Principiul de funcționare al unui contor Geiger și al dozimetrelor moderne. Principiul de funcționare al unui contor Geiger Contor Geiger ce fel de radiație


Introducere

1. Scopul contoarelor

2. Proiectarea și principiul de funcționare a contorului

3. Legile fizice de bază

3.1 Restaurarea funcționalității după înregistrarea particulelor

3.2 Caracteristici dozimetrice

3.3 Caracteristica de numărare a senzorului

Concluzie

Referințe

Introducere

Contoarele Geiger-Muller sunt cele mai comune detectoare (senzori) de radiații ionizante. Până acum, inventat chiar la începutul secolului nostru pentru nevoile fizicii nucleare în curs de dezvoltare, nu există, în mod ciudat, un înlocuitor cu drepturi depline. În esență, un contor Geiger este foarte simplu. Într-un recipient sigilat bine evacuat cu doi electrozi se introduce amestec de gaze, constând în principal din neon și argon ușor ionizat. Cilindrul poate fi din sticlă, metal etc. În mod obișnuit, contoarele percep radiația pe întreaga lor suprafață, dar există și cele care au o „fereastră” specială în cilindru în acest scop.

Electrozilor se aplică o tensiune înaltă U (vezi figura), care în sine nu provoacă niciun fenomen de descărcare. Contorul va rămâne în această stare până când este în starea sa mediu gazos nu va apărea un centru de ionizare - o urmă de ioni și electroni generată de o particulă ionizantă care sosește din exterior. Electronii primari, accelerând într-un câmp electric, ionizează „pe parcurs” alte molecule ale mediului gazos, generând din ce în ce mai mulți electroni și ioni noi. Dezvoltându-se ca o avalanșă, acest proces se termină cu formarea unui nor de ioni de electroni în spațiul interelectrod, crescându-i brusc conductivitatea. În mediul gazos al contorului are loc o descărcare vizibilă (dacă recipientul este transparent) chiar și cu ochiul liber.

Procesul invers - revenirea mediului gazos la starea inițială în așa-numitele contoare cu halogen - are loc de la sine. Acțiunea intră în joc cu halogeni (de obicei clor sau brom), conținute în cantități mici în mediul gazos, care contribuie la recombinarea intensă a sarcinilor. Dar acest proces este mult mai lent. Durata de timp necesară pentru a restabili sensibilitatea la radiații a unui contor Geiger și determină efectiv performanța acestuia - timpul „mort” - este o caracteristică importantă a acestuia. Astfel de contoare sunt numite contoare cu autostingere cu halogen. Caracterizati prin cea mai scăzută tensiune de alimentare, parametri excelenți ai semnalului de ieșire și viteză destul de mare, acestea s-au dovedit a fi deosebit de convenabile pentru utilizarea ca senzori de radiații ionizante în aparate electrocasnice controlul radiațiilor.

Contoarele Geiger sunt capabile să răspundă la cel mai mult diferite tipuri radiații ionizante - a, b, g, ultraviolete, raze X, neutroni. Dar sensibilitatea spectrală reală a contorului depinde în mare măsură de designul său. Astfel, fereastra de intrare a unui contor sensibil la radiația a- și soft-b trebuie să fie foarte subțire; În acest scop, se folosește de obicei mica cu grosimea de 3...10 microni. Cilindrul contrar, care reacționează la radiațiile b- și g dure, are de obicei forma unui cilindru cu o grosime a peretelui de 0,05...0,06 mm (de asemenea servește ca catod al contorului). Fereastra de contor cu raze X este realizată din beriliu, iar fereastra de contor cu raze X este din sticlă de cuarț.

contor geiger müller radiatii dozimetrice

1. Scopul contoarelor

Un contor Geiger-Muller este un dispozitiv cu doi electrozi conceput pentru a determina intensitatea radiațiilor ionizante sau, cu alte cuvinte, pentru a număra particulele ionizante apărute în timpul reacțiilor nucleare: ioni de heliu (- particule), electroni (- particule), raze X cuante (- particule) și neutroni. Particulele se răspândesc la viteze foarte mari [până la 2. 10 7 m/s pentru ioni (energie până la 10 MeV) și aproximativ viteza luminii pentru electroni (energie 0,2 - 2 MeV)], datorită cărora pătrund în interiorul contorului. Rolul contorului este de a genera un impuls scurt (fracții de milisecundă) de tensiune (unități - zeci de volți) atunci când o particulă intră în volumul dispozitivului.

În comparație cu alți detectoare (senzori) de radiații ionizante (camera de ionizare, contor proporțional), contorul Geiger-Muller are o sensibilitate de prag ridicat - vă permite să controlați fondul radioactiv natural al pământului (1 particulă per cm 2 în 10). - 100 de secunde). Limita superioară de măsurare este relativ scăzută - până la 104 particule per cm 2 pe secundă sau până la 10 Sievert pe oră (Sv/h). O caracteristică specială a contorului este capacitatea de a genera impulsuri de tensiune de ieșire identice, indiferent de tipul de particule, energia acestora și numărul de ionizări produse de particule în volumul senzorului.

2. Proiectarea și principiul de funcționare a contorului

Funcționarea unui contor Geiger se bazează pe o descărcare de gaz pulsată neauto-susținută între electrozii metalici, care este inițiată de unul sau mai mulți electroni rezultați din ionizarea unei particule de gaz -, - sau -. Contoarele folosesc de obicei un design cilindric al electrozilor, iar diametrul cilindrului interior (anodului) este mult mai mic (2 sau mai multe ordine de mărime) decât cel exterior (catod), ceea ce are o importanță fundamentală. Diametrul caracteristic al anodului este de 0,1 mm.

Particulele intră în contor printr-o carcasă de vid și un catod într-un design „cilindric” (Fig. 2, O) sau printr-o fereastră plată specială subțire în versiunea „finală” a designului (Fig. 2 ,b). Ultima varianta folosit pentru înregistrarea particulelor care au o capacitate de penetrare scăzută (reținute, de exemplu, de o foaie de hârtie), dar sunt foarte periculoase din punct de vedere biologic dacă sursa particulelor pătrunde în organism. Detectoarele cu ferestre de mica sunt, de asemenea, folosite pentru a numara particulele de energie relativ scazuta (radiatie beta ("soft").

Orez. 2. Proiecte schematice ale unui cilindric ( O) și sfârșit ( b) Contoare Geiger. Denumiri: 1 - carcasă de vid (sticlă); 2 - anod; 3 - catod; 4 - fereastra (mica, celofan)

În versiunea cilindrică a contorului, concepută pentru a înregistra particule de mare energie sau raze X moi, se folosește o carcasă de vid cu pereți subțiri, iar catodul este realizat din folie subțire sau sub formă de peliculă subțire de metal (cupru , aluminiu) depuse pe suprafața interioară a carcasei. Într-o serie de modele, un catod metalic cu pereți subțiri (cu elemente de rigidizare) este un element al carcasei de vid. Radiația cu raze X dure (particule) are o putere de penetrare crescută. Prin urmare, este înregistrat de detectoare cu pereți destul de groși ai unei carcase de vid și un catod masiv. În contoarele de neutroni, catodul este acoperit cu un strat subțire de cadmiu sau bor, în care radiația neutronică este transformată în radiație radioactivă prin reacții nucleare.

Volumul dispozitivului este de obicei umplut cu argon sau neon cu un amestec mic (până la 1%) de argon la o presiune apropiată de cea atmosferică (10 -50 kPa). Pentru a elimina fenomenele nedorite de după descărcare, în umplerea cu gaz se introduce un amestec de brom sau vapori de alcool (până la 1%).

Capacitatea unui contor Geiger de a înregistra particulele indiferent de tipul și energia lor (de a genera un impuls de tensiune indiferent de numărul de electroni generați de particule) este determinată de faptul că, datorită diametrului foarte mic al anodului, aproape toată tensiunea aplicată electrozilor este concentrată într-un strat îngust apropiat de anod. În afara stratului există o „regiune de captare a particulelor” în care ionizează moleculele de gaz. Electronii rupți de o particulă din molecule sunt accelerați spre anod, dar gazul ionizează slab din cauza tensiunii scăzute. câmp electric. Ionizarea crește brusc după ce electronii intră în stratul apropiat de anod cu putere mare de câmp, unde se dezvoltă avalanșe de electroni (una sau mai multe) cu un grad foarte mare de multiplicare a electronilor (până la 10 7). Totuși, curentul rezultat din aceasta nu atinge încă o valoare corespunzătoare formării semnalului senzorului.

O creștere suplimentară a curentului până la valoarea de funcționare se datorează faptului că în avalanșe, concomitent cu ionizarea, se generează fotoni ultravioleți cu o energie de aproximativ 15 eV, suficienți pentru a ioniza moleculele de impurități din umplerea cu gaz (de exemplu, ionizarea potențialul moleculelor de brom este de 12,8 V). Electronii rezultați din fotoionizarea moleculelor din afara stratului sunt accelerați spre anod, dar aici nu se dezvoltă avalanșe din cauza intensității scăzute a câmpului și procesul are un efect redus asupra dezvoltării descărcării. În strat situația este diferită: fotoelectronii rezultați, datorită tensiunii înalte, inițiază avalanșe intense în care se generează noi fotoni. Numărul lor îl depășește pe cel inițial și procesul în strat conform schemei „fotoni - avalanșe de electroni - fotoni” crește rapid (câteva microsecunde) (intră în „modul de declanșare”). În acest caz, descărcarea de la locul primelor avalanșe inițiate de particule se propagă de-a lungul anodului („aprindere transversală”), curentul anodului crește brusc și se formează marginea anterioară a semnalului senzorului.

