссель в сгоревшей энергосберегающей лампочке. Такой дроссель и применен в схеме, на фото выше он намотан на сердечнике, которые обычно используют для изготовления импульсных трансформаторов. Транзистор T1 можно использовать любой другой полевой n-канальный с напряжением сток-исток не менее 400 вольт, а лучше больше. Такой преобразователь даст всего несколько миллиампер тока при напряжении 400 вольт, но для работы счетчика Гейгера этого хватит с головой несколько раз. После отключения питания от схемы на заряженном конденсаторе C3 схема будет работать еще примерно секунд 20-30, учитывая его небольшую емкость. Супрессор VD2 ограничивает напряжение на уровне 400 вольт. Конденсатор C3 необходимо использовать на напряжение не менее 400 - 450 вольт.

В качестве Ls1 можно использовать любой пьезодинамик или динамик. При отсутствии ионизирующего излучения ток через резисторы R2 – R4 не протекает (на фото на макетной плате пять резисторов, но общее их сопротивление соответствует схеме). Как только на счетчик Гейгера попадет соответствующая частица внутри датчика происходит ионизация газа и его сопротивление резко уменьшается вследствие чего возникает импульс тока. Конденсатор С4 отсекает постоянную часть и пропускает на динамик только импульс тока. Слышим щелчок.

В моем случае в качестве источника питания используется две аккумуляторных батареи от старых телефонов (две, так как необходимое питание должно быть более 5,5 вольт для запуска работы схемы в силу примененной элементной базы).

Итак, схема работает, изредка пощелкивает. Теперь как это использовать. Самый простой вариант – это пощелкивает немного – все хорошо, щелкает часто или вообще непрерывно – плохо. Другой вариант – это примерно подсчитываем количество импульсов за минуту и переводим количество щелчков в мкР/ч. Для этого из справочника необходимо взять значение чувствительности счетчика Гейгера. Однако в разных источника всегда немного разные цифры. В идеальном случае необходимо провести лабораторные замеры для выбранного счетчика Гейгера с эталонными источниками излучения. Так для СБМ-20 значение чувствительности варьируется в пределах от 60 до 78 имп/мкР по разным источникам и справочникам. Так вот, подсчитали количество импульсов за одну минуту, далее это число умножаем на 60 для аппроксимации числа импульсов за один час и все это разделить на чувствительность датчика, то есть на 60 или 78 или что у вас ближе к действительности получается и в итоге получаем значение в мкР/ч. Для более достоверного значения необходимо сделать несколько замеров и посчитать между ними среднеарифметическое значение. Верхний предел безопасного уровня радиации составляет примерно 20 - 25 мкР/ч. Допустимый уровень составляет примерно до 50 мкР/ч. В разных странах цифры могут отличаться.

P.S. На рассмотрение этой темы меня подтолкнула статья о концентрации газа радон, проникающего в помещения, воду и т.д. в различных регионах страны и его источниках.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
IC1	Программируемый таймер и осциллятор	NE555	1			В блокнот
T1	MOSFET-транзистор	IRF710	1			В блокнот
VD1	Выпрямительный диод	1N4007	1			В блокнот
VD2	Защитный диод	1V5KE400CA	1			В блокнот
C1, C2	Конденсатор	10 нФ	2			В блокнот
C3	Электролитический конденсатор	2.7 мкФ	1			В блокнот
C4	Конденсатор	100 нФ	1	400В

1.4 Счётчик Гейгера-Мюллера

В пропорциональном счётчике газовый разряд развивается только в части объёма газа. В ней образуется сначала первичная ионизация, а затем и лавина электронов. Остальной объём не охватывается газовым разрядом. С повышением напряжения критическая область расширяется. В ней увеличивается концентрация возбуждённых молекул, а следовательно, и количество испущенных фотонов. Под действием фотонов из катода и молекул газа вырывается

всё больше и больше фотоэлектронов. Последние в свою очередь дают начала новым лавинам электронов в объёме счётчика, не занятом газовым разрядом от первичной ионизации. Таким образом, повышение напряжения U приводит к распространению газового разряда по объёму счётчика. При некотором напряжении U п . Называемом пороговым, газовый разряд охватывает весь объём счётчика. При напряжении U п начинается область Гейгера-Мюллера.

Счётчик Гейгера (или счётчик Гейгера-Мюллера) − газонаполненный счётчик заряженных элементарных частиц, электрический сигнал с которого усилен за счёт вторичной ионизации газового объёма счётчика и не зависит от энергии, оставленной частицей в этом объёме. Изобретён в 1908 г. Х.Гейгером и Э.Резерфордом, позднее усовершенствован Гейгером и В. Мюллером. Счетчики Гейгера-Мюллера - самые распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения.

Гейгера - Мюллера счётчик - газоразрядный прибор для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и др. ионизирующих излучений: α - и β -частиц, γ -квантов, световых и рентгеновских квантов, частиц высокой энергии в космических лучах и на ускорителях. Гамма-кванты регистрируются счётчиком Гейгера – Мюллера по вторичным ионизирующим частицам - фотоэлектронам, комптоновским электронам, электронно-позитронным парам; нейтроны регистрируются по ядрам отдачи и продуктам ядерных реакций, возникающим в газе счётчика. Работает счётчик при напряжениях, соответствующих самостоятельному

коронному разряду (участок V, Рис. 21 ).

Рис. 21. Схема включения счетчика Гейгера

Разность потенциалов приложена (V ) между стенками и центральным электродом через сопротивление R , зашунтированное конденсатором

C1 .

Этот счётчик обладает практически стопроцентной вероятностью регистрации заряженной частицы, так как для

возникновения разряда достаточно одной электрон-ионной пары.

Конструктивно счётчик Гейгера устроен также как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой конденсатор (как правило, цилиндрический), с сильно неоднородным электрическим полем. К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал (анод), к внешнему – отрицательный (катод). Электроды заключены в герметически замкнутый резервуар, наполненный каким-либо газом до давления 13-26 кн/м 2 (100-200 мм pm . ст .). К электродам счётчика прикладывается напряжение в несколько сот в . На нить подаётся знак + через сопротивление R .

Функционально счётчик Гейгера также повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией (газовое усиление), который способен ионизовать всю область вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. По существу, при попадании в счетчик Гейгера частицы в нём вспыхивает (зажигается) самостоятельный газовый разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым газом. При этом коэффициент газового усиления может достигать 1010 , а величина импульса десятков вольт.

Возникает вспышка коронного разряда и через счётчик течёт ток.

Распределение электрического поля в счётчике таково, что разряд развивается лишь в вблизи анода счётчика на расстоянии нескольких диаметров нити. Электроны быстро скапливаются на нити (не более 10-6 сек), вокруг которой образуется «чехол» из положительных ионов. Положительный пространственный заряд увеличивает эффективный диаметр анода и снижает тем самым напряжённость поля, поэтому разряд прерывается. По мере удаления слоя положительных ионов от нити его экранирующее действие ослабляется и напряжённость поля вблизи анода становится достаточной для образования новой вспышки разряда. Положительные ионы, приближаясь к катоду, выбивают из последнего электроны, в результате чего образуются нейтральные атомы инертного газа в возбуждённом состоянии. Возбуждённые атомы при

достаточном приближении к катоду, выбивают из его поверхности электроны, которые становятся родоначальниками новых лавин. Без внешнего воздействия такой счётчик находился бы в длительном прерывистом разряде.

