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 elektrokondenzator, koji je bio ispunjen plinom pod visokim pritiskom. 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 plinovito okruženje neće postojati ionizacijski centar. 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 ukupni broj svih impulsa snimljenih prije trenutka kada očitanja uređaja 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 uzeti u obzir vlastitu pozadinu mjerača. 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.
Geigerov brojač- uređaj za izbijanje plina za brojanje ionizirajućih čestica koje su prošle kroz njega. To je kondenzator ispunjen plinom koji probija kada se ionizirajuća čestica pojavi u volumenu plina. Geigerovi brojači su vrlo popularni detektori (senzori) ionizirajućeg zračenja. Do sada oni, izumljeni na samom početku našeg stoljeća za potrebe novonastale nuklearne fizike, nemaju, začudo, nikakvu punopravnu zamjenu.
Dizajn Geigerovog brojača je prilično jednostavan. U zatvorenoj posudi s dvije elektrode, plinska smjesa, koji se sastoji od lako ionizirajućeg neona i argona. Materijal spremnika može biti različit - staklo, metal itd.
Obično mjerači percipiraju zračenje cijelom svojom površinom, ali postoje i oni koji za to imaju poseban "prozor" u cilindru. Široka uporaba Geiger-Mullerovog brojača objašnjava se njegovom visokom osjetljivošću, sposobnošću registracije različitih zračenja te relativnom jednostavnošću i niskom cijenom instalacije.
Dijagram ožičenja Geigerovog brojača
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 se u njegovom plinovitom mediju ne pojavi ionizacijski centar - trag iona i elektrona generiranih ionizirajućom česticom koja je došla 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 prostoru između elektroda, što značajno povećava njegovu vodljivost. U plinskom okruženju brojača dolazi do pražnjenja, koje je vidljivo (ako je posuda prozirna) čak i običnim okom.
Obrnuti proces - vraćanje plinovitog medija u prvobitno stanje u tzv. halogenim mjeračima - događa se sam od sebe. U igru stupaju halogeni (obično klor ili brom), koji se u maloj količini nalaze u plinovitom mediju, koji doprinose intenzivnoj rekombinaciji naboja. Ali ovaj proces je prilično spor. Vrijeme potrebno za vraćanje osjetljivosti na zračenje Geigerovog brojača i zapravo određuje njegovu brzinu - "mrtvo" vrijeme - njegova je glavna karakteristika putovnice.
Takva brojila su označena kao halogena samogasiva brojila. Odlikujući se vrlo niskim naponom napajanja, dobrim parametrima izlaznog signala i dovoljno velikom brzinom, pokazalo se da su traženi kao senzori ionizirajućeg zračenja u Kućanski aparati kontrola zračenja.
Najviše mogu detektirati Geigerovi brojači različiti tipovi ionizirajuće zračenje - a, b, g, ultraljubičasto, rendgensko zračenje, neutron. Ali stvarna spektralna osjetljivost brojača uvelike ovisi o njegovom dizajnu. Tako, ulazni prozor brojač osjetljiv na a- i meko b-zračenje treba biti dovoljno tanak; za to se obično koristi tinjac debljine 3-10 µm. 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 prozor od kvarcnog stakla.
Ovisnost brzine brojanja o naponu napajanja u Geigerovom brojaču
Bor se uvodi u brojač neutrona, nakon interakcije s kojim se tok neutrona pretvara u lako detektabilne a-čestice. Fotonsko zračenje - ultraljubičasto, x-zrake, g-zračenje - Geigerovi brojači percipiraju neizravno - preko fotoelektričnog efekta, Comptonovog efekta, efekta stvaranja para; u svakom slučaju, zračenje u interakciji s materijalom katode pretvara se u struju elektrona.
Svaka čestica detektirana brojačem formira kratki impuls u svom izlaznom krugu. Broj impulsa koji se pojavljuju u jedinici vremena - brzina brojanja Geigerovog brojača - ovisi o razini ionizirajućeg zračenja i naponu na njegovim elektrodama. Standardni dijagram brzine brojanja u odnosu na napon napajanja Upit prikazan je na gornjoj slici. Ovdje je Uns napon početka brojanja; Ung i Uvg su donja i gornja granica radnog područja, tzv. platoa, na kojem je brzina brojanja gotovo neovisna o naponu napajanja brojila. Radni napon Ur obično se bira u sredini ovog odjeljka. Odgovara Nr, brzini brojanja u ovom načinu rada.