Marginea de fugă a semnalului (scăderea curentului) se datorează a două motive: o scădere a potențialului anodului din cauza scăderii tensiunii de la curentul pe rezistor (la marginea anterioară potențialul este menținut de capacitatea interelectrodului) și o scădere. în intensitatea câmpului electric din strat sub influența încărcăturii spațiale a ionilor după ce electronii părăsesc anodul (sarcina crește potențialele punctelor, ca urmare a căderii de tensiune pe strat scade, iar în zona de captare a particulelor crește). Ambele motive reduc intensitatea dezvoltării avalanșei, iar procesul conform schemei „avalanșă - fotoni - avalanșă” se estompează, iar curentul prin senzor scade. După sfârșitul impulsului de curent, potențialul anodului crește la nivelul inițial (cu o oarecare întârziere din cauza încărcării capacității interelectrodului prin rezistorul anodic), distribuția potențialului în golul dintre electrozi revine la forma sa inițială ca un rezultat al plecării ionilor către catod și contorul restabilește capacitatea de a înregistra sosirea de noi particule.

Sunt produse zeci de tipuri de detectoare de radiații ionizante. Pentru desemnarea acestora se folosesc mai multe sisteme. De exemplu, STS-2, STS-4 - contoare de capăt cu auto-stingere sau MS-4 - contor cu catod de cupru (B - cu wolfram, G - cu grafit) sau SAT-7 - contor de particule de capăt, SBM- 10 - contor - particule de metal, SNM-42 - contor de neutroni metalici, SRM-1 - contor pentru raze X etc.

3. Legile fizice de bază

3.1 Restaurarea funcționalității după înregistrarea particulelor

Timpul necesar ionilor pentru a părăsi golul după detectarea unei particule se dovedește a fi relativ lung - câteva milisecunde, ceea ce limitează limita superioară pentru măsurarea ratei dozei de radiație. La intensitate mare de radiație, particulele ajung la intervale mai scurte decât timpul de plecare a ionilor, iar unele particule nu sunt detectate de senzor. Procesul este ilustrat printr-o oscilogramă de tensiune la anodul senzorului în timpul restaurării funcționalității acestuia (Fig. 3).

Orez. 3. Oscilograme de tensiune la anodul unui contor Geiger. U o- amplitudinea semnalului în modul normal (sute de volți). 1 - 5 - numere de particule

Intrarea primei particule (1 în Fig. 3) în volumul senzorului inițiază o descărcare de gaz pulsată, care duce la o scădere a tensiunii cu cantitatea U o(amplitudine normală a semnalului). Mai mult, tensiunea crește ca urmare a unei scăderi lente a curentului prin interval, pe măsură ce ionii părăsesc catodul și datorită încărcării capacității interelectrodului de la sursa de tensiune printr-un rezistor limitator. Dacă o altă particulă intră în senzor într-un interval scurt de timp după sosirea primei (2 în Fig. 3), atunci procesele de descărcare se dezvoltă slab datorită tensiunii reduse și intensității scăzute a câmpului la anod în condițiile acțiunii spațiului. sarcina ionilor. În acest caz, semnalul senzorului se dovedește a fi inacceptabil de mic. Sosirea unei a doua particule după un interval de timp mai lung după prima (particulele 3 - 5 din Fig. 3) dă un semnal de amplitudine mai mare, deoarece tensiunea crește și sarcina spațială scade.

Dacă a doua particulă intră în senzor după prima la un interval mai scurt decât intervalul de timp dintre particulele 1 și 2 din Fig. 3, atunci din motivele expuse mai sus, senzorul nu generează deloc un semnal („nu numără” particula). În acest sens, intervalul de timp dintre particulele 1 și 2 se numește „timp mort contrar” (amplitudinea semnalului particulei 2 este de 10% din normal). Intervalul de timp dintre particulele 2 și 5 din Fig. 3 se numește „timp de recuperare a senzorului” (semnalul particulei 5 este 90% normal). În acest timp, amplitudinea semnalelor senzorului este redusă și este posibil să nu fie înregistrate de contorul de impulsuri electrice.

Timpul mort (0,01 - 1 ms) și timpul de eliberare (0,1 - 1 ms) sunt parametri importanți ai contorului Geiger. Cea mai mare rată de doză înregistrată este cu atât mai mare mai putin decat valoarea acești parametri. Principalii factori care determină parametrii sunt presiunea gazului și valoarea rezistenței de limitare. Odată cu o scădere a presiunii și a valorii rezistenței, timpul mort și timpul de recuperare scad, deoarece rata de ieșire a ionilor din decalaj crește și constanta de timp a procesului de încărcare a capacității interelectrodului scade.

3.2 Caracteristici dozimetrice

Sensibilitatea unui contor Geiger este raportul dintre frecvența impulsurilor generate de senzor și rata dozei de radiație, măsurată în microsievert pe oră (μSv/h; opțiuni: Sv/s, mSv/s, μSv/s). Valori tipice de sensibilitate: 0,1 - 1 impulsuri per microsievert. În domeniul de funcționare, sensibilitatea este un coeficient de proporționalitate între citirea contorului (numărul de impulsuri pe secundă) și rata dozei. În afara intervalului, proporționalitatea este încălcată, ceea ce este reflectat de caracteristica dozimetrică a detectorului - dependența citirilor de rata dozei (Fig. 4).

Orez. Dependența ratei de numărare de rata dozei de radiații radioactive (caracteristici dozimetrice) pentru două contoare cu presiuni diferite ale gazului (1 - 5 kPa, 2 - 30 kPa)

Din considerente fizice rezultă că citirile senzorului pe măsură ce debitul dozei crește nu pot depăși valoarea (1/), unde este timpul mort al senzorului (particulele care sosesc după un interval de timp mai scurt nu sunt luate în considerare). Prin urmare, secțiunea liniară de lucru a caracteristicii dozimetrice trece ușor în regiunea de radiație intensă într-o linie dreaptă orizontală la nivelul (1/).

Pe măsură ce timpul mort scade, caracteristica dozimetrică a senzorului devine mai orizontală nivel înalt cu mai mult putere mare radiații, iar limita superioară de măsurare crește. Această situație se observă atunci când presiunea gazului scade (Fig. 4). Totuși, în același timp, sensibilitatea senzorului scade (numărul de particule care traversează golul de descărcare de gaz fără a se ciocni cu moleculele crește). Prin urmare, pe măsură ce presiunea scade, caracteristica dozimetrică scade. Din punct de vedere matematic, caracteristica este descrisă de următoarea relație:

Unde N- rata de numarare (citirile senzorului - numarul de impulsuri pe secunda); - sensibilitate contrar (impulsuri pe secundă per microsievert); R- rata dozei de radiatii; - timpul mort al senzorului (în secunde).

3.3 Caracteristica de numărare a senzorului

Monitorizarea ratei dozei de radiație trebuie efectuată cel mai adesea în aer liber sau pe teren, unde senzorul este alimentat electric de la baterii sau alte surse galvanice. Tensiunea lor scade pe măsură ce funcționează. În același timp, procesele de descărcare de gaz din senzor depind de tensiune într-o măsură foarte puternică. Prin urmare, dependența citirilor contorului Geiger de tensiune la o rată constantă a dozei de radiație este una dintre cele mai importante caracteristici ale senzorului. Dependența se numește caracteristica de numărare a senzorului (Fig. 5).

Pe una dintre dependențele prezentate (curba 2) sunt marcate puncte caracteristice O -D. La tensiune joasă (în stânga punctului O) electronii generați în senzor atunci când o particulă ionizantă îi lovește inițiază avalanșe de electroni, dar intensitatea lor este insuficientă pentru a forma un impuls de curent cu amplitudinea necesară, iar citirile contorului sunt zero. Punct O corespunde „tensiunii de numărare de pornire”. Odată cu creșterea tensiunii în zonă A - B Citirile contorului cresc deoarece probabilitatea ca electronii să intre din regiunea de captare a particulelor în stratul apropiat de anod cu intensitate mare a câmpului crește. La tensiune joasă, electronii se recombină cu ionii în timpul mișcării lor către strat (se pot „lipi” mai întâi de moleculele de impurități de brom pentru a forma ioni negativi). La punctul ÎN tensiunea este suficientă pentru a muta rapid aproape toți electronii în strat, iar intensitatea recombinării este aproape de zero. Senzorul produce semnale de amplitudine normală.

În zona de lucru a caracteristicii de numărare B - C(„platoul caracteristic”) citirile contorului cresc ușor odată cu creșterea tensiunii, ceea ce are o mare importanță practică și este un avantaj al contorului Geiger. Cu cât lungimea platoului este mai mare (100-400 V) și cu cât secțiunea orizontală a caracteristicii de numărare este mai puțin abruptă, cu atât este mai mare calitatea acestuia.

Orez. 5. Dependenţa vitezei de numărare de tensiune (caracteristica de numărare) la sensuri diferite presiunea gazului și conținutul de impurități de brom: 1 - 8 kPa, 0,5%; 2 - 16 kPa, 0,5%; 3 - 16 kPa, 0,1% pentru o rată a dozei de radiație de 5 μSv/h. A, B, C, D- punctele caracteristice ale curbei 2

Abrupta (sau panta) platoului S caracterizat modificare procentuală citiri ale contorului pe unitate de tensiune:

Unde N B Şi N C - citirile contorului la începutul și sfârșitul platoului; U B Şi U C- valorile tensiunii la începutul și sfârșitul platoului. Valorile tipice ale pantei sunt 0,01 - 0,05%/V.

