В 1908 году физик из Германии Ганс Гейгер трудился в химических лабораториях, принадлежащих Эрнсту Резерфорду. Там же им было предложено испытать счетчик заряженных частиц, представлявший собой ионизированную камеру. Камера являлась электро-конденсатором, который наполняли газом под высоким давлением. Еще Пьер Кюри применял это устройство на практике, изучая электричество в газах. Идея Гейгера - обнаруживать излучения ионов - была связана с их влиянием на уровень ионизации летучих газов.
В 1928 г. немецкий ученый Вальтер Мюллер, работавший с Гейгером и под его началом, создал несколько счетчиков, регистрирующих ионизирующие частицы. Устройства были нужны для дальнейшего исследования радиации. Физика, будучи наукой экспериментов, не могла бы существовать без измерительных конструкций. Были открыты только несколько излучений: γ, β, α. Задача Гейгера состояла в том, чтобы измерить чувствительными приборами все виды излучения.
Счетчик Гейгера-Мюллера - простой и дешевый радиоактивный датчик. Это не точный инструмент, который фиксирует отдельные частицы. Техника измеряет общую насыщенность ионизирующего излучения. Физики используют его с другими датчиками, чтобы добиться точности расчетов при проведении экспериментов.
Немного об ионизирующих излучениях
Можно было бы сразу перейти к описанию детектора, но его работа покажется непонятной, если вы мало знаете об ионизирующих излучениях. При излучении происходит эндотермическое влияние на вещество. Этому способствует энергия. К примеру, ультрафиолет или радиоволна к таким излучениям не относятся, а вот жесткий ультрафиолетовый свет - вполне. Здесь определяется граница влияния. Вид именуется фотонным, а сами фотоны - это γ-кванты.
Эрнст Резерфорд поделил процессы испускания энергии на 3 вида, используя установку с магнитным полем:
- γ - фотон;
- α - ядро атома гелия;
- β - электрон с высокой энергией.
От частиц α можно защититься бумажным полотном. β проникают глубже. Способность проникновения γ самая высокая. Нейтроны, о которых ученые узнали позже, являются опасными частицами. Они воздействуют на расстоянии нескольких десятков метров. Имея электрическую нейтральность, они не вступают в реакцию с молекулами разных веществ.
Однако нейтроны легко попадают в центр атома, провоцируют его разрушение, из-за чего образуются радиоактивные изотопы. Распадаясь, изотопы создают ионизирующие излучения. От человека, животного, растения или неорганического предмета, получившего облучение, радиация исходит несколько дней.
Устройство и принцип работы счетчика Гейгера
Прибор состоит из металлической или стеклянной трубки, в которую закачан благородный газ (аргоново-неоновая смесь либо вещества в чистом виде). Воздуха в трубке нет. Газ добавляется под давлением и имеет примесь спирта и галогена. По всей трубке протянута проволока. Параллельно ей располагается железный цилиндр.
Проволока называется анодом, а трубка - катодом. Вместе они - электроды. К электродам подводится высокое напряжение, которое само по себе не вызывает разрядных явлений. В таком состоянии индикатор будет пребывать, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации. От источника питания к трубке подключается минус, а к проволоке - плюс, направленный через высокоуровневое сопротивление. Речь идет о постоянном питании в десятки сотен вольт.
Когда в трубку попадает частица, с ней сталкиваются атомы благородного газа. При соприкосновении выделяется энергия, отрывающая электроны от атомов газа. Затем образуются вторичные электроны, которые тоже сталкиваются, порождая массу новых ионов и электронов. На скорость электронов по направлению к аноду влияет электрическое поле. По ходу этого процесса образуется электрический ток.
При столкновении энергия частиц теряется, запас ионизированных атомов газа подходит к концу. Когда заряженные частицы попадают в газоразрядный счетчик Гейгера, сопротивление трубки падает, что немедленно снижает напряжение средней точки деления. Затем сопротивление вновь растет - это влечет за собой восстановление напряжения. Импульс становится отрицательным. Прибор показывает импульсы, а мы можем их сосчитать, заодно оценив количество частиц.
Виды счётчиков Гейгера
По конструкции счетчики Гейгера бывают 2 видов: плоский и классический.
Классический
Сделан из тонкого гофрированного металла. За счет гофрирования трубка приобретает жесткость и устойчивость к внешнему воздействию, что препятствует ее деформации. Торцы трубки оснащены стеклянными или пластмассовыми изоляторами, в которых находятся колпачки для вывода к приборам.
На поверхность трубки нанесен лак (кроме выводов). Классический счетчик считается универсальным измерительным детектором для всех известных видов излучений. Особенно для γ и β.
Плоский
Чувствительные измерители для фиксации мягкого бета-излучения имеют другую конструкцию. Из-за малого количества бета-частиц, их корпус имеет плоскую форму. Есть окошко из слюды, слабо задерживающее β. Датчик БЕТА-2 - название одного из таких приборов. Свойства других плоских счетчиков зависят от материала.
Параметры и режимы работы счетчика Гейгера
Чтобы рассчитать чувствительность счетчика, оцените отношение количества микрорентген от образца к числу сигналов от этого излучения. Прибор не измеряет энергию частицы, поэтому не дает абсолютно точной оценки. Калибровка устройств происходит по образцам изотопных источников.
Также нужно смотреть на следующие параметры:
Рабочая зона, площадь входного окна
Характеристика площади индикатора, через которую проходят микрочастицы, зависит от его размеров. Чем шире площадь, тем большее число частиц будет поймано.
Рабочее напряжение
Напряжение должно соответствовать средним характеристикам. Сама характеристика работы - это плоская часть зависимости количества фиксированных импульсов от напряжения. Ее второе название - плато. В этом месте работа прибора достигает пиковой активности и именуется верхним пределом измерений. Значение - 400 Вольт.
Рабочая ширина
Рабочая ширина - разница между напряжением выхода на плоскость и напряжением искрового разряда. Значение - 100 Вольт.
Наклон
Величина измеряется в виде процента от количества импульсов на 1 вольт. Он показывает погрешность измерения (статистическую) в подсчете импульсов. Значение - 0,15 %.
Температура
Температура важна, поскольку счётчик часто приходится применять в сложных условиях. Например, в реакторах. Счетчики общего использования: от -50 до +70 С по Цельсию.
Рабочий ресурс
Ресурс характеризуется общим числом всех импульсов, зафиксированных до момента, когда показания прибора становятся некорректными. Если в устройстве есть органика для самогашения, количество импульсов составит один миллиард. Ресурс уместно подсчитывать только в состоянии рабочего напряжения. При хранении прибора расход останавливается.
