1.4 Счётчик Гейгера-Мюллера
В пропорциональном счётчике газовый разряд развивается только в части объёма газа. В ней образуется сначала первичная ионизация, а затем и лавина электронов. Остальной объём не охватывается газовым разрядом. С повышением напряжения критическая область расширяется. В ней увеличивается концентрация возбуждённых молекул, а следовательно, и количество испущенных фотонов. Под действием фотонов из катода и молекул газа вырывается
всё больше и больше фотоэлектронов. Последние в свою очередь дают начала новым лавинам электронов в объёме счётчика, не занятом газовым разрядом от первичной ионизации. Таким образом, повышение напряжения U приводит к распространению газового разряда по объёму счётчика. При некотором напряжении U п . Называемом пороговым, газовый разряд охватывает весь объём счётчика. При напряжении U п начинается область Гейгера-Мюллера.
Счётчик Гейгера (или счётчик Гейгера-Мюллера) − газонаполненный счётчик заряженных элементарных частиц, электрический сигнал с которого усилен за счёт вторичной ионизации газового объёма счётчика и не зависит от энергии, оставленной частицей в этом объёме. Изобретён в 1908 г. Х.Гейгером и Э.Резерфордом, позднее усовершенствован Гейгером и В. Мюллером. Счетчики Гейгера-Мюллера - самые распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения.
Гейгера - Мюллера счётчик - газоразрядный прибор для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и др. ионизирующих излучений: α - и β -частиц, γ -квантов, световых и рентгеновских квантов, частиц высокой энергии в космических лучах и на ускорителях. Гамма-кванты регистрируются счётчиком Гейгера – Мюллера по вторичным ионизирующим частицам - фотоэлектронам, комптоновским электронам, электронно-позитронным парам; нейтроны регистрируются по ядрам отдачи и продуктам ядерных реакций, возникающим в газе счётчика. Работает счётчик при напряжениях, соответствующих самостоятельному
коронному разряду (участок V, Рис. 21 ).
Рис. 21. Схема включения счетчика Гейгера
Разность потенциалов приложена (V ) между стенками и центральным электродом через сопротивление R , зашунтированное конденсатором
C1 .
Этот счётчик обладает практически стопроцентной вероятностью регистрации заряженной частицы, так как для
возникновения разряда достаточно одной электрон-ионной пары.
Конструктивно счётчик Гейгера устроен также как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой конденсатор (как правило, цилиндрический), с сильно неоднородным электрическим полем. К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал (анод), к внешнему – отрицательный (катод). Электроды заключены в герметически замкнутый резервуар, наполненный каким-либо газом до давления 13-26 кн/м 2 (100-200 мм pm . ст .). К электродам счётчика прикладывается напряжение в несколько сот в . На нить подаётся знак + через сопротивление R .
Функционально счётчик Гейгера также повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией (газовое усиление), который способен ионизовать всю область вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. По существу, при попадании в счетчик Гейгера частицы в нём вспыхивает (зажигается) самостоятельный газовый разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым газом. При этом коэффициент газового усиления может достигать 1010 , а величина импульса десятков вольт.
Возникает вспышка коронного разряда и через счётчик течёт ток.
Распределение электрического поля в счётчике таково, что разряд развивается лишь в вблизи анода счётчика на расстоянии нескольких диаметров нити. Электроны быстро скапливаются на нити (не более 10-6 сек), вокруг которой образуется «чехол» из положительных ионов. Положительный пространственный заряд увеличивает эффективный диаметр анода и снижает тем самым напряжённость поля, поэтому разряд прерывается. По мере удаления слоя положительных ионов от нити его экранирующее действие ослабляется и напряжённость поля вблизи анода становится достаточной для образования новой вспышки разряда. Положительные ионы, приближаясь к катоду, выбивают из последнего электроны, в результате чего образуются нейтральные атомы инертного газа в возбуждённом состоянии. Возбуждённые атомы при
достаточном приближении к катоду, выбивают из его поверхности электроны, которые становятся родоначальниками новых лавин. Без внешнего воздействия такой счётчик находился бы в длительном прерывистом разряде.
Таким образом, при достаточно большом R (108 -1010 ом ) на нити скапливается отрицательный заряд
и разность потенциалов между нитью и катодом быстро падает, в результате чего разряд обрывается. После этого чувствительность счётчика восстанавливается через 10-1 -10-3 сек (время разрядки ёмкости С через сопротивление R ). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду,
и восстановилась чувствительность детектора. Такое большое время нечувствительности неудобно для многих применений.
Для практического использования несамогасящего счётчика Гейгера используются различные способы прекращения разряда:
а) Использование электронных схем гашения разряда в газе. Приспособленная для этого электронная схема, в нужное время выдаёт на счётчик «противосигнал», который прекращает самостоятельный разряд и «выдерживает» счётчик на время до полной нейтрализации возникших заряженных частиц. Характеристики такого счётчика со схемой гашения разряда близки к характеристикам самогасящихся счётчиков и иногда превосходят их.
б) Гашение за счёт подбора величин нагрузочного сопротивления и эквивалентной ёмкости, а также величины напряжения на счётчике.