Таким образом, при достаточно большом R (108 -1010 ом ) на нити скапливается отрицательный заряд

и разность потенциалов между нитью и катодом быстро падает, в результате чего разряд обрывается. После этого чувствительность счётчика восстанавливается через 10-1 -10-3 сек (время разрядки ёмкости С через сопротивление R ). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду,

и восстановилась чувствительность детектора. Такое большое время нечувствительности неудобно для многих применений.

Для практического использования несамогасящего счётчика Гейгера используются различные способы прекращения разряда:

а) Использование электронных схем гашения разряда в газе. Приспособленная для этого электронная схема, в нужное время выдаёт на счётчик «противосигнал», который прекращает самостоятельный разряд и «выдерживает» счётчик на время до полной нейтрализации возникших заряженных частиц. Характеристики такого счётчика со схемой гашения разряда близки к характеристикам самогасящихся счётчиков и иногда превосходят их.

б) Гашение за счёт подбора величин нагрузочного сопротивления и эквивалентной ёмкости, а также величины напряжения на счётчике.

В зависимости от механизма гашения разряда различают две группы счётчиков: несамогасящиеся и самогасящиеся. В несамогасящихся счётчиках «мёртвое» время слишком велико (10-2 сек), для его

уменьшения применяют электронные схемы гашения разряда, которые снижают разрешающее время до времени собирания положительных ионов на катоде (10-4 сек).

Сейчас несамогасящиеся счётчики, в которых гашение разрядов обеспечивается сопротивлением R , вытеснены самогасящимися счётчиками, которые к тому же более стабильны. В них благодаря специальному газовому наполнению (инертный газ с примесью сложных молекул, например паров спирта, и небольшой

примесью галогенов - хлора, брома, йода) разряд сам собой обрывается даже при малых сопротивлениях R . Время нечувствительности самогасящегося счётчика ~10-4 сек .

В 1937 г. Трост обратил внимание на то обстоятельство, что если в счетчик, наполненный аргоном,

добавить небольшое количество (несколько процентов) паров этилового спирта (С2 H5 OH), то разряд, вызванный в счетчике ионизирующей частицей, погаснет сам по себе. Впоследствии выяснилось, что самопроизвольное погасание разряда в счетчике имеет место и при добавлении к аргону паров других органических соединений, обладающих сложными многоатомными соединениями. Вещества эти называют обычно гасящими, а счётчики Гейгера-Мюллера, в которых используются эти вещества, называются счетчиками - самогасящегося типа. Самогасящийся счётчик наполняется смесью двух (или нескольких) газов. Один газ, основной, составляет в смеси около 90 %, другой, гасящий - около 10 %. Компоненты рабочей смеси должны удовлетворять обязательному условию, заключающемуся в том, что потенциал ионизации гасящего газа должен быть ниже первого потенциала возбуждения основного газа.

Замечание. Для регистрации рентгеновского излучения часто применяются проволочные ксеноновые детекторы. Примером может служить первый отечественный сканирующий цифровой медицинский флюорограф МЦРУ СИБИРЬ. Другое приложение рентгеновских счётчиков - рентгенофлуоресцентный волнодисперсионный спектрометр (например, Venus 200), предназначенный для определения различных элементах в веществах и материалах. В зависимости от определяемого элемента возможно применение следующих детекторов: - проточного пропорционального детектора с окнами толщиной 1, 2, 6 микрон, непроточного неонового детектора с окнами толщиной 25 и 50 микрон, - непроточного криптонового детектора с окном толщиной 100 микрон, - ксенонового детектора с окном 200 микрон и сцинтилляционного детектора с окном 300 микрон.

Самогасящиеся счётчики допускают большую скорость счёта без специальных электронных схем

гашения разряда, поэтому они нашли широкое применение. Самогасящиеся счётчики с органическими гасящими примесями имеют ограниченный срок работы (108 -1010 импульсов). При использовании в качестве гасящей примеси одного из галогенов (чаще всего применяется менее активный Br2 ) срок службы становится практически неограниченным из-за того, что двухатомные молекулы галогена после диссоциации на атомы (в процессе разряда) образуются снова. К недостаткам галогенных счётчиков следует отнести сложность технологии их изготовления из-за химической активности галогенов и большое время нарастания переднего фронта импульсов из-за прилипания первичных электронов к молекуле галогена. «Затягивание» переднего фронта импульса в галогенных счётчиках делает их неприменимыми в схемах совпадений.

Основными характеристиками счётчика являются: счётная характеристика – зависимость скорости счёта от величины рабочего напряжения; эффективность счётчика – выраженное в процентах отношение числа считаемых частиц к числу всех частиц, попадающих в рабочий объём счётчика; разрешающее время –

минимальный интервал времени между импульсами, при котором они регистрируются раздельно и срок службы счётчиков.

Рис. 22. Схема возникновения мёртвого времени в счётчике Гейгера-Мюллера. (Форма импульса при разряде в счётчике Гейгера-Мюллера).

Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие - «мертвое» время - является важной его паспортной характеристикой.

Если в счётчике Гейгера-Мюллера в момент времен t 0 начался разряд, вызванный ядерной частицей, то напряжение на счётчике резко падает. Счётчик в течение определённого времени, которое называется мёртвым временем τ м , не способен регулировать другие частицы. С момента t 1 , т.е. по истечении мёртвого времени, в счётчике снова возможно возникновение самостоятельного разряда. Однако вначале амплитуда импульса ещё мала. Только после того, как пространственный заряд достигнет поверхности катода, в счётчике образуются импульсы нормальной амплитуды. Отрезок времени τ с между моментом t 0 , когда в счётчике возник самостоятельный разряд, и моментом восстановления рабочего напряжения t 3 называется временем восстановления. Для того чтобы регистрирующее устройство могло сосчитать импульс, необходимо, чтобы его амплитуда превышала определённую величину U п . Интервал времени между моментом возникновения самостоятельного разряда t 0 и моментом образования амплитуды U п импульса t 2 называется разрешающим временем τ p счётчика Гейгера-Мюллера. Разрешающее время τ p несколько больше мёртвого времени.

Если ежесекундно в счетчик попадает большое число частиц (несколько тысяч и более), то разрешающее время τ р по величине будет сравнимо со средним промежутком времени между импульсами, поэтому значительное число импульсов не сосчитывается. Пусть m - наблюдаемая скорость счета счетчика. Тогда доля времени, в течение которого счетная установка нечувствительна, равна m τ . Следовательно, число импульсов, потерянных за единицу времени, равно nm τ р , где n - скорость счета, которая наблюдалась бы в том случае, если бы разрешающее время имело пренебрежимо малую величину. Поэтому

	n – m = nmτ р
				−m τ

Поправка в скорости счета, которая дается этим уравнением, называется поправкой на мертвое время установки.