Время восстановления
Это промежуток времени, за который устройство проводит электричество после реагирования на ионизирующую частицу. Существует верхний предел для частоты импульсов, ограничивающий интервал измерений. Значение - 10 микросекунд.
Из-за времени восстановления (его ещё называют мертвое время) прибор может подвести в решающий момент. Для предотвращения зашкаливания производители устанавливают свинцовые экраны.
Есть ли у счетчика фон
Фон измеряется в толстостенной свинцовой камере. Обычное значение - не более 2 импульсов за минуту.
Кто и где применяет дозиметры радиации?
В промышленных масштабах выпускают много модификаций счетчиков Гейгера-Мюллера. Их производство началось во времена СССР и продолжается сейчас, но уже в Российской Федерации.
Устройство применяют:
- на объектах атомной промышленности;
- в научных институтах;
- в медицине;
- в быту.
После аварии на Чернобыльской АЭС дозиметры покупают и рядовые граждане. Во всех приборах установлен счетчик Гейгера. Такие дозиметры оснащают одной или двумя трубками.
Можно ли сделать счетчик Гейгера своими руками?
Изготовить счетчик самостоятельно сложно. Нужен датчик излучения, а его купить смогут далеко не все. Сама схема счетчика давно известна - в учебниках физики, например, её тоже печатают. Однако воспроизвести устройство в домашних условиях сумеет только настоящий «левша».
Талантливые мастера-самоучки научились делать счетчику заменитель, который также способен замерять гамма- и бета-излучения с помощью люминесцентной лампы и лампы накаливания. Также используют трансформаторы от сломанной техники, трубка Гейгера, таймер, конденсатор, различные платы, резисторы.
Заключение
Диагностируя излучения, нужно учитывать собственный фон измерителя. Даже при наличии свинцовой защиты приличной толщины скорость регистрации не обнуляется. У этого явления есть объяснение: причина активности - космическое излучение, проникающее через толщи свинца. Над поверхностью Земли ежеминутно проносятся мюоны, которые регистрируются счетчиком с вероятностью 100%.
Есть и еще один источник фона - радиация, накопленная самим устройством. Поэтому по отношению к счётчику Гейгера тоже уместно говорить об износе. Чем больше радиации прибор накопил, тем ниже достоверность его данных.
Счётчик Гейгера — газоразрядный прибор для счета числа прошедших через него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, пробивающийся при появлении ионизирующей частицы в объёме газа. Счетчики Гейгера — достаточно популярные детекторы (датчики) ионизирующего излучения. До сих пор им, изобретенным в самом начале нашего века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены.
Конструкция счетчика Гейгера достаточно проста. В герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая из легко ионизируемых неона и аргона. Материал баллона может быть различным — стеклянным, металлическим и др.
Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно». Повсеместное применение счетчика Гейгера-Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать различное излучение, сравнительной простотой и дешевизной установки.
Схема подключения счетчика Гейгера
К электродам подводят высокое напряжение U (см рис.), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В таком состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации — след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют «по дороге» другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс заканчивается образованием в пространстве между электродами электронно-ионного облака, значительно увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.
Обратный процесс — востановление газовой среды в ее первоначальное состояние в так называемых галогеновых счетчиках — происходит само собой. В ход вступают галогены (обычно хлор или бром), в малом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс протекает достаточно медленно. Время, необходимое для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие — «мертвое» время — является главной его паспортной характеристикой.
Такие счетчики обозначаются как галогеновые самогасящиеся. Отличаясь очень низким напряжением питания, хорошими параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались востребованными в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.
Счетчики Гейгера способны обнаруживать самые разные виды ионизирующего излучения — a, b, g, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но действительная спектральная чувствительность счетчика очень зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к a- и мягкому b-излучению, должно быть достаточно тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3…10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое b- и g-излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки 0,05….0,06 мм (он служит и катодом счетчика). Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового — из кварцевого стекла.
Зависимость скорости счета от напряжения питания в счетчике Гейгера
В счетчик нейтронов вводят бор, при взаимодействии с которым поток нейтронов преобразуется в легко регистрируемые a- частицы. Фотонное излучение — ультрафиолетовое, рентгеновское, g-излучение — счетчики Гейгера воспринимают опосредованно — через фотоэффект, комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом случае происходит преобразование взаимодействующего с веществом катода излучения в поток электронов.
Каждая фиксируемая счетчиком частица образует в его выходной цепи короткий импульс. Число импульсов, появляющихся в единицу времени, — скорость счета счетчика Гейгера — зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Стандартный график зависимости скорости счета от напряжения питания Uпит показан на рисунке выше. Здесь Uнс — напряжение начала счета; Uнг и Uвг — нижняя и верхняя граница рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение Uр обычно избирают в середине этого участка. Ему соответствует Nр — скорость счета в этом режиме.
Зависимость скорости счета от степени радиационного облучения счетчика — основная его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому зачастую радиационную чувствительность счетчика показывают через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета — имп/с — к уровню радиации — мкР/с).
В тех случаях, когда она не указана, определять о радиационной чувствительности счетчика приходится по другому его тоже крайне важному параметру — собственному фону. Так называют скорость счета, фактором которой являются две составляющие: внешняя — естественный радиационный фон, и внутренняя — излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода.
Зависимость скорости счета от энергии гамма-квантов («ход с жесткостью») в счетчике Гейгера
Еще одной существенной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц. В какой мере эта зависимость существенна, представляет график на рисунке. «Ход с жесткостью» будет сказываться, очевидно, на точность осуществляемых измерений.
То, что счетчик Гейгера является лавинным прибором, имеет и свои минусы — по реакции такого прибора нельзя судить о первопричине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые счетчиком Гейгера под действием a-частиц, электронов, g-квантов, ничем не отличаются. Сами частицы, их энергии полностью исчезают в порождаемых ими лавинах-близнецах.
