1.4 Contador Geiger-Muller
A contador proporcional, la descarga de gas se desarrolla sólo en una parte del volumen de gas. Primero, se forma una ionización primaria y luego una avalancha de electrones. El resto del volumen no está cubierto por la descarga de gas. A medida que aumenta el voltaje, la región crítica se expande. Aumenta la concentración de moléculas excitadas y, por tanto, el número de fotones emitidos. Bajo la influencia de los fotones del cátodo y las moléculas de gas escapan
cada vez más fotoelectrones. Estos últimos, a su vez, dan lugar a nuevas avalanchas de electrones en el volumen del contador, no ocupado por la descarga gaseosa de ionización primaria. Así, un aumento de la tensión U provoca la propagación de una descarga de gas sobre el volumen del contador. A algún voltaje U p . Llamado umbral, la descarga de gas cubre todo el volumen del contador. En el voltaje Up comienza la región de Geiger-Muller.
Un contador Geiger (o un contador Geiger-Muller) es un contador lleno de gas de partículas elementales cargadas, cuya señal eléctrica se amplifica debido a la ionización secundaria del volumen de gas del contador y no depende de la energía dejada por la partícula en este volumen. Inventado en 1908 por H. Geiger y E. Rutherford, posteriormente mejorado por Geiger y W. Muller. Contadores Geiger-Muller - los detectores (sensores) más comunes de radiación ionizante.
Contador Geiger - Müller - un dispositivo de descarga de gas para detectar y estudiar varios tipos de radiación radiactiva y otras radiaciones ionizantes: partículas α y β, cuantos γ, cuantos de luz y rayos X, partículas de alta energía en rayos cósmicos y en aceleradores. Los cuantos gamma son registrados por un contador Geiger-Muller por partículas ionizantes secundarias: fotoelectrones, electrones Compton, pares de electrones y positrones; los neutrones son registrados por los núcleos de retroceso y los productos de las reacciones nucleares que surgen en el gas del contador. El medidor opera a voltajes correspondientes a autosuficientes
descarga de corona (sección V, Fig. 21).
Arroz. 21. El esquema de encendido del contador Geiger.
La diferencia de potencial se aplica (V) entre las paredes y el electrodo central a través de la resistencia R desviada por el condensador
C1.
Este contador tiene casi un 100% de probabilidad de detectar una partícula cargada, ya que para
Un solo par electrón-ión es suficiente para que se produzca la descarga.
Estructuralmente, el contador Geiger también está dispuesto como un contador proporcional, es decir es un capacitor (generalmente cilíndrico), con un campo eléctrico altamente no uniforme. Se aplica un potencial positivo (ánodo) al electrodo interno (un hilo de metal delgado) y un potencial negativo (cátodo) al externo. Los electrodos están encerrados en un tanque herméticamente cerrado lleno de gas hasta una presión de 13-26 kN/m 2 (100-200 mm pm st .). Se aplica un voltaje de varios cientos de V a los contraelectrodos. El signo + se aplica al hilo a través de la resistencia R.
Funcionalmente, el contador Geiger también repite el contador proporcional, pero se diferencia de este último en que, debido a la mayor diferencia de potencial en los electrodos, opera en tal modo cuando es suficiente para la aparición de un electrón en el volumen del detector para desarrollan un poderoso proceso similar a una avalancha debido a la ionización secundaria (amplificación de gas), que es capaz de ionizar toda la región cercana al filamento del ánodo. En este caso, el pulso actual alcanza el valor límite (satura) y no depende de la ionización primaria. Este proceso, que se desarrolla como una avalancha, termina con la formación de una nube de iones de electrones en el espacio entre electrodos, que aumenta considerablemente su conductividad. En esencia, cuando una partícula ingresa a un contador Geiger, una descarga de gas independiente se enciende (se enciende) en él, visible (si el contenedor es transparente) incluso con un gas simple. En este caso, el factor de amplificación de gas puede llegar a 1010 y la magnitud del pulso puede alcanzar decenas de voltios.
Se produce un destello de descarga de corona y la corriente fluye a través del medidor.