Галогеновые самогасящиеся счётчики отличаются самым низким напряжением питания, превосходными параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались особенно удобными для применения в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.

Каждая фиксируемая счетчиком частица вызывает появление в его выходной цепи короткого импульса. Число импульсов, возникающих в единицу времени, - скорость счета счетчика Гейгера - зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Типичный график зависимости скорости счета от напряжения питания V показан на Рис. 23. Здесь V заж - напряжение начала счета; V 1 и V 2 - нижняя и верхняя граница рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение V раб обычно выбирают в середине этого участка. Ему соответствует N р - скорость счета в этом режиме.

Рис. 23. Зависимость скорости счета от напряжения питания в счетчике Гейгера (Счётная характеристика)

Зависимость скорости счета от уровня радиационного облучения счетчика - важнейшая его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому нередко радиационную чувствительность счетчика выражают через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета - имп/с - к уровню радиации - мкР/с). В

тех случаях, когда она не указана (нередких, к сожалению), судить о радиационной чувствительности

счетчика приходится по другому его тоже очень важному параметру - собственному фону. Так называют скорость счета, причиной которой являются две составляющие: внешняя - естественный радиационный фон, и внутренняя - излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода. («фон» в дозиметрии имеет почти тот же смысл, что и «шум» в радиоэлектронике; в обоих случаях речь идет о принципиально неустранимых воздействиях на аппаратуру.)

Еще одной важной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц. На профессиональном жаргоне график этой зависимости называют «ходом с жесткостью». В какой мере эта зависимость важна, показывает график на рисунке. «Ход с жесткостью» будет влиять, очевидно, на точность проводимых измерений.

В своей основе счетчик Гейгера очень прост. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона. Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно».

Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения - α , β , γ , ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к α - и мягкому β -излучению, должно быть очень тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3...10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое β - и γ -излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки 0,05....0,06 мм (он служит и катодом счетчика). Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового - из кварцевого стекла.

Рис. 24. Зависимость скорости счета от энергии гамма-квантов («ход с жесткостью») в счетчике Гейгера

В счетчик нейтронов вводят бор, при взаимодействии с которым поток нейтронов преобразуется в легко регистрируемые α - частицы. Фотонное излучение -ультрафиолетовое, рентгеновское, γ -излучение - счетчики Гейгера воспринимают опосредованно - через фотоэффект, комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом случае происходит преобразование взаимодействующего с веществом катода излучения в поток электронов.

Рис. 25. Радиометрическая установка на базе счётчика Гейгера-Мюллера.

То, что счетчик Гейгера является лавинным прибором, имеет и свои минусы – по реакции такого прибора нельзя судить о первопричине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые счетчиком Гейгера под действием α -частиц, электронов, γ -квантов (в счетчике, на все эти виды излучения реагирующем), ничем не различаются. Сами

частицы, их энергии совершенно исчезают в порождаемых ими лавинах-близнецах.

О качестве счетчика Гейгера-Мюллера судят обычно по виду его счетной характеристики. Для «хороших» счетчиков протяженность счетной части составляет 100-300 В при наклоне плато не более 3 - 5 % на 100 В. Рабочее напряжение счетчика V раб выбирают обычно в середине его счетной области.

Поскольку скорость счета частиц на плато изменяется пропорционально интенсивности облучения ядерными частицами, счетчики Гейгера-Мюллера с успехом используются для относительных измерений активности радиоактивных источников. Абсолютные измерения затрудняются вследствие учета большого числа дополнительных поправок. При работе с источниками малой интенсивности следует учесть фон счетчика, обусловленный космическим излучением, радиоактивностью окружающей среды и радиоактивным загрязнением материала счетчика. В качестве наполняющих счетчик газов первоначально чаще всего использовались благородные газы, в частности, аргон и неон. У большинства счетчиков давление лежит в интервале от 7 до 20 см рт.ст, хотя они иногда работают и при больших давлениях, вплоть до 1 атм. В счётчиках такого типа необходимо применять специальные электронные схемы для гашения газового разряда, возникшего при попадании в счетчик ионизирующего излучения. Поэтому такие счетчики называются счетчиками Гейгера-Мюллера несамогасящегося типа. Они обладают весьма плохой разрешающей способностью. Применение схем для принудительного гашения разряда, улучшая

разрешающую способность, существенно усложняет экспериментальную установку, особенно в случае использования большого числа счетчиков одновременно.

Типичный стеклянный счётчик Гейгера-Мюллера представлен на Рис. 25.

Рис. 25. Стеклянный счётчик Гейгера-Мюллера: 1 –

геометрически запаянная стеклянная трубка; 2 – катод (тонкий слой меди на трубке из нержавеющей стали); 3 – вывод катода; 4 – анод (тонкая натянутая нить).

В Табл. 1 приведены сведения о самогасящихся галогеновых счетчиках Гейгера

российского производства, наиболее подходящих для бытовых приборов радиационного контроля.

Обозначения: 1 - рабочее напряжение, В; 2 - плато - область малой зависимости скорости счета от напряжения питания, В; 3 - собственный фон счетчика, имп/с, не более; 4 - радиационная чувствительность счетчика, имп/мкР (* - по кобальту-60); 5 - амплитуда выходного импульса, В, не менее; 6 - габариты, мм - диаметр х длина (длина х ширина х

высота); 7.1 - жесткое β - и γ - излучение; 7.2 - то же и мягкое β - излучение; 7.3 - то же и α - излучение; 7.4 - γ - излучение.

Рис.26. Часы со встроенным счётчиком Гейгера-Мюллера.

Счетчик Гейгера-Мюллера, типа СТС-6, считает β и γ частицы и относится к самогасящимся счетчикам. Он представляет собой цилиндр из нержавеющей стали с толщиной стенок 50 мг/(см2 с) ребрами жесткости для прочности. Счетчик заполнен смесью паров неона и брома. Бром гасит разряд.

Конструкции счётчиков весьма разнообразны и зависят от вида излучения и его энергии, а также от методики измерения).

Радиометрическая установка на базе счётчика Гейгера - Мюллера представлена на Рис. 27. Напряжение на счётчик подаётся с высоковольтного источника питания. Импульсы со счетчика подаются в блок усилителя, где они усиливаются, и затем регистрируются пересчётным устройством.

Счётчики Гейгера-Мюллера применяются для регистрации всех видов излучения. Они могут быть использованы как для абсолютных, так и для относительных измерений радиоактивных излучений.

Рис. 27. Конструкция счётчиков Гейгера-Мюллера: а – цилиндрический; б

– внутреннего наполнения; г – проточный для жидкостей. 1 – анод (собирающий электрод); 2 – катод; 3 – стеклянный баллон; 4 – выводы электродов; 5 – стеклянная трубка; 6 – изолятор; 7 – слюдяное окно; 8 – кран для впуска газа.