В таблице приведены сведения о самогасящихся галогеновых счетчиках Гейгера отечественного производства, наиболее подходящих для бытовых приборов радиационного контроля.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| СБМ19 | 400 | 100 | 2 | 310* | 50 | 19х195 | 1 |
| СБМ20 | 400 | 100 | 1 | 78* | 50 | 11х108 | 1 |
| СБТ9 | 380 | 80 | 0,17 | 40* | 40 | 12х74 | 2 |
| СБТ10А | 390 | 80 | 2,2 | 333* | 5 | (83х67х37) | 2 |
| СБТ11 | 390 | 80 | 0,7 | 50* | 10 | (55х29х23,5) | 3 |
| СИ8Б | 390 | 80 | 2 | 350-500 | 20 | 82х31 | 2 |
| СИ14Б | 400 | 200 | 2 | 300 | 30 | 84х26 | 2 |
| СИ22Г | 390 | 100 | 1,3 | 540* | 50 | 19х220 | 4 |
| СИ23БГ | 400 | 100 | 2 | 200-400* | — | 19х195 | 1 |
- 1 — рабочее напряжение, В;
- 2 — плато — область малой зависимости скорости счета от напряжения питания, В;
- 3 — собственный фон счетчика, имп/с, не более;
- 4 — радиационная чувствительность счетчика, имп/мкР (* — по кобальту-60);
- 5 — амплитуда выходного импульса, В, не менее;
- 6 — габариты, мм — диаметр х длина (длина х ширина х высота);
- 7.1 — жесткое b — и g — излучение;
- 7.2 — то же и мягкое b — излучение;
- 7.3 — то же и a — излучение;
- 7.4 — g — излучение.
Строение и принцип работы счетчика Гейгера – Мюллера
В последнее время, внимание к радиационной безопасности со стороны обычных граждан в нашей стране все в большей степени возрастает. И это связано не только с трагическими событиями на чернобыльской АЭС и дальнейшими ее последствиями, но и с различного рода происшествиями, которые периодически случаются в том или ином месте планеты. В связи с этим, в конце прошлого века стали появляться приборы дозиметрического контроля радиации бытового назначения . И такие приборы очень многим людям спасли не только здоровье, но иногда и жизнь, и это касается не только прилежащих к зоне отчуждения территориях. Поэтому вопросы радиационной безопасности актуальны в любом месте нашей страны и по сегодняшний день.
В се бытовые и практически все профессиональные современные дозиметры оснащаются . По-другому его можно назвать чувствительным элементом дозиметра. Данный прибор был изобретен в 1908 году немецким физиком Гансом Гейгером, а спустя двадцать лет, данную разработку усовершенствовал еще один физик Вальтер Мюллер, и именно принцип этого устройства и применяется в и по настоящий момент.
Н екоторые современные дозиметры имеют сразу по четыре счетчика, что позволяет повысить точность измерений и чувствительность прибора, а также уменьшить время проведения замера. Большинство счетчиков Гейгера – Мюллера способны регистрировать гамма-излучение, высокоэнергетическое бета-излучение и рентгеновские лучи. Однако есть специальные разработки для определения альфа-частиц высоких энергий. Для настройки дозиметра на определение только гамма-излучения, самого опасного из трех видов радиации, чувствительную камеру укрывают специальным кожухом из свинца или другой стали, что позволяет отсечь проникновение в счетчик бета-частиц.
В современных дозиметрах бытового и профессионального назначения широко применяются датчики типа СБМ-20, СБМ-20-1, СБМ-20У, СБМ-21, СБМ-21-1. Они отличаются габаритными размерами камеры и другими параметрами, для линейки 20-х датчиков характерны следующие габариты, длина 110 мм, диаметр 11 мм, а для 21-й модели, длина 20-22 мм при диаметре 6мм. Важно понимать, что чем больше размеры камеры, тем большее количество радиоактивных элементов будет через нее пролетать, и тем большей чувствительностью и точностью она обладает. Так, для 20-х серий датчика характерны размеры в 8-10 раз большие, чем для 21-й, примерно в таких же пропорциях мы будем иметь разницу в чувствительности.
К онструкцию счетчика Гейгера можно схематически описать так. Датчик, состоящий из цилиндрического контейнера, в который закачан инертный газ (к примеру, аргон, неон или их смеси) под минимальным давлением, это делается для облегчения возникновения электрического разряда между катодом и анодом. Катод, чаще всего, представляет собой весь металлический корпус чувствительного датчика, а анод небольшую проволочку, размещенную на изоляторах. Иногда катод дополнительно оборачивают защитным кожухом из нержавейки или свинца, это делается для настройки счетчика на определение только гамма-квантов.
Д ля бытового применения, в настоящее время, чаще всего используются датчики торцевого исполнения (к примеру, Бета-1, Бета-2). Такие счетчики устроены таким образом, что способны обнаруживать и регистрировать даже альфа-частицы. Такой счетчик представляет собой плоский цилиндр с расположенными внутри электродами, и входным (рабочим) окном, выполненным из слюдяной пленки толщиной всего 12 мкм. Такая конструкция позволяет определить (с близкого расстояния) высокоэнергетические альфа-частицы и слабоэнергетические бета-частицы. При этом площадь рабочего окна счетчиков Бета-1 и Бета 1-1 составляет 7 кв.см. Площадь слюдяного рабочего окна для прибора Бета-2 в 2 раза больше, чем у Бета-1, его вполне можно использовать для определения , и т.д.
Е сли говорить о принципе работы камеры счетчика Гейгера, то вкратце ее можно описать следующим образом. При активации , на катод и анод подается высокое напряжение (порядка 350 – 475 вольт), через нагрузочный резистор, однако между ними не происходит разряда из-за инертного газа, служащего диэлектриком. При попадании в камеру , ее энергии оказывается достаточно, чтобы выбить свободный электрон из материала корпуса камеры или катода, этот электрон лавинообразно начинает выбивать свободные электроны из окружающего инертного газа и происходит его ионизация, которая в итоге приводит к разряду между электродами. Цепь замыкается, и данный факт можно зарегистрировать при помощи микросхемы прибора, что является фактом обнаружения или кванта гамма или рентгеновского излучения. Затем камера приходит в исходное состояние, что позволяет обнаружить следующую частицу.
Ч тобы процесс разряда в камере прекратить и подготовить камеру для регистрации следующей частицы, существует два способа, один из них основан на том, что на очень короткий промежуток времени прекращается подача напряжения на электроды, что прекращает процесс ионизации газа. Второй способ основан на добавлении в инертный газ еще одного вещества, к примеру, йода, спирта и других веществ, при этом они приводят к уменьшению напряжения на электродах, что также прекращает процесс дальнейшей ионизации и камера становится способной обнаружить следующий радиоактивный элемент. При данном методе используется нагрузочный резистор большой емкости.
П о количеству разрядов в камере счетчика и можно судить об уровне радиации на измеряемой местности или от конкретного предмета.
Регистрация ионизирующих излучений приборами основана на преобразовании излучений детектором и измерительной схемой в электрические сигналы, принятые в практике измерений.
Приборы для измерения ионизирующих излучений могут регистрировать различные физические величины. Наиболее интересны следующие из них: поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы и их мощность, плотность потока частиц, флюенс частиц, объемная, массовая, поверхностная, эффективная активности.