La distribución del campo eléctrico en el contador es tal que la descarga se desarrolla sólo en la proximidad del ánodo del contador a una distancia de varios diámetros de filamento. Los electrones se acumulan rápidamente en el filamento (no más de 10-6 segundos), alrededor de los cuales se forma una "cubierta" de iones positivos. Una carga espacial positiva aumenta el diámetro del ánodo efectivo y, por lo tanto, reduce la intensidad del campo, por lo que se interrumpe la descarga. A medida que la capa de iones positivos se aleja del filamento, su efecto de pantalla se debilita y la intensidad del campo cerca del ánodo se vuelve suficiente para la formación de una nueva descarga. Los iones positivos, al acercarse al cátodo, eliminan electrones de este último, lo que da como resultado la formación de átomos neutros de un gas inerte en un estado excitado. átomos excitados en
al acercarse lo suficiente al cátodo, los electrones son eliminados de su superficie, que se convierten en los fundadores de nuevas avalanchas. Sin influencia externa, tal contador estaría en una larga descarga intermitente.
Por lo tanto, con una R suficientemente grande (108 -1010 ohmios), se acumula una carga negativa en el hilo
y la diferencia de potencial entre el filamento y el cátodo cae rápidamente, haciendo que la descarga termine. Después de eso, la sensibilidad del contador se restaura después de 10-1 -10-3 seg (tiempo de descarga de la capacitancia C a través de la resistencia R). Es este tiempo el que se requiere para que los iones positivos lentos que llenaron el espacio cerca del filamento del ánodo después del paso de la partícula y el paso de la avalancha de electrones vayan al cátodo.
y restauró la sensibilidad del detector. Un tiempo muerto tan largo es un inconveniente para muchas aplicaciones.
Para el uso práctico de un contador Geiger no autoextinguible, se utilizan varios métodos para terminar la descarga:
a) El uso de circuitos electrónicos para la extinción de una descarga en un gas. Un circuito electrónico adaptado para ello, en el momento adecuado, emite una “señal de contador” al contador, que detiene la descarga independiente y “retiene” el contador durante un tiempo hasta que las partículas cargadas que han surgido se neutralizan por completo. Las características de un contador de este tipo con un circuito de supresión de descarga son similares a las de los contadores autoextinguibles y, en ocasiones, las superan.
b) Enfriamiento seleccionando los valores de la resistencia de carga y capacitancia equivalente, así como el voltaje en el medidor.
A Según el mecanismo de extinción de la descarga, se distinguen dos grupos de contadores: no autoextinguible y autoextinguible. En contadores no autoextinguibles, el tiempo "muerto" es demasiado largo(10-2 seg), para él
reducción, se utilizan circuitos electrónicos para apagar la descarga, que reducen el tiempo de resolución al tiempo de recolección de iones positivos en el cátodo (10-4 seg).
Ahora los contadores no autoextinguibles, en los que las descargas son apagadas por la resistencia R, se sustituyen por contadores autoextinguibles, también más estables. En ellos, gracias a un relleno de gas especial (un gas inerte con una mezcla de moléculas complejas, como vapor de alcohol, y una pequeña
una mezcla de halógenos (cloro, bromo, yodo) la descarga se rompe sola incluso con resistencias bajas R. Tiempo muerto del contador autoextinguible ~10-4 seg.
A 1937 Trost llamó la atención sobre el hecho de que si un contador lleno de argón,
agregue una pequeña cantidad (un pequeño porcentaje) de vapor de alcohol etílico (C2 H5 OH), luego la descarga causada en el mostrador por una partícula ionizante se apagará por sí sola. Posteriormente, resultó que la extinción espontánea de la descarga en el contador también ocurre cuando se agregan al argón vapores de otros compuestos orgánicos que contienen compuestos poliatómicos complejos. Estas sustancias generalmente se denominan extinción, y los contadores Geiger-Muller, en los que se utilizan estas sustancias, se denominan contadores de tipo autoextinguible. Un contador autoextinguible se llena con una mezcla de dos (o más) gases. Un gas, el principal, es alrededor del 90 % en la mezcla, el otro, el gas de extinción, es alrededor del 10 %. Los componentes de la mezcla de trabajo deben cumplir la condición obligatoria de que el potencial de ionización del gas de extinción debe estar por debajo del primer potencial de excitación del gas principal.