С помощью современного счетчика Гейгера можно измерить уровень радиации строительных материалов, земельного участка или квартиры, а также продуктов питания. Он демонстрирует практически стопроцентную вероятность заряженной частицы, ведь для ее фиксирования достаточно всего одной пары электрон-ион.

Технология, на основе которой создан современный дозиметр на базе счетчика Гейгера-Мюллера, позволяет получать результаты высокой точности за очень короткий промежуток времени. На измерение требуется не больше 60 секунд, а вся информация выводится в графическом и числовом виде на экране дозиметра.

Настройка прибора

У прибора есть возможность настройки порогового значения, когда он превышен, издается звуковой сигнал, предупреждающий вас об опасности. Выберите одно из заданных значений порога в соответствующем разделе настроек. Звуковой сигнал также можно отключить. Перед проведением измерений рекомендуют провести индивидуальную настройку прибора, выбрать яркость дисплея, параметры звукового сигнала и элементов питания.

Порядок выполнения измерений

Выберите режим «Измерение», при этом прибор начинает оценку радиоактивной обстановки. Примерно через 60 секунд на его дисплее появляется результат измерений, после чего начинается следующий цикл анализа. Для того чтобы получить точный результат, рекомендуют провести не менее 5 циклов измерений. Увеличение числа наблюдений дает более достоверные показания.

Чтобы измерить радиационный фон предметов, например стройматериалов или пищевых продуктов, нужно включить режим «Измерение» на расстоянии нескольких метров от объекта, затем поднести прибор к предмету и измерить фон максимально близко к нему. Сравните показания прибора с данными, полученными на расстоянии нескольких метров от предмета. Разница между этими показаниями - это дополнительный радиационный фон исследуемого объекта.

Если результаты измерений превышают естественный фон, характерный для той местности, в которой вы находитесь, это свидетельствует о радиационном загрязнении исследуемого объекта. Для оценки загрязнения жидкости рекомендуют проводить измерения над ее открытой поверхностью. Чтобы защитить прибор от влаги, его нужно обернуть полиэтиленовой пленкой, но не более чем в один слой. Если дозиметр длительное время находился при температуре ниже 0оС, перед проведением измерений его необходимо выдержать при комнатной температуре в течение 2 часов.

Введение

1. Назначение счетчиков

Устройство и принцип действия счетчика

Основные физические закономерности

1 Восстановление работоспособности после регистрации частицы

2 Дозиметрическая характеристика

3 Счетная характеристика датчика

Заключение

Список литературы

Введение

Счетчики Гейгера-Мюллера - самые распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения. До сих пор им, изобретенным в самом начале нашего века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены. В своей основе счетчик Гейгера очень прост. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона. Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно».

К электродам прикладывают высокое напряжение U (см рис.), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В этом состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации - след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют «по дороге» другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.

Обратный процесс - возвращение газовой среды в ее исходное состояние в так называемых галогеновых счетчиках - происходит само собой. В действие вступают галогены (обычно хлор или бром), в небольшом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие - «мертвое» время - является важной его паспортной характеристикой. Такие счетчики называют галогеновыми самогасящимися. Отличаясь самым низким напряжением питания, превосходными параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались особенно удобными для применения в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.

Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения - a, b, g, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к a- и мягкому b-излучению, должно быть очень тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3...10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое b- и g-излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки 0,05....0,06 мм (он служит и катодом счетчика). Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового - из кварцевого стекла.

счетчик гейгер мюллер дозиметрический излучение

1. Назначение счетчиков

Счетчик Гейгера - Мюллера это двухэлектродный прибор, предназначенный для определения интенсивности ионизирующего излучения или, иными словами, - для счета возникающих при ядерных реакциях ионизирующих частиц: ионов гелия (- частиц), электронов (- частиц), квантов рентгеновского излучения (- частиц) и нейтронов. Частицы распространяются с очень большой скоростью [до 2 . 10 7 м/с для ионов (энергия до 10 МэВ) и около скорости света для электронов (энергия 0,2 - 2 МэВ)], благодаря чему проникают внутрь счетчика. Роль счетчика заключается в формировании короткого (доли миллисекунды) импульса напряжения (единицы - десятки вольт) при попадании частицы в объём прибора.

В сравнении с другими детекторами (датчиками) ионизирующих излучений (ионизационной камерой, пропорциональным счетчиком) счетчик Гейгера-Мюллера отличается высокой пороговой чувствительностью - он позволяет контролировать естественный радиоактивный фон земли (1 частица на см 2 за 10 - 100 секунд). Верхний предел измерения сравнительно невысок - до 10 4 частиц на см 2 в секунду или до 10 Зиверт в час (Зв/ч). Особенностью счетчика является способность формировать одинаковые выходные импульсы напряжения вне зависимости от рода частиц, их энергии и числа ионизаций, произведенных частицей в объеме датчика.

2. Устройство и принцип действия счетчика

Работа счетчика Гейгера основана на несамостоятельном импульсном газовом разряде между металлическими электродами, который инициируется одним или несколькими электронами, появляющимися в результате ионизации газа -, -, или -частицей. В счетчиках обычно используется цилиндрическая конструкция электродов, причем диаметр внутреннего цилиндра (анода) много меньше (2 и более порядков), чем наружного (катода), что имеет принципиальное значение. Характерный диаметр анода 0,1 мм.

Частицы поступают в счетчик через вакуумную оболочку и катод в «цилиндрическом» варианте конструкции (рис. 2,а ) или через специальное плоское тонкое окно в «торцевом» варианте конструкции (рис. 2,б) . Последний вариант используется для регистрации -частиц, обладающих низкой проникающей способностью (задерживаются, например, листом бумаги), но очень опасных в биологическом отношении при попадании источника частиц внутрь организма. Детекторы со слюдяными окнами используются также для счета -частиц сравнительно малой энергии («мягкое» бэта-излучение).

Рис. 2. Схематические конструкции цилиндрического (а ) и торцевого (б) счетчиков Гейгера. Обозначения: 1 - вакуумная оболочка (стекло); 2 - анод; 3 - катод; 4 - окно (слюда, целлофан)

В цилиндрическом варианте счетчика, предназначенного для регистрации -частиц высокой энергии или мягкого рентгеновского излучения, используют тонкостенную вакуумную оболочку, а катод выполняют из тонкой фольги или в виде тонкой пленки металла (медь, алюминий), напылённой на внутреннюю поверхность оболочки. В ряде конструкций тонкостенный металлический катод (с ребрами жесткости) является элементом вакуумной оболочки. Жесткое рентгеновское излучение (-частицы) обладает повышенной проникающей способностью. Поэтому его регистрируют детекторами с достаточно толстыми стенками вакуумной оболочки и массивным катодом. В счетчиках нейтронов катод покрывается тонким слоем кадмия или бора, в котором нейтронное излучение преобразуется в радиоактивное через ядерные реакции.

Объем прибора обычно заполнен аргоном или неоном с небольшой (до 1 %) примесью аргона при давлении, близком к атмосферному (10 -50 кПа). Для устранения нежелательных послеразрядных явлений в газовое наполнение вводится примесь паров брома или спирта (до 1 %).