Любой прибор, измеряющий ионизирующие излучения, содержит детектор, измерительную схему (регистратор или анализатор) и вспомогательные элементы.
Детектор преобразует информацию о параметрах излучений в энергию электрического сигнала. По преобразованию энергии излучения в другие виды энергии детекторы можно разделить на следующие группы:
- ионизационные (газовые счетчики, ионизационные камеры, полупроводниковые счетчики);
- сцинтилляционные;
- фотографические;
- химические.
Измерительная схема выделяет, преобразует, накапливает, хранит и выдает информацию в виде электрических сигналов, удобных для наблюдения, записи, вычисления или управления другими приборами. Вспомогательные элементы обеспечивают заданные режимы работы детектора и измерительной схемы. К ним относятся источники питания, блоки программирования режима работы, контроля исправности и градуировки, регистрирующие устройства (цифропечатающие устройства, самописцы, осциллографы, счетчики импульсов и т.д.).
Функциональные схемы приборов в значительной мере определяются формой сигналов, поступающих от детекторов излучений и с выхода измерительной схемы (в виде импульсов – дискретная форма информации или в виде медленно меняющегося тока (напряжения) – аналоговая форма информации).
Приборы с дискретной формой входной и выходной информации могут включать в себя усилители, стандартизаторы и дискриминаторы импульсов, счетные и анализирующие схемы с суммированием и памятью двоичным, десятичным и другими способами счисления.
Импульсы, несущие информацию о параметрах излучения, могут отличаться по амплитуде, форме и времени появления. Разделением этих импульсов но их параметрам с помощью анализирующих устройств удается измерять не только плотность потока излучения по средней скорости следования импульсов, но и энергию, вид и пространственное распределение излучения.
Анализирующие устройства обычно работают в двух режимах обработки информации. В первом случае анализатором отбираются импульсы с заданными параметрами, во втором – сигналы отбираются по группам в зависимости от заданных параметров отбора.
В приборах с аналоговым видом входной и выходной информации применяются электрометрические и выходные усилители постоянного тока. В схемах с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный используются преобразователи и усилители переменного тока.
Для перекрытия необходимого диапазона измерений с заданной точностью в устройствах с аналоговым видом выходной информации применяются показывающие и самопишущие приборы с линейной и нелинейной шкалами (логарифмической, линейно-логарифмической и т.д.), а также цифровые вольтметры с цифропечатающими устройствами.
Информация на выходе приборов может быть как дискретной, так и аналоговой независимо от формы информации на входе.
Аналоговая информация, поступающая от токовых детекторов излучений (ионизационные камеры), в ряде приборов преобразуется в дискретную путем дозирования – квантования зарядов.
Значительное число приборов с дискретной информацией на входе имеют аналоговую выходную информацию; к ним относятся радиометры, рентгенометры, интенсиметры с измерителями средней скорости следования импульсов.
Результаты измерений могут представляться в виде сигналов, наблюдаемых визуально (показания стрелочных приборов, на экране осциллографа или компьютера и т.д.); зафиксированных регистрирующим устройством (счетчиком импульсов, самописцем, цифропtчатающим устройством и т.д.). Сигналы могут быть звуковыми, генерируемыми телефонами, звонками, сиренами и т.д., подаваться для управления другими приборами.
Любой вид излучения при взаимодействии с веществом приводит к появлению ионизации и возбуждения. Заряженные частицы вызывают эти процессы непосредственно, при поглощении g-квантов ионизацию создают быстрые электроны, возникающие в результате фотоэффекта, эффекта Комптона или при рождении пар, а в случае нейтронов ионизация создается быстролетящими ядрами. При этом одна первичная частица может привести к появлению сотен тысяч ионов, благодаря чему сопровождающие ионизацию вторичные эффекты (электрический ток, вспышка света, потемнение фотопластинки и др.) могут быть замечены человеком непосредственно с помощью его органов чувств; иногда эти эффекты остается лишь усилить в нужное число раз. Таким образом, ионизация является как бы своеобразным усилителем явлений взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Поэтому работа всех регистрирующих приборов так или иначе связана с использованием ионизации и возбуждения атомов вещества.
Электроны, образующиеся при различных видах взаимодействий, тормозятся в среде, затрачивая свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов. Образовавшиеся ионы и свободные электроны быстро рекомбинируют, так что заряд через очень короткое время (10-5 с для газов) исчезает. Этого не происходит, если в среде создать электрическое поле. В этом случае носители заряда будут дрейфовать вдоль поля, положительные в одну сторону, отрицательные – в другую. Движение зарядов является электрическим током, измерив который, можно определить величину заряда.
Именно так действует ионизационная камера. Она представляет из себя герметичный объем, наполненный газом, в котором расположены два металлических электрода (рис. 7.1). К электродам приложено электрическое напряжение. При прохождении электрона, образовавшегося при взаимодействии γ-кванта с веществом, свободные заряды – ионы и электроны – дрейфуют к электродам, и в цепи возникает импульс тока, пропорциональный заряду, образованному электроном.
Рис. 7.1.
К сожалению, импульсы тока от электронов, образованных частицами малых энергий и γ-квантами, очень малы. Их трудно точно измерить, поэтому ионизационные камеры используются для регистрации тяжелых частиц, например, α-частиц, которые образуют при прохождении через ионизационную камеру значительно бо́льшие импульсы тока.
Если повысить напряжение на электродах ионизационной камеры, то возникает явление, названное газовым усилением. Свободные электроны, двигаясь в электрическом поле, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов газа, наполняющего камеру. При ионизации электрон образует еще одну пару ион – электрон, так что общее количество зарядов умножается на два, как это показано на рис. 7.2. В свою очередь новообразовавшиеся электроны тоже способны к ионизации, и таким образом заряд умножается еще и еще. При специальной форме электродов коэффициент газового усиления может достигать 105. Существенным здесь является тот факт, что конечный заряд остается пропорционален первичному, а значит, и энергии электрона, образованного частицей или γ-квантом. Именно по этой причине такие приборы называются пропорциональными счетчиками.
Обычно пропорциональный счетчик делают в виде цилиндра, вдоль оси которого натягивают тонкую металлическую проволочку – нить. К корпусу счетчика подключают отрицательный, а к нити – положительный полюс источника тока. При таком устройстве электрическое поле сосредоточивается главным образом около нити и максимальное значение напряженности поля оказывается тем выше, чем меньше радиус нити. Поэтому необходимые для газового усиления большие напряженности полей удается получить при сравнительно небольших разностях потенциалов между корпусом счетчика и нитью.
Рис. 7.2.
