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, apare un efect endotermic asupra substanței. Energia contribuie la aceasta. De exemplu, undele ultraviolete sau radio nu aparțin unei astfel de radiații, ci dure lumina ultravioleta- destul. 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 se aplică o tensiune înaltă, care în sine nu provoacă fenomene de descărcare. Indicatorul va rămâne în această stare atâta timp cât se află în starea sa mediu gazos nu va apărea un centru de ionizare. 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 către anod este afectată de câmpul 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 mijlocul fisiunii. 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.
Tensiune 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 utilizare generală: 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 lampă fluorescentăși lămpi cu incandescență. De asemenea, folosesc transformatoare de la echipamente stricate, un tub Geiger, un temporizator, un condensator, diverse plăci și rezistențe.
Concluzie
Când diagnosticați radiația, trebuie să țineți cont de fondul propriu al contorului. 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 straturi 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.
Contor Geiger— un dispozitiv de descărcare în gaz pentru numărarea numărului de particule ionizante care trec prin acesta. Este un condensator umplut cu gaz care se sparge atunci când apare o particulă ionizantă în volumul de gaz. Contoarele Geiger sunt detectoare (senzori) destul de populare 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.
Designul unui contor Geiger este destul de simplu. Un recipient sigilat cu doi electrozi conține amestec de gaze, constând din neon și argon ușor ionizat. Materialul cilindrului poate fi diferit - sticlă, metal etc.
De obicei, contoarele percep radiația pe întreaga lor suprafață, dar există și cele care au o „fereastră” specială în cilindru în acest scop. Utilizarea pe scară largă a contorului Geiger-Muller se explică prin sensibilitatea sa ridicată, capacitatea de a detecta diferite radiații, simplitatea comparativă și costul redus de instalare.
Schema de conectare a contorului Geiger
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 un centru de ionizare apare în mediul său gazos - 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 încheie cu formarea unui nor de ioni de electroni în spațiul dintre electrozi, crescând semnificativ conductivitatea acestuia. În mediul gazos al contorului are loc o descărcare vizibilă (dacă recipientul este transparent) chiar și cu ochiul liber.
Procesul invers - restabilirea mediului gazos la starea sa originală în așa-numitele contoare cu halogen - are loc de la sine. Halogenii (de obicei clor sau brom), conținuți în cantități mici în mediul gazos, intră în joc și contribuie la recombinarea intensă a sarcinilor. Dar acest proces este destul de lent. Timpul necesar pentru a restabili sensibilitatea la radiații a unui contor Geiger și ceea ce determină de fapt performanța acestuia - timpul „mort” - este principala caracteristică a pașaportului.
Astfel de contoare sunt desemnate ca contoare cu auto-stingere cu halogen. Caracterizati printr-o tensiune de alimentare foarte scăzută, parametri buni ai semnalului de ieșire și viteză destul de mare, s-au dovedit a fi solicitați ca senzori de radiații ionizante în aparate electrocasnice controlul radiațiilor.
Contoarele Geiger sunt capabile să detecteze cel mai mult diferite tipuri radiații ionizante - a, b, g, ultraviolete, raze X, neutroni. Dar sensibilitatea spectrală reală a contorului depinde foarte mult de designul său. Aşa, fereastra de la intrare un contor sensibil la radiația a- și moale-b trebuie să fie suficient de subțire; În acest scop, se folosește de obicei mica cu grosimea de 3...10 microni. Cilindrul contorului, 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.
Dependența vitezei de numărare de tensiunea de alimentare într-un contor Geiger
Borul este introdus în contorul de neutroni, la interacțiunea cu care fluxul de neutroni este convertit în particule a ușor de înregistrat. Radiația fotonică - ultraviolete, raze X, radiații g - contoarele Geiger percep indirect - prin efect fotoelectric, efect Compton, efect de creare de perechi; în fiecare caz, radiația care interacționează cu substanța catodică este transformată într-un flux de electroni.