Stabilitatea relativă a citirilor pe platoul caracteristicii de numărare este asigurată de un tip specific de descărcare care are loc în senzor odată cu sosirea unei particule ionizante. O creștere a tensiunii intensifică dezvoltarea avalanșelor de electroni, dar aceasta nu duce decât la o accelerare a răspândirii descărcării de-a lungul anodului, iar capacitatea contorului de a genera un semnal pe particulă nu este aproape afectată.

O ușoară creștere a ratei de numărare cu creșterea tensiunii la platoul caracteristicii de numărare este asociată cu emisia de electroni din catod sub acțiunea descărcării. Emisia este cauzată de așa-numitele procese, care înseamnă ejecția electronilor de către ioni, atomi excitați și fotoni. În mod convențional, coeficientul este considerat egal cu numărul de electroni pe ion (sunt implicați atomii și fotonii excitați). Valorile caracteristice ale coeficientului sunt 0,1 - 0,01 (10 - 100 de ioni ejectează un electron în funcție de tipul de gaz și materialul catodic). Cu astfel de valori ale coeficientului, contorul Geiger nu funcționează, deoarece electronii care părăsesc catodul sunt înregistrați ca particule ionizante (se înregistrează semnale „false”).

Funcționarea normală a contorului este asigurată prin introducerea de vapori de brom sau alcool în umplerea cu gaz („impurități de stingere”), ceea ce reduce brusc coeficientul (sub 10 -4). În acest caz, numărul de semnale false scade, de asemenea, drastic, dar rămâne vizibil (de exemplu, câteva procente). Odată cu creșterea tensiunii, procesele de descărcare se intensifică, de exemplu. numărul de ioni, atomi excitați și fotoni crește și numărul de semnale false crește în consecință. Aceasta explică creșterea ușoară a citirilor senzorului pe platoul caracteristicii de numărare (creștere a pantei) și sfârșitul platoului (tranziție la o secțiune abruptă). C - D). Pe măsură ce crește conținutul de impurități, coeficientul scade într-o măsură mai mare, ceea ce reduce panta platoului și crește lungimea acestuia (curbele 2 și 3 din Fig. 5).

Cu toate acestea, o creștere a conținutului de impuritate de stingere peste o anumită valoare (1% pentru brom, 10% pentru alcool) înrăutățește parametrii senzorului: tensiunea de numărare începe să crească (punct Oîn figură), panta platoului crește și lungimea acestuia scade. Acest lucru se explică prin faptul că o parte din electronii formați de particulele ionizante „se lipește” de moleculele de brom sau alcool cu ​​formarea de ioni negativi grei, care intră în stratul apropiat de anod după o perioadă semnificativă de timp, când contorul are a restabilit deja capacitatea de a înregistra particulele. În strat, sub influența intensității ridicate a câmpului, ionul este divizat și electronul rezultat inițiază un semnal fals al senzorului.

Mecanismul fizic de acțiune al impurităților de stingere este o scădere bruscă a furnizării de ioni, atomi excitați și fotoni către catod, care poate provoca emisia de electroni, precum și o creștere a funcției de lucru a electronilor din catod. Ionii gazului principal (neon sau argon) în procesul de deplasare către catod devin atomi neutri ca urmare a „schimbului de sarcină” în ciocnirile cu moleculele de impurități, deoarece potențialele de ionizare ale neonului și argonului sunt mai mari decât cele ale bromului. și alcool (respectiv: 21,5 V; 15,7 V; 12,8 V; Energia eliberată în acest caz este cheltuită pentru distrugerea moleculelor sau pentru formarea fotonilor cu energie scăzută care nu sunt capabili să provoace fotoemisia de electroni. În plus, astfel de fotoni sunt bine absorbiți de moleculele de impurități.

Ionii de impurități formați în timpul schimbului de încărcare intră în catod, dar nu provoacă emisia de electroni. În cazul bromului, acest lucru se explică prin faptul că energia potențială a ionului (12,8 eV) nu este suficientă pentru a scoate doi electroni din catod (unul pentru a neutraliza ionul, iar celălalt pentru a declanșa o avalanșă de electroni) , deoarece funcția de lucru a electronilor care părăsesc catodul în prezența unei impurități brom crește la 7 eV. În cazul alcoolului, la neutralizarea ionilor la catod, energia eliberată este de obicei cheltuită pentru disocierea unei molecule complexe, și nu pentru ejecția electronilor.

Atomii excitați cu viață lungă (metastabili) ai gazului principal care apar în descărcare pot, în principiu, să cadă pe catod și să provoace emisia de electroni, deoarece energia lor potențială este destul de mare (de exemplu, 16,6 eV pentru neon). Cu toate acestea, probabilitatea procesului se dovedește a fi foarte mică, deoarece atomii, atunci când se ciocnesc cu moleculele de impurități, își transferă energia lor - „stinși”. Energia este cheltuită pentru disocierea moleculelor de impurități sau pentru emisia de fotoni cu energie scăzută, care nu provoacă fotoemisia de electroni din catod și sunt bine absorbiți de moleculele de impurități.

Aproximativ în același mod, fotonii de înaltă energie care sosesc din descărcare, capabili să provoace emisia de electroni din catod, sunt „stinși”: sunt absorbiți de moleculele de impurități cu consumul de energie ulterior pentru disocierea moleculelor și emisia de fotoni de joasă energie.

Durabilitatea contoarelor cu adăugarea de brom este mult mai mare (10 10 - 10 11 impulsuri), deoarece nu este limitată de descompunerea moleculelor de impuritate de stingere. Scăderea concentrației de brom se datorează activității sale chimice relativ ridicate, care complică tehnologia de fabricare a senzorilor și impune restricții la alegerea materialului catodic (de exemplu, se utilizează oțel inoxidabil).

Caracteristica de numărare depinde de presiunea gazului: odată cu creșterea acesteia, tensiunea la începutul numărării crește (punctul Oîn Fig. 5 se deplasează la dreapta), iar nivelul platoului crește ca urmare a captării mai eficiente a particulelor ionizante de către moleculele de gaz din senzor (curbele 1 și 2 din Fig. 5). Creșterea tensiunii de pornire a numărării se explică prin faptul că condițiile din senzor corespund ramurii drepte a curbei Paschen.

Concluzie

Utilizarea pe scară largă a contorului Geiger-Muller se explică prin sensibilitatea sa ridicată, capacitatea de a detecta diferite tipuri de radiații și simplitatea comparativă și costul redus de instalare. Contorul a fost inventat în 1908 de Geiger și îmbunătățit de Müller.

Un contor Geiger-Muller cilindric constă dintr-un tub metalic sau un tub de sticlă metalizat din interior și un fir subțire de metal întins de-a lungul axei cilindrului. Filetul servește ca anod, tubul ca catod. Tubul este umplut cu gaz rarefiat, în majoritatea cazurilor, se folosesc gaze nobile - argon și neon. Între catod și anod se creează o tensiune de aproximativ 400 V Pentru majoritatea contoarelor există un așa-numit platou, care se află de la aproximativ 360 la 460 V, în acest interval mici fluctuații de tensiune nu afectează viteza de numărare.

Funcționarea contorului se bazează pe ionizarea de impact emisă de un izotop radioactiv, lovind pereții contorului, scot electronii din acesta. Electronii care se deplasează prin gaz și se ciocnesc cu atomii de gaz scot electronii din atomi și creează ioni pozitivi și electroni liberi. Câmpul electric dintre catod și anod accelerează electronii până la energiile la care începe ionizarea de impact. Are loc o avalanșă de ioni, iar curentul prin contor crește brusc. În acest caz, se formează un impuls de tensiune la rezistența R, care este alimentat dispozitivului de înregistrare. Pentru ca contorul să înregistreze următoarea particulă care o lovește, descărcarea de avalanșă trebuie stinsă. Acest lucru se întâmplă automat. În momentul în care apare pulsul de curent, are loc o cădere mare de tensiune pe rezistența R, astfel încât tensiunea dintre anod și catod scade brusc - atât de mult încât descărcarea se oprește și contorul este gata de utilizare din nou.

O caracteristică importantă a contorului este eficiența acestuia. Nu toți fotonii g care lovesc contorul vor da electroni secundari și vor fi înregistrați, deoarece actele de interacțiune a razelor G cu materia sunt relativ rare, iar unii dintre electronii secundari sunt absorbiți în pereții dispozitivului fără a ajunge la gaz. volum.

Eficiența contorului depinde de grosimea pereților contra, de materialul acestora și de energia radiației g. Cele mai eficiente sunt contoarele ai căror pereți sunt fabricați dintr-un material cu un număr atomic mare Z, deoarece acest lucru crește formarea de electroni secundari. În plus, pereții contorului trebuie să fie suficient de groși. Grosimea peretelui contrar este selectată din condiția ca aceasta să fie egală cu calea liberă medie a electronilor secundari din materialul peretelui. Dacă grosimea peretelui este mare, electronii secundari nu vor trece în volumul de lucru al contorului și nu va apărea un impuls de curent. Deoarece radiația g interacționează slab cu materia, de obicei eficiența contoarelor g este, de asemenea, scăzută și se ridică la doar 1-2%. Un alt dezavantaj al contorului Geiger-Muller este că nu oferă capacitatea de a identifica particulele și de a determina energia acestora. Aceste dezavantaje sunt absente în contoarele de scintilație.