Comentario. Los detectores de alambre de xenón se utilizan a menudo para detectar rayos X. Un ejemplo es el primer fluorógrafo médico digital de escaneo doméstico MTsRU SIBIR. Otra aplicación de los contadores de rayos X es un espectrómetro de dispersión de ondas de fluorescencia de rayos X (por ejemplo, Venus 200), diseñado para determinar varios elementos en sustancias y materiales. Según el elemento a determinar, se pueden utilizar los siguientes detectores: - detector proporcional de flujo con ventanas de 1, 2, 6 micras de espesor, detector de neón sin flujo con ventanas de 25 y 50 micras de espesor, - detector de criptón sin flujo con un ventana de 100 micras de espesor, - detector de xenón con una ventana de 200 micras y un detector de centelleo con una ventana de 300 micras.
Los contadores autoextinguibles permiten altas tasas de conteo sin circuitos electrónicos especiales
extinción de descarga, por lo que son ampliamente utilizados. Los contadores autoextinguibles con impurezas de extinción orgánicas tienen una vida útil limitada (108 -1010 pulsos). Cuando uno de los halógenos se usa como impureza de extinción (el Br2 menos activo es el más usado), la vida útil se vuelve prácticamente ilimitada debido al hecho de que las moléculas diatómicas de halógeno se forman nuevamente después de la disociación en átomos (durante el proceso de descarga). Las desventajas de los contadores de halógeno incluyen la complejidad de su tecnología de fabricación debido a la actividad química de los halógenos y el largo tiempo de subida del borde de ataque de los pulsos debido a la unión de electrones primarios a la molécula de halógeno. El "tirón" del borde de ataque del pulso en los contadores de halógeno los hace inaplicables en los circuitos de coincidencia.
Las principales características del contador son: característica de conteo: la dependencia de la tasa de conteo de la magnitud del voltaje de operación; eficiencia del contador: expresada como un porcentaje de la relación entre el número de partículas contadas y el número de todas las partículas que caen en el volumen de trabajo del contador; tiempo de resolución -
el intervalo de tiempo mínimo entre pulsos en el que se registran por separado y la vida útil de los contadores.
Arroz. 22 Esquema de ocurrencia de tiempo muerto en el contador.Geiger-Muller.(Forma del pulso durante la descarga en un contador Geiger-Muller).
El período de tiempo requerido para restaurar la sensibilidad a la radiación del contador Geiger y realmente determina su velocidad -tiempo "muerto"- es su importante característica de pasaporte.
Si una descarga causada por una partícula nuclear comienza en el contador Geiger-Muller en el momento t 0, entonces el voltaje en el contador cae bruscamente. El contador de un tiempo determinado, que se denomina tiempo muerto τ m , no es capaz de regular otras partículas. Desde el momento t 1 , es decir después de que haya transcurrido el tiempo muerto, el medidor nuevamente puede tener una autodescarga. Sin embargo, al principio la amplitud del pulso es aún pequeña. Solo después de que la carga espacial alcanza la superficie del cátodo, se forman pulsos de amplitud normal en el contador. El intervalo de tiempo τ s entre el momento t 0, cuando se produjo una descarga independiente en el contador, y el momento de restauración de la tensión de funcionamiento t 3 se denomina tiempo de recuperación. Para que el dispositivo de registro pueda contar el pulso, es necesario que su amplitud supere un cierto valor Up. El intervalo de tiempo entre el momento de ocurrencia de una descarga independiente t 0 y el momento de formación de la amplitud Up del pulso t 2 se denomina tiempo de resolución τ p del contador Geiger-Muller. El tiempo de resolución τ p es ligeramente mayor que el tiempo muerto.