В зависимости от механизма гашения разряда различают две группы счётчиков: несамогасящиеся и самогасящиеся. В несамогасящихся счётчиках «мёртвое» время слишком велико (10-2 сек), для его
уменьшения применяют электронные схемы гашения разряда, которые снижают разрешающее время до времени собирания положительных ионов на катоде (10-4 сек).
Сейчас несамогасящиеся счётчики, в которых гашение разрядов обеспечивается сопротивлением R , вытеснены самогасящимися счётчиками, которые к тому же более стабильны. В них благодаря специальному газовому наполнению (инертный газ с примесью сложных молекул, например паров спирта, и небольшой
примесью галогенов - хлора, брома, йода) разряд сам собой обрывается даже при малых сопротивлениях R . Время нечувствительности самогасящегося счётчика ~10-4 сек .
В 1937 г. Трост обратил внимание на то обстоятельство, что если в счетчик, наполненный аргоном,
добавить небольшое количество (несколько процентов) паров этилового спирта (С2 H5 OH), то разряд, вызванный в счетчике ионизирующей частицей, погаснет сам по себе. Впоследствии выяснилось, что самопроизвольное погасание разряда в счетчике имеет место и при добавлении к аргону паров других органических соединений, обладающих сложными многоатомными соединениями. Вещества эти называют обычно гасящими, а счётчики Гейгера-Мюллера, в которых используются эти вещества, называются счетчиками - самогасящегося типа. Самогасящийся счётчик наполняется смесью двух (или нескольких) газов. Один газ, основной, составляет в смеси около 90 %, другой, гасящий - около 10 %. Компоненты рабочей смеси должны удовлетворять обязательному условию, заключающемуся в том, что потенциал ионизации гасящего газа должен быть ниже первого потенциала возбуждения основного газа.
Замечание. Для регистрации рентгеновского излучения часто применяются проволочные ксеноновые детекторы. Примером может служить первый отечественный сканирующий цифровой медицинский флюорограф МЦРУ СИБИРЬ. Другое приложение рентгеновских счётчиков - рентгенофлуоресцентный волнодисперсионный спектрометр (например, Venus 200), предназначенный для определения различных элементах в веществах и материалах. В зависимости от определяемого элемента возможно применение следующих детекторов: - проточного пропорционального детектора с окнами толщиной 1, 2, 6 микрон, непроточного неонового детектора с окнами толщиной 25 и 50 микрон, - непроточного криптонового детектора с окном толщиной 100 микрон, - ксенонового детектора с окном 200 микрон и сцинтилляционного детектора с окном 300 микрон.
Самогасящиеся счётчики допускают большую скорость счёта без специальных электронных схем
гашения разряда, поэтому они нашли широкое применение. Самогасящиеся счётчики с органическими гасящими примесями имеют ограниченный срок работы (108 -1010 импульсов). При использовании в качестве гасящей примеси одного из галогенов (чаще всего применяется менее активный Br2 ) срок службы становится практически неограниченным из-за того, что двухатомные молекулы галогена после диссоциации на атомы (в процессе разряда) образуются снова. К недостаткам галогенных счётчиков следует отнести сложность технологии их изготовления из-за химической активности галогенов и большое время нарастания переднего фронта импульсов из-за прилипания первичных электронов к молекуле галогена. «Затягивание» переднего фронта импульса в галогенных счётчиках делает их неприменимыми в схемах совпадений.
Основными характеристиками счётчика являются: счётная характеристика – зависимость скорости счёта от величины рабочего напряжения; эффективность счётчика – выраженное в процентах отношение числа считаемых частиц к числу всех частиц, попадающих в рабочий объём счётчика; разрешающее время –
минимальный интервал времени между импульсами, при котором они регистрируются раздельно и срок службы счётчиков.
Рис. 22. Схема возникновения мёртвого времени в счётчике Гейгера-Мюллера. (Форма импульса при разряде в счётчике Гейгера-Мюллера).
Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие - «мертвое» время - является важной его паспортной характеристикой.
Если в счётчике Гейгера-Мюллера в момент времен t 0 начался разряд, вызванный ядерной частицей, то напряжение на счётчике резко падает. Счётчик в течение определённого времени, которое называется мёртвым временем τ м , не способен регулировать другие частицы. С момента t 1 , т.е. по истечении мёртвого времени, в счётчике снова возможно возникновение самостоятельного разряда. Однако вначале амплитуда импульса ещё мала. Только после того, как пространственный заряд достигнет поверхности катода, в счётчике образуются импульсы нормальной амплитуды. Отрезок времени τ с между моментом t 0 , когда в счётчике возник самостоятельный разряд, и моментом восстановления рабочего напряжения t 3 называется временем восстановления. Для того чтобы регистрирующее устройство могло сосчитать импульс, необходимо, чтобы его амплитуда превышала определённую величину U п . Интервал времени между моментом возникновения самостоятельного разряда t 0 и моментом образования амплитуды U п импульса t 2 называется разрешающим временем τ p счётчика Гейгера-Мюллера. Разрешающее время τ p несколько больше мёртвого времени.