Пропорциональные счетчики получили широкое распространение благодаря своей простоте и большим импульсам тока при прохождении заряженных частиц. Сейчас пропорциональные счетчики используют главным образом для регистрации β-излучения, мягкого γ-излучения, α-частиц и нейтронов. На рис. 7.3 представлены основные тины пропорциональных счетчиков.
Рис. 7.3.
В электрическую цепь пропорциональный счетчик включается так же, как и ионизационная камера. И электрические импульсы от него получаются такие же, как от камеры, только большей величины. Казалось бы, стоит только применить достаточно высокое напряжение, чтобы газовое усиление было больше, и пропорциональный счетчик даст настолько большие импульсы, что работать с ними можно будет без дальнейшего усиления. Однако на самом деле это не так. Дело в том, что при больших газовых усилениях счетчик начинает работать нестабильно и пропорциональность между энергией частиц и амплитудой импульса нарушается.
Чтобы избежать появления пробоев и выровнять электрическое поле, счетчик приходится делать очень тщательно, зачищая и полируя его электроды. Отполировать же нить, диаметр которой измеряется сотыми долями миллиметра, очень сложно. Если электрическое поле в счетчике будет неоднородным вдоль нити, то импульс будет зависеть не только от энергии частицы, но и от места ее попадания в счетчик, что, естественно, нежелательно.
Поэтому конструкцию пропорционального счетчика часто приходится усложнять, вводя в него дополнительные электроды для выравнивания поля. В результате всех этих усложнений удается изготовить счетчики с газовыми усилениями в десятки, сотни, а иногда даже в тысячи раз, но и этого зачастую оказывается слишком мало, чтобы с получаемыми от них импульсами можно было работать без последующего усиления.
Рассмотрим, что произойдет, если еще больше увеличить напряжение между электродами счетчика. В этом случае при попадании в счетчик заряженной частицы образуется чрезвычайно мощная лавина электронов, которая с большой скоростью обрушивается на положительный электрод и выбивает из него несколько фотонов – квантов ультрафиолетового излучения.
Эти фотоны, попадая на отрицательный электрод, могут вырвать новые электроны, последние опять устремятся к положительному электроду и т.д. В результате в счетчике возникает так называемый самостоятельный разряд, который будет гореть с постоянной силой независимо от того, попадают в счетчик новые частицы или нет. (Точно так горит разряд в неоновых трубках световых реклам.)
Счетчик же должен реагировать на каждую попадающую в него частицу, поэтому такой режим работы никому не нужен. Однако, применяя специальные схемы включения или добавляя в атмосферу счетчика некоторые тяжелые газы, можно создать условия, при которых возникший при попадании в счетчик частицы самостоятельный разряд сам по себе будет гаснуть через очень короткое время. Таким образом, попадание в счетчик каждой новой частицы будет вызывать появление кратковременного, но довольно сильного тока.
Самым распространенным детектором (датчиком) ионизирующего излучения, работающим в описанном выше режиме, является счетчик Гейгера – Мюллера. Принцип его работы основан на возникновении разряда в газе при пролете ионизирующих частиц. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами, находящийся под напряжением, введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона (устройство должно регистрировать β- и γ-излучение). Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное "окно".
К электродам прикладывают высокое напряжение U (рис. 7.4), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В этом состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации – след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют "по дороге" другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.
Рис. 7.4.
Обратный процесс – возвращение газовой среды в ее исходное состояние в так называемых галогеновых счетчиках – происходит сам собой. В действие вступают галогены (обычно хлор или бром), в небольшом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие – "мертвое" время – является важной его паспортной характеристикой. Например, для газоразрядного счетчика Гейгера – Мюллера, типа СБМ-20-1 "мертвое" время при U = 400 В составляет 190 Р/мкс.
Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения – альфа, бета, гамма, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции.
Амплитуда импульса от счетчика Гейгера – Мюллера может достигать нескольких десятков или даже сот вольт. С такими импульсами можно работать без всякого усиления. Но эта победа была завоевана дорогой ценой. Дело в том, что амплитуда импульса в счетчике Гейгера – Мюллера определяется только свойствами самого счетчика и параметрами электрической цепи и совершенно не зависит ни от вида, ни от энергии первичной частицы.
Импульсы от медленного электрона, создавшего всего лишь несколько пар ионов, и от α-частицы, создавшей несколько тысяч ионов, оказываются одинаковыми. Поэтому счетчики Гейгера – Мюллера можно использовать только для подсчета числа пролетевших частиц в однородных полях излучений, но не для определения их типа и энергии.
Введение
1. Назначение счетчиков
Устройство и принцип действия счетчика
Основные физические закономерности
1 Восстановление работоспособности после регистрации частицы
2 Дозиметрическая характеристика
3 Счетная характеристика датчика
Заключение
Список литературы
Введение
Счетчики Гейгера-Мюллера - самые распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения. До сих пор им, изобретенным в самом начале нашего века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены. В своей основе счетчик Гейгера очень прост. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона. Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно».
К электродам прикладывают высокое напряжение U (см рис.), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В этом состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации - след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют «по дороге» другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.
Обратный процесс - возвращение газовой среды в ее исходное состояние в так называемых галогеновых счетчиках - происходит само собой. В действие вступают галогены (обычно хлор или бром), в небольшом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие - «мертвое» время - является важной его паспортной характеристикой. Такие счетчики называют галогеновыми самогасящимися. Отличаясь самым низким напряжением питания, превосходными параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались особенно удобными для применения в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.
Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения - a, b, g, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к a- и мягкому b-излучению, должно быть очень тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3...10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое b- и g-излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки 0,05....0,06 мм (он служит и катодом счетчика). Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового - из кварцевого стекла.
счетчик гейгер мюллер
дозиметрический излучение
1. Назначение
счетчиков
Счетчик Гейгера - Мюллера это двухэлектродный прибор, предназначенный для определения интенсивности ионизирующего излучения или, иными словами, - для счета возникающих при ядерных реакциях ионизирующих частиц: ионов гелия (- частиц), электронов (- частиц), квантов рентгеновского излучения (- частиц) и нейтронов. Частицы распространяются с очень большой скоростью [до 2 . 10 7 м/с для ионов (энергия до 10 МэВ) и около скорости света для электронов (энергия 0,2 - 2 МэВ)], благодаря чему проникают внутрь счетчика. Роль счетчика заключается в формировании короткого (доли миллисекунды) импульса напряжения (единицы - десятки вольт) при попадании частицы в объём прибора.