Si una gran cantidad de partículas ingresan al contador cada segundo (varios miles o más), entonces el tiempo de resolución τ p será comparable en magnitud al intervalo de tiempo promedio entre pulsos, por lo que no se cuenta una cantidad significativa de pulsos. Sea m la tasa de conteo observada del contador. Entonces la fracción de tiempo durante la cual la unidad de conteo es insensible es igual a m τ . En consecuencia, el número de pulsos perdidos por unidad de tiempo es igual a nm τ p , donde n es la tasa de conteo que se observaría si el tiempo de resolución tuviera un valor despreciablemente pequeño. Es por eso
norte – metro = nmτ pag |
||||||
−m τ |
||||||
La corrección de la tasa de conteo dada por esta ecuación se denomina corrección del tiempo muerto de asentamiento.
Los medidores autoextinguibles de halógeno se distinguen por la tensión de alimentación más baja, excelentes parámetros de señal de salida y una velocidad suficientemente alta, han demostrado ser especialmente adecuados para su uso como sensores de radiación ionizante en dispositivos domésticos de monitoreo de radiación.
Cada partícula detectada por el contador hace que aparezca un pulso corto en su circuito de salida. La cantidad de pulsos que ocurren por unidad de tiempo, la tasa de conteo del contador Geiger, depende del nivel de radiación ionizante y el voltaje en sus electrodos. Una gráfica típica de tasa de conteo versus voltaje de suministro V se muestra en la Fig. 23. Aquí V zazh - el voltaje del comienzo de la cuenta; V 1 y V 2 son los límites inferior y superior del área de trabajo, la llamada meseta, en la que la tasa de conteo es casi independiente de la tensión de alimentación del contador. El voltaje de operación V esclavo generalmente se elige en el medio de esta sección. Corresponde a N p - la tasa de conteo en este modo.
Arroz. 23. Dependencia de la tasa de conteo en el voltaje de suministro en el contador Geiger (Característica de conteo)
La dependencia de la tasa de conteo del nivel de exposición a la radiación del contador es su característica más importante. El gráfico de esta dependencia es casi lineal y, por lo tanto, a menudo la sensibilidad a la radiación del contador se expresa en términos de pulsos / μR (pulsos por microroentgen; esta dimensión se deriva de la relación de la tasa de conteo - pulsos / s - al nivel de radiación - µR/s). A
en los casos en que no está indicado (no es raro, por desgracia), para juzgar la sensibilidad a la radiación
El contador se explica por su otro parámetro muy importante: su propio fondo. Este es el nombre de la tasa de conteo, cuya causa son dos componentes: externa, el fondo de radiación natural, e interna, la radiación de radionúclidos atrapados en el propio diseño del contador, así como la emisión espontánea de electrones de su cátodo. (“fondo” en dosimetría tiene casi el mismo significado que “ruido” en electrónica de radio; en ambos casos, estamos hablando de efectos fundamentalmente inevitables en el equipo).
Otra característica importante del contador Geiger es la dependencia de su sensibilidad a la radiación de la energía ("dureza") de las partículas ionizantes. En la jerga profesional, el gráfico de esta dependencia se denomina "trazo con rigidez". En qué medida esta dependencia es importante, se muestra en el gráfico de la figura. "Viaje con rigidez" obviamente afectará la precisión de las medidas tomadas.
En esencia, el contador Geiger es muy simple. Se introdujo una mezcla de gases que consistía principalmente en neón y argón fácilmente ionizables en un recipiente sellado bien vacío con dos electrodos. El globo puede ser de vidrio, metal, etc. Por lo general, los medidores perciben la radiación con toda su superficie, pero también los hay que tienen una “ventana” especial en el globo para esto.
Los contadores Geiger pueden responder a una variedad de tipos de radiación ionizante: α, β, γ, ultravioleta, rayos X, neutrones. Pero la sensibilidad espectral real del contador depende en gran medida de su diseño. Por lo tanto, la ventana de entrada de un contador sensible a la radiación α y β suave debe ser muy delgada; para ello se suele utilizar mica con un espesor de 3…10 micras. El globo del contador, que reacciona a la radiación β y γ dura, generalmente tiene la forma de un cilindro con un espesor de pared de 0,05 ... 0,06 mm (también sirve como cátodo del contador). La ventana del contador de rayos X está hecha de berilio y el contador ultravioleta está hecho de vidrio de cuarzo.