Если ежесекундно в счетчик попадает большое число частиц (несколько тысяч и более), то разрешающее время τ р по величине будет сравнимо со средним промежутком времени между импульсами, поэтому значительное число импульсов не сосчитывается. Пусть m - наблюдаемая скорость счета счетчика. Тогда доля времени, в течение которого счетная установка нечувствительна, равна m τ . Следовательно, число импульсов, потерянных за единицу времени, равно nm τ р , где n - скорость счета, которая наблюдалась бы в том случае, если бы разрешающее время имело пренебрежимо малую величину. Поэтому
n – m = nmτ р |
||||||
−m τ |
||||||
Поправка в скорости счета, которая дается этим уравнением, называется поправкой на мертвое время установки.
Галогеновые самогасящиеся счётчики отличаются 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.
Каждая фиксируемая счетчиком частица вызывает появление в его выходной цепи короткого импульса. Число импульсов, возникающих в единицу времени, - скорость счета счетчика Гейгера - зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Типичный график зависимости скорости счета от напряжения питания V показан на Рис. 23. Здесь V заж - напряжение начала счета; V 1 и V 2 - нижняя и верхняя граница рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение V раб обычно выбирают в середине этого участка. Ему соответствует N р - скорость счета в этом режиме.
Рис. 23. Зависимость скорости счета от напряжения питания в счетчике Гейгера (Счётная характеристика)
Зависимость скорости счета от уровня радиационного облучения счетчика - важнейшая его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому нередко радиационную чувствительность счетчика выражают 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 (нередких, к сожалению), судить о радиационной чувствительности
счетчика приходится по другому его тоже очень важному параметру - собственному фону. Так называют скорость счета, причиной которой являются две составляющие: внешняя - естественный радиационный фон, и внутренняя - излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода. («фон» в дозиметрии имеет почти тот же смысл, что и «шум» в радиоэлектронике; в обоих случаях речь идет о принципиально неустранимых воздействиях на аппаратуру.)
Еще одной важной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц. На профессиональном жаргоне график этой зависимости называют «ходом с жесткостью». В какой мере эта зависимость важна, показывает график на рисунке. «Ход с жесткостью» будет влиять, очевидно, на точность проводимых измерений.
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».
Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения - α , β , γ , ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к α - и мягкому β -излучению, должно быть очень тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3...10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое β - и γ -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.
Рис. 24. Зависимость скорости счета от энергии гамма-квантов («ход с жесткостью») в счетчике Гейгера
В счетчик нейтронов вводят бор, при взаимодействии с которым поток нейтронов преобразуется в легко регистрируемые α - частицы. Фотонное излучение -ультрафиолетовое, рентгеновское, γ -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.
Рис. 25. Радиометрическая установка на базе счётчика Гейгера-Мюллера.
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 α -частиц, электронов, γ -квантов (в счетчике, на все эти виды излучения реагирующем), ничем не различаются. Сами
частицы, их энергии совершенно исчезают в порождаемых ими лавинах-близнецах.
О качестве счетчика Гейгера-Мюллера судят обычно по виду его счетной характеристики. Для «хороших» счетчиков протяженность счетной части составляет 100-300 В при наклоне плато не более 3 - 5 % на 100 В. Рабочее напряжение счетчика V раб выбирают обычно в середине его счетной области.
Поскольку скорость счета частиц на плато изменяется пропорционально интенсивности облучения ядерными частицами, счетчики Гейгера-Мюллера с успехом используются для относительных измерений активности радиоактивных источников. Абсолютные измерения затрудняются вследствие учета большого числа дополнительных поправок. При работе с источниками малой интенсивности следует учесть фон счетчика, обусловленный космическим излучением, радиоактивностью окружающей среды и радиоактивным загрязнением материала счетчика. В качестве наполняющих счетчик газов первоначально чаще всего использовались благородные газы, в частности, аргон и неон. У большинства счетчиков давление лежит в интервале от 7 до 20 см рт.ст, хотя они иногда работают и при больших давлениях, вплоть до 1 атм. В счётчиках такого типа необходимо применять специальные электронные схемы для гашения газового разряда, возникшего при попадании в счетчик ионизирующего излучения. Поэтому такие счетчики называются счетчиками Гейгера-Мюллера несамогасящегося типа. Они обладают весьма плохой разрешающей способностью. Применение схем для принудительного гашения разряда, улучшая
разрешающую способность, существенно усложняет экспериментальную установку, особенно в случае использования большого числа счетчиков одновременно.
Типичный стеклянный счётчик Гейгера-Мюллера представлен на Рис. 25.
Рис. 25. Стеклянный счётчик Гейгера-Мюллера: 1 –
геометрически запаянная стеклянная трубка; 2 – катод (тонкий слой меди на трубке из нержавеющей стали); 3 – вывод катода; 4 – анод (тонкая натянутая нить).
В Табл. 1 приведены сведения о самогасящихся галогеновых счетчиках Гейгера
российского производства, наиболее подходящих для бытовых приборов радиационного контроля.
Обозначения: 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 β - и γ - излучение; 7.2 - то же и мягкое β - излучение; 7.3 - то же и α - излучение; 7.4 - γ - излучение.
Рис.26. Часы со встроенным счётчиком Гейгера-Мюллера.
Счетчик Гейгера-Мюллера, типа СТС-6, считает β и γ частицы и относится к самогасящимся счетчикам. Он представляет собой цилиндр из нержавеющей стали с толщиной стенок 50 мг/(см2 с) ребрами жесткости для прочности. Счетчик заполнен смесью паров неона и брома. Бром гасит разряд.