Fiecare particulă detectată de contor formează un impuls scurt în circuitul său de ieșire. Numărul de impulsuri care apar pe unitatea de timp – rata de numărare a unui contor Geiger – depinde de nivelul radiațiilor ionizante și de tensiunea electrozilor săi. Un grafic standard al ratei de numărare în funcție de tensiunea de alimentare Upit este prezentat în figura de mai sus. Aici Uns este tensiunea de pornire a numărării; Ung și Uвг - inferior și limita superioara secțiunea de lucru, așa-numitul platou, unde viteza de numărare este aproape independentă de tensiunea de alimentare a contorului. Tensiunea de operare Uр este de obicei selectată la mijlocul acestei secțiuni. Ea corespunde cu Np - rata de numărare în acest mod.
Dependența ratei de numărare de gradul de expunere la radiații a contorului este principala sa caracteristică. Graficul acestei dependențe este aproape liniar în natură și, prin urmare, sensibilitatea la radiații a contorului este adesea afișată în termeni de puls/μR (impulsuri per micro-roentgen; această dimensiune rezultă din raportul dintre viteza de numărare - puls/s - și nivelul de radiație - μR/s).
În cazurile în care nu este indicat, sensibilitatea la radiații a contorului trebuie determinată de celălalt parametru extrem de important al acestuia - propriul fundal. Acesta este numele pentru rata de numărare, al cărei factor este de două componente: extern - radiația naturală de fond și intern - radiația radionuclizilor găsiți în structura contorului în sine, precum și emisia spontană de electroni a catodului său.
Dependența ratei de numărare de energia cuantelor gamma („curs cu rigiditate”) într-un contor Geiger
O altă caracteristică esențială a unui contor Geiger este dependența sensibilității sale la radiații de energia ("duritatea") particulelor ionizante. Măsura în care această dependență este semnificativă este prezentată de graficul din figură. „Călărit cu rigiditate” va afecta în mod evident acuratețea măsurătorilor efectuate.
Faptul că contorul Geiger este un dispozitiv de avalanșă are și dezavantajele sale - reacția unui astfel de dispozitiv nu poate fi folosită pentru a judeca cauza principală a excitației sale. Impulsurile de ieșire generate de un contor Geiger sub influența particulelor a, a electronilor și a cuantelor g nu sunt diferite. Particulele în sine și energiile lor dispar complet în avalanșele gemene pe care le generează.
Tabelul oferă informații despre contoarele Geiger cu halogen cu auto-stingere producția internă, cel mai potrivit pentru dispozitivele de monitorizare a radiațiilor de uz casnic.
| 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 — tensiune de lucru, V;
- 2 — platou — regiune de dependență scăzută a vitezei de numărare față de tensiunea de alimentare, V;
- 3 — fondul propriu al contorului, imp/s, nu mai mult;
- 4 — sensibilitatea la radiații a contorului, imp/μR (* — pentru cobalt-60);
- 5 — amplitudinea impulsului de ieșire, V, nu mai mică;
- 6 - dimensiuni, mm - diametru x lungime (lungime x latime x inaltime);
- 7.1 - radiații dure b - și g -;
- 7.2 - aceeași și moale b - radiație;
- 7,3 - la fel și a - radiație;
- 7,4 - g - radiații.
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 casnice și aproape toate profesionale dozimetre moderne echipat 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. Ele 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.
Înregistrarea radiațiilor ionizante de către dispozitive se bazează pe conversia radiațiilor de către un detector și un circuit de măsurare în semnale electrice acceptate în practica de măsurare.
Instrumentele de măsurare a radiațiilor ionizante pot înregistra diverse mărimi fizice. Cele mai interesante dintre ele sunt: absorbția, expunerea și dozele echivalente și puterea acestora, densitatea fluxului de particule, fluența particulelor, volumetrice, masă, suprafață, activități eficiente.
Orice aparat care masoara radiatiile ionizante contine un detector, un circuit de masura (inregistrator sau analizor) si elemente auxiliare.