Referințe

Acton D.R. Dispozitive de descărcare de gaze cu catod rece. M.;L.: Energie, 1965.

Kaganov I.L. Dispozitive ionice. M.: Energie, 1972.

Katsnelson B.V., Kalugin A.M., Larionov A.S. Dispozitive electronice electrovacuum și de descărcare în gaz: Manual. M.: Radio și comunicare, 1985.

Knoll M., Eichmeicher I. Electronica tehnică T. 2. M.: Energy, 1971.

Sidorenko V.V. Detectoare de radiații ionizante: Manual. L.: Construcții navale, 1989

Postat pe site

Documente similare

    Concept și tipuri de radiații ionizante. Instrumente care măsoară radiația și principiul de funcționare al unui contor Geiger. Componentele principale și schema bloc a dispozitivului. Selectarea și justificarea bazei elementului. Proiecta diagrama schematicaîn CAD sau CAD.

    teză, adăugată 30.04.2014

    Analiza și sinteza unui contor asincron cu KSCH=11 în codul 6-3-2-1 și cu declanșatoarele de tip JJJJ, scopul acestuia, varietăți și specificatii tehnice. Un exemplu despre cum funcționează un contor de însumare. Sinteza JK-trigger (dispozitiv pentru înregistrarea și stocarea informațiilor).

    lucrare de curs, adăugată 25.07.2010

    Conceptul și scopul contorului, parametrii acestuia. Principiul construirii unui contor de adunare si scadere. Versatilitatea unui contor reversibil. Contoare și divizoare cu un factor de conversie diferit de 2n. Contoare de trecere (declanșatoare diferite).

    rezumat, adăugat 29.11.2010

    Implementarea unui dispozitiv care poate număra până la 30 folosind mediul de dezvoltare Electronics Workbench. Principiul de funcționare al contorului este de a număra numărul de impulsuri furnizate la intrare. Componentele dispozitivului: generator, sondă, elemente logice, declanșare.

    lucrare de curs, adăugată 22.12.2010

    Principiul de funcționare și domeniul de aplicare al unui contor de scintilații. Calibrarea spectrometrelor de scintilație. Fixarea și instalarea scintilatoarelor solide. Scintilatoare cu un singur cristal din antracen și stilben. Analizoare de puls de amplitudine.

    rezumat, adăugat 28.09.2009

    Conceptul și principiul de funcționare a senzorilor, scopul și funcțiile acestora. Clasificare și tipuri de senzori, zone și posibilități de aplicare a acestora. Esența și principalele proprietăți ale regulatorilor. Caracteristici de utilizare și parametri ai amplificatoarelor și actuatoarelor.

    rezumat, adăugat 28.03.2010

    Microoperații pe cuvinte de cod care sunt efectuate de contoare din circuitele digitale. Schema bloc a declanșatorului K155TV1, parametrii electrici. Principiul de funcționare a unui contor digital, construirea unui tabel de adevăr, modelare în programul Micro-Cap.

    lucrare curs, adăugată 03.11.2013

    Analiza funcționării unui contor binar integral și a unui decodor binar-zecimal. Conectarea intrărilor neutilizate la magistrala de alimentare, la cablul „comun” sau la altă intrare utilizată. Analiza diagramei de timp a decodorului. Dispozitiv de contor Johnson.

    lucru de laborator, adaugat 18.06.2015

    Dezvoltarea părților funcționale ale unui singur dispozitiv digital: dispozitiv logic; contor, monostabil, care sincronizează fluxul de informații către contor; decodor pentru a prezenta rezultatul funcționării dispozitivului într-o formă accesibilă oamenilor.

    lucrare de curs, adăugată 31.05.2012

    Descrierea si proiectarea senzorilor; principiile lor de funcționare, exemple de utilizare. Securitatea si iluminarea scarilor in clădire cu mai multe etaje, camere utilitare si parcare auto. Diferențele între dispozitivele de mișcare. Caracteristicile senzorului electronic infrarosu.

Contor Geiger-Muller (G-M) cu descărcare de gaz. Fig. 1 este un cilindru de sticlă (balon) umplut cu gaz inert (cu

impurități cu halogen) sub presiune ușor sub cea atmosferică. Un cilindru subțire de metal în interiorul balonului servește drept catod K; Anodul A este un conductor subțire care trece prin centrul cilindrului. Se aplică o tensiune între anod și catod U ÎN =200-1000 V. Anodul și catodul sunt conectate la circuitul electronic al dispozitivului radiometric.

Fig.1 Contor cilindric Geiger-Muller.

1 – filet anod 2 – catod tubular

U V – sursă de înaltă tensiune

R n - rezistenta la sarcina

CU V – rezervor de separare și stocare

R – convertor cu indicație

ξ - sursa de radiatii.

Folosind contorul G-M, puteți înregistra toate particulele de radiații (cu excepția particulelor α ușor absorbite); Pentru a preveni absorbția particulelor β de corpul contorului, acesta are fante acoperite cu o peliculă subțire.

Să explicăm caracteristicile contorului G-M.

Particulele β interacționează direct cu moleculele de gaz ale contorului, în timp ce neutronii și fotonii γ (particule neîncărcate) interacționează slab cu moleculele de gaz. În acest caz, mecanismul de formare a ionilor este diferit.

vom efectua măsurători dozimetrice mediu lângă punctele K și A, vom introduce datele obținute în tabel. 1.

Pentru a efectua măsurători aveți nevoie de:

1. Conectați dozimetrul la sursa de alimentare (9V).

2. Pe partea din spate a dozimetrului, închideți fereastra detectorului cu un obturator (ecran).

3. Setați comutatorulMOD(mod) în poziţia γ („P”).

4. Setați comutatorulGAMĂ(gamă) la pozițiex1 (pag n =0,1-50 μSv/oră).

5. Setați comutatorul de alimentare al dozimetrului în pozițiePE(Pe).

6. Dacă se aude un semnal sonor în poziția x1 și rândurile numerice ale afișajului sunt complet umplute, atunci trebuie să comutați la intervalul x10 (P n =50-500 μSv/oră).

7. După ce însumarea impulsurilor este finalizată, doza echivalentă cu puterea va fi afișată pe afișajul dozimetruluiP Hγ µSv/oră; in 4-5 secunde. citirile vor fi resetate.

8. Dozimetrul este din nou gata pentru măsurători de radiații. Un nou ciclu de măsurare începe automat.

Tabelul 1.

Valoarea rezultată în spațiul de lucru (AB) este determinată de formulă

=
, μSv/oră (6)

- citirile dozimetrului dau valori ale radiației de fond într-un punct;

Cantitatea de radiație în fiecare punct de măsurare respectă legile fluctuației. Așadar, pentru a obține cea mai probabilă valoare a valorii măsurate, este necesar să se facă o serie de măsurători;

- la dozimetria radiațiilor β, măsurătorile trebuie efectuate în apropierea suprafeței corpurilor studiate.

4. Efectuarea măsurătorilor. P.1. Determinarea ratei de doză echivalentă a radiației naturale de fond.

Pentru a determina fundalul γ al mediului, selectăm (față de orice obiecte (corpuri)) două puncte A, K, situate la o distanță de ~ 1 metru unul de celălalt și, fără a atinge corpurile,

Neutronii, interacționând cu atomii catodului, generează microparticule încărcate (fragmente nucleare). Radiația gamma

interacționează în principal cu substanța (atomii) catodului, generând radiații fotonice, care ionizează în continuare moleculele de gaz.

De îndată ce ionii apar în volumul contorului, mișcarea sarcinilor va începe sub acțiunea câmpului electric anod-catod.

În apropierea anodului, liniile de intensitate a câmpului electric devin mult mai dense (o consecință a diametrului mic al filamentului anodului), iar intensitatea câmpului crește brusc. Electronii care se apropie de fir primesc o accelerație mare și a ionizarea de impact a moleculelor de gaz neutru , o descărcare corona independentă se propagă de-a lungul filamentului.

Datorită energiei acestei descărcări, energia impulsului inițial al particulei crește brusc (până la 10 8 dată). Când o descărcare corona se propagă, unele dintre sarcini vor curge încet printr-o rezistență mare R n ~10 6 Ohm (Fig. 1). În circuitul detector pe rezistențăR n impulsurile de curent vor apărea proporționale cu fluxul inițial de particule. Impulsul de curent rezultat este transferat la capacitatea de stocare C V (С~10 3 picofarad), este amplificat și înregistrat în continuare de circuitul de conversie R.

Avand multa rezistentaR nîn circuitul detector duce la acumularea de sarcini negative pe anod. Intensitatea câmpului electric al anodului va scădea și la un moment dat ionizarea impactului va fi întreruptă și descărcarea se va stinge.

Un rol important în stingerea deversării gazoase rezultate îl joacă halogenii prezenți în gazul contorului. Potențialul de ionizare al halogenilor este mai mic decât cel al gazelor inerte, prin urmare atomii de halogen „absorb” mai activ fotonii care provoacă o autodescărcare, transformând această energie în energie de disipare, stingând astfel autodescărcarea.

După ce ionizarea prin impact (și descărcarea corona) este întreruptă, începe procesul de restabilire a gazului la starea inițială (de lucru). În acest timp contorul nu funcționează, adică. nu înregistrează particule care trec. Acest interval

timpul se numește „timp mort” (timp de recuperare). Pentru contor G-Mtimp mort = Δt~10 -4 secunde.