Конструкции счётчиков весьма разнообразны и зависят от вида излучения и его энергии, а также от методики измерения).
Радиометрическая установка на базе счётчика Гейгера - Мюллера представлена на Рис. 27. Напряжение на счётчик подаётся с высоковольтного источника питания. Импульсы со счетчика подаются в блок усилителя, где они усиливаются, и затем регистрируются пересчётным устройством.
Счётчики Гейгера-Мюллера применяются для регистрации всех видов излучения. Они могут быть использованы как для абсолютных, так и для относительных измерений радиоактивных излучений.
Рис. 27. Конструкция счётчиков Гейгера-Мюллера: а – цилиндрический; б
– внутреннего наполнения; г – проточный для жидкостей. 1 – анод (собирающий электрод); 2 – катод; 3 – стеклянный баллон; 4 – выводы электродов; 5 – стеклянная трубка; 6 – изолятор; 7 – слюдяное окно; 8 – кран для впуска газа.
С помощью современного счетчика Гейгера можно измерить уровень радиации строительных материалов, земельного участка или квартиры, а также продуктов питания. Он демонстрирует практически стопроцентную вероятность заряженной частицы, ведь для ее фиксирования достаточно всего одной пары электрон-ион.
Технология, на основе которой создан современный дозиметр на базе счетчика Гейгера-Мюллера, позволяет получать результаты высокой точности за очень короткий промежуток времени. На измерение требуется не больше 60 секунд, а вся информация выводится в графическом и числовом виде на экране дозиметра.
У прибора есть возможность настройки порогового значения, когда он превышен, издается звуковой сигнал, предупреждающий вас об опасности. Выберите одно из заданных значений порога в соответствующем разделе настроек. Звуковой сигнал также можно отключить. Перед проведением измерений рекомендуют провести индивидуальную настройку прибора, выбрать яркость дисплея, параметры звукового сигнала и элементов питания.
Выберите режим «Измерение», при этом прибор начинает оценку радиоактивной обстановки. Примерно через 60 секунд на его дисплее появляется результат измерений, после чего начинается следующий цикл анализа. Для того чтобы получить точный результат, рекомендуют провести не менее 5 циклов измерений. Увеличение числа наблюдений дает более достоверные показания.
Чтобы измерить радиационный фон предметов, например стройматериалов или пищевых продуктов, нужно включить режим «Измерение» на расстоянии нескольких метров от объекта, затем поднести прибор к предмету и измерить фон максимально близко к нему. Сравните показания прибора с данными, полученными на расстоянии нескольких метров от предмета. Разница между этими показаниями - это дополнительный радиационный фон исследуемого объекта.
Если результаты измерений превышают естественный фон, характерный для той местности, в которой вы находитесь, это свидетельствует о радиационном загрязнении исследуемого объекта. Для оценки загрязнения жидкости рекомендуют проводить измерения над ее открытой поверхностью. Чтобы защитить прибор от влаги, его нужно обернуть полиэтиленовой пленкой, но не более чем в один слой. Если дозиметр длительное время находился при температуре ниже 0оС, перед проведением измерений его необходимо выдержать при комнатной температуре в течение 2 часов.
Хотим мы или нет, но радиация прочно вошла в нашу жизнь и уходить не собирается. Нам нужно научиться жить с этим, одновременно полезным и опасным, явлением. Радиация проявляет себя невидимыми и неощутимыми излучениями, и без специальных приборов обнаружить их невозможно.
В 1895 году были открыты рентгеновские лучи. Год спустя была открыта радиоактивность урана, тоже в связи с рентгеновскими лучами. Ученые поняли, что они столкнулись с совершенно новыми, невиданными до сих пор явлениями природы. Интересно, что феномен радиации замечался несколькими годами раньше, но ему не придали значение, хотя ожоги от рентгеновских лучей получал еще Никола Тесла и другие работники эдисоновской лаборатории. Вред здоровью приписывали чему угодно, но не лучам, с которыми живое никогда не сталкивалось в таких дозах. В самом начале XX века стали появляться статьи о вредном действии радиации на животных. Этому тоже не придавали значения до нашумевшей истории с «радиевыми девушками» - работницами фабрики, выпускавшей светящиеся часы. Они всего лишь смачивали кисточки кончиком языка. Ужасная участь некоторых из них даже не публиковалась, по этическим соображениям, и осталась испытанием только для крепких нервов врачей.
В 1939 году физик Лиза Мейтнер, которая вместе с Отто Ганом и Фрицем Штрассманом относится людям, впервые в мире поделившим ядро урана, неосторожно сболтнула о возможности цепной реакции, и с этого момента началась цепная реакция идей о создании бомбы, именно бомбы, а вовсе не «мирного атома», на который кровожадные политики XX века, понятно, не дали бы ни гроша. Те, кто был «в теме», уже знали, к чему это приведет и началась гонка атомных вооружений.
Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в лаборатории Эрнста Резерфорда, в 1908 году предложил принцип работы счетчика «заряженных частиц» как дальнейшее развитие уже известной ионизационной камеры, которая представляла собой электрический конденсатор, наполненный газом при небольшом давлении. Она применялась еще Пьером Кюри с 1895 года для изучения электрических свойств газов. У Гейгера возникла идея использовать ее для обнаружения ионизирующих излучений как раз потому, что эти излучения оказывали прямое воздействие на степень ионизации газа.