Detector convertește informații despre parametrii de radiație în energie de semnal electric. Pe baza conversiei energiei radiațiilor în alte tipuri de energie, detectoarele pot fi împărțite în următoarele grupuri:
- ionizare (contoare de gaz, camere de ionizare, contoare cu semiconductor);
- scintilație;
- fotografic;
- chimic.
Circuitul de măsurare selectează, convertește, acumulează, stochează și emite informații sub formă de semnale electrice convenabile pentru observarea, înregistrarea, calculul sau controlul altor dispozitive. Elementele auxiliare oferă moduri de funcționare specificate ale detectorului și ale circuitului de măsurare. Acestea includ surse de alimentare, unități de programare a modului de funcționare, unități de monitorizare și calibrare a sănătății, dispozitive de înregistrare (dispozitive de imprimare digitală, înregistratoare grafice, osciloscoape, contoare de puls etc.).
Circuitele funcționale ale dispozitivelor sunt în mare măsură determinate de forma semnalelor care provin de la detectoarele de radiații și de la ieșirea circuitului de măsurare (sub formă de impulsuri - o formă discretă de informație sau sub forma unui curent care variază lent (tensiune). ) - o formă analogică a informației).
Dispozitivele cu o formă discretă de informații de intrare și ieșire pot include amplificatoare, standardizatoare și discriminatoare de impulsuri, circuite de numărare și analiză cu însumare și memorie în metode binare, zecimale și alte metode de notare.
impulsuri, purtând informații despre parametrii de radiație pot diferi în amplitudine, formă și timp de apariție. Separând aceste impulsuri și parametrii lor folosind dispozitive de analiză, este posibil să se măsoare nu numai densitatea fluxului de radiație pe baza ratei medii de repetare a impulsurilor, ci și energia, tipul și distribuția spațială a radiației.
Dispozitivele de analiză funcționează de obicei în două moduri de procesare a informațiilor. În primul caz, analizorul selectează impulsuri cu parametri specificați, în al doilea, semnalele sunt selectate în grupuri în funcție de parametrii de selecție specificați.
În dispozitivele cu informații analogice de intrare și ieșire, se folosesc amplificatoare electrometrice și de ieșire DC. Circuitele de pre-conversie DC la AC folosesc convertoare și amplificatoare AC.
Pentru a acoperi domeniul de măsurare necesar cu o precizie dată, dispozitivele cu informații de ieșire de tip analogic folosesc instrumente de indicare și înregistrare cu scale liniare și neliniare (logaritmice, liniar-logaritmice etc.), precum și voltmetre digitale cu dispozitive de imprimare digitală.
Informațiile de la ieșirea dispozitivelor pot fi fie discrete, fie analogice, indiferent de forma informațiilor de la intrare.
Informațiile analogice provenite de la detectoarele de radiații curente (camere de ionizare) sunt convertite în informații discrete într-un număr de dispozitive prin dozare - cuantizare de încărcare.
Un număr semnificativ de dispozitive cu informații discrete la intrare au informații de ieșire analogică; Acestea includ radiometre, roentgenometre, intensimetre cu metri cu rata medie de repetiție a pulsului.
Rezultatele măsurătorilor pot fi prezentate sub formă de semnale observate vizual (citiri ale instrumentelor indicator, pe ecranul unui osciloscop sau computer etc.); înregistrat de un dispozitiv de înregistrare (contor de impulsuri, înregistrator, dispozitiv de imprimare digitală etc.). Semnalele pot fi audio generate de telefoane, sonerii, sirene etc. și folosite pentru a controla alte dispozitive.