Ovisnost brzine brojanja o stupnju izloženosti zračenju brojača njegova je glavna karakteristika. Grafikon ove ovisnosti je gotovo linearan i stoga se osjetljivost brojača na zračenje često prikazuje u smislu impulsa / μR (pulsovi po mikrorentgenu; ova dimenzija proizlazi iz omjera brzine brojanja - puls / s - prema zračenju razina - μR/s).
U onim slučajevima kada to nije indicirano, potrebno je odrediti osjetljivost brojača na zračenje prema njegovom drugom iznimno važnom parametru - vlastitoj pozadini. Ovo je naziv brzine brojanja, čiji faktor čine dvije komponente: vanjska - prirodna pozadina zračenja i unutarnja - zračenje radionuklida zarobljenih u samom dizajnu brojača, kao i spontana emisija elektrona njegove katode.
Ovisnost brzine brojanja o energiji gama kvanta ("hod s krutošću") u Geigerovom brojaču
Druga bitna karakteristika Geigerovog brojača je ovisnost njegove osjetljivosti na zračenje o energiji ("tvrdoći") ionizirajućih čestica. U kojoj je mjeri ova ovisnost značajna pokazuje graf na slici. "Putovanje s krutošću" očito će utjecati na točnost obavljenih mjerenja.
Činjenica da je Geigerov brojač lavinski uređaj također ima svoje nedostatke - ne može se suditi o uzroku njegovog pobuđivanja prema reakciji takvog uređaja. Izlazni impulsi koje generira Geigerov brojač pod utjecajem a-čestica, elektrona, g-kvanta se ne razlikuju. Same čestice, njihove energije potpuno nestaju u dvostrukim lavinama koje generiraju.
Tablica prikazuje informacije o samogasećim halogenim Geigerovim brojačima domaće proizvodnje, najprikladniji za kućne uređaje za praćenje zračenja.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| SBM19 | 400 | 100 | 2 | 310* | 50 | 19x195 | 1 |
| SBM20 | 400 | 100 | 1 | 78* | 50 | 11x108 | 1 |
| SBT9 | 380 | 80 | 0,17 | 40* | 40 | 12x74 | 2 |
| SBT10A | 390 | 80 | 2,2 | 333* | 5 | (83x67x37) | 2 |
| SBT11 | 390 | 80 | 0,7 | 50* | 10 | (55x29x23,5) | 3 |
| SI8B | 390 | 80 | 2 | 350-500 | 20 | 82x31 | 2 |
| SI14B | 400 | 200 | 2 | 300 | 30 | 84x26 | 2 |
| SI22G | 390 | 100 | 1,3 | 540* | 50 | 19x220 | 4 |
| SI23BG | 400 | 100 | 2 | 200-400* | — | 19x195 | 1 |
- 1 - radni napon, V;
- 2 - plato - područje niske ovisnosti brzine brojanja o naponu napajanja, V;
- 3 — vlastita pozadina brojača, imp/s, ne više;
- 4 - osjetljivost brojača na zračenje, impulsi / μR (* - za kobalt-60);
- 5 - amplituda izlaznog impulsa, V, ne manje;
- 6 — dimenzije, mm — promjer x duljina (duljina x širina x visina);
- 7.1 - teško b - i g - zračenje;
- 7.2 - isto i meko b - zračenje;
- 7.3 - isto i a - zračenje;
- 7,4 - g - zračenje.
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 sve domaće i gotovo sve profesionalne moderni dozimetri su opremljeni. 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 što više veličina kamera, to će veći broj radioaktivnih elemenata proletjeti kroz nju, a to će imati veću osjetljivost i točnost. 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 zaštitnim kućištem od nehrđajućeg čelika ili olova, to se radi kako bi se brojač podesio da detektira samo gama zrake.
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 filma tinjca 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 (reda od 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. Na ovu metodu koristi se otpornik opterećenja velikog kapaciteta.
P o broju pražnjenja u protukomori i može se prosuditi o razini zračenja u mjerenom području ili od određenog objekta.