В 1928 году Вальтер Мюллер, под началом Гейгера, создает несколько типов счетчиков радиации, предназначенных для регистрации различных ионизирующих частиц. Создание счетчиков было очень острой необходимостью, без которой невозможно было продолжать исследование радиоактивных материалов, поскольку физика, как экспериментальная наука, немыслима без измерительных приборов. Гейгер и Мюллер целенаправленно работали над созданием счетчиков, чувствительных к каждому из открытых к тому видов излучений: α, β и γ (нейтроны открыли только в 1932 году).
Счетчик Гейгера-Мюллера оказался простым, надежным, дешевым и практичным датчиком радиации. Хотя он не является самым точным инструментом для исследования отдельных видов частиц или излучений, однако на редкость подходит в качестве прибора для общего измерения интенсивности ионизирующих излучений. А в сочетании с другими детекторами используется физиками и для точнейших измерений при экспериментах.
Чтобы лучше понять работу счетчика Гейгера-Мюллера, полезно иметь представление об ионизирующих излучениях вообще. По определению, к ним относится то, что может вызвать ионизацию вещества, находящегося в нормальном состоянии. Для этого необходима определенная энергия. Например, радиоволны или даже ультрафиолетовый свет не относятся к ионизирующим излучениям. Граница начинается с «жесткого ультрафиолета», он же «мягкий рентген». Этот вид является фотонным видом излучения. Фотоны большой энергии принято называть гамма-квантами.
Впервые разделил ионизирующие излучения на три вида Эрнст Резерфорд. Это было сделано на экспериментальной установке при помощи магнитного поля в вакууме. Впоследствии выяснилось, что это:
α - ядра атомов гелия
β - электроны с высокой энергией
γ - гамма-кванты (фотоны)
Позже были открыты нейтроны. Альфа-частицы легко задерживаются даже обычной бумагой, бета-частицы имеют немного большую проникающую способность, а гамма-лучи - самую высокую. Наиболее опасны нейтроны (на расстоянии до многих десятков метров в воздухе!). Из-за их электрической нейтральности они не взаимодействуют с электронными оболочками молекул вещества. Но попав в атомное ядро, вероятность чего достаточно высока, приводят к его нестабильности и распаду, с образованием, как правило, радиоактивных изотопов. А уже те, в свою очередь, распадаясь, сами образуют весь «букет» ионизирующих излучений. Хуже всего то, что облученный предмет или живой организм сам становится источником радиации на протяжении многих часов и суток.
Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, как правило, выполняется в виде герметичной трубки, стеклянной или металлической, из которой откачан воздух, а вместо него добавлен инертный газ (неон или аргон или их смесь) под небольшим давлением, с примесью галогенов или спирта. По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. И трубка и проволока являются электродами: трубка - катод, а проволока - анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду - через большое постоянное сопротивление - плюс от источника постоянного напряжения. Электрически получается делитель напряжения, в средней точке которого (место соединения сопротивления и анода счетчика) напряжение практически равно напряжению на источнике. Обычно это несколько сотен вольт.
Когда сквозь трубку пролетает ионизирующая частица, атомы инертного газа, и так находящиеся в электрическом поле большой напряженности, испытывают столкновения с этой частицей. Энергии, отданной частицей при столкновении, хватает для отрыва электронов от атомов газа. Образующиеся вторичные электроны сами способны образовать новые столкновения и, таким образом, получается целая лавина электронов и ионов. Под действием электрического поля, электроны ускоряются в направлении анода, а положительно заряженные ионы газа - к катоду трубки. Таким образом, возникает электрический ток. Но так как энергия частицы уже израсходована на столкновения, полностью или частично (частица пролетела сквозь трубку), то кончается и запас ионизированных атомов газа, что является желательным и обеспечивается кое-какими дополнительными мерами, о которых мы поговорим при разборе параметров счетчиков.
При попадании в счетчик Гейгера-Мюллера заряженной частицы, за счет возникающего тока падает сопротивление трубки, а вместе с ним и напряжение в средней точке делителя напряжения, о которой шла речь выше. Затем сопротивление трубки вследствие возрастания ее сопротивления восстанавливается, и напряжение опять становится прежним. Таким образом, мы получаем отрицательный импульс напряжения. Считая импульсы, мы можем оценить число пролетевших частиц. Особенно велика напряженность электрического поля вблизи анода из-за его малых размеров, что делает счетчик более чувствительным.
Современные счетчики Гейгера-Мюллера выпускаются в двух основных вариантах: «классическом» и плоском. Классический счетчик выполняют из тонкостенной металлической трубки с гофрированием. Гофрированная поверхность счетчика делает трубку жесткой, устойчивой к внешнему атмосферному давлению и не дает ей сминаться под его действием. На торцах трубки расположены герметизирующие изоляторы из стекла или термореактивной пластмассы. В них же находятся выводы-колпачки для подключения к схеме приборов. Трубка снабжена маркировкой и покрыта прочным изолирующим лаком, не считая, конечно, ее выводов. Полярность выводов также обозначена. Это универсальный счетчик для любых видов ионизирующих излучений, особенно для бета и гамма.