Arroz. Fig. 24. Dependencia de la tasa de conteo de la energía de los cuantos gamma ("movimiento con rigidez") en un contador Geiger
El boro se introduce en el contador de neutrones, tras la interacción con el cual el flujo de neutrones se convierte en partículas α fácilmente detectables. Radiación de fotones - ultravioleta, rayos X, γ - radiación - Los contadores Geiger perciben indirectamente - a través del efecto fotoeléctrico, el efecto Compton, el efecto de la producción de pares; en cada caso, la radiación que interactúa con el material del cátodo se convierte en una corriente de electrones.
Arroz. 25. Instalación radiométrica basada en el contador Geiger-Muller.
El hecho de que el contador Geiger sea un dispositivo de avalancha también tiene sus desventajas: no se puede juzgar la causa raíz de su excitación por la reacción de dicho dispositivo. Los pulsos de salida generados por el contador Geiger bajo la acción de partículas α, electrones, γ-quanta (en un contador que reacciona a todos estos tipos de radiación) no difieren de ninguna manera. ellos mismos
partículas, sus energías desaparecen por completo en las avalanchas gemelas que generan.
La calidad de un contador Geiger-Muller generalmente se juzga por la forma de su característica de conteo. Para contadores "buenos", la longitud de la parte de conteo es de 100-300 V con una pendiente de meseta de no más del 3 - 5% por 100 V. El voltaje de funcionamiento del esclavo del contador V generalmente se elige en el medio de su conteo área.
Dado que la tasa de recuento de partículas en la meseta varía en proporción a la intensidad de la irradiación con partículas nucleares, los contadores Geiger-Muller se utilizan con éxito para las mediciones relativas de la actividad de las fuentes radiactivas. Las mediciones absolutas son difíciles debido a que se tiene en cuenta una gran cantidad de correcciones adicionales. Cuando se trabaja con fuentes de baja intensidad, se debe tener en cuenta el fondo del contador debido a la radiación cósmica, la radiactividad del medio ambiente y la contaminación radiactiva del material del contador. Inicialmente, los gases nobles, en particular, el argón y el neón, se usaban con mayor frecuencia como gases de llenado en el mostrador. La mayoría de los medidores tienen una presión en el rango de 7 a 20 cmHg, aunque a veces operan a altas presiones, hasta 1 atm. En contadores de este tipo, es necesario utilizar circuitos electrónicos especiales para extinguir la descarga de gas que se ha producido cuando la radiación ionizante ingresa al contador. Por lo tanto, dichos contadores se denominan contadores Geiger-Muller del tipo no autoextinguible. Tienen muy mala resolución. El uso de circuitos de extinción forzada de la descarga, mejorando
La resolución complica significativamente la configuración experimental, especialmente si se usa una gran cantidad de contadores simultáneamente.
En la figura 1 se muestra un contador Geiger-Muller de vidrio típico. 25
Arroz. 25. Contador Geiger-Muller de vidrio: 1 -
tubo de vidrio sellado geométricamente; 2 – cátodo (una fina capa de cobre sobre un tubo de acero inoxidable); 3 - salida del cátodo; 4 - ánodo (hilo delgado estirado).
En mesa. 1 proporciona información sobre los contadores Geiger halógenos autoextinguibles
Fabricado en Rusia, más adecuado para dispositivos domésticos de monitoreo de radiación.
Designaciones: 1 - voltaje de funcionamiento, V; 2 - meseta - área de baja dependencia de la tasa de conteo en el voltaje de suministro, V; 3 - fondo de contador propio, imp/s, no más; 4 - sensibilidad a la radiación del contador, pulso/μR (* - para cobalto-60); 5 - amplitud del pulso de salida, V, no menos; 6 - dimensiones, mm - diámetro x largo (largo x ancho x
altura); 7.1 - radiación β y γ dura; 7.2 - la misma y suave β - radiación; 7.3 - lo mismo y α - radiación; 7.4 - γ - radiación.
Figura 26. Relojes con contador Geiger-Muller incorporado.
El contador Geiger-Muller, tipo STS-6, cuenta partículas β y γ y pertenece a los contadores autoextinguibles. Es un cilindro de acero inoxidable con un espesor de pared de 50 mg/(cm2) con refuerzos para mayor resistencia. El mostrador está lleno de una mezcla de vapores de neón y bromo. El bromo extingue la descarga.