Contorul G-M reacționează la impactul fiecărei particule încărcate, fără a le distinge prin energie, dar dacă puterea scade

din radiația totală este neschimbată, atunci rata de numărare a pulsului se dovedește a fi proporțională cu puterea radiației, iar contorul poate fi calibrat în unități de doze de radiație.

Calitatea unui detector cu auto-stingere cu descărcare în gaz este determinată de dependența frecvenței medii a impulsurilorNpe unitatea de timp de tensiuneU pe electrozii săi la o intensitate constantă de radiație. Această dependență funcțională se numește caracteristica de numărare a detectorului (Fig. 2).

După cum rezultă din figura 2, cândU < U 1 tensiunea aplicată nu este suficientă pentru a provoca o descărcare de gaze atunci când o particulă încărcată sau un quantum gamma lovește detectorul. Începând cu tensiune U ÎN > U 2 Ionizarea prin impact are loc în contor, o descărcare corona se propagă de-a lungul catodului, iar contorul înregistrează trecerea aproape a fiecărei particule. Odată cu creșterea U ÎN laU 3 (vezi Fig. 2) numărul de impulsuri înregistrate crește ușor, ceea ce este asociat cu o ușoară creștere a gradului de ionizare a gazului de contorizare. Un contor G-M bun are o secțiune a graficului din U 2 laU R aproape independent deU ÎN , adică merge paralel cu axaU ÎN , frecvența medie a pulsului este aproape independentăU ÎN .

Orez. 2. Caracteristica de numărare a unui detector cu auto-stingere cu descărcare în gaz.

3. Eroarea relativă a instrumentelor la măsurarea P n : δР n = ±30%.

Să explicăm modul în care pulsul contor este convertit în citiri ale dozei de radiație.

Este dovedit că, la o putere de radiație constantă, viteza de numărare a impulsurilor este proporțională cu puterea de radiație (doza măsurată). Măsurarea ratei dozei de radiație se bazează pe acest principiu.

De îndată ce în contor apare un impuls, acest semnal este transmis unității de recalculare, unde este filtrat după durată, amplitudine, însumat, iar rezultatul este transmis pe afișajul contorului în unități de doză de putere.

Corespondența dintre rata de numărare și puterea măsurată, i.e. Dozimetrul este calibrat (la fabrică) conform unei surse de radiații cunoscute C s 137 .


Fie că ne place sau nu, radiațiile au intrat ferm în viața noastră și nu vor dispărea. Trebuie să învățăm să trăim cu acest fenomen, care este atât util, cât și periculos. Radiațiile se manifestă ca radiații invizibile și imperceptibile, iar fără dispozitive speciale este imposibil să le detectezi.

O mică istorie a radiațiilor

Raze X au fost descoperite în 1895. Un an mai târziu, a fost descoperită radioactivitatea uraniului, tot în legătură cu razele X. Oamenii de știință și-au dat seama că se confruntă cu fenomene naturale complet noi, nevăzute până acum. Este interesant că fenomenul radiațiilor a fost observat cu câțiva ani mai devreme, dar nu i s-a acordat nicio importanță, deși Nikola Tesla și alți lucrători ai laboratorului Edison au primit arsuri de la raze X. Daunele aduse sănătății erau atribuite oricărui lucru, dar nu razelor, pe care ființele vii nu le întâlniseră niciodată în asemenea doze. La începutul secolului al XX-lea au început să apară articole despre efectele nocive ale radiațiilor asupra animalelor. Nici acestui lucru nu i s-a acordat nicio importanță până la povestea senzațională cu „fetele de la radio” - muncitori ai unei fabrici care producea ceasuri luminoase. Ei doar uda periile cu vârful limbii. Soarta cumplită a unora dintre ei nici măcar nu a fost publicată, din motive etice, și a rămas un test doar pentru nervii puternici ai medicilor.

În 1939, fizicianul Lise Meitner, care, împreună cu Otto Hahn și Fritz Strassmann, aparține oamenilor care au fost primii din lume care au împărțit nucleul de uraniu, a scos din neatenție posibilitatea unei reacții în lanț și, din acel moment, un A început reacția în lanț de idei despre crearea unei bombe, și anume o bombă, și deloc „atomul pașnic”, pentru care politicienii însetați de sânge ai secolului al XX-lea, desigur, nu ar fi dat un ban. Cei care erau „în știință” știau deja la ce va duce acest lucru și a început cursa înarmărilor atomice.

Cum a apărut contorul Geiger-Müller?

Fizicianul german Hans Geiger, care a lucrat în laboratorul lui Ernst Rutherford, în 1908, a propus principiul funcționării unui contor de „particule încărcate” ca o dezvoltare ulterioară a camerei de ionizare deja cunoscută, care era un condensator electric umplut cu gaz la nivel scăzut. presiune. A fost folosit de Pierre Curie în 1895 pentru a studia proprietățile electrice ale gazelor. Geiger a avut ideea să-l folosească pentru a detecta radiațiile ionizante tocmai pentru că aceste radiații au avut un efect direct asupra gradului de ionizare a gazului.

În 1928, Walter Müller, sub conducerea lui Geiger, a creat mai multe tipuri de contoare de radiații menite să înregistreze diferite particule ionizante. Crearea de contoare era o nevoie foarte urgentă, fără de care era imposibil să se continue cercetarea materialelor radioactive, deoarece fizica, ca știință experimentală, este de neconceput fără instrumente de măsurare. Geiger și Müller au lucrat intenționat pentru a crea contoare care să fie sensibile la fiecare dintre tipurile de radiații care au fost descoperite: α, β și γ (neutronii au fost descoperiți abia în 1932).

Contorul Geiger-Muller s-a dovedit a fi un detector de radiații simplu, fiabil, ieftin și practic. Deși nu este cel mai precis instrument de cercetare specii individuale particule sau radiații, dar este extrem de potrivit ca instrument pentru măsurarea generală a intensității radiațiilor ionizante. Și în combinație cu alți detectoare, este folosit de fizicieni pentru măsurători precise în timpul experimentelor.

Radiații ionizante

Pentru a înțelege mai bine funcționarea unui contor Geiger-Muller, este util să aveți o înțelegere a radiațiilor ionizante în general. Prin definiție, acestea includ tot ceea ce poate provoca ionizarea unei substanțe în in stare buna. Acest lucru necesită o anumită cantitate de energie. De exemplu, unde radio sau chiar lumina ultravioleta nu au legătură cu radiațiile ionizante. Granița începe cu „ultravioletul dur”, cunoscut și sub numele de „raze X moi”. Acest tip este un tip de radiație fotonică. Fotonii energie mare sunt de obicei numite cuante gamma.

Ernst Rutherford a fost primul care a împărțit radiațiile ionizante în trei tipuri. Acest lucru a fost realizat într-o configurație experimentală folosind un câmp magnetic în vid. Mai târziu s-a dovedit că acesta este:

α - nuclee ale atomilor de heliu
β - electroni de înaltă energie
γ - cuante gamma (fotoni)

Mai târziu au fost descoperiți neutroni. Particulele alfa sunt ușor blocate chiar și de hârtia obișnuită, particulele beta au o putere de penetrare puțin mai mare, iar razele gamma au cea mai mare. Neutronii sunt cei mai periculoși (la o distanță de până la multe zeci de metri în aer!). Datorită neutralității lor electrice, ele nu interacționează cu învelișurile de electroni ale moleculelor substanței. Dar odată ce ajung în nucleul atomic, a cărui probabilitate este destul de mare, duc la instabilitatea și degradarea acestuia, cu formarea, de regulă, de izotopi radioactivi. Și cei, la rândul lor, în descompunere, formează ei înșiși întregul „buchet” de radiații ionizante. Cel mai rău lucru este că un obiect iradiat sau un organism viu devine în sine o sursă de radiații pentru multe ore și zile.

Designul unui contor Geiger-Muller și principiul său de funcționare

Un contor de descărcare de gaze Geiger-Muller este realizat de obicei sub forma unui tub etanș, din sticlă sau metal, din care aerul este evacuat, iar în schimb se adaugă un gaz inert (neon sau argon sau un amestec al ambelor) la presiune scăzută. , cu un amestec de halogeni sau alcool. Un fir subțire este întins de-a lungul axei tubului, iar un cilindru metalic este situat coaxial cu acesta. Atât tubul, cât și firul sunt electrozi: tubul este catodul, iar firul este anodul. Un minus de la o sursă de tensiune constantă este conectat la catod, iar un plus de la o sursă de tensiune constantă este conectat la anod printr-o rezistență constantă mare. Electric se obține un divizor de tensiune, la mijlocul căruia (joncțiunea rezistenței și anodul contorului) tensiunea este aproape egală cu tensiunea la sursă. Acesta este de obicei de câteva sute de volți.

Când o particulă ionizantă zboară prin tub, atomii gazului inert, aflati deja într-un câmp electric de mare intensitate, experimentează coliziuni cu această particulă. Energia emisă de particule în timpul unei coliziuni este suficientă pentru a separa electronii de atomii de gaz. Electronii secundari rezultați sunt ei înșiși capabili să formeze noi ciocniri și, astfel, se obține o întreagă avalanșă de electroni și ioni. Sub influența unui câmp electric, electronii sunt accelerați spre anod, iar ionii de gaz încărcați pozitiv sunt accelerați spre catodul tubului. Astfel, apare curent electric. Dar, deoarece energia particulei a fost deja cheltuită în ciocniri, în întregime sau parțial (particula a zburat prin tub), atunci furnizarea de atomi de gaz ionizat se termină, ceea ce este de dorit și este asigurat de unii. măsuri suplimentare, despre care vom vorbi atunci când vom analiza parametrii contorului.