В сравнении с другими детекторами (датчиками) ионизирующих излучений (ионизационной камерой, пропорциональным счетчиком) счетчик Гейгера-Мюллера отличается высокой пороговой чувствительностью - он позволяет контролировать естественный радиоактивный фон земли (1 частица на см 2 за 10 - 100 секунд). Верхний предел измерения сравнительно невысок - до 10 4 частиц на см 2 в секунду или до 10 Зиверт в час (Зв/ч). Особенностью счетчика является способность формировать одинаковые выходные импульсы напряжения вне зависимости от рода частиц, их энергии и числа ионизаций, произведенных частицей в объеме датчика.
2. Устройство и
принцип действия счетчика
Работа счетчика Гейгера основана на несамостоятельном импульсном газовом разряде между металлическими электродами, который инициируется одним или несколькими электронами, появляющимися в результате ионизации газа -, -, или -частицей. В счетчиках обычно используется цилиндрическая конструкция электродов, причем диаметр внутреннего цилиндра (анода) много меньше (2 и более порядков), чем наружного (катода), что имеет принципиальное значение. Характерный диаметр анода 0,1 мм.
Частицы поступают в
счетчик через вакуумную оболочку и катод в «цилиндрическом» варианте
конструкции (рис. 2,а
) или через специальное плоское тонкое окно в
«торцевом» варианте конструкции (рис. 2,б)
. Последний вариант
используется для регистрации -частиц, обладающих
низкой проникающей способностью (задерживаются, например, листом бумаги), но
очень опасных в биологическом отношении при попадании источника частиц внутрь
организма. Детекторы со слюдяными окнами используются также для счета -частиц
сравнительно малой энергии («мягкое» бэта-излучение).
Рис. 2. Схематические
конструкции цилиндрического (а
) и торцевого (б)
счетчиков
Гейгера. Обозначения: 1 - вакуумная оболочка (стекло); 2 - анод; 3 - катод; 4 -
окно (слюда, целлофан)
В цилиндрическом варианте счетчика, предназначенного для регистрации -частиц высокой энергии или мягкого рентгеновского излучения, используют тонкостенную вакуумную оболочку, а катод выполняют из тонкой фольги или в виде тонкой пленки металла (медь, алюминий), напылённой на внутреннюю поверхность оболочки. В ряде конструкций тонкостенный металлический катод (с ребрами жесткости) является элементом вакуумной оболочки. Жесткое рентгеновское излучение (-частицы) обладает повышенной проникающей способностью. Поэтому его регистрируют детекторами с достаточно толстыми стенками вакуумной оболочки и массивным катодом. В счетчиках нейтронов катод покрывается тонким слоем кадмия или бора, в котором нейтронное излучение преобразуется в радиоактивное через ядерные реакции.
Объем прибора обычно заполнен аргоном или неоном с небольшой (до 1 %) примесью аргона при давлении, близком к атмосферному (10 -50 кПа). Для устранения нежелательных послеразрядных явлений в газовое наполнение вводится примесь паров брома или спирта (до 1 %).
Способность счетчика Гейгера регистрировать частицы независимо от их рода и энергии (генерировать один импульс напряжения независимо от количества образованных частицей электронов) определяется тем, что благодаря очень малому диаметру анода почти все приложенное к электродам напряжение сосредоточено в узком прианодном слое. За пределами слоя находится “область улавливания частиц”, в которой они ионизируют молекулы газа. Электроны, оторванные частицей от молекул, ускоряются к аноду, но газ ионизируют слабо из-за малой напряженности электрического поля. Ионизация резко усиливается после входа электронов в прианодный слой с большой напряженностью поля, где развиваются электронные лавины (одна или несколько) с очень высокой степенью размножения электронов (до 10 7). Однако возникающий за счет этого ток еще не достигает величины, соответствующей формированию сигнала датчика.
Дальнейший рост тока до рабочего значения обусловлен тем, что в лавинах одновременно с ионизацией генерируются ультрафиолетовые фотоны с энергией около 15 эВ, достаточной для ионизации молекул примеси в газовом наполнении (например, потенциал ионизации молекул брома равен 12,8 В). Электроны, появившиеся в результате фотоионизации молекул за пределами слоя, ускоряются к аноду, но лавины здесь не развиваются из-за малой напряженности поля и процесс слабо влияет на развитие разряда. В слое ситуация иная: образующиеся фотоэлектроны благодаря большой напряженности инициируют интенсивные лавины, в которых генерируются новые фотоны. Их количество превышает первоначальное и процесс в слое по схеме «фотоны - электронные лавины - фотоны» быстро (несколько микросекунд) нарастает (входит в «спусковой режим»). При этом разряд от места первых лавин, инициированных частицей, распространяется вдоль анода («поперечное зажигание»), анодный ток резко увеличивается и формируется передний фронт сигнала датчика.
Задний фронт сигнала (уменьшение тока) обусловлен двумя причинами: снижением потенциала анода за счет падения напряжения от тока на резисторе (на переднем фронте потенциал поддерживается межэлектродной емкостью) и снижением напряженности электрического поля в слое под действием пространственного заряда ионов после ухода электронов на анод (заряд повышает потенциалы точек, в результате чего перепад напряжения на слое уменьшается, а на области улавливания частиц увеличивается). Обе причины снижают интенсивность развития лавин и процесс по схеме «лавины - фотоны - лавины» затухает, а ток через датчик уменьшается. После окончания импульса тока потенциал анода увеличивается до исходного уровня (с некоторой задержкой из-за заряда межэлектродной емкости через анодный резистор), распределение потенциала в промежутке между электродами возвращается к первоначальной форме в результате ухода ионов на катод и счетчик восстанавливает способность регистрировать поступление новых частиц.
Выпускаются десятки
типов детекторов ионизирующих излучений . При их обозначении используется
несколько систем. Например, СТС-2, СТС-4 - счетчики торцевые самогасящиеся, или
МС-4 - счетчик с медным катодом (В - с вольфрамовым, Г - с графитовым), или
САТ-7 - счетчик -частиц
торцевой, СБМ-10 - счетчик -частиц металлический,
СНМ-42 - счетчик нейтронов металлический, СРМ-1 - счетчик для рентгеновского
излучения и т. д.
3. Основные физические закономерности
.1 Восстановление
работоспособности после регистрации частицы
Время ухода ионов из промежутка
после регистрации частицы оказывается сравнительно большим - единицы
миллисекунд, что ограничивает верхний предел измерения мощности дозы излучения.
При высокой интенсивности излучения частицы поступают с интервалом, меньшим
времени ухода ионов, и некоторые частицы датчик не регистрирует. Процесс
иллюстрируется осциллограммой напряжения на аноде датчика в ходе восстановления
его работоспособности (рис. 3).