Способность счетчика Гейгера регистрировать частицы независимо от их рода и энергии (генерировать один импульс напряжения независимо от количества образованных частицей электронов) определяется тем, что благодаря очень малому диаметру анода почти все приложенное к электродам напряжение сосредоточено в узком прианодном слое. За пределами слоя находится “область улавливания частиц”, в которой они ионизируют молекулы газа. Электроны, оторванные частицей от молекул, ускоряются к аноду, но газ ионизируют слабо из-за малой напряженности электрического поля. Ионизация резко усиливается после входа электронов в прианодный слой с большой напряженностью поля, где развиваются электронные лавины (одна или несколько) с очень высокой степенью размножения электронов (до 10 7). Однако возникающий за счет этого ток еще не достигает величины, соответствующей формированию сигнала датчика.

Дальнейший рост тока до рабочего значения обусловлен тем, что в лавинах одновременно с ионизацией генерируются ультрафиолетовые фотоны с энергией около 15 эВ, достаточной для ионизации молекул примеси в газовом наполнении (например, потенциал ионизации молекул брома равен 12,8 В). Электроны, появившиеся в результате фотоионизации молекул за пределами слоя, ускоряются к аноду, но лавины здесь не развиваются из-за малой напряженности поля и процесс слабо влияет на развитие разряда. В слое ситуация иная: образующиеся фотоэлектроны благодаря большой напряженности инициируют интенсивные лавины, в которых генерируются новые фотоны. Их количество превышает первоначальное и процесс в слое по схеме «фотоны - электронные лавины - фотоны» быстро (несколько микросекунд) нарастает (входит в «спусковой режим»). При этом разряд от места первых лавин, инициированных частицей, распространяется вдоль анода («поперечное зажигание»), анодный ток резко увеличивается и формируется передний фронт сигнала датчика.

Задний фронт сигнала (уменьшение тока) обусловлен двумя причинами: снижением потенциала анода за счет падения напряжения от тока на резисторе (на переднем фронте потенциал поддерживается межэлектродной емкостью) и снижением напряженности электрического поля в слое под действием пространственного заряда ионов после ухода электронов на анод (заряд повышает потенциалы точек, в результате чего перепад напряжения на слое уменьшается, а на области улавливания частиц увеличивается). Обе причины снижают интенсивность развития лавин и процесс по схеме «лавины - фотоны - лавины» затухает, а ток через датчик уменьшается. После окончания импульса тока потенциал анода увеличивается до исходного уровня (с некоторой задержкой из-за заряда межэлектродной емкости через анодный резистор), распределение потенциала в промежутке между электродами возвращается к первоначальной форме в результате ухода ионов на катод и счетчик восстанавливает способность регистрировать поступление новых частиц.

Выпускаются десятки типов детекторов ионизирующих излучений . При их обозначении используется несколько систем. Например, СТС-2, СТС-4 - счетчики торцевые самогасящиеся, или МС-4 - счетчик с медным катодом (В - с вольфрамовым, Г - с графитовым), или САТ-7 - счетчик -частиц торцевой, СБМ-10 - счетчик -частиц металлический, СНМ-42 - счетчик нейтронов металлический, СРМ-1 - счетчик для рентгеновского излучения и т. д.

3. Основные физические закономерности

.1 Восстановление работоспособности после регистрации частицы

Время ухода ионов из промежутка после регистрации частицы оказывается сравнительно большим - единицы миллисекунд, что ограничивает верхний предел измерения мощности дозы излучения. При высокой интенсивности излучения частицы поступают с интервалом, меньшим времени ухода ионов, и некоторые частицы датчик не регистрирует. Процесс иллюстрируется осциллограммой напряжения на аноде датчика в ходе восстановления его работоспособности (рис. 3).

Рис. 3. Осциллограммы напряжения на аноде счетчика Гейгера. U o - амплитуда сигнала в нормальном режиме (сотни вольт). 1 - 5 - номера частиц

Поступление первой частицы (1 на рис. 3) в объем датчика инициирует импульсный газовый разряд, что ведет к снижению напряжения на величину U o (нормальная амплитуда сигнала). Далее напряжение возрастает в результате медленного уменьшения тока через промежуток по мере ухода ионов на катод и за счет заряда межэлектродной емкости от источника напряжения через ограничительный резистор. Если в датчик через небольшой интервал времени после поступления первой попадает другая частица (2 на рис. 3), то разрядные процессы развиваются слабо из-за пониженного напряжения и малой напряженности поля у анода в условиях действия пространственного заряда ионов. Сигнал датчика в этом случае оказывается недопустимо малым. Поступление второй частицы через более длительный интервал времени после первой (частицы 3 - 5 на рис. 3) дает сигнал большей амплитуды, так как напряжение увеличивается, а пространственный заряд уменьшается.

Если вторая частица поступает в датчик после первой через интервал, меньший, чем отрезок времени между частицами 1 и 2 на рис. 3, то по изложенным выше причинам датчик вообще сигнал не вырабатывает (“не считает” частицу). В связи с этим временной интервал между частицами 1 и 2 называется “мертвым временем счетчика” (амплитуда сигнала частицы 2 составляет 10 % от нормальной). Отрезок времени между частицами 2 и 5 на рис. 3 называется «временем восстановления датчика» (сигнал частицы 5 составляет 90 % нормального). В течение этого времени амплитуда сигналов датчика понижена, и они могут не регистрироваться счетчиком электрических импульсов.

Мертвое время (0,01 - 1 мс) и время восстановления (0,1 - 1 мс) являются важными параметрами счетчика Гейгера. Наибольшая регистрируемая мощность дозы тем выше, чем меньше значения этих параметров. Основными факторами, определяющими параметры, являются давление газа и величина ограничительного резистора. С уменьшением давления и величины резистора мертвое время и время восстановления уменьшаются, так как увеличивается скорость ухода ионов из промежутка и уменьшается постоянная времени процесса заряда межэлектродной емкости.

3.2 Дозиметрическая характеристика

Чувствительность счетчика Гейгера - это отношение частоты генерируемых датчиком импульсов к мощности дозы излучения, измеряемой в микрозивертах на час (мкЗв/ч; варианты: Зв/с, мЗв/с, мкЗв/с). Характерные значения чувствительности: 0,1 - 1 импульсов на микрозиверт. В рабочем диапазоне чувствительность является коэффициентом пропорциональности между показаниями счетчика (количеством импульсов в секунду) и мощностью дозы. За пределами диапазона пропорциональность нарушается, что отражает дозиметрическая характеристика детектора - зависимость показаний от мощности дозы (рис. 4).

Рис. Зависимости скорости счета от мощности дозы радиоактивного излучения (дозиметрические характеристики) для двух счетчиков с различным давлением газа (1 - 5 кПа, 2 - 30 кПа)

Из физических соображений следует, что показания датчика по мере увеличения мощности дозы не могут превысить величину (1/), где - мертвое время датчика (частицы, поступающие через интервал времени, меньший , не считаются). Поэтому рабочий линейный участок дозиметрической характеристики плавно переходит в области интенсивной радиации в горизонтальную прямую на уровне (1/).