Los diseños de contadores son muy diversos y dependen del tipo de radiación y su energía, así como de la técnica de medida).
La configuración radiométrica basada en el contador Geiger-Muller se muestra en la Fig. 27. Se suministra voltaje al medidor desde una fuente de energía de alto voltaje. Los pulsos del contador se alimentan al bloque amplificador, donde son amplificados y luego registrados por el dispositivo de conteo.
Los contadores Geiger-Muller se utilizan para registrar todo tipo de radiación. Se pueden utilizar para mediciones absolutas y relativas de emisiones radiactivas.
Arroz. 27. Diseño de contadores Geiger-Muller: a - cilíndrico; b
– relleno interno; g - fluyendo para líquidos. 1 – ánodo (electrodo colector); 2 - cátodo; 3 - botella de vidrio; 4 - cables de electrodos; 5 - tubo de vidrio; 6 - aislante; 7 - ventana de mica; 8 - válvula de entrada de gas.
Usando un contador Geiger moderno, puede medir el nivel de radiación de los materiales de construcción, la tierra o los apartamentos, así como los alimentos. Demuestra una probabilidad de casi el cien por ciento de una partícula cargada, porque solo un par de iones de electrones es suficiente para fijarla.
La tecnología en base a la cual se creó un dosímetro moderno basado en el contador Geiger-Muller permite obtener resultados de alta precisión en un período de tiempo muy corto. La medición no toma más de 60 segundos y toda la información se muestra en forma gráfica y numérica en la pantalla del dosímetro.
El dispositivo tiene la capacidad de ajustar el valor umbral, cuando se supera, se emite una señal audible para advertirle del peligro. Seleccione uno de los valores de umbral preestablecidos en la sección de configuración correspondiente. El pitido también se puede desactivar. Antes de tomar medidas, se recomienda configurar individualmente el dispositivo, seleccionar el brillo de la pantalla, los parámetros de la señal de sonido y las baterías.
Seleccione el modo "Medición" y el dispositivo comenzará a evaluar el entorno radiactivo. Después de unos 60 segundos, el resultado de la medición aparece en su pantalla, después de lo cual comienza el siguiente ciclo de análisis. Para obtener un resultado preciso, se recomienda realizar al menos 5 ciclos de medición. Aumentar el número de observaciones proporciona lecturas más fiables.
Para medir el fondo de radiación de objetos, como materiales de construcción o productos alimenticios, debe activar el modo "Medición" a una distancia de varios metros del objeto, luego acercar el dispositivo al objeto y medir el fondo lo más cerca posible. como sea posible. Compare las lecturas del dispositivo con los datos obtenidos a una distancia de varios metros del objeto. La diferencia entre estas lecturas es el fondo de radiación adicional del objeto bajo estudio.
Si los resultados de la medición exceden la característica de fondo natural del área en la que se encuentra, esto indica contaminación por radiación del objeto en estudio. Para evaluar la contaminación de un líquido, se recomienda medir por encima de su superficie abierta. Para proteger el dispositivo de la humedad, debe envolverlo con una envoltura de plástico, pero no más de una capa. Si el dosímetro ha estado a una temperatura inferior a 0°C durante mucho tiempo, debe mantenerse a temperatura ambiente durante 2 horas antes de realizar las mediciones.
Nos guste o no, la radiación ha entrado firmemente en nuestras vidas y no se va a ir. Tenemos que aprender a vivir con este fenómeno útil y peligroso. La radiación se manifiesta como radiaciones invisibles e imperceptibles, y es imposible detectarlas sin instrumentos especiales.