Registriranje ionizirajućeg zračenja uređajima temelji se na pretvaranju zračenja detektora i mjernog kruga u električne signale prihvaćene u mjernoj praksi.
Instrumenti za mjerenje ionizirajućeg zračenja mogu registrirati različita fizikalne veličine. Najzanimljivije od njih su: apsorbirana, ekspozicijska i ekvivalentna doza i njihova snaga, gustoća toka čestica, fluens čestica, volumetrijske, masene, površinske, efektivne aktivnosti.
Svaki uređaj za mjerenje ionizirajućeg zračenja sadrži detektor, mjerni sklop (registar ili analizator) i pomoćne elemente.
Detektor pretvara informacije o parametrima zračenja u energiju električnog signala. Prema pretvorbi energije zračenja u druge vrste energije detektore možemo podijeliti u sljedeće skupine:
- ionizacija (plinomjeri, ionizacijske komore, poluvodički mjerači);
- scintilacija;
- fotografski;
- kemijski.
Mjerni krug izdvaja, pretvara, akumulira, pohranjuje i šalje informacije u obliku električnih signala koji su pogodni za promatranje, snimanje, izračunavanje ili upravljanje drugim uređajima. Pomoćni elementi osiguravaju zadane načine rada detektora i mjernog kruga. To uključuje napajanje, blokove za programiranje načina rada, nadzor i kalibraciju ispravnosti, uređaje za snimanje (digitalni pisači, snimači, osciloskopi, brojači pulsa itd.).
Funkcionalne sheme uređaja uvelike su određene oblikom signala koji dolaze s detektora zračenja i s izlaza mjernog kruga (u obliku impulsa - diskretni oblik informacije ili u obliku sporo promjenjive struje (napona) - analogni oblik informacije).
Uređaji s diskretnim oblikom ulaznih i izlaznih informacija mogu uključivati pojačala, standardizatore i diskriminatore impulsa, krugove za brojanje i analizu sa zbrajanjem i memorijom u binarnom, decimalnom i drugim metodama numeriranja.
impulsi, nošenje informacija o parametrima zračenja, mogu se razlikovati po amplitudi, obliku i vremenu pojavljivanja. Razdvajanjem ovih impulsa prema njihovim parametrima uz pomoć uređaja za analizu, moguće je iz prosječne brzine ponavljanja impulsa izmjeriti ne samo gustoću toka zračenja, već i energiju, vrstu i prostornu distribuciju zračenja.
Uređaji za analizu obično rade u dva načina obrade informacija. U prvom slučaju, analizator odabire impulse s određenim parametrima, u drugom slučaju, signali se odabiru u skupinama ovisno o navedenim parametrima odabira.
U uređajima s analognom vrstom ulaznih i izlaznih informacija koriste se elektrometrijska i izlazna pojačala. istosmjerna struja. DC-u-AC predpretvorbeni krugovi koriste AC pretvarače i pojačala.
Za pokrivanje potrebnog raspona mjerenja sa zadanom točnošću u uređajima s analognim tipom izlazne informacije, instrumentima za pokazivanje i snimanje s linearnim i nelinearnim ljestvicama (logaritamskim, linearno-logaritamskim itd.), kao i digitalnim voltmetrima s digitalnim tiskom. koriste se uređaji.
Informacije na izlazu uređaja mogu biti diskretne ili analogne, bez obzira na oblik informacije na ulazu.
Analogna informacija koja dolazi od detektora strujnog zračenja (ionizacijske komore) pretvara se u diskretnu informaciju u nizu uređaja doziranjem – kvantizacijom naboja.
Značajan broj uređaja s diskretnom informacijom na ulazu ima analognu izlaznu informaciju; tu spadaju radiometri, rentgenometri i intenzimetri s mjeračima za prosječnu brzinu ponavljanja pulsa.
Rezultati mjerenja mogu se prikazati u obliku vizualno opaženih signala (pokazivanja kazaljki, na ekranu osciloskopa ili računala itd.); snimljene uređajem za snimanje (brojač pulsa, snimač karata, digitalni pretvarač itd.). Signali mogu biti zvučni, generirani telefonima, pozivima, sirenama itd., koji se daju za upravljanje drugim uređajima.
Bilo koja vrsta zračenja, u interakciji s materijom, dovodi do pojave ionizacije i ekscitacije. Nabijene čestice izravno uzrokuju ove procese, kada se g-kvanti apsorbiraju, ionizaciju stvaraju brzi elektroni koji nastaju kao posljedica fotoelektričnog efekta, Comptonovog efekta ili tijekom proizvodnje para, a kod neutrona ionizaciju stvaraju brzoleteće jezgre . U tom slučaju jedna primarna čestica može dovesti do pojave stotina tisuća iona, zbog čega sekundarne učinke koji prate ionizaciju (električna struja, bljesak svjetla, zatamnjenje fotografske ploče i sl.) osoba može primijetiti. izravno uz pomoć svojih osjetila; ponekad se ti učinci mogu povećati samo za potreban broj puta. Dakle, ionizacija je, takoreći, svojevrstan pojačivač fenomena interakcije ionizirajućeg zračenja s materijom. Stoga je rad svih instrumenata za snimanje na neki način povezan s uporabom ionizacije i ekscitacije atoma tvari.
Elektroni koje stvara različite vrste interakcije se usporavaju u mediju, trošeći svoju energiju na ionizaciju i ekscitaciju atoma. Nastali ioni i slobodni elektroni brzo se rekombiniraju, tako da naboj nestaje nakon vrlo kratkog vremena (10-5 s za plinove). To se ne događa ako se u mediju stvori električno polje. U tom će slučaju nositelji naboja lebdjeti duž polja, pozitivni u jednom smjeru, negativni u drugom. Kretanje naboja je elektro šok, čijim mjerenjem možete odrediti veličinu naboja.
Tako to funkcionira ionizacijska komora. To je zatvoreni volumen ispunjen plinom, u kojem se nalaze dvije metalne elektrode (slika 7.1). Na elektrode se dovodi električni napon. Tijekom prolaska elektrona koji nastaje tijekom interakcije γ-kvanta s tvari, slobodni naboji - ioni i elektroni - odlaze prema elektrodama, au krugu se pojavljuje strujni impuls, proporcionalan naboju koji stvara elektron.
Riža. 7.1.
Nažalost, strujni impulsi elektrona formiranih od niskoenergetskih čestica i γ-kvanti su vrlo mali. Teško ih je precizno izmjeriti, pa se ionizacijske komore koriste za detekciju teških čestica, poput α-čestica, koje pri prolasku kroz ionizacijsku komoru stvaraju mnogo veće strujne impulse.
Ako se napon na elektrodama ionizacijske komore poveća, javlja se pojava tzv plinsko pojačanje. Slobodni elektroni, krećući se u električnom polju, dobivaju energiju dovoljnu da ioniziraju atome plina koji ispunjava komoru. Kada se ionizira, elektron formira drugi par ion-elektron, tako da ukupno naboja se množi s dva, kao što je prikazano na sl. 7.2. S druge strane, novonastali elektroni također su sposobni za ionizaciju, a time se naboj sve više umnožava. Na poseban obrazac elektrodama, plinski faktor pojačanja može doseći 105. Ovdje je bitno da konačni naboj ostane proporcionalan primarnom, a time i energija elektrona kojeg formira čestica ili γ-kvant. Iz tog razloga se ovi uređaji nazivaju proporcionalni metri.
Obično se proporcionalni brojač izrađuje u obliku cilindra, duž čije se osi povlači tanka metalna žica - nit. Negativni pol izvora struje spojen je na kućište brojila, a pozitivni pol izvora struje spojen je na navoj. Kod takvog uređaja električno polje je koncentrirano uglavnom u blizini niti i maksimalna vrijednost jakosti polja je to veća što je radijus niti manji. Stoga se visoke jakosti polja potrebne za plinsko pojačanje mogu postići pri relativno malim razlikama potencijala između kućišta brojača i žarne niti.
Riža. 7.2.
Primljeni proporcionalni brojači široku upotrebu zbog svoje jednostavnosti i velikih strujnih impulsa tijekom prolaska nabijenih čestica. Sada se proporcionalni brojači koriste uglavnom za registraciju β-zračenja, mekog γ-zračenja, α-čestica i neutrona. Na sl. 7.3 prikazuje glavne vrste proporcionalnih brojača.