С уменьшением мертвого времени дозиметрическая характеристика датчика переходит в горизонтальную прямую на более высоком уровне при более высокой мощности радиации, и верхний предел измерения повышается. Такая ситуация наблюдается при уменьшении давления газа (рис. 4). Однако одновременно снижается чувствительность датчика (увеличивается количество частиц, пересекающих газоразрядный промежуток без столкновений с молекулами). Поэтому при уменьшении давления дозиметрическая характеристика опускается вниз. Математически характеристика описывается следующим соотношением:

где N - скорость счета (показания датчика - число импульсов в секунду); - чувствительность счетчика (импульсов в секунду на микрозиверт); Р - мощность дозы радиации; - мертвое время датчика (в секундах).

3.3 Счетная характеристика датчика

Контроль мощности дозы излучения наиболее часто приходится вести вне помещений или в полевых условиях, где электрическое питание датчика осуществляется от аккумуляторов или других гальванических источников. Их напряжение по мере работы уменьшается. В то же время, газоразрядные процессы в датчике зависят от напряжения в очень сильной степени. Поэтому зависимость показаний счетчика Гейгера от напряжения при неизменной мощности дозы радиации является одной из наиболее важных характеристик датчика. Зависимость называется счетной характеристикой датчика (рис. 5).

На одной из представленных зависимостей (кривая 2) отмечены характерные точки A - D . При малом напряжении (левее точки А ) электроны, образующиеся в датчике при попадании ионизирующей частицы, инициируют электронные лавины, но их интенсивность недостаточна для формирования импульса тока необходимой амплитуды, и показания счетчика равны нулю. Точка А соответствует «напряжению начала счета». При увеличении напряжения на участке А - В показания счетчика возрастают, поскольку растет вероятность поступления электронов из области улавливания частиц в прианодный слой с большой напряженностью поля. При низком напряжении электроны за время движения к слою рекомбинируют с ионами (предварительно могут «прилипать» к молекулам примеси брома с образованием отрицательных ионов). В точке В напряжение достаточно для быстрого перемещения практически всех электронов в слой, а интенсивность рекомбинации близка к нулю. Датчик вырабатывает сигналы нормальной амплитуды.

На рабочем участке счетной характеристики В - С («плато характеристики») показания счетчика слабо увеличиваются с ростом напряжения, что имеет важное практическое значение и является достоинством счетчика Гейгера. Его качество тем выше, чем больше протяженность плато (100 -400 В) и меньше крутизна горизонтального участка счетной характеристики.

Рис. 5. Зависимости скорости счета от напряжения (счетная характеристика) при различных значениях давления газа и содержания примеси брома: 1 - 8 кПа, 0,5 %; 2 - 16 кПа, 0,5 %; 3 - 16 кПа, 0,1 % для мощности дозы излучения 5 мкЗв/ч. A, B, C, D - характерные точки кривой 2

Крутизна (или наклон) плато S характеризуется процентным изменением показаний счетчика на единицу напряжения:

, (2)

где N B и N C - показания счетчика в начале и конце плато; U B и U C - значения напряжения в начале и конце плато. Характерные значения крутизны 0,01 - 0,05 %/В.

Относительная стабильность показаний на плато счетной характеристики обеспечивается специфическим типом разряда, возникающего в датчике с приходом ионизирующей частицы. Увеличение напряжения интенсифицирует развитие электронных лавин, но это приводит лишь к ускорению распространения разряда вдоль анода, а способность счетчика генерировать один сигнал на одну частицу почти не нарушается.

Небольшой рост скорости счета с увеличением напряжения на плато счетной характеристики связан с эмиссией электронов из катода под действием разряда. Эмиссия обусловлена так называемыми -процессами, под которыми понимают вырывание электронов ионами, возбужденными атомами и фотонами. Коэффициент условно считается равным количеству электронов, приходящихся на один ион (возбужденные атомы и фотоны подразумеваются). Характерные значения коэффициента составляют 0,1 - 0,01 (10 - 100 ионов вырывают электрон в зависимости от рода газа и материала катода). При таких значениях коэффициента счетчик Гейгера не функционирует, поскольку выходящие из катода электроны регистрируются как ионизирующие частицы (регистрируются “ложные” сигналы).

Нормальное функционирование счетчика обеспечивается введением в газовое наполнение примеси брома или паров спирта (“гасящие примеси”), что резко снижает коэффициент (ниже 10 -4). В этом случае число ложных сигналов также резко уменьшается, но остается ощутимым (например, единицы процентов). С увеличением напряжения разрядные процессы усиливаются, т.е. количество ионов, возбужденных атомов и фотонов увеличивается и соответственно возрастает количество ложных сигналов. Этим объясняются небольшой рост показаний датчика на плато счетной характеристики (увеличение наклона) и окончание плато (переход в крутой участок C - D ). При увеличении содержания примеси коэффициент снижается в большей степени, что уменьшает наклон плато и увеличивает его длину (кривые 2 и 3 на рис. 5).

Физический механизм действия гасящих примесей заключается в резком снижении поступления на катод ионов, возбужденных атомов и фотонов, способных вызывать эмиссию электронов, а также в повышении работы выхода электронов из катода. Ионы основного газа (неон или аргон) в процессе движения к катоду становятся нейтральными атомами в результате «перезарядки» при столкновениях с молекулами примеси, так как потенциалы ионизации неона и аргона больше, чем брома и спирта (соответственно: 21,5 В; 15,7 В; 12,8 В; 11,3 В). Выделяющаяся при этом энергия расходуется на разрушение молекул или на образование низкоэнергетичных фотонов, не способных вызвать фотоэмиссию электронов. Такие фотоны, к тому же, хорошо поглощаются молекулами примеси.

Образующиеся при перезарядке ионы примеси на катод попадают, но эмиссию электронов не вызывают. В случае брома это объясняется тем, что потенциальная энергия иона (12,8 эВ) недостаточна для вырывания из катода двух электронов (один - на нейтрализацию иона, а другой - для начала электронной лавины), так как работа выхода электронов из катода при наличии примеси брома повышается до 7 эВ. В случае спирта при нейтрализации ионов на катоде выделяющаяся энергия обычно расходуется на диссоциацию сложной молекулы, а не на вырывание электронов.

Возникающие в разряде долгоживущие (метастабильные) возбужденные атомы основного газа принципиально могут попадать на катод и вызывать эмиссию электронов, поскольку их потенциальная энергия достаточно велика (например, 16,6 эВ для неона). Однако вероятность процесса оказывается очень малой, так как атомы при столкновениях с молекулами примеси передают им свою энергию - «гасятся». Энергия расходуется на диссоциацию молекул примеси или на излучение низкоэнергетичных фотонов, не вызывающих фотоэмиссию электронов из катода и хорошо поглощаемых молекулами примеси.

Приблизительно аналогичным образом “гасятся” поступающие из разряда высокоэнергетичные фотоны, способные вызвать эмиссию электронов из катода: они поглощаются молекулами примеси с последующим расходом энергии на диссоциацию молекул и излучение низкоэнергетичных фотонов.