Când o particulă încărcată intră într-un contor Geiger-Muller, din cauza curentului rezultat, rezistența tubului scade și, odată cu aceasta, tensiunea la mijlocul divizorului de tensiune, despre care a fost discutat mai sus. Apoi, rezistența tubului, datorită creșterii rezistenței sale, este restabilită, iar tensiunea devine din nou aceeași. Astfel, obținem un impuls de tensiune negativ. Numărând impulsurile, putem estima numărul de particule care trec. Intensitatea câmpului electric este deosebit de mare în apropierea anodului datorită dimensiunilor sale mici, ceea ce face ca contorul să fie mai sensibil.

Modele de contoare Geiger-Muller

Contoarele moderne Geiger-Muller sunt disponibile în două versiuni principale: „clasic” și plat. Tejgheaua clasică este realizată dintr-un tub metalic cu pereți subțiri și ondulat. Suprafața ondulată a contorului face tubul rigid, rezistent la presiunea atmosferică exterioară și nu îi permite să se șifoneze sub influența sa. La capetele tubului sunt izolatoare de etanșare din sticlă sau plastic termorigid. Acestea conțin și capace terminale pentru conectarea la circuitul dispozitivului. Tubul este marcat și acoperit cu un lac izolant durabil, fără a număra, desigur, bornele sale. Este indicată și polaritatea bornelor. Acesta este un contor universal pentru toate tipurile de radiații ionizante, în special beta și gamma.

Contoarele sensibile la radiația β moale sunt realizate diferit. Datorită gamei scurte de particule beta, acestea trebuie să fie plate, cu o fereastră de mica care blochează slab radiația beta, una dintre opțiunile pentru un astfel de contor este un senzor de radiație BETA-2. Toate celelalte proprietăți ale contoarelor sunt determinate de materialele din care sunt fabricate.

Contoarele concepute pentru a detecta radiațiile gamma conțin un catod din metale cu un număr mare de încărcare sau sunt acoperite cu astfel de metale. Gazul este extrem de slab ionizat de fotonii gamma. Dar fotonii gamma sunt capabili să elimine mulți electroni secundari din catod dacă este ales în mod corespunzător. Contoarele Geiger-Muller pentru particule beta sunt realizate cu ferestre subțiri pentru a transmite mai bine particulele, deoarece sunt electroni obișnuiți care tocmai au primit mai multă energie. Ei interacționează foarte bine cu materia și pierd rapid această energie.

În cazul particulelor alfa situația este și mai gravă. Deci, în ciuda unei energii foarte decente, de ordinul mai multor MeV, particulele alfa interacționează foarte puternic cu moleculele din calea lor și pierd rapid energie. Dacă materia este comparată cu o pădure, iar un electron este comparat cu un glonț, atunci particulele alfa vor trebui comparate cu un tanc care se prăbușește printr-o pădure. Cu toate acestea, un contor convențional răspunde bine la radiația α, dar numai la o distanță de până la câțiva centimetri.

Pentru o evaluare obiectivă a nivelului radiațiilor ionizante dozimetre Contoarele de uz general sunt adesea echipate cu două contoare care funcționează în paralel. Unul este mai sensibil la radiațiile α și β, iar al doilea la razele γ. Această schemă de utilizare a două contoare este implementată într-un dozimetru RADEX RD1008 iar într-un dozimetru-radiometru RADEKS MKS-1009, în care este instalat contorul BETA-2Şi BETA-2M. Uneori, o bară sau o placă dintr-un aliaj care conține un amestec de cadmiu este plasată între blaturi. Când neutronii lovesc o astfel de bară, se generează radiația γ, care este înregistrată. Acest lucru se face pentru a putea detecta radiația neutronică, la care contoarele Geiger simple sunt practic insensibile. O altă metodă este de a acoperi carcasa (catodul) cu impurități care pot conferi sensibilitate la neutroni.

La gaz se adaugă halogeni (clor, brom) pentru a stinge rapid descărcarea. Vaporii de alcool servesc, de asemenea, același scop, deși alcoolul în acest caz este de scurtă durată (aceasta este, în general, o caracteristică a alcoolului), iar contorul „întrerupt” începe în mod constant să „sune”, adică nu poate funcționa în modul dorit. . Acest lucru se întâmplă undeva după ce au fost detectate 1e9 pulsuri (un miliard), ceea ce nu este atât de mult. Contoarele cu halogeni sunt mult mai durabile.

Parametri și moduri de funcționare ale contoarelor Geiger

Sensibilitatea contoarelor Geiger.

Sensibilitatea contorului este estimată prin raportul dintre numărul de microroentgen de la sursa de referință și numărul de impulsuri cauzate de această radiație. Deoarece contoarele Geiger nu sunt proiectate pentru a măsura energia particulelor, estimarea precisă este dificilă. Contoarele sunt calibrate folosind surse de izotopi de referință. Trebuie remarcat faptul că acest parametru este diferite tipuri contoarele pot varia foarte mult, mai jos sunt parametrii celor mai comune contoare Geiger-Müller:

Contor Geiger-Muller Beta-2- 160 ÷ 240 imp/µR

Contor Geiger-Muller Beta-1- 96 ÷ 144 imp/µR

Contor Geiger-Muller SBM-20- 60 ÷ 75 imp/µR

Contor Geiger-Muller SBM-21- 6,5 ÷ 9,5 imp/µR

Contor Geiger-Muller SBM-10- 9,6 ÷ 10,8 imp/µR

Pătrat fereastra de la intrare sau zona de lucru

Zona senzorului de radiații prin care zboară particulele radioactive. Această caracteristică este direct legată de dimensiunile senzorului. Cu cât suprafața este mai mare, cu atât contorul Geiger-Muller va prinde mai multe particule. De obicei, acest parametru este indicat în centimetri pătrați.

Contor Geiger-Muller Beta-2- 13,8 cm 2

Contor Geiger-Muller Beta-1- 7 cm 2

Această tensiune corespunde aproximativ la mijlocul caracteristicii de funcționare. Caracteristica de funcționare este partea plată a dependenței numărului de impulsuri înregistrate de tensiune, motiv pentru care este numită și „podis”. În acest moment se atinge cea mai mare viteză de funcționare (limita superioară de măsurare). Valoarea tipică este 400 V.

Lățimea caracteristicii de funcționare a contorului.

Aceasta este diferența dintre tensiunea de spargere a scânteii și tensiunea de ieșire pe partea plată a caracteristicii. Valoarea tipică este 100 V.

Panta caracteristicii de funcționare a contorului.

Panta este măsurată ca procent de impulsuri pe volt. Caracterizează eroarea statistică a măsurătorilor (numărarea numărului de impulsuri). Valoarea tipică este 0,15%.

Temperatura de funcționare admisă a contorului.

Pentru uz general contoare -50 ... +70 grade Celsius. Acesta este un parametru foarte important dacă contorul funcționează în camere, canale și alte locuri ale echipamentelor complexe: acceleratoare, reactoare etc.

Resursa de lucru a contorului.

Numărul total de impulsuri pe care le înregistrează contorul înainte ca citirile sale să înceapă să devină incorecte. Pentru dispozitivele cu aditivi organici, auto-stingerea este de obicei 1e9 (de la zece la a noua putere, sau un miliard). Resursa este numărată numai dacă contorului este aplicată tensiune de funcționare. Dacă contorul este pur și simplu stocat, această resursă nu este consumată.

Contor timp mort.

Acesta este timpul (timpul de recuperare) în care contorul conduce curent după ce a fost declanșat de o particule care trece. Existența unui astfel de timp înseamnă că există o limită superioară a frecvenței pulsului și aceasta limitează domeniul de măsurare. O valoare tipică este 1e-4 s, adică zece microsecunde.

Trebuie remarcat faptul că din cauza timpului mort, senzorul poate fi „în afara scalei” și poate rămâne tăcut în cel mai periculos moment (de exemplu, o reacție spontană în lanț în producție). S-au întâmplat astfel de cazuri, iar pentru a le combate, ecranele de plumb sunt folosite pentru a acoperi o parte din senzorii sistemelor de alarmă de urgență.

Fundal personalizat pentru contor.

Măsurat în camere de plumb cu pereți groși pentru a evalua calitatea contoarelor. Valoarea tipică este 1 ... 2 impulsuri pe minut.

Aplicarea practică a contoarelor Geiger

Industria sovietică și acum rusă produce multe tipuri de contoare Geiger-Muller. Iată câteva mărci comune: STS-6, SBM-20, SI-1G, SI21G, SI22G, SI34G, contoare din seria Gamma, contoare finale ale seriei Beta„și sunt multe altele. Toate acestea sunt utilizate pentru monitorizarea și măsurarea radiațiilor: în instalațiile din industria nucleară, în instituțiile științifice și de învățământ, în apărarea civilă, medicină și chiar în viața de zi cu zi. După accidentul de la Cernobîl, dozimetre de uz casnic, anterior necunoscute populației chiar și după nume, au devenit foarte populare. Au apărut multe mărci de dozimetre de uz casnic. Toate folosesc un contor Geiger-Muller ca senzor de radiație. În dozimetrele de uz casnic, sunt instalate unul până la două tuburi sau contoare de capăt.