Счетчики, чувствительные к мягкому β-излучению, делаются иначе. Из-за малого пробега β-частиц, их приходится делать плоскими, со слюдяным окошком, которое слабо задерживает бета-излучение, одним из вариантов такого счетчика, является датчик радиации БЕТА-2
. Все остальные свойства счетчиков определяются материалами, из которых их изготавливают.
Счетчики, предназначенные для регистрации гамма-излучения, содержат катод, изготовленный из металлов с большим зарядовым числом, или покрывают такими металлами. Газ крайне плохо ионизируется гамма-фотонами. Но зато гамма-фотоны способны выбить много вторичных электронов из катода, если его выбрать подходящим образом. Счетчики Гейгера-Мюллера для бета-частиц делают с тонкими окнами для лучшей проницаемости частиц, поскольку они являются обычными электронами, всего лишь получившими большую энергию. С веществом они взаимодействуют весьма хорошо и быстро эту энергию теряют.
В случае альфа-частиц дело обстоит еще хуже. Так, несмотря на весьма приличную энергию, порядка нескольких МэВ, альфа-частицы очень сильно взаимодействуют с молекулами, находящимися на пути, и быстро теряют энергию. Если вещество сравнить с лесом, а электрон с пулей, то тогда альфа-частицы придется сравнивать с танком, ломящимся через лес. Впрочем, обычный счетчик хорошо реагирует на α-излучение, но только на расстоянии до нескольких сантиметров.
Для объективной оценки уровня ионизирующих излучений дозиметры на счетчиках общего применения часто снабжают двумя параллельно работающими счетчиками. Один более чувствителен к α и β излучениям, а второй к γ-лучам. Такая схема применения двух счетчиков реализована в дозиметре RADEX RD1008 и в дозиметре-радиометре РАДЭКС МКС-1009 , в котором установлены счетчик БЕТА-2 и БЕТА-2М . Иногда между счетчиками помещают брусок или пластину из сплава, в котором есть примесь кадмия. При попадании нейтронов в такой брусок возникает γ-излучение, которое и регистрируется. Это делается для получения возможности определять нейтронное излучение, к которому простые счетчики Гейгера практически нечувствительны. Еще один способ - покрытие корпуса (катода) примесями, способными придавать чувствительность к нейтронам.
Галогены (хлор, бром) к газу подмешивают для быстрого самогашения разряда. Той же цели служат и пары спирта, хотя спирт в таком случае недолговечен (это вообще особенность спирта) и «протрезвевший» счетчик постоянно начинает «звенеть», то есть, не может работать в предусмотренном режиме. Это происходит где-то после регистрации 1e9 импульсов (миллиарда) что не так уж и много. Счетчики с галогенами намного долговечнее.
Чувствительность счетчика оценивается отношением числа микрорентген от образцового источника к числу вызываемых этим излучением импульсов. Поскольку счетчики Гейгера не предназначены для измерения энергии частиц, точная оценка затруднительна. Счетчики калибруют по образцовым изотопным источникам. Необходимо отметить, что данный параметр у разных типов счетчиков может сильно отличаться, ниже приведены параметры самых распространённых счетчиков Гейгера-Мюллера:
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 - 160 ÷ 240 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 - 96 ÷ 144 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-20 - 60 ÷ 75 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-21 - 6,5 ÷ 9,5 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-10 - 9,6 ÷ 10,8 имп / мкР
Площадь датчика радиации, через которую пролетают радиоактивные частицы. Данная характеристика напрямо связана с габаритами датчика. Чем больше площадь, тем больше частиц уловит счетчик Гейгера-Мюллера. Обычно данный параметр указывается в квадратных сантиметрах.
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 - 13,8 см 2
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 - 7 см 2
Это напряжение соответствует приблизительно середине рабочей характеристики. Рабочая характеристика составляет плоскую часть зависимости числа регистрируемых импульсов от напряжения, поэтому ее еще называют «плато». В этой точке достигается наибольшая скорость работы (верхний предел измерений). Типичное значение 400 В.
Это разность между напряжением искрового пробоя и напряжением выхода на плоскую часть характеристики. Типичное значение 100 В.
Наклон измеряется в процентах от числа импульсов на вольт. Он характеризует статистическую погрешность измерений (подсчета числа импульсов). Типичное значение 0.15%.
Для счетчиков общего применения -50 … +70 градусов Цельсия. Это весьма важный параметр, если счетчик работает в камерах, каналах, и других местах сложного оборудования: ускорителей, реакторов и т.п.
Общее число импульсов, которое счетчик регистрирует до того момента, когда его показания начнут становиться неверными. Для приборов с органическими добавками самогашения, как правило, составляет число 1e9 (десять в девятой степени, или один миллиард). Ресурс считается только в том случае, если к счетчику приложено рабочее напряжение. Если счетчик просто хранится, этот ресурс не расходуется.
Это время (время восстановления), в течение которого счетчик проводит ток после срабатывания от пролетевшей частицы. Существование такого времени означает, что для частоты импульсов есть верхний предел, и это ограничивает диапазон измерений. Типичное значение 1e-4 с, то есть десять микросекунд.