Рис. 3. Осциллограммы
напряжения на аноде счетчика Гейгера. U o
- амплитуда сигнала
в нормальном режиме (сотни вольт). 1 - 5 - номера частиц
Поступление первой частицы (1 на рис. 3) в объем датчика инициирует импульсный газовый разряд, что ведет к снижению напряжения на величину U o (нормальная амплитуда сигнала). Далее напряжение возрастает в результате медленного уменьшения тока через промежуток по мере ухода ионов на катод и за счет заряда межэлектродной емкости от источника напряжения через ограничительный резистор. Если в датчик через небольшой интервал времени после поступления первой попадает другая частица (2 на рис. 3), то разрядные процессы развиваются слабо из-за пониженного напряжения и малой напряженности поля у анода в условиях действия пространственного заряда ионов. Сигнал датчика в этом случае оказывается недопустимо малым. Поступление второй частицы через более длительный интервал времени после первой (частицы 3 - 5 на рис. 3) дает сигнал большей амплитуды, так как напряжение увеличивается, а пространственный заряд уменьшается.
Если вторая частица поступает в датчик после первой через интервал, меньший, чем отрезок времени между частицами 1 и 2 на рис. 3, то по изложенным выше причинам датчик вообще сигнал не вырабатывает (“не считает” частицу). В связи с этим временной интервал между частицами 1 и 2 называется “мертвым временем счетчика” (амплитуда сигнала частицы 2 составляет 10 % от нормальной). Отрезок времени между частицами 2 и 5 на рис. 3 называется «временем восстановления датчика» (сигнал частицы 5 составляет 90 % нормального). В течение этого времени амплитуда сигналов датчика понижена, и они могут не регистрироваться счетчиком электрических импульсов.
Мертвое время (0,01 - 1 мс) и время восстановления (0,1 - 1 мс) являются важными параметрами счетчика Гейгера. Наибольшая регистрируемая мощность дозы тем выше, чем меньше значения этих параметров. Основными факторами, определяющими параметры, являются давление газа и величина ограничительного резистора. С уменьшением давления и величины резистора мертвое время и время восстановления уменьшаются, так как увеличивается скорость ухода ионов из промежутка и уменьшается постоянная времени процесса заряда межэлектродной емкости.
3.2 Дозиметрическая
характеристика
Чувствительность
счетчика Гейгера - это отношение частоты генерируемых датчиком импульсов к
мощности дозы излучения, измеряемой в микрозивертах на час (мкЗв/ч; варианты:
Зв/с, мЗв/с, мкЗв/с). Характерные значения чувствительности: 0,1 - 1 импульсов
на микрозиверт. В рабочем диапазоне чувствительность является коэффициентом
пропорциональности между показаниями счетчика (количеством импульсов в секунду)
и мощностью дозы. За пределами диапазона пропорциональность нарушается, что
отражает дозиметрическая характеристика детектора - зависимость показаний от
мощности дозы (рис. 4).
Рис. Зависимости
скорости счета от мощности дозы радиоактивного излучения (дозиметрические
характеристики) для двух счетчиков с различным давлением газа (1 - 5 кПа, 2 -
30 кПа)
Из физических соображений следует, что показания датчика по мере увеличения мощности дозы не могут превысить величину (1/), где - мертвое время датчика (частицы, поступающие через интервал времени, меньший , не считаются). Поэтому рабочий линейный участок дозиметрической характеристики плавно переходит в области интенсивной радиации в горизонтальную прямую на уровне (1/).
С уменьшением мертвого
времени дозиметрическая характеристика датчика переходит в горизонтальную
прямую на более высоком уровне при более высокой мощности радиации, и верхний
предел измерения повышается. Такая ситуация наблюдается при уменьшении давления
газа (рис. 4). Однако одновременно снижается чувствительность датчика
(увеличивается количество частиц, пересекающих газоразрядный промежуток без
столкновений с молекулами). Поэтому при уменьшении давления дозиметрическая характеристика
опускается вниз. Математически характеристика описывается следующим
соотношением:
где N
- скорость
счета (показания датчика - число импульсов в секунду); -
чувствительность счетчика (импульсов в секунду на микрозиверт); Р
-
мощность дозы радиации; -
мертвое время датчика (в секундах).
3.3 Счетная
характеристика датчика
Контроль мощности дозы излучения наиболее часто приходится вести вне помещений или в полевых условиях, где электрическое питание датчика осуществляется от аккумуляторов или других гальванических источников. Их напряжение по мере работы уменьшается. В то же время, газоразрядные процессы в датчике зависят от напряжения в очень сильной степени. Поэтому зависимость показаний счетчика Гейгера от напряжения при неизменной мощности дозы радиации является одной из наиболее важных характеристик датчика. Зависимость называется счетной характеристикой датчика (рис. 5).
На одной из представленных зависимостей (кривая 2) отмечены характерные точки A - D . При малом напряжении (левее точки А ) электроны, образующиеся в датчике при попадании ионизирующей частицы, инициируют электронные лавины, но их интенсивность недостаточна для формирования импульса тока необходимой амплитуды, и показания счетчика равны нулю. Точка А соответствует «напряжению начала счета». При увеличении напряжения на участке А - В показания счетчика возрастают, поскольку растет вероятность поступления электронов из области улавливания частиц в прианодный слой с большой напряженностью поля. При низком напряжении электроны за время движения к слою рекомбинируют с ионами (предварительно могут «прилипать» к молекулам примеси брома с образованием отрицательных ионов). В точке В напряжение достаточно для быстрого перемещения практически всех электронов в слой, а интенсивность рекомбинации близка к нулю. Датчик вырабатывает сигналы нормальной амплитуды.
На рабочем участке
счетной характеристики В - С
(«плато характеристики») показания счетчика
слабо увеличиваются с ростом напряжения, что имеет важное практическое значение
и является достоинством счетчика Гейгера. Его качество тем выше, чем больше
протяженность плато (100 -400 В) и меньше крутизна горизонтального участка
счетной характеристики.
Рис. 5. Зависимости
скорости счета от напряжения (счетная характеристика) при различных значениях
давления газа и содержания примеси брома: 1 - 8 кПа, 0,5 %; 2 - 16 кПа, 0,5 %;
3 - 16 кПа, 0,1 % для мощности дозы излучения 5 мкЗв/ч. A, B, C, D
-
характерные точки кривой 2
Крутизна (или наклон)
плато S
характеризуется процентным изменением показаний счетчика на
единицу напряжения:
, (2)
где N B и N C - показания счетчика в начале и конце плато; U B и U C - значения напряжения в начале и конце плато. Характерные значения крутизны 0,01 - 0,05 %/В.