Riža. 7.3.
Proporcionalni brojač spojen je na električni krug na isti način kao i ionizacijska komora. A električni impulsi iz njega su isti kao i iz fotoaparata, samo veće magnitude. Čini se da treba samo primijeniti dovoljno visok napon da pojačanje plina bude veće, a proporcionalni brojač će dati tako velike impulse da će se s njima moći raditi bez daljnjeg pojačanja. Međutim, u stvarnosti to nije tako. Stvar je u tome što pri velikim pojačanjima plina brojač počinje raditi nestabilno i narušava se proporcionalnost između energije čestice i amplitude impulsa.
Da bi se izbjegli kvarovi i da bi se izjednačilo električno polje, brojač treba raditi vrlo pažljivo, čisteći i polirajući njegove elektrode. Vrlo je teško polirati navoj čiji se promjer mjeri u stotinkama milimetra. Ako je električno polje u brojaču nehomogeno duž žarne niti, tada će impuls ovisiti ne samo o energiji čestice, već i o mjestu gdje ona ulazi u brojač, što je prirodno nepoželjno.
Stoga se dizajn proporcionalnog brojača često mora komplicirati uvođenjem dodatnih elektroda za izjednačavanje polja. Kao rezultat svih ovih komplikacija, moguće je proizvesti mjerače s plinskim pojačanjima od desetaka, stotina, a ponekad čak i tisućama puta, no čak se i to često pokaže premalim za rad s impulsima primljenim od njih bez naknadnog pojačanja .
Razmislite što se događa ako još više povećamo napon između protuelektroda. U tom slučaju, kada nabijena čestica uđe u brojač, formira se izuzetno snažna lavina elektrona, koja velikom brzinom pada na pozitivnu elektrodu i iz nje izbacuje nekoliko fotona - kvanta ultraljubičastog zračenja.
Ti fotoni, padajući na negativnu elektrodu, mogu izvući nove elektrone, potonji će opet pojuriti na pozitivnu elektrodu, i tako dalje. Zbog toga u brojaču dolazi do tzv. samoodrživog pražnjenja koje će gorjeti konstantnim intenzitetom bez obzira ulaze li nove čestice u brojač ili ne. (Upravo tako gori pražnjenje u neonskim cijevima svjetlećih reklama.)
Brojač, pak, mora reagirati na svaku česticu koja uđe u njega, pa takav način rada nikome ne treba. Međutim, primjenom posebnih sklopnih shema ili dodavanjem nekih teških plinova u atmosferu brojača, moguće je stvoriti uvjete pod kojima će se samoodrživo pražnjenje koje je nastalo ulaskom čestice u brojač samo ugasiti nakon vrlo kratkog vremena. Tako će svaka nova čestica koja uđe u brojač izazvati pojavu kratkotrajne, ali prilično jake struje.
Najčešći detektor (senzor) ionizirajućeg zračenja, koji radi u gore opisanom načinu rada, je Geiger-Mullerov brojač. Načelo njegovog rada temelji se na pojavi pražnjenja u plinu tijekom prolaska ionizirajućih čestica. U dobro ispražnjenu zatvorenu posudu s dvije elektrode, koja je pod naponom, uvodi se plinska smjesa koja se sastoji uglavnom od lako ionizirajućeg neona i argona (uređaj mora registrirati β- i γ-zračenje). 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 (Sl. 7.4), što samo po sebi ne uzrokuje nikakve pojave pražnjenja. Brojač će ostati u tom stanju sve dok se u njegovom plinovitom mediju ne pojavi 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.
Riža. 7.4.
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. Na primjer, za Geiger-Mullerov brojač s izbojem u plinu, tip SBM-20-1, "mrtvo" vrijeme na U = 400 V je 190 R/µs.
Geigerovi brojači mogu reagirati na različite vrste ionizirajućeg zračenja - alfa, beta, gama, ultraljubičasto, x-zrake, neutrone. Ali stvarna spektralna osjetljivost brojača u velikoj mjeri ovisi o njegovom dizajnu.