Нужно отметить, что благодаря мертвому времени, датчик может оказаться «зашкаленным» и молчать в самый опасный момент (например, самопроизвольной цепной реакции на производстве). Такие случаи бывали, и для борьбы с ними применяют свинцовые экраны, закрывающие часть датчиков аварийных систем сигнализации.
Измеряется в свинцовых камерах с толстыми стенками для оценки качества счетчиков. Типичное значение 1 … 2 импульса в минуту.
Советская и теперь российская промышленность выпускает много типов счетчиков Гейгера-Мюллера. Вот несколько распространенных марок: СТС-6, СБМ-20, СИ-1Г, СИ21Г, СИ22Г, СИ34Г, счетчики серии «Гамма», торцевые счетчики серии «Бета » и есть еще множество других. Все они применяются для контроля и измерений радиации: на объектах ядерной промышленности, в научных и учебных учреждениях, в гражданской обороне, медицине, и даже быту. После чернобыльской аварии, бытовые дозиметры , ранее неизвестные населению даже по названию, стали очень популярными. Появилось много марок бытовых дозиметров. Все они используют именно счетчик Гейгера-Мюллера в качестве датчика радиации. В бытовых дозиметрах устанавливают от одного до двух трубок или торцевых счетчиков.
Долгое время была распространена единица измерения Р (рентген). Однако, при переходе к системе СИ появляются другие единицы. Рентген - это единица экспозиционной дозы, «количество радиации», которое выражается числом образовавшихся ионов в сухом воздухе. При дозе в 1 Р в 1 см3 воздуха образуется 2.082e9 пар ионов (что соответствует 1 единице заряда СГСЭ). В системе СИ экспозиционную дозу выражают в кулонах на килограмм, а с рентгеном это связано уравнением:
1 Кл/кг = 3876 Р
Поглощенная доза излучения измеряется в джоулях на килограмм и называется Грей. Это взамен устаревшей единицы рад. Мощность поглощенной дозы измеряется в греях в секунду. Мощность экспозиционной дозы (МЭД) раньше измерявшаяся в рентгенах в секунду, теперь измеряется в амперах на килограмм. Эквивалентная доза излучения, при которой поглощенная доза составляет 1 Гр (грей) и коэффициент качества излучения 1, называется Зиверт. Бэр (биологический эквивалент рентгена) - это сотая часть зиверта, в настоящее время уже считается устаревшей. Тем не менее, и сегодня очень активно применяются все устаревшие единицы.
Главными понятиями в радиационных измерениях считаются доза и мощность. Доза - это число элементарных зарядов в процессе ионизации вещества, а мощность - это скорость образования дозы за единицу времени. А уж в каких единицах это выражается, это дело вкуса и удобства.
Даже минимальная доза опасна в смысле отдаленных последствий для организма. Расчет опасности достаточно прост. Например, ваш дозиметр показывает 300 миллирентген в час. Если вы останетесь в этом месте на сутки, вы получите дозу 24*0.3 = 7.2 рентген. Это опасно и нужно как можно скорее уходить отсюда. Вообще, обнаружив даже слабую радиацию надо уходить от нее и проверять ее даже на расстоянии. Если она «идет за вами», вас можно «поздравить», вы попали под нейтроны. А не каждый дозиметр может на них отреагировать.
Для источников радиации используют величину, характеризующую число распадов за единицу времени, ее называют активностью и измеряют также множеством различных единиц: кюри, беккерель, резерфорд и некоторыми другими. Величина активности, замеренная дважды с достаточным разносом по времени, если она убывает, позволяет рассчитать время, по закону радиоактивного распада, когда источник станет достаточно безопасным.
Схематически устройство газоразрядного счётчика Гей-гера-Мюллера показано на рис. 5.4. Счётчик выполнен в виде металлического цилинд-ра, служащего катодом К , диаметром мм. Анодом А служит тонкая стальная проволока диаметром мм, натянутая по оси цилиндра и изолированная от катода изолирующими пробками П . Цилиндр заполнен аргоном при пониженном давлении (100 мм рт.ст.) с добавкой небольшого количества (0,5 %) паров этилового спирта или галогенов.
На рис. 5.4 показана схема включения счётчика для изучения его вольт-амперной характеристики. К электродам подводится постоянное напряжение от источника ЭДС e . Величину тока, проходящего через газ, измеряют по падению напряжения на измерительном сопротивлении R .
Предположим, что на газ действует постоянное по интенсивности излучение (ионизатор). В результате действия ионизатора газ приобретает некоторую электропроводность и в цепи потечёт ток, зависимость которого от приложенного напряжения показана на
рис. 5.5.
При небольших напряжениях ток, проходящий через прибор, мал. Регистрировать удаётся только суммарный ток, вызванный прохождением большого числа частиц. Приборы, работающие в таком режиме, называются ионизационными камерами . Этому режиму соответствуют участки I и II .
На участке I ток возрастает пропорционально напряжению, т.е. выполняется закон Ома. На этом участке одновременно с процессом ионизации идёт обратный процесс – рекомбинация (соединение между собой положительных ионов и электронов с образованием нейтральных частиц).
При дальнейшем увеличении напряжения рост силы тока замедляется и совсем прекращается (участок II ). Наступает ток насыщения. Ток насыщения – это максимальное значение тока, когда все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за то же время достигают электродов. Величина тока насыщения определяется мощностью ионизатора. Ток насыщения является мерой ионизирующего действия ионизатора: если прекратить действие ионизатора, то прекратится и разряд.