Orice tip de radiație atunci când interacționează cu materia duce la apariția ionizării și excitației. Particulele încărcate provoacă aceste procese în mod direct atunci când razele gamma sunt absorbite, ionizarea este creată de electronii rapidi rezultați din efectul fotoelectric, efectul Compton sau din producția de perechi, iar în cazul neutronilor, ionizarea este creată de nucleele care zboară rapid. În acest caz, o particulă primară poate duce la apariția a sute de mii de ioni, datorită cărora efectele secundare care însoțesc ionizarea (curent electric, fulger de lumină, întunecarea unei plăci fotografice etc.) pot fi observate de către o persoană. direct cu ajutorul simțurilor sale; uneori, aceste efecte trebuie doar sporite de numărul necesar de ori. Astfel, ionizarea este un fel de amplificator al fenomenelor de interacțiune a radiațiilor ionizante cu materia. Prin urmare, funcționarea tuturor instrumentelor de înregistrare este într-un fel sau altul legată de utilizarea ionizării și excitării atomilor de materie.
Electroni produși de diverse tipuri interacțiunile sunt inhibate în mediu, cheltuindu-și energia pe ionizarea și excitarea atomilor. Ionii rezultați și electronii liberi se recombină rapid, astfel încât sarcina dispare după un timp foarte scurt (10-5 s pentru gaze). Acest lucru nu se întâmplă dacă în mediu este creat un câmp electric. În acest caz, purtătorii de sarcină vor deplasa de-a lungul câmpului, pozitivi într-o direcție, negativi în cealaltă. Mișcarea sarcinilor este șoc electric, prin măsurarea căruia, puteți determina valoarea taxei.
Exact așa funcționează camera de ionizare. Este un volum sigilat umplut cu gaz, în care se află doi electrozi metalici (Fig. 7.1). Tensiunea electrică este aplicată electrozilor. În timpul trecerii unui electron format în timpul interacțiunii unui cuantum γ cu o substanță, sarcinile libere - ioni și electroni - se deplasează către electrozi, iar în circuit apare un impuls de curent, proporțional cu sarcina formată de electron.
Orez. 7.1.
Din păcate, impulsurile de curent de la electroni formate din particule cu energie scăzută și γ-quanta sunt foarte mici. Sunt greu de măsurat cu precizie, astfel încât camerele de ionizare sunt folosite pentru a detecta particule grele, cum ar fi particulele α, care produc impulsuri de curent mult mai mari atunci când trec prin camera de ionizare.
Dacă creșteți tensiunea pe electrozii camerei de ionizare, se numește un fenomen boost de gaz. Electronii liberi, mișcându-se într-un câmp electric, dobândesc energie suficientă pentru a ioniza atomii gazului care umple camera. Când este ionizat, un electron formează o altă pereche ion-electron, deci cantitate totală sarcinile sunt înmulțite cu două, așa cum se arată în fig. 7.2. La rândul lor, electronii nou formați sunt, de asemenea, capabili de ionizare și, astfel, sarcina este înmulțită din nou și din nou. La formă specială electrozi, coeficientul de câștig al gazului poate ajunge la 105. Esențial aici este faptul că sarcina finală rămâne proporțională cu sarcina primară și, prin urmare, cu energia electronului format de particulă sau γ-quantum. Din acest motiv sunt numite astfel de dispozitive contoare proporționale.
De obicei, un contor proporțional este realizat sub forma unui cilindru, de-a lungul axei căruia este tras un fir subțire de metal, un fir. Polul negativ al sursei de curent este conectat la corpul contorului, iar polul pozitiv al sursei de curent este conectat la fir. Cu un astfel de dispozitiv, câmpul electric este concentrat în principal în apropierea filetului și valoarea maximă a intensității câmpului este mai mare, cu cât raza filetului este mai mică. Prin urmare, intensitățile de câmp ridicate necesare pentru amplificarea gazului pot fi obținute cu diferențe de potențial relativ mici între corpul contorului și filament.
Orez. 7.2.
Contoare proporționale primite răspândită datorită simplității și impulsurilor mari de curent în timpul trecerii particulelor încărcate. În zilele noastre, contoarele proporționale sunt folosite în principal pentru înregistrarea radiațiilor β, radiațiilor γ moi, particulelor α și neutronilor. În fig. 7.3 prezintă principalele tipuri de contoare proporționale.