Amplituda impulsa Geiger-Mullerovog brojača može doseći nekoliko desetaka ili čak stotina volti. S takvim impulsima moguće je raditi bez pojačanja. Ali ova pobjeda izvojevana je skupo. Činjenica je da je amplituda impulsa u Geiger-Mullerovom brojaču određena samo svojstvima samog brojača i parametrima strujni krug i potpuno je neovisan ni o vrsti ni o energiji primarne čestice.
Impulsi od sporog elektrona, koji je stvorio samo nekoliko parova iona, i od α-čestice, koja je stvorila nekoliko tisuća iona, pokazuju se istima. Stoga se Geiger-Mullerovi brojači mogu koristiti samo za brojanje broja čestica koje prolaze u uniformnim poljima zračenja, ali ne i za određivanje njihove vrste i energije.
Uvod
1. Imenovanje brojača
Uređaj i princip rada brojača
Osnovni fizikalni zakoni
1 Oporavak nakon registracije čestica
2 Dozimetrijska karakteristika
3 Karakteristika brojanja 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. Plinska smjesa koja se uglavnom sastoji od neona i argona koji se lako ioniziraju uvedena je u dobro evakuiranu zatvorenu posudu s dvije elektrode. Cilindar može biti stakleni, metalni itd. Obično mjerači percipiraju zračenje cijelom svojom površinom, ali postoje i oni koji za to imaju poseban "prozor" u cilindru.
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 se u njegovom plinovitom mediju ne pojavi ionizacijski centar - trag iona i elektrona generiranih ionizirajućom česticom koja je došla 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 prikladnima za korištenje kao senzori ionizirajućeg zračenja u kućanskim uređajima za praćenje zračenja.
Geigerovi brojači mogu odgovoriti na različite vrste ionizirajućeg zračenja - 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. Mjerači 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
.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 slici 3) daje signal veće amplitude, budući da 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 to veća što su vrijednosti ovih parametara manje. 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 (čestice koje stignu nakon vremenskog intervala kraćeg se ne uzimaju u obzir). 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 mijenja u horizontalnu ravnu liniju na višoj razini 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 sljedećom relacijom:
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 galvanskim izvorima. 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 OGLAS. Na niskom naponu (lijevo od točke ALI) elektroni koji se generiraju u senzoru kada ionizirajuća čestica uđe, pokreću lavine elektrona, ali njihov intenzitet je nedovoljan za generiranje strujnog impulsa potrebne amplitude, a očitanja brojača su nula. 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 (karakteristika brojanja) pri različitim vrijednostima tlaka plina i sadržaja 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:
, (2)
gdje NB 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).
Fizikalni mehanizam djelovanja primjesa za gašenje sastoji se u oštrom smanjenju dovoda iona, pobuđenih atoma i fotona na katodu koji mogu uzrokovati emisiju elektrona, kao iu povećanju rada izlaza 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 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, kada se ioni neutraliziraju 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 izboju mogu u načelu pasti na katodu i uzrokovati 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, cijev služi 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.γ-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 γ-fotoni koji udare u brojač dati sekundarne elektrone i bit će registrirani, budući da su činovi interakcije γ-zraka s materijom relativno rijetki, a neki od sekundarnih elektrona apsorbiraju se u stijenkama uređaja prije nego što dođu do volumen plina.
Učinkovitost brojača ovisi o debljini stijenki brojača, njihovom materijalu i energiji γ-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 γ-zračenje slabo međudjeluje s materijom, učinkovitost γ-brojača obično je također niska i iznosi samo 1-2%. Još jedan nedostatak Geiger-Mullerovog brojača je taj što ne omogućuje identifikaciju čestica i određivanje njihove energije. Ovi nedostaci su odsutni kod scintilacijskih brojača.
Bibliografija
1 Acton D.R. Uređaji za pražnjenje u plinu s hladnom katodom. M.; L.: Energija, 1965.
2 Kaganov I.L. Ionski uređaji. Moskva: Energija, 1972.
3 Katsnelson B.V., Kalugin A.M., Larionov A.S. Elektrovakuumski elektronički uređaji i uređaji s izbojem u plinu: priručnik. Moskva: Radio i veze, 1985.
4 Knol M., Eichmeicher I. Tehnička elektronika T. 2. M .: Energija, 1971.
5 Sidorenko V.V. Detektori ionizirajućeg zračenja: priručnik. L .: Brodogradnja, 1989