При дальнейшем увеличении напряжения сила тока возрастает достаточно медленно (участок III ). При больших напряжениях электроны, возникающие под действием внешнего ионизатора, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. В результате образуются вторичные электроны и положительные ионы. Вторичные электроны, ускорившись в электрическом поле, могут вновь ионизировать молекулы газа. Общее число электронов и ионов будет возрастать лавинообразно по мере продвижения электронов к аноду (этот процесс называется ударной ионизацией ). Счётчики, работающие в этой области (III ), называются пропорциональными .
Число электронов, доходящих до анода, отнесённое к числу первичных электронов, называется коэффициентом газового усиления . Коэффициент газового усиления быстро возрастает с ростом напряжения и при больших напряжениях начинает зависеть от числа первичных электронов. При этом счётчик из пропорционального режима переходит в режим ограниченной пропорциональности (участок IV ). Счётчиков, работающих в этой области, не существует.
При ещё большем напряжении возникновение хотя бы одной пары ионов приводит к началу самостоятельного разряда (напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя ). Ток перестаёт зависеть от числа первично образовавшихся ионов и энергии регистрируемых частиц. Счётчик начинает работать в Гейгеровском режиме (участок V ). Прибор, работающий в этой области, называется счётчиком Гейгера-Мюллера . Независимость силы тока от энергии ионизирующих частиц делает счётчики Гейгера-Мюллера удобными для регистрации b -частиц, имеющих непрерывный спектр.
Дальнейшее повышение напряжения приводит к возникновению непрерывного газового разряда . Ток в этом случае резко возрастает (участок VI ), и счётчик может выйти из строя.
Таким образом, счётчик Гейгера-Мюллера работает по принципу внутреннего газового усиления. Когда на счётчик подаётся высокое напряжение, поле вблизи тонкой нити (анода) крайне неоднородно. Благодаря большому градиенту потенциала заряженная частица, попавшая в счётчик, ускоряется полем до энергии более 30 эВ. При такой энергии частицы начинает действовать механизм ударной ионизации, за счёт которой электроны умножаются в числе до лавины. В результате на анодном нагрузочном сопротивлении образуется отрицательный импульс. Электронная лавина может возникнуть от одного единственного электрона, попавшего между катодом и анодом.
Характеристики счётчика Гейгера-Мюллера
Эффективность счётчика – это отношение числа регистрируемых частиц к полному числу частиц, проходящих через него. Эффективность счётчика к электронам может достигать 99,9 %. Регистрация g -лучей осуществляется через быстрые электроны, образующееся при поглощении или рассеянии g -квантов в счётчике. Эффективность счётчиков к g -квантам обычно составляет порядка %.
Важной характеристикой счётчика является фон . Фоном называют показания прибора в отсутствии исследуемых источников излучения. Фон счётчика обусловлен: космическим излучением; наличием радиоактивных веществ в окружающей среде, в том числе в материалах, из которых изготовлен счётчик; самопроизвольными разрядами в счётчике (ложные импульсы). Обычно для различных по конструкции счётчиков Гейгера-Мюллера фон колеблется в пределах имп./мин. Специальными методами удаётся снизить фон на порядок.
Счётчик Гейгера-Мюллера может регистрировать всего одну частицу. Для регистрации следующей частицы необходимо предварительно погасить самостоятельный разряд. Поэтому важной характеристикой счётчика является мёртвое время t – время бездействия счётчика, в течение которого происходит гашение газового разряда. Обычно мёртвое время составляет порядка с.
Гашение газового разряда в счётчике можно осуществить двумя способами:
1) путём введения в газ сложного органического соединения. Многие сложные молекулы непрозрачны для ультрафиолета и не дают соответствующим квантам достичь катода. Энергия, освобождаемая ионами у катода, в присутствии таких веществ расходуется не на вырывание электронов из катода, а на диссоциацию молекул. Возникновение самостоятельного разряда в таких условиях становится невозможным;
2) с помощью сопротивления. Этот способ объясняется тем, что по протекании по сопротивлению разрядного тока на нём возникает большое падение напряжения. В результате на межэлектродный промежуток приходится только часть приложенного напряжения, которая оказывается недостаточной для поддержания разряда.
Мёртвое время зависит от многих факторов: величины напряжения на счётчике; состава газа – наполнителя; способа гашения; срока службы; температуры и др. Поэтому оно трудно поддаётся расчёту.
Одним из простейших методов экспериментального определения мёртвого времени является метод двух источников .
Ядерные превращения и взаимодействия излучения с веществом имеют статистический характер. Следовательно, существует определённая вероятность попадания в счётчик двух и боле частиц в течение мёртвого времени t , которые будут зарегистрированы как одна частица. Предположим, что эффективность счётчика равна 100 %. Пусть – средняя скорость попадания в счётчик частиц. n – средняя скорость счёта (число частиц, регистрируемых в единицу времени). За время t будет зарегистрировано частиц. Суммарное мёртвое время t составит , а число несосчитанных частиц будет равно . Будем считать, что число попавших в счётчик частиц будет равно сумме зарегистрированных и несосчитанных частиц.