UNITĂȚI DE MĂSURĂ A CANTITĂȚILOR DE RADIAȚIE

Multă vreme, unitatea de măsură P (roentgen) a fost comună. Cu toate acestea, la trecerea la sistemul SI, apar alte unități. O radiografie este o unitate de doză de expunere, o „cantitate de radiație”, care este exprimată ca număr de ioni produși în aerul uscat. La o doză de 1 R în 1 cm3 de aer se formează 2,082e9 perechi de ioni (ceea ce corespunde la 1 unitate de sarcină a SGSE). În sistemul SI, doza de expunere este exprimată în coulombs pe kilogram, iar cu raze X aceasta este legată de ecuația:

1 C/kg = 3876 R

Doza de radiație absorbită este măsurată în jouli pe kilogram și se numește Gray. Acesta este un înlocuitor pentru unitatea rad învechită. Rata de doză absorbită este măsurată în gri pe secundă. Rata dozei de expunere (EDR), măsurată anterior în roentgens pe secundă, este acum măsurată în amperi pe kilogram. Doza de radiație echivalentă la care doza absorbită este de 1 Gy (gri) și factorul de calitate a radiației este 1 se numește Sievert. Rem (echivalentul biologic al unei radiografii) este o sutime dintr-un sievert, considerat acum învechit. Cu toate acestea, chiar și astăzi toate unitățile învechite sunt utilizate foarte activ.

Principalele concepte în măsurarea radiațiilor sunt doza și puterea. Doza este numărul de sarcini elementare în procesul de ionizare a unei substanțe, iar puterea este rata de formare a dozei pe unitatea de timp. Și în ce unități este exprimat acest lucru este o chestiune de gust și comoditate.

Chiar și o doză minimă este periculoasă în ceea ce privește consecințele pe termen lung pentru organism. Calculul pericolului este destul de simplu. De exemplu, dozimetrul dumneavoastră arată 300 de miliroentgen pe oră. Dacă stai în acest loc o zi, vei primi o doză de 24 * 0,3 = 7,2 roentgens. Acest lucru este periculos și trebuie să pleci de aici cât mai curând posibil. În general, dacă detectați chiar și radiații slabe, trebuie să vă îndepărtați de ea și să o verificați chiar și de la distanță. Dacă ea „te urmărește”, poți fi „felicitat”, ai fost lovit de neutroni. Dar nu orice dozimetru poate răspunde la ele.

Pentru sursele de radiații, se folosește o cantitate care caracterizează numărul de dezintegrare pe unitatea de timp, care se numește activitate și este măsurată și prin multe unități diferite: curie, becquerel, rutherford și altele. Cantitatea de activitate, măsurată de două ori cu o separare suficientă în timp, dacă scade, ne permite să calculăm timpul, conform legii dezintegrarii radioactive, când sursa devine suficient de sigură.

În 1908, fizicianul german Hans Geiger a lucrat în laboratoarele chimice deținute de Ernst Rutherford. Acolo li s-a cerut, de asemenea, să testeze un contor de particule încărcate, care era o cameră ionizată. Camera era un condensator electric, care era umplut cu gaz dedesubt presiune mare. Pierre Curie a folosit și el acest dispozitiv în practică, studiind electricitatea în gaze. Ideea lui Geiger - de a detecta radiația ionilor - a fost asociată cu influența acestora asupra nivelului de ionizare a gazelor volatile.

În 1928, omul de știință german Walter Müller, lucrând cu și sub Geiger, a creat mai multe contoare care înregistrau particule ionizante. Dispozitivele au fost necesare pentru cercetarea ulterioară a radiațiilor. Fizica, fiind o știință a experimentelor, nu ar putea exista fără măsurarea structurilor. Au fost descoperite doar câteva radiații: γ, β, α. Sarcina lui Geiger a fost să măsoare toate tipurile de radiații cu instrumente sensibile.

Contorul Geiger-Muller este un senzor radioactiv simplu și ieftin. Nu este un instrument precis care captează particule individuale. Tehnica măsoară saturația totală a radiațiilor ionizante. Fizicienii îl folosesc cu alți senzori pentru a realiza calcule precise atunci când efectuează experimente.

Un pic despre radiațiile ionizante

Am putea merge direct la descrierea detectorului, dar funcționarea lui va părea de neînțeles dacă știi puțin despre radiațiile ionizante. Când apar radiații, are loc un efect endotermic asupra substanței. Energia contribuie la aceasta. De exemplu, undele ultraviolete sau radio nu aparțin unei astfel de radiații, dar lumina ultravioletă dură aparține. Aici este determinată limita de influență. Tipul se numește fotonic, iar fotonii înșiși sunt γ-quanta.

Ernst Rutherford a împărțit procesele de emisie de energie în 3 tipuri, folosind o instalație cu câmp magnetic:

  • γ - foton;
  • α este nucleul unui atom de heliu;
  • β este un electron de mare energie.

Vă puteți proteja de particulele α cu hârtie. β pătrunde mai adânc. Capacitatea de penetrare γ este cea mai mare. Neutronii, despre care oamenii de știință au aflat mai târziu, sunt particule periculoase. Acţionează la o distanţă de câteva zeci de metri. Având neutralitate electrică, nu reacţionează cu molecule de diferite substanţe.

Cu toate acestea, neutronii ajung cu ușurință în centrul atomului, provocând distrugerea acestuia, ceea ce are ca rezultat formarea de izotopi radioactivi. Pe măsură ce izotopii se descompun, ei creează radiații ionizante. De la o persoană, animal, plantă sau obiect anorganic care a primit radiații, radiațiile emană timp de câteva zile.

Proiectarea și principiul de funcționare a unui contor Geiger

Aparatul este format dintr-un tub de metal sau de sticlă în care este pompat un gaz nobil (amestec de argon-neon sau substanțe pure). Nu există aer în tub. Gazul este adăugat sub presiune și conține un amestec de alcool și halogen. Există un fir întins pe tot tubul. Un cilindru de fier este situat paralel cu acesta.

Firul se numește anod, iar tubul se numește catod. Împreună sunt electrozi. Electrozilor li se furnizează o tensiune înaltă, care în sine nu provoacă fenomene de descărcare. Indicatorul va rămâne în această stare până când un centru de ionizare apare în mediul său gazos. Un minus este conectat de la sursa de alimentare la tub, iar un plus este conectat la fir, direcționat printr-o rezistență de nivel înalt. Vorbim despre o alimentare constantă de zeci de sute de volți.

Când o particulă intră în tub, atomii de gaz nobil se ciocnesc cu ea. La contact, se eliberează energie care elimină electronii din atomii de gaz. Apoi se formează electroni secundari, care se ciocnesc și ei, generând o masă de noi ioni și electroni. Viteza electronilor spre anod este afectată de câmp electric. În timpul acestui proces, se generează un curent electric.

În timpul unei coliziuni, energia particulelor se pierde, iar furnizarea de atomi de gaz ionizat se încheie. Când particulele încărcate intră într-un contor Geiger cu descărcare de gaz, rezistența tubului scade, reducând imediat tensiunea la punctul de fisiune medie. Apoi rezistența crește din nou - aceasta implică o restabilire a tensiunii. Elanul devine negativ. Dispozitivul arată impulsuri și le putem număra, estimând în același timp și numărul de particule.

Tipuri de contoare Geiger

Prin design, contoarele Geiger vin în două tipuri: plate și clasice.

Clasic

Fabricat din metal ondulat subțire. Datorită ondulației, tubul devine rigid și rezistent la influență externă, care previne deformarea acestuia. Capetele tubului sunt echipate cu izolatori din sticlă sau plastic, care conțin capace pentru ieșire către dispozitive.

Lacul se aplică pe suprafața tubului (cu excepția cablurilor). Contorul clasic este considerat un detector de măsurare universal pentru toată lumea specii cunoscute radiatii. În special pentru γ și β.

Plat

Contoarele sensibile pentru înregistrarea radiațiilor beta moale au un design diferit. Datorită numărului mic de particule beta, corpul lor are o formă plată. Există o fereastră de mica care blochează slab β. Senzorul BETA-2 este numele unuia dintre aceste dispozitive. Proprietățile altor contoare plate depind de material.

Parametrii contorului Geiger și moduri de operare

Pentru a calcula sensibilitatea contorului, estimați raportul dintre numărul de microroentgen din probă și numărul de semnale de la această radiație. Dispozitivul nu măsoară energia particulei, deci nu oferă o estimare absolut exactă. Dispozitivele sunt calibrate folosind mostre din surse izotopice.

De asemenea, trebuie să vă uitați la următorii parametri:

Zona de lucru, zona ferestrei de la intrare

Caracteristicile zonei indicator prin care trec microparticulele depind de dimensiunea acesteia. Cu cât zona este mai largă, cu atât vor fi prinse mai multe particule.

Tensiunea de operare

Tensiunea trebuie să corespundă specificațiilor medii. Caracteristica de funcționare în sine este partea plată a dependenței numărului de impulsuri fixe de tensiune. Al doilea nume este platou. În acest moment, dispozitivul atinge vârful de activitate și se numește limita superioară de măsurare. Valoare - 400 volți.

Lățimea de lucru

Lățimea de lucru este diferența dintre tensiunea de ieșire plană și tensiunea de descărcare a scânteii. Valoarea este de 100 volți.