Orez. 7.3.
Contorul proporțional este conectat la circuitul electric în același mod ca și camera de ionizare. Iar impulsurile electrice de la acesta sunt aceleași ca de la cameră, doar de o magnitudine mai mare. S-ar părea că tot ce trebuie să faci este să aplici o tensiune suficient de mare pentru ca amplificarea gazului să fie mai mare, iar contorul proporțional va produce impulsuri atât de mari încât să se poată lucra cu ele fără amplificare ulterioară. Cu toate acestea, în realitate, acesta nu este cazul. Faptul este că, la amplificările mari de gaz, contorul începe să funcționeze instabil și proporționalitatea dintre energia particulelor și amplitudinea pulsului este încălcată.
Pentru a evita defecțiunile și nivelarea câmpului electric, contorul trebuie realizat cu mare atenție, curățându-și și lustruindu-și electrozii. Este foarte dificil să lustruiți un fir al cărui diametru se măsoară în sutimi de milimetru. Dacă câmpul electric din contor este neuniform de-a lungul filamentului, atunci impulsul va depinde nu numai de energia particulei, ci și de locul intrării acesteia în contor, ceea ce este în mod natural nedorit.
Prin urmare, proiectarea unui contor proporțional trebuie adesea să fie complicată prin introducerea de electrozi suplimentari în el pentru a nivela câmpul. Ca urmare a tuturor acestor complicații, este posibil să se producă contoare cu amplificari de gaz de zeci, sute și uneori chiar de mii de ori, dar acest lucru se dovedește adesea a fi prea puțin, astfel încât impulsurile primite de la ele să poată fi lucrate fără amplificare ulterioară.
Să luăm în considerare ce se întâmplă dacă creștem și mai mult tensiunea dintre electrozii contorului. În acest caz, atunci când o particulă încărcată lovește contorul, se formează o avalanșă extrem de puternică de electroni, care lovește electrodul pozitiv cu viteză mare și elimină mai mulți fotoni - cuante de radiație ultravioletă.
Acești fotoni, lovind electrodul negativ, pot rupe noi electroni, aceștia din urmă grăbindu-se din nou la electrodul pozitiv etc. Ca urmare, în contor apare o așa-numită descărcare independentă, care va arde cu intensitate constantă, indiferent dacă particule noi intră sau nu în contor. (Exact așa arde descărcarea în tuburile de neon ale reclamelor iluminate.)
Contorul trebuie să răspundă fiecărei particule care îl lovește, astfel încât nimeni nu are nevoie de acest mod de operare. Cu toate acestea, prin utilizarea circuitelor speciale de comutare sau prin adăugarea unor gaze grele în atmosfera contorului, este posibil să se creeze condiții în care descărcarea independentă care apare atunci când o particulă lovește contorul se va stinge de la sine după un timp foarte scurt. Astfel, fiecare particulă nouă care intră în contor va provoca apariția unui curent de scurtă durată, dar mai degrabă puternic.
Cel mai comun detector (senzor) de radiații ionizante care funcționează în modul descris mai sus este Contor Geiger-Muller. Principiul funcționării sale se bazează pe apariția unei descărcări într-un gaz în timpul trecerii particulelor ionizante. Un amestec de gaz constând în principal din neon și argon ușor ionizat este introdus într-un cilindru etanș bine evacuat cu doi electrozi, care este alimentat (dispozitivul trebuie să detecteze radiațiile β și γ). 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.
La electrozi se aplică tensiune înaltă U (Fig. 7.4), care în sine nu provoacă nici un fenomen de descărcare. Contorul va rămâne în această stare până când în mediul său gazos apare 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.
Orez. 7.4.
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. De exemplu, pentru un contor Geiger–Müller cu descărcare de gaz, tip SBM-20-1, timpul „mort” la U = 400 V este 190 R/µs.
Contoarele Geiger sunt capabile să răspundă la o varietate de tipuri de radiații ionizante - alfa, beta, gamma, ultraviolete, raze X, neutroni. Dar sensibilitatea spectrală reală a contorului depinde în mare măsură de designul său.