Долговечность счетчиков с добавкой брома значительно выше (10 10 - 10 11 импульсов), так как она не ограничена разложением молекул гасящей примеси. Снижение концентрации брома обусловлено его сравнительно высокой химической активностью, что усложняет технологию изготовления датчика и накладывает ограничения на выбор материала катода (применяется, например, нержавеющая сталь).

Счетная характеристика зависит от давления газа: с его увеличением повышается напряжение начала счета (точка А на рис 5 смещается вправо), а уровень плато повышается в результате более эффективного улавливания ионизирующих частиц молекулами газа в датчике (кривые 1 и 2 на рис 5). Повышение напряжения начала счета объясняется тем, что условия в датчике соответствуют правой ветви кривой Пашена.

Заключение

Широкое применение счётчика Гейгера-Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать разного рода излучения, сравнительной простотой и дешевизной установки. Счётчик был изобретен в 1908 году Гейгером и усовершенствован Мюллером.

Цилиндрический счётчик Гейгера-Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки, и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка - катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы - аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 400В.Для большинства счетчиков существует так называемое плато, которое лежит приблизительно от 360 до 460 В,в этом диапазоне небольшие колебания напряжения не влияют на скорость счета.

Работа счетчика основана на ударной ионизации.γ-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счётчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается - настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

Важной характеристикой счётчика является его эффективность. Не все γ-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия γ-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема.

Эффективность счётчика зависит от толщины стенок счётчика, их материала и энергии γ-излучения. Наибольшей эффективностью обладают счётчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z, так как при этом увеличивается образование вторичных электронов. Кроме того, стенки счётчика должны быть достаточно толстыми. Толщина стенки счётчика выбирается из условия её равенства длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объем счётчика, и возникновения импульса тока не произойдет. Так как γ-излучение слабо взаимодействует с веществом, то обычно эффективность γ-счётчиков также мала и составляет всего 1-2 %. Другим недостатком счётчика Гейгера-Мюллера является то, что он не даёт возможность идентифицировать частицы и определять их энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счётчиках.

Список литературы

1 Актон Д.Р. Газоразрядные приборы с холодным катодом. М.;Л.: Энергия, 1965.

2 Каганов И.Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1972.

3 Кацнельсон Б.В., Калугин А.М., Ларионов А.С. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы: Справочник. М.: Радио и связь, 1985.

4 Кноль М., Эйхмейхер И. Техническая электроника Т. 2. М.: Энергия, 1971.

5 Сидоренко В.В. Детекторы ионизирующих излучений: Справочник. Л.: Судостроение, 1989

Регистрация ионизирующих излучений приборами основана на преобразовании излучений детектором и измерительной схемой в электрические сигналы, принятые в практике измерений.

Приборы для измерения ионизирующих излучений могут регистрировать различные физические величины. Наиболее интересны следующие из них: поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы и их мощность, плотность потока частиц, флюенс частиц, объемная, массовая, поверхностная, эффективная активности.

Любой прибор, измеряющий ионизирующие излучения, содержит детектор, измерительную схему (регистратор или анализатор) и вспомогательные элементы.

Детектор преобразует информацию о параметрах излучений в энергию электрического сигнала. По преобразованию энергии излучения в другие виды энергии детекторы можно разделить на следующие группы:

• ионизационные (газовые счетчики, ионизационные камеры, полупроводниковые счетчики);
• сцинтилляционные;
• фотографические;
• химические.

Измерительная схема выделяет, преобразует, накапливает, хранит и выдает информацию в виде электрических сигналов, удобных для наблюдения, записи, вычисления или управления другими приборами. Вспомогательные элементы обеспечивают заданные режимы работы детектора и измерительной схемы. К ним относятся источники питания, блоки программирования режима работы, контроля исправности и градуировки, регистрирующие устройства (цифропечатающие устройства, самописцы, осциллографы, счетчики импульсов и т.д.).

Функциональные схемы приборов в значительной мере определяются формой сигналов, поступающих от детекторов излучений и с выхода измерительной схемы (в виде импульсов – дискретная форма информации или в виде медленно меняющегося тока (напряжения) – аналоговая форма информации).

Приборы с дискретной формой входной и выходной информации могут включать в себя усилители, стандартизаторы и дискриминаторы импульсов, счетные и анализирующие схемы с суммированием и памятью двоичным, десятичным и другими способами счисления.

Импульсы, несущие информацию о параметрах излучения, могут отличаться по амплитуде, форме и времени появления. Разделением этих импульсов но их параметрам с помощью анализирующих устройств удается измерять не только плотность потока излучения по средней скорости следования импульсов, но и энергию, вид и пространственное распределение излучения.

Анализирующие устройства обычно работают в двух режимах обработки информации. В первом случае анализатором отбираются импульсы с заданными параметрами, во втором – сигналы отбираются по группам в зависимости от заданных параметров отбора.

В приборах с аналоговым видом входной и выходной информации применяются электрометрические и выходные усилители постоянного тока. В схемах с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный используются преобразователи и усилители переменного тока.

Для перекрытия необходимого диапазона измерений с заданной точностью в устройствах с аналоговым видом выходной информации применяются показывающие и самопишущие приборы с линейной и нелинейной шкалами (логарифмической, линейно-логарифмической и т.д.), а также цифровые вольтметры с цифропечатающими устройствами.

Информация на выходе приборов может быть как дискретной, так и аналоговой независимо от формы информации на входе.

Аналоговая информация, поступающая от токовых детекторов излучений (ионизационные камеры), в ряде приборов преобразуется в дискретную путем дозирования – квантования зарядов.

Значительное число приборов с дискретной информацией на входе имеют аналоговую выходную информацию; к ним относятся радиометры, рентгенометры, интенсиметры с измерителями средней скорости следования импульсов.

Результаты измерений могут представляться в виде сигналов, наблюдаемых визуально (показания стрелочных приборов, на экране осциллографа или компьютера и т.д.); зафиксированных регистрирующим устройством (счетчиком импульсов, самописцем, цифропtчатающим устройством и т.д.). Сигналы могут быть звуковыми, генерируемыми телефонами, звонками, сиренами и т.д., подаваться для управления другими приборами.

Любой вид излучения при взаимодействии с веществом приводит к появлению ионизации и возбуждения. Заряженные частицы вызывают эти процессы непосредственно, при поглощении g-квантов ионизацию создают быстрые электроны, возникающие в результате фотоэффекта, эффекта Комптона или при рождении пар, а в случае нейтронов ионизация создается быстролетящими ядрами. При этом одна первичная частица может привести к появлению сотен тысяч ионов, благодаря чему сопровождающие ионизацию вторичные эффекты (электрический ток, вспышка света, потемнение фотопластинки и др.) могут быть замечены человеком непосредственно с помощью его органов чувств; иногда эти эффекты остается лишь усилить в нужное число раз. Таким образом, ионизация является как бы своеобразным усилителем явлений взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Поэтому работа всех регистрирующих приборов так или иначе связана с использованием ионизации и возбуждения атомов вещества.

Электроны, образующиеся при различных видах взаимодействий, тормозятся в среде, затрачивая свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов. Образовавшиеся ионы и свободные электроны быстро рекомбинируют, так что заряд через очень короткое время (10-5 с для газов) исчезает. Этого не происходит, если в среде создать электрическое поле. В этом случае носители заряда будут дрейфовать вдоль поля, положительные в одну сторону, отрицательные – в другую. Движение зарядов является электрическим током, измерив который, можно определить величину заряда.

Именно так действует ионизационная камера. Она представляет из себя герметичный объем, наполненный газом, в котором расположены два металлических электрода (рис. 7.1). К электродам приложено электрическое напряжение. При прохождении электрона, образовавшегося при взаимодействии γ-кванта с веществом, свободные заряды – ионы и электроны – дрейфуют к электродам, и в цепи возникает импульс тока, пропорциональный заряду, образованному электроном.

Рис. 7.1.

К сожалению, импульсы тока от электронов, образованных частицами малых энергий и γ-квантами, очень малы. Их трудно точно измерить, поэтому ионизационные камеры используются для регистрации тяжелых частиц, например, α-частиц, которые образуют при прохождении через ионизационную камеру значительно бо́льшие импульсы тока.

Если повысить напряжение на электродах ионизационной камеры, то возникает явление, названное газовым усилением. Свободные электроны, двигаясь в электрическом поле, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов газа, наполняющего камеру. При ионизации электрон образует еще одну пару ион – электрон, так что общее количество зарядов умножается на два, как это показано на рис. 7.2. В свою очередь новообразовавшиеся электроны тоже способны к ионизации, и таким образом заряд умножается еще и еще. При специальной форме электродов коэффициент газового усиления может достигать 105. Существенным здесь является тот факт, что конечный заряд остается пропорционален первичному, а значит, и энергии электрона, образованного частицей или γ-квантом. Именно по этой причине такие приборы называются пропорциональными счетчиками.

Обычно пропорциональный счетчик делают в виде цилиндра, вдоль оси которого натягивают тонкую металлическую проволочку – нить. К корпусу счетчика подключают отрицательный, а к нити – положительный полюс источника тока. При таком устройстве электрическое поле сосредоточивается главным образом около нити и максимальное значение напряженности поля оказывается тем выше, чем меньше радиус нити. Поэтому необходимые для газового усиления большие напряженности полей удается получить при сравнительно небольших разностях потенциалов между корпусом счетчика и нитью.

Рис. 7.2.

Пропорциональные счетчики получили широкое распространение благодаря своей простоте и большим импульсам тока при прохождении заряженных частиц. Сейчас пропорциональные счетчики используют главным образом для регистрации β-излучения, мягкого γ-излучения, α-частиц и нейтронов. На рис. 7.3 представлены основные тины пропорциональных счетчиков.

Рис. 7.3.

В электрическую цепь пропорциональный счетчик включается так же, как и ионизационная камера. И электрические импульсы от него получаются такие же, как от камеры, только большей величины. Казалось бы, стоит только применить достаточно высокое напряжение, чтобы газовое усиление было больше, и пропорциональный счетчик даст настолько большие импульсы, что работать с ними можно будет без дальнейшего усиления. Однако на самом деле это не так. Дело в том, что при больших газовых усилениях счетчик начинает работать нестабильно и пропорциональность между энергией частиц и амплитудой импульса нарушается.

Чтобы избежать появления пробоев и выровнять электрическое поле, счетчик приходится делать очень тщательно, зачищая и полируя его электроды. Отполировать же нить, диаметр которой измеряется сотыми долями миллиметра, очень сложно. Если электрическое поле в счетчике будет неоднородным вдоль нити, то импульс будет зависеть не только от энергии частицы, но и от места ее попадания в счетчик, что, естественно, нежелательно.

Поэтому конструкцию пропорционального счетчика часто приходится усложнять, вводя в него дополнительные электроды для выравнивания поля. В результате всех этих усложнений удается изготовить счетчики с газовыми усилениями в десятки, сотни, а иногда даже в тысячи раз, но и этого зачастую оказывается слишком мало, чтобы с получаемыми от них импульсами можно было работать без последующего усиления.

Рассмотрим, что произойдет, если еще больше увеличить напряжение между электродами счетчика. В этом случае при попадании в счетчик заряженной частицы образуется чрезвычайно мощная лавина электронов, которая с большой скоростью обрушивается на положительный электрод и выбивает из него несколько фотонов – квантов ультрафиолетового излучения.

Эти фотоны, попадая на отрицательный электрод, могут вырвать новые электроны, последние опять устремятся к положительному электроду и т.д. В результате в счетчике возникает так называемый самостоятельный разряд, который будет гореть с постоянной силой независимо от того, попадают в счетчик новые частицы или нет. (Точно так горит разряд в неоновых трубках световых реклам.)

Счетчик же должен реагировать на каждую попадающую в него частицу, поэтому такой режим работы никому не нужен. Однако, применяя специальные схемы включения или добавляя в атмосферу счетчика некоторые тяжелые газы, можно создать условия, при которых возникший при попадании в счетчик частицы самостоятельный разряд сам по себе будет гаснуть через очень короткое время. Таким образом, попадание в счетчик каждой новой частицы будет вызывать появление кратковременного, но довольно сильного тока.

Самым распространенным детектором (датчиком) ионизирующего излучения, работающим в описанном выше режиме, является счетчик Гейгера – Мюллера. Принцип его работы основан на возникновении разряда в газе при пролете ионизирующих частиц. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами, находящийся под напряжением, введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона (устройство должно регистрировать β- и γ-излучение). Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное "окно".

К электродам прикладывают высокое напряжение U (рис. 7.4), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В этом состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации – след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют "по дороге" другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.

Рис. 7.4.

Обратный процесс – возвращение газовой среды в ее исходное состояние в так называемых галогеновых счетчиках – происходит сам собой. В действие вступают галогены (обычно хлор или бром), в небольшом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие – "мертвое" время – является важной его паспортной характеристикой. Например, для газоразрядного счетчика Гейгера – Мюллера, типа СБМ-20-1 "мертвое" время при U = 400 В составляет 190 Р/мкс.

Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения – альфа, бета, гамма, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции.

Амплитуда импульса от счетчика Гейгера – Мюллера может достигать нескольких десятков или даже сот вольт. С такими импульсами можно работать без всякого усиления. Но эта победа была завоевана дорогой ценой. Дело в том, что амплитуда импульса в счетчике Гейгера – Мюллера определяется только свойствами самого счетчика и параметрами электрической цепи и совершенно не зависит ни от вида, ни от энергии первичной частицы.

Импульсы от медленного электрона, создавшего всего лишь несколько пар ионов, и от α-частицы, создавшей несколько тысяч ионов, оказываются одинаковыми. Поэтому счетчики Гейгера – Мюллера можно использовать только для подсчета числа пролетевших частиц в однородных полях излучений, но не для определения их типа и энергии.