Относительная стабильность показаний на плато счетной характеристики обеспечивается специфическим типом разряда, возникающего в датчике с приходом ионизирующей частицы. Увеличение напряжения интенсифицирует развитие электронных лавин, но это приводит лишь к ускорению распространения разряда вдоль анода, а способность счетчика генерировать один сигнал на одну частицу почти не нарушается.
Небольшой рост скорости счета с увеличением напряжения на плато счетной характеристики связан с эмиссией электронов из катода под действием разряда. Эмиссия обусловлена так называемыми -процессами, под которыми понимают вырывание электронов ионами, возбужденными атомами и фотонами. Коэффициент условно считается равным количеству электронов, приходящихся на один ион (возбужденные атомы и фотоны подразумеваются). Характерные значения коэффициента составляют 0,1 - 0,01 (10 - 100 ионов вырывают электрон в зависимости от рода газа и материала катода). При таких значениях коэффициента счетчик Гейгера не функционирует, поскольку выходящие из катода электроны регистрируются как ионизирующие частицы (регистрируются “ложные” сигналы).
Нормальное функционирование счетчика обеспечивается введением в газовое наполнение примеси брома или паров спирта (“гасящие примеси”), что резко снижает коэффициент (ниже 10 -4). В этом случае число ложных сигналов также резко уменьшается, но остается ощутимым (например, единицы процентов). С увеличением напряжения разрядные процессы усиливаются, т.е. количество ионов, возбужденных атомов и фотонов увеличивается и соответственно возрастает количество ложных сигналов. Этим объясняются небольшой рост показаний датчика на плато счетной характеристики (увеличение наклона) и окончание плато (переход в крутой участок C - D ). При увеличении содержания примеси коэффициент снижается в большей степени, что уменьшает наклон плато и увеличивает его длину (кривые 2 и 3 на рис. 5).
Физический механизм действия гасящих примесей заключается в резком снижении поступления на катод ионов, возбужденных атомов и фотонов, способных вызывать эмиссию электронов, а также в повышении работы выхода электронов из катода. Ионы основного газа (неон или аргон) в процессе движения к катоду становятся нейтральными атомами в результате «перезарядки» при столкновениях с молекулами примеси, так как потенциалы ионизации неона и аргона больше, чем брома и спирта (соответственно: 21,5 В; 15,7 В; 12,8 В; 11,3 В). Выделяющаяся при этом энергия расходуется на разрушение молекул или на образование низкоэнергетичных фотонов, не способных вызвать фотоэмиссию электронов. Такие фотоны, к тому же, хорошо поглощаются молекулами примеси.
Образующиеся при перезарядке ионы примеси на катод попадают, но эмиссию электронов не вызывают. В случае брома это объясняется тем, что потенциальная энергия иона (12,8 эВ) недостаточна для вырывания из катода двух электронов (один - на нейтрализацию иона, а другой - для начала электронной лавины), так как работа выхода электронов из катода при наличии примеси брома повышается до 7 эВ. В случае спирта при нейтрализации ионов на катоде выделяющаяся энергия обычно расходуется на диссоциацию сложной молекулы, а не на вырывание электронов.
Возникающие в разряде долгоживущие (метастабильные) возбужденные атомы основного газа принципиально могут попадать на катод и вызывать эмиссию электронов, поскольку их потенциальная энергия достаточно велика (например, 16,6 эВ для неона). Однако вероятность процесса оказывается очень малой, так как атомы при столкновениях с молекулами примеси передают им свою энергию - «гасятся». Энергия расходуется на диссоциацию молекул примеси или на излучение низкоэнергетичных фотонов, не вызывающих фотоэмиссию электронов из катода и хорошо поглощаемых молекулами примеси.
Приблизительно аналогичным образом “гасятся” поступающие из разряда высокоэнергетичные фотоны, способные вызвать эмиссию электронов из катода: они поглощаются молекулами примеси с последующим расходом энергии на диссоциацию молекул и излучение низкоэнергетичных фотонов.
Долговечность счетчиков с добавкой брома значительно выше (10 10 - 10 11 импульсов), так как она не ограничена разложением молекул гасящей примеси. Снижение концентрации брома обусловлено его сравнительно высокой химической активностью, что усложняет технологию изготовления датчика и накладывает ограничения на выбор материала катода (применяется, например, нержавеющая сталь).
Счетная характеристика
зависит от давления газа: с его увеличением повышается напряжение начала счета
(точка А
на рис 5 смещается вправо), а уровень плато повышается в
результате более эффективного улавливания ионизирующих частиц молекулами газа в
датчике (кривые 1 и 2 на рис 5). Повышение напряжения начала счета объясняется
тем, что условия в датчике соответствуют правой ветви кривой Пашена.
Заключение
Широкое применение счётчика Гейгера-Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать разного рода излучения, сравнительной простотой и дешевизной установки. Счётчик был изобретен в 1908 году Гейгером и усовершенствован Мюллером.
Цилиндрический счётчик Гейгера-Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки, и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка - катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы - аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 400В.Для большинства счетчиков существует так называемое плато, которое лежит приблизительно от 360 до 460 В,в этом диапазоне небольшие колебания напряжения не влияют на скорость счета.
Работа счетчика основана на ударной ионизации.γ-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счётчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается - настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.
Важной характеристикой счётчика является его эффективность. Не все γ-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия γ-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема.
Эффективность счётчика зависит от
толщины стенок счётчика, их материала и энергии γ-излучения. Наибольшей эффективностью обладают счётчики, стенки
которых сделаны из материала с большим атомным номером Z, так как при этом увеличивается
образование вторичных электронов. Кроме того, стенки счётчика должны быть
достаточно толстыми. Толщина стенки счётчика выбирается из условия её равенства
длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой
толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объем счётчика, и
возникновения импульса тока не произойдет. Так как γ-излучение слабо
взаимодействует с веществом, то обычно эффективность γ-счётчиков также мала и
составляет всего 1-2 %. Другим недостатком счётчика Гейгера-Мюллера является
то, что он не даёт возможность идентифицировать частицы и определять их
энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счётчиках.
Список литературы
1 Актон Д.Р. Газоразрядные приборы с холодным катодом. М.;Л.: Энергия, 1965.
2 Каганов И.Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1972.
3 Кацнельсон Б.В., Калугин А.М., Ларионов А.С. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы: Справочник. М.: Радио и связь, 1985.
4 Кноль М., Эйхмейхер И. Техническая электроника Т. 2. М.: Энергия, 1971.
5
Сидоренко В.В. Детекторы ионизирующих излучений: Справочник. Л.:
Судостроение, 1989