Amplitudinea pulsului de la un contor Geiger-Müller poate atinge câteva zeci sau chiar sute de volți. Puteți lucra cu astfel de impulsuri fără nicio amplificare. Dar această victorie a fost câștigată la un preț mare. Faptul este că amplitudinea pulsului într-un contor Geiger-Muller este determinată numai de proprietățile contorului însuși și de parametrii circuit electricși este complet independent fie de tipul, fie de energia particulei primare.
Impulsurile de la un electron lent, care a creat doar câteva perechi de ioni și de la o particulă alfa, care a creat câteva mii de ioni, se dovedesc a fi aceleași. Prin urmare, contoarele Geiger-Muller pot fi folosite doar pentru a număra numărul de particule care zboară în câmpuri de radiație uniforme, dar nu pentru a determina tipul și energia acestora.
Introducere
1. Scopul contoarelor
Dispozitivul și principiul de funcționare al contorului
Legile fizice de bază
1 Restaurarea funcționalității după înregistrarea unei particule
2 Caracteristici dozimetrice
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. Un amestec de gaz constând în principal din neon ușor ionizat și argon este introdus într-un cilindru etanș bine evacuat cu doi electrozi. 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 în mediul său gazos apare 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 dispozitivele de monitorizare a radiațiilor de uz casnic.
Contoarele Geiger sunt capabile să răspundă la o varietate de tipuri de 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.
geiger müller contor 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 opțiune este utilizată pentru înregistrarea particulelor care au o capacitate de penetrare scăzută (reținute, de exemplu, de o foaie de hârtie), dar care sunt foarte periculoase din punct de vedere biologic dacă sursa particulelor intră 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 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 particule din molecule sunt accelerați spre anod, dar gazul este slab ionizat din cauza intensității scăzute a câmpului 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 căderii de tensiune de la curentul pe rezistor (la marginea anterioară, potențialul este menținut de capacitatea interelectrodului) și un scăderea intensității câmpului electric în 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 și în captarea particulelor suprafata creste). 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, iar 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
.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 particule (2 în Fig. 3) lovește senzorul într-un interval scurt de timp după sosirea primei, atunci procesele de descărcare se dezvoltă slab din cauza tensiunii reduse și a 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 al contorului” (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. Cu cât valorile acestor parametri sunt mai mici, cu atât rata maximă de doză înregistrată este mai mare. 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 decât , nu sunt numărate). 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 merge într-o linie dreaptă orizontală pentru mai mult 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 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 A-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. Dependența ratei de numărare de tensiune (caracteristica de numărare) la diferite valori ale presiunii gazului și conținutului 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:
, (2)
Unde N BŞi N C - citirile contorului la începutul și sfârșitul platoului; U BŞi 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).
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 moleculei 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, ceea ce complică tehnologia de fabricație a senzorului 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. Câmp electricîntre catod și anod accelerează electronii până la energii 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 impulsul de curent, apare 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 din nou gata de funcționare.
O caracteristică importantă a contorului este eficiența acestuia. Nu toți fotonii γ care lovesc contorul vor da electroni secundari și vor fi înregistrați, deoarece actele de interacțiune a razelor γ 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 γ. 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 γ interacționează slab cu materia, eficiența contoarelor γ este de obicei 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
1 Acton D.R. Dispozitive de descărcare de gaze cu catod rece. M.;L.: Energie, 1965.
2 Kaganov I.L. Dispozitive ionice. M.: Energie, 1972.
3 Katsnelson B.V., Kalugin A.M., Larionov A.S. Dispozitive electronice electrovacuum și de descărcare în gaz: Manual. M.: Radio și comunicare, 1985.
4 Knoll M., Eichmeicher I. Electronica tehnică T. 2. M.: Energy, 1971.
5 Sidorenko V.V. Detectoare de radiații ionizante: Manual. L.: Construcții navale, 1989