Los rayos X fueron descubiertos en 1895. Un año más tarde se descubrió la radiactividad del uranio, también en relación con los rayos X. Los científicos se dieron cuenta de que se enfrentaban a fenómenos de la naturaleza completamente nuevos y hasta ahora desconocidos. Curiosamente, el fenómeno de la radiación se notó varios años antes, pero no se le dio importancia, aunque Nikola Tesla y otros trabajadores del laboratorio de Edison recibieron quemaduras por rayos X. El daño a la salud se atribuía a cualquier cosa, pero no a los rayos que el ser vivo nunca había encontrado en tales dosis. A principios del siglo XX, comenzaron a aparecer artículos sobre los efectos nocivos de la radiación en los animales. A esto tampoco se le dio importancia hasta la sensacional historia de las "chicas del radio", trabajadoras de una fábrica que producía relojes luminosos. Simplemente mojan los pinceles con la punta de la lengua. El terrible destino de algunos de ellos ni siquiera fue publicado, por razones éticas, y quedó como una prueba solo para los fuertes nervios de los médicos.
En 1939, la física Lisa Meitner, quien junto con Otto Hahn y Fritz Strassmann se refiere a las personas que por primera vez en el mundo dividieron el núcleo de uranio, sin darse cuenta espetó sobre la posibilidad de una reacción en cadena, y a partir de ese momento un comenzó una reacción en cadena de ideas sobre la creación de una bomba, es decir, una bomba, y no un "átomo pacífico", por el cual los políticos sedientos de sangre del siglo XX, por supuesto, no darían un centavo. Aquellos que estaban "al tanto" ya sabían a qué conduciría esto y comenzó la carrera de armamentos nucleares.
El físico alemán Hans Geiger, que trabajaba en el laboratorio de Ernst Rutherford, en 1908 propuso el principio de funcionamiento del contador de “partículas cargadas” como un desarrollo posterior de la ya conocida cámara de ionización, que era un condensador eléctrico lleno de gas a baja temperatura. presión. Ha sido utilizado desde 1895 por Pierre Curie para estudiar las propiedades eléctricas de los gases. Geiger tuvo la idea de utilizarlo para detectar radiaciones ionizantes precisamente porque estas radiaciones tenían un efecto directo sobre el grado de ionización del gas.
En 1928, Walter Müller, bajo la dirección de Geiger, crea varios tipos de contadores de radiación diseñados para registrar diversas partículas ionizantes. La creación de contadores era una necesidad muy urgente, sin la cual era imposible continuar con el estudio de los materiales radiactivos, ya que la física, como ciencia experimental, es impensable sin instrumentos de medida. Geiger y Müller trabajaron a propósito en la creación de contadores sensibles a cada uno de los tipos de radiación descubiertos: α, β y γ (los neutrones se descubrieron recién en 1932).
El contador Geiger-Muller demostró ser un sensor de radiación simple, confiable, económico y práctico. Aunque no es el instrumento más preciso para estudiar ciertos tipos de partículas o radiación, es extremadamente adecuado como instrumento para la medición general de la intensidad de la radiación ionizante. Y en combinación con otros detectores, también lo utilizan los físicos para las mediciones más precisas en los experimentos.
Para comprender mejor el funcionamiento del contador Geiger-Muller, es útil comprender la radiación ionizante en general. Por definición, incluyen cualquier cosa que pueda causar la ionización de una sustancia en su estado normal. Esto requiere una cierta cantidad de energía. Por ejemplo, las ondas de radio o incluso la luz ultravioleta no son radiación ionizante. El límite comienza con "ultravioleta duro", también conocido como "rayos X blandos". Este tipo es un tipo de radiación de fotones. Los fotones de alta energía suelen denominarse cuantos gamma.
Ernst Rutherford fue el primero en dividir la radiación ionizante en tres tipos. Esto se hizo en una configuración experimental usando un campo magnético en el vacío. Más tarde resultó que esto:
α - núcleos de átomos de helio
β - electrones de alta energía
γ - gamma quanta (fotones)
Más tarde, se descubrieron los neutrones. Las partículas alfa son fácilmente retenidas incluso por papel ordinario, las partículas beta tienen un poder de penetración ligeramente superior y los rayos gamma tienen el mayor poder. Los neutrones más peligrosos (¡a una distancia de muchas decenas de metros en el aire!). Debido a su neutralidad eléctrica, no interactúan con las capas de electrones de las moléculas de la sustancia. Pero una vez en el núcleo atómico, cuya probabilidad es bastante alta, conducen a su inestabilidad y descomposición, con la formación, por regla general, de isótopos radiactivos. