Uvod
1. Imenovanje brojača
2. Uređaj i princip rada brojača
3. Osnovni fizikalni zakoni
3.1 Oporavak nakon registracije čestica
3.2 Dozimetrijska karakterizacija
3.3 Odziv senzora
Zaključak
Bibliografija
Uvod
Geiger-Mullerovi brojači najčešći su detektori (senzori) ionizirajućeg zračenja. Do sada oni, izumljeni na samom početku našeg stoljeća za potrebe novonastale nuklearne fizike, nemaju, začudo, nikakvu punopravnu zamjenu. U svojoj srži, Geigerov brojač je vrlo jednostavan. U dobro vakuumiranoj zatvorenoj posudi s dvije elektrode, plinska smjesa, koji se uglavnom sastoji od lako ionizirajućeg neona i argona. Balon može biti stakleni, metalni itd. Obično mjerači percipiraju zračenje cijelom svojom površinom, ali postoje i oni koji za to imaju poseban "prozor" u balonu.
Na elektrode se dovodi visoki napon U (vidi sliku), koji sam po sebi ne uzrokuje nikakve pojave pražnjenja. Brojač će ostati u ovom stanju sve dok plinovito okruženje neće nastati ionizacijski centar - trag iona i elektrona koje stvara ionizirajuća čestica koja dolazi izvana. Primarni elektroni, ubrzavajući u električnom polju, ioniziraju "usput" druge molekule plinovitog medija, generirajući sve više i više novih elektrona i iona. Razvijajući se poput lavine, ovaj proces završava stvaranjem elektronsko-ionskog oblaka u međuelektrodnom prostoru, što naglo povećava njegovu vodljivost. U plinskom okruženju brojača dolazi do pražnjenja, koje je vidljivo (ako je posuda prozirna) čak i običnim okom.
Obrnuti proces - vraćanje plinskog medija u prvobitno stanje kod tzv. halogenih mjerača - događa se sam od sebe. Halogeni (obično klor ili brom), sadržani u maloj količini u plinovitom mediju, stupaju u akciju, što doprinosi intenzivnoj rekombinaciji naboja. Ali ovaj proces je mnogo sporiji. Dužina vremena potrebnog za vraćanje osjetljivosti na zračenje Geigerovog brojača i zapravo određuje njegovu brzinu - "mrtvo" vrijeme - njegova je važna putovnica. Takva brojila se nazivaju halogena samogasiva brojila. S najnižim naponom napajanja, izvrsnim parametrima izlaznog signala i dovoljno velikom brzinom, pokazali su se posebno prikladnim za korištenje kao senzori ionizirajućeg zračenja u Kućanski aparati kontrola zračenja.
Geigerovi brojači mogu odgovoriti na najviše različiti tipovi ionizirajuće zračenje - a, b, g, ultraljubičasto, rendgensko zračenje, neutron. Ali stvarna spektralna osjetljivost brojača u velikoj mjeri ovisi o njegovom dizajnu. Dakle, ulazni prozor brojača osjetljivog na a- i meko b-zračenje mora biti vrlo tanak; za to se obično koristi tinjac debljine 3 ... 10 mikrona. Balon brojača koji reagira na tvrdo b- i g-zračenje obično ima oblik cilindra debljine stijenke 0,05 .... 0,06 mm (ujedno služi i kao katoda brojača). Prozor rendgenskog brojača izrađen je od berilija, a ultraljubičasti brojač od kvarcnog stakla.
Geiger Muller dozimetrijski brojač zračenja
1. Imenovanje brojača
Geiger-Mullerov brojač je uređaj s dvije elektrode dizajniran za određivanje intenziteta ionizirajućeg zračenja, odnosno, drugim riječima, za brojanje ionizirajućih čestica koje nastaju nuklearnim reakcijama: iona helija (- čestice), elektrona (- čestice), X- kvanti zraka (- čestice) i neutroni. Čestice se šire vrlo velikom brzinom [do 2 . 10 7 m/s za ione (energija do 10 MeV) i oko brzine svjetlosti za elektrone (energija 0,2 - 2 MeV)], zbog čega oni prodiru unutar brojača. Uloga brojača je formiranje kratkog (djelić milisekunde) naponskog impulsa (jedinice - deseci volti) kada čestica uđe u volumen uređaja.
U usporedbi s drugim detektorima (senzorima) ionizirajućeg zračenja (ionizacijska komora, proporcionalni brojač), Geiger-Mullerov brojač ima visok prag osjetljivosti - omogućuje vam kontrolu prirodne radioaktivne pozadine zemlje (1 čestica po cm 2 u 10 - 100 sekundi). Gornja granica mjerenja je relativno niska - do 10 4 čestica po cm 2 u sekundi ili do 10 siverta po satu (Sv/h). Značajka brojača je mogućnost formiranja istih impulsa izlaznog napona bez obzira na vrstu čestica, njihovu energiju i broj ionizacija koje čestica proizvodi u volumenu senzora.
2. Uređaj i princip rada brojača
Rad Geigerovog brojača temelji se na nesamoodrživom pulsirajućem plinskom pražnjenju između metalnih elektroda, koje pokreće jedan ili više elektrona koji se pojavljuju kao rezultat ionizacije plina -, - ili -čestica. Brojači obično koriste cilindričnu konstrukciju elektroda, a promjer unutarnjeg cilindra (anode) mnogo je manji (2 ili više reda veličine) od vanjskog (katode), što je od temeljne važnosti. Karakteristični promjer anode je 0,1 mm.
Čestice ulaze u brojač kroz vakuumsku ljusku i katodu u "cilindričnoj" verziji dizajna (Sl. 2, a) ili kroz poseban ravni tanki prozor u "krajnjoj" verziji dizajna (Sl. 2 ,b). Posljednja varijanta se koristi za detekciju β-čestica koje imaju nisku sposobnost prodora (npr. zadržava ih list papira), ali su biološki vrlo opasne ako izvor čestica uđe u tijelo. Detektori s prozorima od tinjca također se koriste za brojanje relativno niskoenergetskih β-čestica ("meko" beta zračenje).
Riža. 2. Shematske konstrukcije cilindričnog ( a) i kraj ( b) Geigerovi brojači. Oznake: 1 - vakuumska ljuska (staklo); 2 - anoda; 3 - katoda; 4 - prozor (liskun, celofan)
U cilindričnoj verziji brojača, dizajniranoj za detekciju visokoenergetskih čestica ili mekih X-zraka, koristi se vakuumska ljuska tankih stijenki, a katoda je izrađena od tanke folije ili u obliku tankog metalnog filma (bakar, aluminij) nataložen na unutarnjoj površini ljuske. U nizu dizajna, metalna katoda s tankim stijenkama (s ukrućenjima) je element vakuumske ljuske. Tvrdo rendgensko zračenje (-čestice) ima veliku prodornu moć. Stoga ga bilježe detektori s dovoljno debelim stijenkama vakuumske ljuske i masivnom katodom. Kod brojača neutrona katoda je presvučena tankim slojem kadmija ili bora, u kojem se nuklearnim reakcijama neutronsko zračenje pretvara u radioaktivno zračenje.
Volumen uređaja obično se puni argonom ili neonom s malom (do 1%) primjesom argona pri tlaku blizu atmosferskog (10 -50 kPa). Da bi se uklonili nepoželjni fenomeni nakon pražnjenja, u punjenje plina uvodi se dodatak bromovih ili alkoholnih para (do 1%).
Sposobnost Geigerovog brojača da detektira čestice bez obzira na njihovu vrstu i energiju (da generira jedan naponski impuls bez obzira na broj elektrona koje čestica formira) određena je činjenicom da, zbog vrlo malog promjera anode, gotovo sav napon doveden na elektrode koncentriran je u uskom prianodnom sloju. Izvan sloja postoji "područje hvatanja čestica" u kojem ioniziraju molekule plina. Elektroni koje čestica otkine od molekula ubrzavaju se prema anodi, ali je plin slabo ioniziran zbog niske jakosti električnog polja. Ionizacija naglo raste nakon ulaska elektrona u prianodni sloj s visokom jakošću polja, gdje se razvijaju elektronske lavine (jedna ili više) s vrlo visokim stupnjem umnažanja elektrona (do 10 7). Međutim, rezultirajuća struja još ne doseže vrijednost koja odgovara generiranju signala senzora.
Daljnje povećanje struje na radnu vrijednost je zbog činjenice da se, istovremeno s ionizacijom, ultraljubičasti fotoni generiraju u lavinama s energijom od oko 15 eV, dovoljnom za ionizaciju molekula nečistoća u plinskom punjenju (na primjer, ionizacija potencijal molekula broma je 12,8 V). Elektroni koji su se pojavili kao rezultat fotoionizacije molekula izvan sloja ubrzavaju se prema anodi, ali se ovdje zbog niske jakosti polja ne razvijaju lavine i proces malo utječe na razvoj izboja. U sloju je situacija drugačija: nastali fotoelektroni, zbog velikog intenziteta, pokreću intenzivne lavine u kojima se generiraju novi fotoni. Njihov broj premašuje početni i proces u sloju prema shemi "fotoni - elektronske lavine - fotoni" brzo (nekoliko mikrosekundi) raste (ulazi u "trigger mod"). U ovom slučaju, pražnjenje s mjesta prvih lavina koje je pokrenula čestica širi se duž anode ("poprečno paljenje"), anodna struja naglo raste i formira se vodeći rub signala senzora.
Zadnji rub signala (smanjenje struje) je zbog dva razloga: smanjenje anodnog potencijala zbog pada napona od struje preko otpornika (na vodećem rubu, potencijal se održava međuelektrodnim kapacitetom) i smanjenje jakosti električnog polja u sloju pod djelovanjem prostornog naboja iona nakon odlaska elektrona prema anodi (naboj povećava potencijale točaka, zbog čega se smanjuje pad napona na sloju, a na području zarobljavanja čestica se povećava). Oba razloga smanjuju intenzitet razvoja lavine i proces po shemi "lavina - fotoni - lavine" blijedi, a struja kroz senzor opada. Nakon završetka strujnog impulsa, anodni potencijal se povećava na početnu razinu (s određenim kašnjenjem zbog naboja međuelektrodnog kapaciteta kroz anodni otpornik), raspodjela potencijala u razmaku između elektroda vraća se u prvobitni oblik kao rezultat izlaska iona na katodu, a brojač vraća sposobnost registracije dolaska novih čestica.
Proizvodi se na desetke vrsta detektora ionizirajućeg zračenja. Za njihovo označavanje koristi se nekoliko sustava. Na primjer, STS-2, STS-4 - čeoni samogaseći brojači, ili MS-4 - brojač s bakrenom katodom (V - s volframom, G - s grafitom), ili SAT-7 - čeoni brojač čestica, SBM -10 - brojač - metalnih čestica, SNM-42 - brojač metalnih neutrona, CPM-1 - brojač rendgenskog zračenja itd.
3. Osnovni fizikalni zakoni
3.1 Oporavak nakon registracije čestica
Ispostavilo se da je vrijeme u kojem ioni napuštaju prazninu nakon registracije čestice relativno dugo - nekoliko milisekundi, što ograničava gornju granicu mjerenja brzine doze zračenja. Pri visokom intenzitetu zračenja čestice dolaze u intervalu kraćem od vremena odlaska iona, a senzor neke čestice ne registrira. Proces je ilustriran oscilogramom napona na anodi senzora tijekom vraćanja njegove učinkovitosti (slika 3).
Riža. 3. Oscilogrami napona na anodi Geigerovog brojača. U o- amplituda signala u normalnom načinu rada (stotine volti). 1 - 5 - brojevi čestica
Ulazak prve čestice (1 na slici 3) u volumen senzora inicira pulsirajuće plinsko pražnjenje, što dovodi do pada napona za U o(normalna amplituda signala). Nadalje, napon raste kao rezultat sporog smanjenja struje kroz raspor kako ioni idu na katodu i zbog naboja međuelektrodnog kapaciteta iz izvora napona kroz granični otpornik. Ako druga čestica (2 na slici 3) uđe u senzor u kratkom vremenskom intervalu nakon dolaska prve, tada se procesi pražnjenja razvijaju slabo zbog niskog napona i niske jakosti polja na anodi pod djelovanjem iona prostorni naboj. Signal senzora u ovom slučaju je nedopustivo mali. Dolazak druge čestice nakon duljeg vremenskog intervala nakon prve (čestice 3 - 5 na sl. 3) daje signal veće amplitude, jer napon raste, a prostorni naboj opada.
Ako druga čestica uđe u senzor nakon prve nakon intervala manjeg od vremenskog intervala između čestica 1 i 2 na sl. 3, tada iz gore navedenih razloga senzor uopće ne generira signal ("ne broji" česticu). U tom smislu, vremenski interval između čestica 1 i 2 naziva se "mrtvo vrijeme brojača" (amplituda signala čestice 2 je 10% normalne). Vremenski interval između čestica 2 i 5 na sl. 3 naziva se "vrijeme oporavka senzora" (signal čestice 5 je 90% normalan). Tijekom tog vremena, amplituda signala senzora je smanjena i možda ih neće registrirati brojač električnih impulsa.
Mrtvo vrijeme (0,01 - 1 ms) i vrijeme oporavka (0,1 - 1 ms) važni su parametri Geigerovog brojača. Najveća zabilježena brzina doze je veća, veća manje vrijednosti ove opcije. Glavni čimbenici koji određuju parametre su tlak plina i vrijednost graničnog otpornika. Sa smanjenjem tlaka i vrijednosti otpornika, mrtvo vrijeme i vrijeme oporavka se smanjuju, jer se povećava brzina izlaska iona iz raspora i smanjuje vremenska konstanta procesa punjenja međuelektrodnog kapaciteta.
3.2 Dozimetrijska karakterizacija
Osjetljivost Geigerovog brojača je omjer frekvencije impulsa koje generira senzor i brzine doze zračenja, mjereno u mikrosivertima po satu (µSv/h; opcije: Sv/s, mSv/s, µSv/s). Tipične vrijednosti osjetljivosti: 0,1 - 1 impuls po mikrosivertu. U radnom području, osjetljivost je faktor proporcionalnosti između očitanja mjerača (broja impulsa u sekundi) i brzine doze. Izvan raspona, proporcionalnost je povrijeđena, što odražava dozimetrijsku karakteristiku detektora - ovisnost očitanja o brzini doze (slika 4).
Riža. Ovisnosti brzine brojanja o brzini doze radioaktivnog zračenja (dozimetrijske karakteristike) za dva brojača s različitim tlakovima plina (1 - 5 kPa, 2 - 30 kPa)
Iz fizikalnih razmatranja proizlazi da očitanja senzora s povećanjem brzine doze ne mogu prijeći vrijednost (1/), gdje je mrtvo vrijeme senzora (ne uzimaju se u obzir čestice koje stižu u kraćem vremenskom intervalu). Stoga radni linearni dio dozimetrijske karakteristike glatko prelazi u području intenzivnog zračenja u vodoravnu ravnu liniju na razini (1/).
Sa smanjenjem mrtvog vremena, dozimetrijska karakteristika senzora se više mijenja u horizontalnu ravnu liniju visoka razina na više visoka snaga, visoki napon zračenja, a gornja granica mjerenja je povećana. Ova situacija se opaža kada se tlak plina smanji (slika 4). Međutim, istodobno se smanjuje osjetljivost senzora (povećava se broj čestica koje prelaze prazninu plinskog pražnjenja bez sudara s molekulama). Stoga, kada se tlak smanjuje, dozimetrijska karakteristika pada. Matematički, karakteristika je opisana sljedećim odnosom:
gdje N- brzina brojanja (očitanja senzora - broj impulsa u sekundi); - osjetljivost brojača (impulsi u sekundi po mikrosivertu); R- brzina doze zračenja; - mrtvo vrijeme senzora (u sekundama).
3.3 Odziv senzora
Kontrola doze zračenja najčešće se mora provoditi na otvorenom ili na terenu, gdje se senzor napaja baterijama ili drugim galvanski izvori. Njihova napetost se smanjuje dok rade. Istodobno, procesi pražnjenja plina u senzoru u velikoj mjeri ovise o naponu. Stoga je ovisnost očitanja Geigerovog brojača o naponu pri konstantnoj brzini doze zračenja jedna od najvažnijih karakteristika senzora. Ovisnost se naziva karakteristika brojanja senzora (slika 5).
Na jednoj od prikazanih ovisnosti (krivulja 2) označene su karakteristične točke A -D. Na niskom naponu (lijevo od točke ALI) elektroni koji se generiraju u senzoru kada ionizirajuća čestica uđe, pokreću elektronske lavine, ali njihov intenzitet je nedovoljan za generiranje strujnog impulsa potrebne amplitude, a očitanja brojača jednaka su nuli. Točka ALI odgovara "naponu početka brojanja". S porastom napona u sekciji A - B očitanja brojača se povećavaju, jer se povećava vjerojatnost odlaska elektrona iz područja zarobljavanja čestica u prianodni sloj s visokom jakošću polja. Pri niskom naponu, elektroni se rekombiniraju s ionima tijekom njihovog kretanja do sloja (mogu se prvo "zalijepiti" za molekule nečistoća broma uz stvaranje negativnih iona). U točki NA napon je dovoljan da brzo premjesti gotovo sve elektrone u sloj, a intenzitet rekombinacije je blizu nule. Senzor generira signale normalne amplitude.
Na radnom odsječku brojačke karakteristike B - C("karakteristični plato") očitanja brojača blago rastu s porastom napona, što je od velike praktične važnosti i prednost je Geigerovog brojača. Njegova kvaliteta je to veća što je plato duži (100 -400 V) i što je nagib vodoravnog dijela karakteristike brojanja manji.
Riža. 5. Ovisnosti brzine brojanja o naponu (brojna karakteristika) pri različite vrijednosti tlak plina i sadržaj nečistoća broma: 1 - 8 kPa, 0,5%; 2 - 16 kPa, 0,5%; 3 - 16 kPa, 0,1% za brzinu doze zračenja od 5 µSv/h. A, B, C, D- karakteristične točke krivulje 2
Strmina (ili nagib) visoravni S okarakteriziran postotna promjena očitanja brojila po jedinici napona:
gdje N B i N C - očitanje brojila na početku i kraju platoa; U B i U C- vrijednosti napona na početku i kraju platoa. Tipične vrijednosti nagiba su 0,01 - 0,05%/V.
Relativnu stabilnost očitanja na platou karakteristike brojanja osigurava specifična vrsta pražnjenja koja se javlja u senzoru dolaskom ionizirajuće čestice. Povećanje napona pojačava razvoj lavina elektrona, ali to samo dovodi do ubrzanja širenja pražnjenja duž anode, a sposobnost brojača da generira jedan signal po čestici gotovo da nije narušena.
Blagi porast brzine brojanja s povećanjem napona na platou karakteristike brojanja povezan je s emisijom elektrona s katode pod djelovanjem pražnjenja. Emisija je posljedica takozvanih -procesa, koji se shvaćaju kao izvlačenje elektrona od strane iona, pobuđenih atoma i fotona. Koeficijent se uvjetno smatra jednakim broju elektrona po ionu (pretpostavljaju se pobuđeni atomi i fotoni). Karakteristične vrijednosti koeficijenta su 0,1 - 0,01 (10 - 100 iona izvuče elektron, ovisno o vrsti plina i katodnog materijala). Pri takvim vrijednostima koeficijenta Geigerov brojač ne radi, jer se elektroni koji napuštaju katodu registriraju kao ionizirajuće čestice (registriraju se lažni signali).
Normalno funkcioniranje mjerača osigurava se uvođenjem pare broma ili alkohola u plinsko punjenje ("nečistoće za gašenje"), što naglo smanjuje koeficijent (ispod 10 -4). U ovom slučaju, broj lažnih signala također se naglo smanjuje, ali ostaje primjetan (na primjer, nekoliko postotaka). S povećanjem napona procesi pražnjenja se pojačavaju; povećava se broj iona, pobuđenih atoma i fotona, a time i broj lažnih signala. Ovo objašnjava blagi porast očitanja senzora na platou karakteristike brojanja (povećanje nagiba) i na kraju platoa (prijelaz na strmi dio C - D). S povećanjem udjela nečistoća koeficijent se u većoj mjeri smanjuje, čime se smanjuje nagib platoa i povećava njegova duljina (krivulje 2 i 3 na sl. 5).
Međutim, povećanje sadržaja nečistoće za gašenje iznad određene vrijednosti (1% za brom, 10% za alkohol) pogoršava parametre senzora: povećava se napon početka brojanja (točka ALI na slici) povećava se nagib platoa i skraćuje njegova dužina. To se objašnjava činjenicom da se neki od elektrona generiranih ionizirajućom česticom "lijepe" za molekule broma ili alkohola uz stvaranje teških negativnih iona, koji dolaze do sloja u blizini anode nakon značajnog vremenskog razdoblja, kada brojač završi. već je obnovio sposobnost registracije čestica. U sloju, pod djelovanjem visoke jakosti polja, ion se cijepa, a elektron koji izlazi inicira lažni signal senzora.
Fizikalni mehanizam djelovanja nečistoća za gašenje sastoji se u oštrom smanjenju opskrbe iona, pobuđenih atoma i fotona koji mogu izazvati emisiju elektrona na katodu, kao iu povećanju rada rada elektrona s katode. Ioni glavnog plina (neon ili argon) u procesu kretanja prema katodi postaju neutralni atomi kao rezultat "ponovnog punjenja" u sudarima s molekulama nečistoća, budući da su ionizacijski potencijali neona i argona veći od potencijala broma i alkohola (odnosno: 21,5 V; 15, 7 V; 12,8 V; 11,3 V). Energija koja se u tom slučaju oslobađa troši se na razaranje molekula ili na stvaranje fotona niske energije koji nisu sposobni izazvati fotoemisiju elektrona. Takve fotone, štoviše, dobro apsorbiraju molekule nečistoća.
Ioni nečistoće nastali tijekom ponovnog punjenja ulaze u katodu, ali ne uzrokuju emisiju elektrona. U slučaju broma to se objašnjava činjenicom da je potencijalna energija iona (12,8 eV) nedovoljna da izvuče dva elektrona s katode (jedan da neutralizira ion, a drugi da pokrene elektronsku lavinu), budući da izlazni rad elektrona s katode u prisutnosti primjesa broma raste na 7 eV. U slučaju alkohola, tijekom neutralizacije iona na katodi, oslobođena energija obično se troši na disocijaciju složene molekule, a ne na izbacivanje elektrona.
Dugoživući (metastabilni) pobuđeni atomi glavnog plina koji nastaju u pražnjenju mogu u načelu pasti na katodu i izazvati emisiju elektrona, budući da je njihova potencijalna energija prilično visoka (na primjer, 16,6 eV za neon). Međutim, vjerojatnost procesa se pokazuje vrlo malom, budući da atomi, u sudarima s molekulama nečistoća, prenose svoju energiju na njih - oni se "gase". Energija se troši na disocijaciju molekula nečistoća ili na emisiju niskoenergetskih fotona koji ne uzrokuju fotoemisiju elektrona s katode i dobro ih apsorbiraju molekule nečistoća.
Otprilike slično, visokoenergetski fotoni koji dolaze iz pražnjenja, a koji mogu uzrokovati emisiju elektrona s katode, bivaju "ugašeni": apsorbiraju ih molekule nečistoća uz kasniju potrošnju energije za disocijaciju molekula i emisiju niskoenergetskih fotoni.
Trajnost brojača s dodatkom broma znatno je veća (10 10 - 10 11 impulsa), budući da nije ograničena razgradnjom molekula nečistoća za gašenje. Smanjenje koncentracije broma je zbog njegove relativno visoke kemijske aktivnosti, što komplicira proizvodnu tehnologiju senzora i nameće ograničenja u izboru katodnog materijala (na primjer, koristi se nehrđajući čelik).
Karakteristika brojanja ovisi o tlaku plina: s njegovim porastom raste napon početka brojanja (točka ALI pomiče se udesno na slici 5), a razina platoa raste kao rezultat učinkovitijeg hvatanja ionizirajućih čestica od strane molekula plina u senzoru (krivulje 1 i 2 na slici 5). Porast napona odbrojavanja objašnjava se činjenicom da uvjeti u senzoru odgovaraju desnoj grani Paschenove krivulje.
Zaključak
Široka uporaba Geiger-Mullerovog brojača objašnjava se njegovom visokom osjetljivošću, sposobnošću registracije različitih vrsta zračenja te relativnom jednostavnošću i niskom cijenom instalacije. Brojač je 1908. izumio Geiger, a poboljšao ga je Müller.
Cilindrični Geiger-Mullerov brojač sastoji se od metalne cijevi ili staklene cijevi metalizirane iznutra i tanke metalne niti razvučene duž osi cilindra. Žarna nit služi kao anoda, a cijev kao katoda. Cijev je ispunjena razrijeđenim plinom, najčešće se koriste plemeniti plinovi poput argona i neona. Između katode i anode stvara se napon od oko 400 V. Za većinu mjerača postoji takozvani plato, koji leži otprilike od 360 do 460 V, u ovom rasponu male fluktuacije napona ne utječu na brzinu brojanja.
Rad brojača temelji se na udarnoj ionizaciji.G-kvanti koje emitira radioaktivni izotop, padajući na stijenke brojača, izbacuju iz njega elektrone. Elektroni, krećući se u plinu i sudarajući se s atomima plina, izbacuju elektrone iz atoma i stvaraju pozitivne ione i slobodne elektrone. Električno polje između katode i anode ubrzava elektrone do energija pri kojima počinje udarna ionizacija. Dolazi do lavine iona, a struja kroz brojač naglo raste. U tom se slučaju na otporu R formira naponski impuls koji se dovodi u uređaj za snimanje. Da bi brojač mogao registrirati sljedeću česticu koja je u njega upala, lavinsko pražnjenje se mora ugasiti. To se događa automatski. U trenutku kada se na otporu R pojavi strujni impuls, dolazi do velikog pada napona, pa napon između anode i katode naglo opada - toliko da prestaje pražnjenje i brojač je ponovno spreman za rad.
Važna karakteristika brojača je njegova učinkovitost. Neće svi r-fotoni koji udare u brojač dati sekundarne elektrone i bit će registrirani, jer je interakcija r-zraka s materijom relativno rijetka, a neki od sekundarnih elektrona apsorbiraju se u stijenkama uređaja prije nego što dosegnu volumen plina. .
Učinkovitost brojača ovisi o debljini stijenki brojača, njihovom materijalu i energiji g-zračenja. Najučinkovitiji su brojači čije su stijenke izrađene od materijala s velikim atomskim brojem Z jer se time povećava stvaranje sekundarnih elektrona. Osim toga, zidovi pulta moraju biti dovoljno debeli. Debljina stijenke brojača bira se iz uvjeta njezine jednakosti srednjem slobodnom putu sekundarnih elektrona u materijalu stijenke. Uz veliku debljinu stijenke, sekundarni elektroni neće proći u radni volumen brojača i neće se pojaviti strujni impuls. Budući da r-zračenje slabo međudjeluje s materijom, učinkovitost r-brojača obično je također niska i iznosi samo 1-2%. Još jedan nedostatak Geiger-Mullerovog brojača je taj što ne daje mogućnost identifikacije čestica i određivanja njihove energije. Ovi nedostaci su odsutni kod scintilacijskih brojača.
Bibliografija
Acton D.R. Uređaji za pražnjenje u plinu s hladnom katodom. M.; L.: Energija, 1965.
Kaganov I.L. Ionski uređaji. Moskva: Energija, 1972.
Katsnelson B.V., Kalugin A.M., Larionov A.S. Elektrovakuumski elektronički uređaji i uređaji s izbojem u plinu: priručnik. Moskva: Radio i veze, 1985.
Knol M., Eichmeicher I. Tehnička elektronika T. 2. M .: Energija, 1971.
Sidorenko V.V. Detektori ionizirajućeg zračenja: priručnik. L .: Brodogradnja, 1989
Objavljeno na web mjesto
Slični dokumenti
Pojam i vrste ionizirajućeg zračenja. Uređaji koji mjere zračenje, te princip rada Geigerovog brojača. Glavni čvorovi i blok dijagram uređaja. Izbor i opravdanje elementne baze. Oblikovati kružni dijagram u CAD-u ili CAD-u.
diplomski rad, dodan 30.04.2014
Analiza i sinteza asinkronog brojača s QSC = 11 u kodu 6-3-2-1 i s tipom okidača JJJJ, njegova namjena, vrste i tehnički podaci. Primjer rada totalizatora. Sinteza JK-okidača (uređaja za snimanje i pohranu informacija).
seminarski rad, dodan 25.07.2010
Pojam i namjena brojača, njegovi parametri. Princip konstruiranja brojača za zbrajanje i oduzimanje. Svestranost obrnutog brojača. Brojači i djelitelji s faktorom pretvorbe drugačijim od 2n. Prolazni brojači (različiti okidači).
sažetak, dodan 29.11.2010
Implementacija uređaja koji može brojati do 30 pomoću razvojnog okruženja Electronics Workbench. Načelo rada brojača je brojanje broja impulsa primijenjenih na ulaz. Sastavni dijelovi uređaja: generator, sonda, logički elementi, okidač.
seminarski rad, dodan 22.12.2010
Princip rada i opseg scintilacijskog brojača. Kalibracija scintilacijskih spektrometara. Pričvršćivanje i montaža čvrstih scintilatora. Monokristalni scintilatori od antracena i stilbena. Amplitudni analizatori impulsa.
sažetak, dodan 28.09.2009
Pojam i princip rada senzora, njihova namjena i funkcije. Podjela i vrste senzora, opseg i mogućnosti njihove primjene. Bit i osnovna svojstva regulatora. Značajke uporabe i parametri pojačala, aktuatora.
sažetak, dodan 28.03.2010
Mikrooperacije nad kodnim riječima koje brojači izvode u digitalnim sklopovima. Strukturni dijagram okidača K155TV1, električni parametri. Princip rada digitalnog brojača, konstrukcija tablice istinitosti, modeliranje u programu Micro-Cap.
seminarski rad, dodan 11.03.2013
Analiza rada binarnog integralnog brojača i binarno-decimalnog dekodera. Spajanje neiskorištenih ulaza na sabirnicu napajanja, "zajedničku" žicu ili drugi korišteni ulaz. Analiza vremenskog dijagrama dekodera. Johnsonov brojač.
laboratorijski rad, dodano 18.06.2015
Razvoj funkcionalnih dijelova jednog digitalnog uređaja: logički uređaj; brojač, jedan vibrator koji sinkronizira protok informacija do brojača; dekoder za prikaz rezultata uređaja u obliku dostupnom ljudima.
seminarski rad, dodan 31.05.2012
Opis i raspored senzora; njihovi principi rada, primjeri korištenja. Osiguranje i osvjetljenje stubišta u višekatnici, pomoćnih prostorija i parkinga. Razlike u uređajima za kretanje. Karakteristike elektroničkog infracrvenog senzora.
Geiger-Mullerov brojač s izbojem u plinu (G-M). Slika 1 je stakleni cilindar (cilindar) napunjen inertnim plinom (sa
halogene nečistoće) pri tlaku malo nižem od atmosferskog. Tanki metalni cilindar unutar balona služi kao K katoda; anoda A je tanki vodič koji prolazi središtem cilindra. Napon se primjenjuje između anode i katode U NA =200-1000 V. Anoda i katoda spojene su na elektronički krug radiometrijskog instrumenta.
Slika 1. Cilindrični Geiger-Mullerov brojač.
1 – anodna nit 2 – cjevasta katoda
U u – izvor visokog napona
R n – otpornost na opterećenje
IZ V – razdjelni spremnik
R - uređaj za brojanje s indikacijom
ξ je izvor zračenja.
Uz pomoć G-M brojača moguće je registrirati sve čestice zračenja (osim lako apsorbiranih α-čestica); tako da kućište brojača ne apsorbira β-čestice, ima proreze prekrivene tankim filmom.
Objasnimo značajke rada brojača G-M.
β-čestice izravno stupaju u interakciju s molekulama plina brojača, dok neutroni i γ-fotoni (nenabijene čestice) slabo stupaju u interakciju s molekulama plina. U ovom slučaju, mehanizam stvaranja iona je drugačiji.
izvršit ćemo dozimetrijsko mjerenje okoliša u blizini točaka K i A, dobivene podatke unijeti u tablicu. jedan.
Za izvođenje mjerenja potrebno je:
1. Spojite dozimetar na izvor napajanja (9v).
2. Sa stražnje strane dozimetra zatvoriti prozorčić detektora kapkom (ekran).
3. Postavite prekidačNAČIN RADA(način) u položaj γ ("P").
4. Postavite prekidačRANGE(raspon) na pozicijux1 (str n \u003d 0,1-50 μSv / h).
5. Postavite prekidač napajanja dozimetra u položajNA(Na).
6. Ako se u poziciji x1 čuje zvučni signal i numerički redovi displeja su potpuno popunjeni, potrebno je prijeći na raspon x10 (P n \u003d 50-500 μSv / h).
7. Nakon završetka zbrajanja impulsa, na zaslonu dozimetra će se prikazati doza ekvivalentna snaziP Hγ µSv/h; nakon 4-5 sek. doći će do resetiranja.
8. Dozimetar je ponovno spreman za mjerenje zračenja. Automatski počinje novi ciklus mjerenja.
Stol 1.
Rezultirajuća vrijednost u radnom prostoru (AB) određena je formulom
=
, µSv/h (6)
- očitanja dozimetra daju vrijednosti pozadine zračenja na točki;
Količina zračenja na svakoj točki mjerenja pokorava se zakonima fluktuacije. Dakle, da bi se dobila najvjerojatnija vrijednost izmjerene veličine, potrebno je napraviti niz mjerenja;
- u slučaju dozimetrije β-zračenja, mjerenja se moraju provoditi blizu površine tijela koja se proučavaju.
4. Uzimanje mjerenja. P.1. Određivanje brzine ekvivalentne doze prirodnog pozadinskog zračenja.
Da bismo odredili γ-pozadinu okoline, odabiremo (u odnosu na bilo koje objekte (tijela)) dvije točke A, K, koje se nalaze na udaljenosti od ~1 metar jedna od druge, i, bez dodirivanja tijela,
Neutroni, u interakciji s atomima katode, stvaraju nabijene mikročestice (fragmente jezgri). Gama zračenje
interagira uglavnom sa supstancom (atomima) katode, generirajući fotonsko zračenje, koje dalje ionizira molekule plina.
Čim se ioni pojave u volumenu brojača, počet će kretanje naboja pod djelovanjem električnog polja anoda-katoda.
U blizini anode, linije jakosti električnog polja naglo se zgušnjavaju (zbog malog promjera anodne niti), jakost polja se naglo povećava. Elektroni, približavajući se niti, dobivaju veliko ubrzanje, postoji udarna ionizacija neutralnih molekula plina , nezavisno koronsko pražnjenje širi se duž niti.
Zbog energije ovog pražnjenja, energija početnog zamaha čestica naglo raste (do 10 8 jednom). Kada se koronsko pražnjenje širi, dio naboja će polako nestati kroz veliki otpor R n ~10 6 Ohma (slika 1). U krugu detektora otporaR n bit će strujni impulsi proporcionalni početnom fluksu čestica. Rezultirajući strujni impuls prenosi se na spremnik C V (C~10 3 pikofarad), dodatno pojačan i snimljen pretvorbenom shemom R.
Imajući veliki otporR n u krugu detektora dovodi do toga da će se negativni naboji akumulirati na anodi. Jakost električnog polja anode će se smanjiti iu jednom trenutku udarna ionizacija će biti prekinuta, pražnjenje će se ugasiti.
Važnu ulogu u suzbijanju nastalog plinskog pražnjenja igraju halogeni prisutni u plinu brojača. Potencijal ionizacije halogena manji je od potencijala inertnih plinova, stoga atomi halogena aktivnije "upijaju" fotone koji uzrokuju neovisno pražnjenje, pretvarajući tu energiju u energiju disipacije, čime se gasi neovisno pražnjenje.
Nakon prekida udarne ionizacije (i koronskog pražnjenja) započinje proces vraćanja plina u početno (radno) stanje. Za to vrijeme brojač ne radi, tj. ne registrira leteće čestice. Ovaj interval
vrijeme se naziva "mrtvo vrijeme" (vrijeme oporavka). Za G-M brojačmrtvo vrijeme = Δt~10 -4 sekundi.
G-M brojač reagira na pogodak svake nabijene čestice, ne razlikujući ih po energiji, ali ako snaga padne
zračenje je nepromijenjeno, tada je brzina brojanja pulseva proporcionalna snazi zračenja, a brojač se može kalibrirati u jedinicama doza zračenja.
Kvaliteta samogasivog detektora s izbojem u plinu određena je ovisnošću prosječne frekvencije impulsaNpo jedinici vremena od naponaU na svojim elektrodama pri konstantnom intenzitetu zračenja. Ova funkcionalna ovisnost naziva se karakteristika brojanja detektora (slika 2).
Kao što je prikazano na slici 2, kadaU < U 1 primijenjeni napon je nedovoljan za pojavu plinskog pražnjenja kada nabijena čestica ili gama zraka uđu u detektor. Počevši od napona U NA > U 2 u brojaču dolazi do udarne ionizacije, duž katode se širi koronsko pražnjenje, a brojač bilježi prolazak gotovo svake čestice. S rastom U NA prijeU 3 (vidi sl. 2), broj snimljenih impulsa lagano raste, što je povezano s određenim povećanjem stupnja ionizacije protuplina. Dobra kontra G-M parcela parcela od U 2 prijeU R gotovo neovisno oU NA , tj. teče paralelno s osiU NA , prosječna frekvencija pulsa gotovo je neovisna oU NA .
Riža. 2. Brojna karakteristika samogasivog detektora s izbojem u plinu.
3. Relativna greška instrumenata pri mjerenju P n : δP n = ±30%.
Objasnimo kako se puls mjerača pretvara u očitanja brzine doze zračenja.
Dokazano je da je pri konstantnoj snazi zračenja brzina brojanja impulsa proporcionalna snazi zračenja (izmjerenoj dozi). Mjerenje brzine doze zračenja temelji se na ovom principu.
Čim se u mjeraču pojavi impuls, taj signal se prenosi u jedinicu za pretvorbu, gdje se filtrira po trajanju, amplitudi, zbraja i rezultat se prenosi na zaslon mjerača u jedinicama doze snage.
Podudarnost između brzine brojanja i izmjerene snage, tj. dozimetar je kalibriran (tvornički) prema poznatom izvoru zračenja C s 137 .
Htjeli mi to ili ne, zračenje je čvrsto ušlo u naše živote i neće otići. Moramo naučiti živjeti s ovom, i korisnom i opasnom pojavom. Zračenje se manifestira kao nevidljivo i neprimjetno zračenje, a nemoguće ga je detektirati bez posebnih instrumenata.
Malo povijesti zračenja
X-zrake su otkrivene 1895. Godinu dana kasnije otkrivena je radioaktivnost urana, također u vezi s X-zrakama. Znanstvenici su shvatili da su suočeni s potpuno novim, do sada neviđenim fenomenima prirode. Zanimljivo je da je fenomen zračenja primijećen nekoliko godina ranije, ali mu se nije pridavao značaj, iako su Nikola Tesla i drugi radnici Edisonovog laboratorija zadobili opekline od X-zraka. Štetnost po zdravlje pripisivala se bilo čemu, samo ne zrakama koje živo biće nikada nije susrelo u takvim dozama. Na samom početku 20. stoljeća počinju se pojavljivati članci o štetnosti zračenja na životinje. Ni tome se nije pridavala važnost sve do senzacionalne priče o "radium djevojkama" - radnicama tvornice koja je proizvodila svjetleće satove. Kistove samo smoče vrškom jezika. Strašna sudbina nekih od njih nije ni objavljena, iz etičkih razloga, i ostala je test samo za čvrste živce liječnika.
Godine 1939. fizičarka Lisa Meitner, koja zajedno s Ottom Hahnom i Fritzom Strassmannom spominje ljude koji su prvi put u svijetu podijelili jezgru urana, nehotice je izustila o mogućnosti lančane reakcije i od tog trenutka započela je lančana reakcija ideja o stvaranju bombe, i to bombe, a nikako "miroljubivog atoma", za koji krvoločni političari 20. stoljeća, naravno, ne bi dali ni lipe. Oni koji su bili "upućeni" već su znali do čega će to dovesti i počela je utrka u nuklearnom naoružanju.
Kako je nastao Geiger-Mullerov brojač?
Njemački fizičar Hans Geiger, koji je radio u laboratoriju Ernsta Rutherforda, 1908. godine predložio je princip rada brojača "nabijenih čestica" kao daljnji razvoj već poznate ionizacijske komore, koja je bila električni kondenzator ispunjen plinom na niskom stupnju. pritisak. Od 1895. koristi ga Pierre Curie za proučavanje električnih svojstava plinova. Geiger je imao ideju koristiti ga za detekciju ionizirajućeg zračenja upravo zato što su ta zračenja imala izravan učinak na stupanj ionizacije plina.
Godine 1928. Walter Müller, pod vodstvom Geigera, stvara nekoliko vrsta brojača zračenja dizajniranih za registraciju različitih ionizirajućih čestica. Izrada brojača bila je vrlo hitna potreba, bez koje je bilo nemoguće nastaviti proučavanje radioaktivnih materijala, jer je fizika, kao eksperimentalna znanost, nezamisliva bez mjerni instrumenti. Geiger i Müller ciljano su radili na stvaranju brojača osjetljivih na svaku od tome otkrivenih vrsta zračenja: α, β i γ (neutroni su otkriveni tek 1932.).
Geiger-Mullerov brojač pokazao se kao jednostavan, pouzdan, jeftin i praktičan senzor zračenja. Iako nije najprecizniji alat za istraživanje određene vrstečestica ili zračenja, ali je izuzetno pogodan kao instrument za opće mjerenje intenziteta ionizirajućeg zračenja. A u kombinaciji s drugim detektorima koriste ga i fizičari za najtočnija mjerenja u eksperimentima.
Ionizirana radiacija
Za bolje razumijevanje rada Geiger-Mullerovog brojača, korisno je imati razumijevanje ionizirajućeg zračenja općenito. Po definiciji, to uključuje sve što može uzrokovati ionizaciju tvari u normalno stanje. Za to je potrebna određena količina energije. Na primjer, radio valovi ili čak ultraljubičasto svjetlo nisu ionizirajuće zračenje. Granica počinje s "tvrdim ultraljubičastim", odnosno "mekim X-zrakom". Ova vrsta je fotonska vrsta zračenja. fotoni velika energija obično se nazivaju gama zrake.
Ernst Rutherford prvi je podijelio ionizirajuće zračenje u tri vrste. To je učinjeno na eksperimentalnoj postavi uz korištenje magnetskog polja u vakuumu. Kasnije se pokazalo da je ovo:
α - jezgre atoma helija
β - elektroni visoke energije
γ - gama kvanti (fotoni)
Kasnije su otkriveni neutroni. Alfa čestice lako zadržava i obični papir, beta čestice imaju nešto veću prodornu moć, a najveću gama zrake. Najopasniji neutroni (na udaljenosti od nekoliko desetaka metara u zraku!). Zbog svoje električne neutralnosti ne stupaju u interakciju s elektronskim ljuskama molekula tvari. Ali jednom u atomskoj jezgri, čija je vjerojatnost prilično velika, dovode do njegove nestabilnosti i raspada, uz stvaranje, u pravilu, radioaktivnih izotopa. A već oni, pak, raspadajući se, sami tvore cijeli "buket" ionizirajućeg zračenja. Što je najgore, sam ozračeni predmet ili živi organizam postaje izvor zračenja na više sati i dana.
Uređaj Geiger-Mullerovog brojača i princip njegovog rada
Geiger-Mullerov brojač s izbojem u plinu u pravilu se izrađuje u obliku zatvorene cijevi, stakla ili metala, iz koje se odvodi zrak, a umjesto njega se dodaje inertni plin (neon ili argon ili njihova mješavina). pod niskim pritiskom, uz dodatak halogena ili alkohola. Uzduž osi cijevi rastegnuta je tanka žica, a koaksijalno s njom nalazi se metalni cilindar. I cijev i žica su elektrode: cijev je katoda, a žica je anoda. Minus iz izvora konstantnog napona spojen je na katodu, a plus iz izvora konstantnog napona na anodu preko velikog konstantnog otpora. Električno se dobiva djelitelj napona u čijem je središtu (spoj otpora i anode brojača) napon gotovo jednak naponu na izvoru. Obično je nekoliko stotina volti.
Kada ionizirajuća čestica proleti kroz cijev, atomi inertnog plina već u električnom polju visokog intenziteta doživljavaju sudare s tom česticom. Energija koju je čestica predala tijekom sudara dovoljna je da odvoji elektrone od atoma plina. Rezultirajući sekundarni elektroni sami su sposobni stvarati nove sudare i tako se dobiva čitava lavina elektrona i iona. Pod utjecajem električnog polja, elektroni se ubrzavaju prema anodi, a pozitivno nabijeni ioni plina - prema katodi cijevi. Tako nastaje električna struja. No budući da je energija čestice već potrošena na sudare, u cijelosti ili djelomično (čestica je proletjela kroz cijev), prestaje i opskrba atoma ioniziranog plina, što je poželjno i osigurava se nekim dodatnim mjerama koje smo raspravljat ćemo pri analizi parametara brojača.
Kada nabijena čestica uđe u Geiger-Mullerov brojač, otpor cijevi opada zbog nastale struje, a s njim i napon na sredini djelitelja napona, o čemu je gore bilo riječi. Tada se otpor cijevi, zbog porasta njezina otpora, ponovno uspostavi, a napon ponovno postane isti. Tako dobivamo negativan impuls napona. Brojanjem momenta možemo procijeniti broj čestica koje prolaze. Jakost električnog polja u blizini anode je posebno velika zbog njene male veličine, što čini brojač osjetljivijim.
Nacrti Geiger-Mullerovih brojača
Moderni Geiger-Muller brojači dostupni su u dvije glavne verzije: "klasični" i ravni. Klasični pult izrađen je od metalne cijevi tanke stijenke s valovitošću. Valovita površina brojača čini cijev krutom, otpornom na vanjski atmosferski tlak i ne dopušta da se sruši pod njegovim djelovanjem. Na krajevima cijevi nalaze se brtveni izolatori od stakla ili termoreaktivne plastike. Također sadrže stezaljke-kapice za spajanje na krug instrumenta. Cijev je označena i premazana postojanim izolacijskim lakom, osim, naravno, svojih priključaka. Također je označen polaritet izvoda. Ovo je univerzalni brojač za sve vrste ionizirajućeg zračenja, posebno za beta i gama.
Brojači osjetljivi na meko β-zračenje izrađuju se drugačije. Zbog malog dometa β-čestica, one moraju biti ravne, s prozorom od tinjca, koji slabo odgađa beta zračenje, jedna od opcija za takav brojač je senzor zračenja BETA-2. Sva ostala svojstva mjerača određena su materijalima od kojih su izrađeni.
Brojači za registraciju gama zračenja sadrže katodu od metala s velikim nabojnim brojem ili su obloženi takvim metalima. Plin je izuzetno slabo ioniziran gama fotonima. Ali s druge strane, gama fotoni su sposobni izbaciti mnogo sekundarnih elektrona s katode, ako je odabrana na odgovarajući način. Geiger-Mullerovi brojači za beta čestice napravljeni su s tankim prozorima za bolju propusnost čestica, jer se radi o običnim elektronima koji su upravo primili puno energije. Oni vrlo dobro djeluju s materijom i brzo gube tu energiju.
U slučaju alfa čestica situacija je još gora. Dakle, unatoč vrlo pristojnoj energiji, reda veličine nekoliko MeV, alfa čestice vrlo snažno stupaju u interakciju s molekulama koje su na putu i brzo gube energiju. Ako se materija usporedi sa šumom, a elektron s metkom, onda će se alfa čestice morati usporediti sa spremnikom koji pršti kroz šumu. Međutim, obični brojač dobro reagira na α-zračenje, ali samo na udaljenosti do nekoliko centimetara.
Za objektivnu procjenu razine ionizirajućeg zračenja dozimetri na brojilima za opću uporabu često su opremljena s dva paralelna brojača. Jedan je osjetljiviji na α i β zračenje, a drugi na γ-zrake. Takva shema za korištenje dva brojača implementirana je u dozimetru RADEX RD1008 a u dozimetar-radiometar RADEX MKS-1009 u koji je ugrađen brojač BETA-2 i BETA-2M. Ponekad se između brojača postavlja šipka ili ploča izrađena od legure koja sadrži primjesu kadmija. Kada neutroni pogode takvu šipku, dolazi do γ-zračenja koje se bilježi. To se radi kako bi se moglo detektirati neutronsko zračenje, na koje su jednostavni Geigerovi brojači praktički neosjetljivi. Drugi način je prekrivanje tijela (katode) nečistoćama koje mogu dati osjetljivost na neutrone.
Halogeni (klor, brom) se miješaju s plinom za brzo gašenje pražnjenja. Alkoholne pare služe istoj svrsi, iako je alkohol u ovom slučaju kratkotrajan (to je općenito svojstvo alkohola) i "otriježnjeni" brojač stalno počinje "zvoniti", odnosno ne može raditi u propisanom režimu. To se događa negdje nakon registracije 1e9 impulsa (milijarde) što nije tako puno. Halogena mjerača su mnogo izdržljivija.
Parametri i načini rada Geigerovih brojača
Osjetljivost Geigerovih brojača.
Osjetljivost brojača procjenjuje se omjerom broja mikrorendgena iz uzornog izvora i broja impulsa izazvanih tim zračenjem. Budući da Geigerovi brojači nisu dizajnirani za mjerenje energije čestica, točna procjena je teška. Brojači su kalibrirani prema standardnim izvorima izotopa. Treba napomenuti da ovaj parametar različiti tipovi brojači mogu jako varirati, u nastavku su parametri najčešćih Geiger-Mullerovih brojača:
Geiger-Mullerov brojač Beta 2- 160 ÷ 240 imp/µR
Geiger-Mullerov brojač Beta 1- 96 ÷ 144 imp/µR
Geiger-Mullerov brojač SBM-20- 60 ÷ 75 impulsa / µR
Geiger-Mullerov brojač SBM-21- 6,5 ÷ 9,5 imps/µR
Geiger-Mullerov brojač SBM-10- 9,6 ÷ 10,8 imps/µR
Područje ulaznog prozora ili radni prostor
Područje senzora zračenja kroz koje lete radioaktivne čestice. Ova je karakteristika izravno povezana s dimenzijama senzora. Što je veće područje, Geiger-Mullerov brojač će uhvatiti više čestica. Obično je ovaj parametar označen u kvadratnim centimetrima.
Geiger-Mullerov brojač Beta 2- 13,8 cm 2
Geiger-Mullerov brojač Beta 1- 7 cm 2
Taj napon odgovara otprilike sredini radne karakteristike. Radna karakteristika je ravni dio ovisnosti broja snimljenih impulsa o naponu, pa se naziva i "plato". U ovoj točki se postiže najveća radna brzina (gornja granica mjerenja). Tipična vrijednost 400 V.
Širina radne karakteristike brojila.
To je razlika između probojnog napona iskre i izlaznog napona na ravnom dijelu karakteristike. Tipična vrijednost je 100 V.
Nagib radne karakteristike brojača.
Nagib se mjeri kao postotak impulsa po voltu. Karakterizira statističku pogrešku mjerenja (brojeći broj impulsa). Tipična vrijednost je 0,15%.
Dopuštena radna temperatura brojila.
Za mjerenje opće namjene -50 ... +70 stupnjeva Celzijusa. Ovo je vrlo važan parametar ako mjerač radi u komorama, kanalima i drugim mjestima složene opreme: akceleratorima, reaktorima itd.
Radni resurs brojača.
Ukupan broj impulsa koje brojač registrira prije trenutka kada očitanja počnu biti netočna. Za uređaje s organskim dodacima, samogašenje je obično 1e9 (deset na devetu potenciju ili jedna milijarda). Resurs se uzima u obzir samo ako se radni napon primjenjuje na brojilo. Ako je brojač jednostavno pohranjen, ovaj resurs se ne troši.
Mrtvo vrijeme brojača.
Ovo je vrijeme (vrijeme oporavka) tijekom kojeg mjerač provodi struju nakon što ga je pokrenula čestica u prolazu. Postojanje takvog vremena znači da postoji gornja granica frekvencije pulsa, a to ograničava raspon mjerenja. Tipična vrijednost je 1e-4 s, tj. deset mikrosekundi.
Treba napomenuti da se zbog mrtvog vremena senzor može pokazati "izvan skale" i biti tih u najopasnijem trenutku (na primjer, spontana lančana reakcija u proizvodnji). Bilo je takvih slučajeva, a za borbu protiv njih koriste se olovni zasloni koji pokrivaju dio senzora alarmnih sustava za hitne slučajeve.
Prilagođena pozadina brojača.
Mjerenje u olovnim komorama s debelim stijenkama za procjenu kvalitete mjerača. Tipična vrijednost 1 ... 2 impulsa u minuti.
Praktična primjena Geigerovih brojača
Sovjetska, a sada ruska industrija proizvodi mnoge vrste Geiger-Mullerovih brojača. Evo nekih uobičajenih marki: STS-6, SBM-20, SI-1G, SI21G, SI22G, SI34G, brojači serije Gamma, krajnji brojači serije " Beta' i ima mnogo drugih. Svi se oni koriste za kontrolu i mjerenje zračenja: u objektima nuklearne industrije, u znanstvenim i obrazovnim ustanovama, u civilnoj obrani, medicini, pa čak iu svakodnevnom životu. Nakon nesreće u Černobilu, kućni dozimetri, dosad nepoznati stanovništvu čak i po imenu, postali su vrlo popularni. Pojavile su se mnoge marke kućanskih dozimetara. Svi oni koriste Geiger-Mullerov brojač kao senzor zračenja. U kućnim dozimetrima ugrađuju se jedna do dvije cijevi ili krajnji brojači.
MJERNE JEDINICE KOLIČINA ZRAČENJA
Dugo je vremena bila uobičajena mjerna jedinica P (rentgen). Međutim, pri prelasku na SI sustav pojavljuju se druge jedinice. Rentgen je jedinica doze izloženosti, "količina zračenja", koja se izražava brojem iona nastalih u suhom zraku. Pri dozi od 1 R nastaje 2,082e9 parova iona u 1 cm3 zraka (što odgovara 1 jedinici naboja CGSE). U SI sustavu doza izloženosti izražava se u kulonima po kilogramu, a kod X-zraka to je povezano jednadžbom:
1 C/kg = 3876 R
Apsorbirana doza zračenja mjeri se u džulima po kilogramu i naziva se Gray. Ovo je za zamjenu zastarjele rad jedinice. Brzina apsorbirane doze mjeri se u grayima po sekundi. Brzina doze izloženosti (EDR), koja se prije mjerila u rendgenima po sekundi, sada se mjeri u amperima po kilogramu. Ekvivalentna doza zračenja kod koje je apsorbirana doza 1 Gy (Gray), a faktor kvalitete zračenja 1 naziva se Sievert. Rem (biološki ekvivalent rentgena) je stoti dio siverta i sada se smatra zastarjelim. Međutim, i danas se sve zastarjele jedinice vrlo aktivno koriste.
Glavni pojmovi u mjerenju zračenja su doza i snaga. Doza je broj elementarnih naboja u procesu ionizacije tvari, a snaga je brzina stvaranja doze u jedinici vremena. A u kojim se jedinicama izražava stvar je ukusa i pogodnosti.
Čak i najmanja doza je opasna u smislu dugoročnih učinaka na tijelo. Izračun rizika je vrlo jednostavan. Na primjer, vaš dozimetar pokazuje 300 milirendgena na sat. Ako ostanete na ovom mjestu jedan dan, dobit ćete dozu od 24 * 0,3 = 7,2 rentgena. Ovo je opasno i morate što prije otići odavde. Općenito, nakon što se otkrije čak i slabo zračenje, mora se odmaknuti od njega i provjeriti ga čak i na daljinu. Ako vas ona "prati", možete vam "čestitati", pogodili su vas neutroni. I ne može svaki dozimetar odgovoriti na njih.
Za izvore zračenja koristi se vrijednost koja karakterizira broj raspada po jedinici vremena, naziva se aktivnost i također se mjeri u mnogo različitih jedinica: curie, becquerel, rutherford i neke druge. Količina aktivnosti, izmjerena dva puta s dovoljnim vremenskim odmakom, ako se smanjuje, omogućuje vam izračunavanje vremena, prema zakonu radioaktivnog raspada, kada izvor postaje dovoljno siguran.
Godine 1908. njemački fizičar Hans Geiger radio je u kemijskim laboratorijima u vlasništvu Ernsta Rutherforda. Na istom su mjestu zamoljeni da testiraju brojač nabijenih čestica, koji je bio ionizirana komora. Komora je bila električni kondenzator, koji je bio ispunjen plinom ispod visokotlačni. Čak je i Pierre Curie koristio ovaj uređaj u praksi, proučavajući elektricitet u plinovima. Geigerova ideja - detektirati zračenje iona - bila je povezana s njihovim utjecajem na razinu ionizacije hlapljivih plinova.
Godine 1928. njemački znanstvenik Walter Müller, radeći s Geigerom i pod vodstvom Geigera, stvorio je nekoliko brojača koji su registrirali ionizirajuće čestice. Uređaji su bili potrebni za daljnja istraživanja zračenja. Fizika, kao znanost o eksperimentima, ne bi mogla postojati bez mjernih struktura. Otkriveno je samo nekoliko zračenja: γ, β, α. Geigerov zadatak bio je mjerenje svih vrsta zračenja osjetljivim instrumentima.
Geiger-Mullerov brojač je jednostavan i jeftin radioaktivni senzor. To nije precizan instrument koji hvata pojedinačne čestice. Tehnikom se mjeri ukupna zasićenost ionizirajućeg zračenja. Fizičari ga koriste s drugim senzorima za postizanje točnih izračuna pri provođenju eksperimenata.
Malo o ionizirajućem zračenju
Moglo bi se prijeći odmah na opis detektora, ali njegov rad će vam se učiniti neshvatljivim ako malo znate o ionizirajućem zračenju. Tijekom zračenja dolazi do endotermnog učinka na tvar. Tome pridonosi energija. U takvo zračenje ne spadaju npr. ultraljubičasti ili radio valovi, ali spadaju tvrde ultraljubičaste svjetlosti. Ovdje je definirana granica utjecaja. Vrsta se naziva foton, a sami fotoni su γ-kvanti.
Ernst Rutherford podijelio je procese emisije energije u 3 vrste, koristeći instalaciju sa magnetsko polje:
- γ - foton;
- α je jezgra atoma helija;
- β je elektron visoke energije.
Od α čestica se možete zaštititi listom papira. β prodrijeti dublje. Sposobnost γ prodora je najveća. Neutroni, za koje su znanstvenici saznali kasnije, opasne su čestice. Djeluju na udaljenosti od nekoliko desetaka metara. Imajući električnu neutralnost, ne reagiraju s molekulama različitih tvari.
Međutim, neutroni lako padaju u središte atoma, izazivaju njegovo uništenje, zbog čega nastaju radioaktivni izotopi. Raspadajući se izotopi stvaraju ionizirajuće zračenje. Iz osobe, životinje, biljke ili anorganskog objekta koji je primio zračenje, zračenje izlazi nekoliko dana.
Uređaj i princip rada Geigerovog brojača
Uređaj se sastoji od metalne ili staklene cijevi u koju se upumpava plemeniti plin (mješavina argona i neona ili čiste tvari). U cijevi nema zraka. Plin se dodaje pod pritiskom i miješa se s alkoholom i halogenom. Kroz cijev je razvučena žica. Paralelno s njim je željezni cilindar.
Žica se naziva anoda, a cijev katoda. Zajedno su elektrode. Na elektrode se dovodi visoki napon, što samo po sebi ne uzrokuje pojavu pražnjenja. Indikator će ostati u ovom stanju sve dok se u njegovom plinovitom mediju ne pojavi centar ionizacije. Minus je spojen na cijev iz izvora napajanja, a plus je spojen na žicu, usmjerenu kroz otpor visoke razine. Govorimo o stalnoj opskrbi od desetaka stotina volti.
Kada čestica uđe u cijev, atomi plemenitog plina sudaraju se s njom. Pri kontaktu se oslobađa energija koja odvaja elektrone od atoma plina. Zatim se formiraju sekundarni elektroni, koji se također sudaraju, generirajući masu novih iona i elektrona. Električno polje utječe na brzinu kretanja elektrona prema anodi. Tijekom ovog procesa stvara se električna struja.
U sudaru se gubi energija čestica, prestaje zaliha atoma ioniziranog plina. Kada nabijene čestice uđu u Geigerov brojač s izbojem u plinu, otpor cijevi opada, što odmah snižava napon središnje točke dijeljenja. Tada se otpor ponovno povećava - to podrazumijeva ponovno uspostavljanje napona. Impuls postaje negativan. Uređaj pokazuje pulseve, a mi ih možemo prebrojati, a ujedno procijeniti i broj čestica.
Vrste Geigerovih brojača
Po dizajnu, Geigerovi brojači dolaze u 2 vrste: ravni i klasični.
Klasična
Izrađen od tankog valovitog metala. Zbog valovitosti, cijev dobiva krutost i otpornost na vanjske utjecaje, što sprječava njezinu deformaciju. Krajevi cijevi opremljeni su staklenim ili plastičnim izolatorima, u kojima se nalaze kapice za izlaz na uređaje.
Površina cijevi je lakirana (osim izvoda). Klasični brojač smatra se univerzalnim mjernim detektorom za sve poznate vrste radijacija. Posebno za γ i β.
Ravan
Osjetljivi mjerači za fiksiranje mekog beta zračenja imaju drugačiji dizajn. Zbog malog broja beta čestica njihovo tijelo ima plosnati oblik. Ima prozor od tinjca, koji malo zadržava β. Senzor BETA-2 naziv je jednog od tih uređaja. Svojstva ostalih ravnih mjerača ovise o materijalu.
Parametri i načini rada Geigerovog brojača
Da biste izračunali osjetljivost brojača, procijenite omjer broja mikrorendgena iz uzorka i broja signala ovog zračenja. Uređaj ne mjeri energiju čestice, stoga ne daje apsolutno točnu procjenu. Uređaji se kalibriraju pomoću uzoraka izvora izotopa.
Također morate pogledati sljedeće parametre:
Radni prostor, prostor ulaznog prozora
Karakteristika područja indikatora kroz koje prolaze mikročestice ovisi o njihovoj veličini. Što je šire područje, više će čestica biti uhvaćeno.
Radni napon
Napon bi trebao odgovarati prosječnim karakteristikama. Sama radna karakteristika je ravni dio ovisnosti broja fiksnih impulsa o naponu. Njegovo drugo ime je plato. U ovoj točki rad uređaja doseže vršnu aktivnost i naziva se gornja granica mjerenja. Vrijednost - 400 volti.
Radna širina
Radna širina - razlika između izlaznog napona na ravninu i napona pražnjenja iskre. Vrijednost je 100 volti.
Nagib
Vrijednost se mjeri kao postotak broja impulsa po 1 voltu. Prikazuje pogrešku mjerenja (statističku) u brojanju pulsa. Vrijednost je 0,15%.
Temperatura
Temperatura je važna jer se mjerač često mora koristiti u teškim uvjetima. Na primjer, u reaktorima. Brojači opće uporabe: -50 do +70 Celzija.
Radni resurs
Resurs je karakteriziran ukupnim brojem svih impulsa snimljenih do trenutka kada očitanja instrumenta postanu netočna. Ako uređaj ima organske tvari za samogašenje, broj impulsa bit će milijardu. Resurs je prikladno izračunati samo u stanju radnog napona. Kada se uređaj pohrani, protok se zaustavlja.
Vrijeme oporavka
To je vrijeme koje je potrebno da uređaj provede elektricitet nakon reakcije na ionizirajuću česticu. Postoji gornja granica frekvencije pulsa koja ograničava interval mjerenja. Vrijednost je 10 mikrosekundi.
Zbog vremena oporavka (koji se naziva i mrtvo vrijeme), uređaj može otkazati u odlučujućem trenutku. Kako bi spriječili prekoračenje, proizvođači postavljaju olovne štitove.
Ima li brojilo pozadinu
Pozadina se mjeri u olovnoj komori debelih stijenki. Uobičajena vrijednost nije veća od 2 pulsa u minuti.
Tko i gdje koristi dozimetre zračenja?
U industrijskim razmjerima proizvode se mnoge modifikacije Geiger-Muller brojača. Njihova proizvodnja započela je tijekom sovjetske ere i nastavlja se sada, ali već u Ruskoj Federaciji.
Uređaj se koristi:
- u objektima nuklearne industrije;
- u znanstvenim institutima;
- u medicini;
- kod kuće.
Nakon nesreće u černobilskoj nuklearnoj elektrani dozimetre kupuju i obični građani. Svi instrumenti imaju Geigerov brojač. Takvi dozimetri opremljeni su jednom ili dvije cijevi.
Je li moguće napraviti Geigerov brojač vlastitim rukama?
Teško je sami napraviti brojač. Potreban vam je senzor zračenja, a ne može ga svatko kupiti. Sam krug brojača odavno je poznat - u udžbenicima fizike, primjerice, također je tiskan. Međutim, samo će pravi "ljevak" moći reproducirati uređaj kod kuće.
Talentirani samouki majstori naučili su izraditi zamjenski brojač, koji također može mjeriti gama i beta zračenje pomoću fluorescentne i žarulje sa žarnom niti. Također koriste transformatore iz pokvarene opreme, Geigerovu cijev, mjerač vremena, kondenzator, razne ploče, otpornike.
Zaključak
Kod dijagnosticiranja zračenja potrebno je voditi računa vlastitu pozadinu metar. Čak i uz pristojnu debljinu olovnog štita, stopa registracije se ne poništava. Ovaj fenomen ima objašnjenje: razlog aktivnosti je kozmičko zračenje koje prodire kroz debljinu olova. Svake minute Zemljinom površinom jure mioni, koje brojač registrira s vjerojatnošću od 100%.
Postoji još jedan izvor pozadine - zračenje koje akumulira sam uređaj. Stoga je u odnosu na Geigerov brojač primjereno govoriti i o trošenju. Što je više zračenja uređaj nakupio, to je manja pouzdanost njegovih podataka.
Građa i princip rada Geiger-Mullerovog brojača
NA U posljednje vrijeme, pažnja radijacijskoj sigurnosti od strane običnih građana u našoj zemlji sve je veća. I to nije samo zbog tragičnih događaja u nuklearnoj elektrani Černobil i njegovih daljnjih posljedica, već i zbog raznih vrsta incidenata koji se povremeno događaju na jednom ili drugom mjestu na planetu. U tom smislu, krajem prošlog stoljeća počeli su se pojavljivati uređaji dozimetrijsko praćenje zračenja kućanska namjena . I takvi uređaji spasili su mnoge ljude ne samo zdravlje, već ponekad i život, a to se ne odnosi samo na područja uz zonu isključenja. Stoga su pitanja radijacijske sigurnosti relevantna u bilo kojem mjestu naše zemlje do danas.
NA Svi kućanski i gotovo svi moderni profesionalni dozimetri opremljeni su . Na drugi način, može se nazvati osjetljivim elementom dozimetra. Ovaj uređaj izumio je 1908. godine njemački fizičar Hans Geiger, a dvadesetak godina kasnije drugi fizičar Walter Müller unaprijedio je ovaj razvoj, a princip rada ovog uređaja koristi se i danas.
H Neki moderni dozimetri imaju četiri brojača odjednom, što omogućuje povećanje točnosti mjerenja i osjetljivosti uređaja, kao i smanjenje vremena mjerenja. Većina Geiger-Mullerovih brojača sposobna je detektirati gama zračenje, beta zračenje visoke energije i X-zrake. Međutim, postoje posebna dostignuća za određivanje visokoenergetskih alfa čestica. Da bi se dozimetar namjestio da detektira samo gama zračenje, najopasnije od tri vrste zračenja, osjetljiva komora je prekrivena posebnim kućištem od olova ili drugog čelika, što omogućuje da se spriječi prodor beta čestica u brojač.
NA moderni dozimetri za kućne i profesionalne potrebe, senzori kao što su SBM-20, SBM-20-1, SBM-20U, SBM-21, SBM-21-1 naširoko se koriste. Razlikuju se ukupne dimenzije kamere i ostalih parametara, za liniju od 20 senzora karakteristične su sljedeće dimenzije, duljina 110 mm, promjer 11 mm, a za 21. model duljina 20-22 mm s promjerom 6 mm. Važno je razumjeti da što je veća komora, to će više radioaktivnih elemenata proletjeti kroz nju, a to je veća osjetljivost i točnost koju ima. Dakle, za 20. seriju senzora dimenzije su 8-10 puta veće nego za 21., otprilike u istim omjerima ćemo imati razliku u osjetljivosti.
Do Dizajn Geigerovog brojača može se shematski opisati na sljedeći način. Senzor koji se sastoji od cilindričnog spremnika u koji se inertni plin (npr. argon, neon ili njihova mješavina) upumpava pod minimalnim tlakom, to se radi kako bi se olakšalo pojavljivanje električnog pražnjenja između katode i anode. Katoda je, najčešće, cijelo metalno kućište osjetljivog senzora, a anoda je mala žica postavljena na izolatore. Ponekad je katoda dodatno omotana zaštitna navlaka izrađen od nehrđajućeg čelika ili olova, ovo je učinjeno kako bi se brojač postavio da detektira samo gama kvante.
D Za kućnu upotrebu trenutno se najčešće koriste end-face senzori (na primjer, Beta-1, Beta-2). Takvi brojači su dizajnirani na način da mogu detektirati i registrirati čak i alfa čestice. Takav brojač je ravni cilindar s elektrodama smještenim unutra i ulaznim (radnim) prozorom izrađenim od tinjčevog filma debljine samo 12 mikrona. Ovaj dizajn omogućuje otkrivanje (iz blizine) visokoenergetskih alfa čestica i niskoenergetskih beta čestica. U isto vrijeme, površina radnog prozora brojača Beta-1 i Beta 1-1 je 7 kvadratnih cm. Područje radnog prozora tinjca za Beta-2 uređaj je 2 puta veće od Beta-1, može se koristiti za određivanje itd.
E Ako govorimo o principu rada Geigerove brojačke komore, onda se može ukratko opisati na sljedeći način. Kada se aktivira, visoki napon (oko 350 - 475 volti) se primjenjuje na katodu i anodu kroz otpornik opterećenja, ali nema pražnjenja između njih zbog inertnog plina koji služi kao dielektrik. Kada uđe u komoru, njegova energija je dovoljna da izbije slobodni elektron iz materijala tijela komore ili katode, taj elektron počinje poput lavine izbacivati slobodne elektrone iz okolnog inertnog plina i dolazi do njegove ionizacije, što na kraju dovodi do do pražnjenja između elektroda. Krug se zatvara, a ta se činjenica može registrirati pomoću mikročipa instrumenta, što je činjenica detekcije bilo gama ili rendgenskog kvanta. Kamera se tada resetira, dopuštajući detektiranje sljedeće čestice.
H Kako bi se zaustavio proces pražnjenja u komori i pripremila komora za registraciju sljedeće čestice, postoje dvije metode, a jedna se temelji na tome da se na vrlo kratko vrijeme prekine dovod napona na elektrode. , koji zaustavlja proces ionizacije plina. Druga metoda se temelji na dodavanju druge tvari inertnom plinu, npr. joda, alkohola i drugih tvari, pri čemu dovode do smanjenja napona na elektrodama, što ujedno zaustavlja proces daljnje ionizacije i kamere. postaje sposoban detektirati sljedeći radioaktivni element. Ova metoda koristi otpornik za opterećenje velikog kapaciteta.
P o broju pražnjenja u protukomori i može se prosuditi o razini zračenja u mjerenom području ili od određenog objekta.