Înclinaţie

Valoarea este măsurată ca procent din numărul de impulsuri pe 1 volt. Afișează eroarea de măsurare (statistică) în numărarea pulsului. Valoarea este de 0,15%.

Temperatură

Temperatura este importantă deoarece contorul trebuie folosit adesea în condiții dificile. De exemplu, în reactoare. Contoare uz general: de la -50 la +70 C Celsius.

Resursa de lucru

Resursa este caracterizată număr total toate impulsurile înregistrate până în momentul în care citirile instrumentului devin incorecte. Dacă dispozitivul conține substanțe organice pentru auto-stingere, numărul de impulsuri va fi de un miliard. Este adecvat să se calculeze resursa numai într-o stare de tensiune de funcționare. La depozitarea dispozitivului, debitul se oprește.

Timp de recuperare

Acesta este timpul necesar unui dispozitiv pentru a conduce electricitatea după ce reacționează la o particulă ionizantă. Există o limită superioară a frecvenței pulsului care limitează domeniul de măsurare. Valoarea este de 10 microsecunde.

Datorită timpului de recuperare (numit și timp mort), dispozitivul se poate defecta într-un moment decisiv. Pentru a preveni depășirea, producătorii instalează ecrane de plumb.

Contorul are fundal?

Fundalul este măsurat într-o cameră de plumb cu pereți groși. Valoarea obișnuită nu este mai mare de 2 impulsuri pe minut.

Cine folosește dozimetrele de radiații și unde?

Multe modificări ale contoarelor Geiger-Muller sunt produse la scară industrială. Producția lor a început în timpul URSS și continuă și acum, dar în Federația Rusă.

Dispozitivul este utilizat:

  • la instalațiile din industria nucleară;
  • în institute științifice;
  • în medicină;
  • în viața de zi cu zi.

După accidentul de la centrala nucleară de la Cernobîl, cetățenii de rând au cumpărat și dozimetre. Toate dispozitivele au un contor Geiger. Astfel de dozimetre sunt echipate cu unul sau două tuburi.

Este posibil să faci un contor Geiger cu propriile mâini?

Este dificil să faci singur un contor. Ai nevoie de un senzor de radiații, dar nu oricine îl poate cumpăra. Circuitul contor în sine este cunoscut de multă vreme - în manualele de fizică, de exemplu, este și tipărit. Cu toate acestea, doar un adevărat „stângac” va putea reproduce dispozitivul acasă.

Meșteri autodidacți talentați au învățat să facă un înlocuitor pentru contor, care este, de asemenea, capabil să măsoare radiațiile gamma și beta folosind o lampă fluorescentă și o lampă incandescentă. De asemenea, folosesc transformatoare de la echipamente stricate, un tub Geiger, un temporizator, un condensator, diverse plăci și rezistențe.

Concluzie

Atunci când diagnosticați radiațiile, trebuie să luați în considerare propriul fundal metru. Chiar și cu protecția cu plumb de grosime decentă, viteza de înregistrare nu este resetată. Acest fenomen are o explicație: cauza activității este radiația cosmică care pătrunde prin straturile de plumb. Muonii zboară peste suprafața Pământului în fiecare minut, care sunt înregistrați de contor cu o probabilitate de 100%.

Există o altă sursă de fundal - radiația acumulată de dispozitivul însuși. Prin urmare, în legătură cu contorul Geiger, este indicat să vorbim și despre uzură. Cu cât dispozitivul a acumulat mai multe radiații, cu atât fiabilitatea datelor sale este mai scăzută.

Structura și principiul de funcționare al unui contor Geiger–Müller

ÎN Recent, atenția acordată siguranței radiațiilor din partea cetățenilor de rând din țara noastră a crescut din ce în ce mai mult. Și acest lucru este legat nu numai de evenimentele tragice de la centrala nucleară de la Cernobîl și de consecințele ei ulterioare, ci și de diverse tipuri de incidente care au loc periodic într-un loc sau altul de pe planetă. În acest sens, la sfârșitul secolului trecut, au început să apară dispozitive monitorizarea radiatiilor uz casnic . Și astfel de dispozitive au salvat mulți oameni nu numai sănătatea lor, ci uneori viețile lor, iar acest lucru se aplică nu numai teritoriilor adiacente zonei de excludere. Prin urmare, problemele de siguranță împotriva radiațiilor sunt relevante oriunde în țara noastră până în prezent.

ÎN Toate dozimetrele de uz casnic și aproape toate profesionale moderne sunt echipate cu . În alt mod, poate fi numit elementul sensibil al dozimetrului. Acest dispozitiv a fost inventat în 1908 de către fizicianul german Hans Geiger, iar douăzeci de ani mai târziu, această dezvoltare a fost îmbunătățită de un alt fizician Walter Muller, iar principiul acestui dispozitiv este folosit până în zilele noastre.

N Unele dozimetre moderne au patru contoare simultan, ceea ce face posibilă creșterea preciziei măsurătorii și a sensibilității dispozitivului, precum și reducerea timpului de măsurare. Majoritatea contoarelor Geiger-Muller sunt capabile să detecteze radiațiile gamma, radiațiile beta de înaltă energie și razele X. Cu toate acestea, există dezvoltări speciale pentru determinarea particulelor alfa de înaltă energie. Pentru a configura dozimetrul să detecteze doar radiația gamma, cea mai periculoasă dintre cele trei tipuri de radiații, camera sensibilă este acoperită cu o carcasă specială din plumb sau alt oțel, ceea ce face posibilă întreruperea pătrunderii particulelor beta în contra.

ÎN În dozimetrele moderne pentru uz casnic și profesional, senzori precum SBM-20, SBM-20-1, SBM-20U, SBM-21, SBM-21-1 sunt utilizați pe scară largă. Sunt diferite dimensiunile de gabarit camere și alți parametri, linia de 20 de senzori se caracterizează prin următoarele dimensiuni: lungime 110 mm, diametru 11 mm, iar pentru al 21-lea model, lungime 20-22 mm cu diametrul 6 mm. Este important să înțelegeți ce dimensiuni mai mari camera, cu atât este mai mare numărul de elemente radioactive care vor zbura prin ea și cu atât este mai mare sensibilitate și precizie. Deci, pentru a 20-a serie de senzori, dimensiunile sunt de 8-10 ori mai mari decât pentru a 21-a și vom avea o diferență de sensibilitate în aproximativ aceleași proporții.

LA Designul unui contor Geiger poate fi descris schematic după cum urmează. Un senzor constând dintr-un recipient cilindric în care un gaz inert (de exemplu, argon, neon sau amestecuri ale acestora) este pompat sub presiune minimă pentru a facilita apariția unei descărcări electrice între catod și anod. Catodul, cel mai adesea, este întregul corp metalic al senzorului sensibil, iar anodul este un mic fir plasat pe izolatori. Uneori, catodul este învelit suplimentar carcasă de protecție fabricat din oțel inoxidabil sau plumb, acest lucru se face pentru a seta contorul să detecteze doar razele gamma.

D Pentru uz casnic, în prezent, se folosesc cel mai des senzori de capăt (de exemplu, Beta-1, Beta-2). Astfel de contoare sunt proiectate în așa fel încât să fie capabile să detecteze și să înregistreze chiar și particulele alfa. Un astfel de contor este un cilindru plat cu electrozi amplasați în interior și o fereastră de intrare (de lucru) din peliculă de mică grosime de doar 12 microni. Acest design face posibilă detectarea (la distanță apropiată) particulelor alfa de înaltă energie și particulelor beta cu energie scăzută. În acest caz, aria ferestrei de lucru a contoarelor Beta-1 și Beta 1-1 este de 7 cm2. Zona ferestrei de lucru cu mica pentru dispozitivul Beta-2 este de 2 ori mai mare decât cea a Beta-1, poate fi folosită pentru a determina etc.

E Dacă vorbim despre principiul de funcționare al camerei de contor Geiger, acesta poate fi descris pe scurt după cum urmează. Când este activat, o tensiune înaltă (aproximativ 350 - 475 volți) este aplicată catodului și anodului printr-un rezistor de sarcină, dar nu are loc nicio descărcare între ele datorită gazului inert care servește ca dielectric. Când intră în cameră, energia sa este suficientă pentru a elimina un electron liber din materialul corpului sau catodului camerei, acest electron, ca o avalanșă, începe să elimine electronii liberi din gazul inert din jur și are loc ionizarea acestuia; duce în cele din urmă la o descărcare între electrozi. Circuitul este închis și acest fapt poate fi înregistrat utilizând microcircuitul dispozitivului, care este faptul de a detecta fie o radiație cuantică gamma, fie o radiație cu raze X. Camera se resetează apoi, permițând detectarea următoarei particule.

H Pentru a opri procesul de descărcare în cameră și pentru a pregăti camera pentru înregistrarea următoarei particule, există două moduri, una dintre ele se bazează pe faptul că alimentarea cu tensiune a electrozilor este oprită pentru o perioadă foarte scurtă de timp, ceea ce se oprește. procesul de ionizare a gazelor. A doua metodă se bazează pe adăugarea unei alte substanțe la gazul inert, de exemplu, iod, alcool și alte substanțe, și acestea conduc la o scădere a tensiunii de pe electrozi, ceea ce oprește și procesul de ionizare ulterioară și camera devine capabilă. pentru a detecta următorul element radioactiv. La această metodă Se folosește o rezistență de sarcină de mare capacitate.

P numărul de descărcări din camera contorului și se poate aprecia nivelul de radiație în zona măsurată sau de la un anumit obiect.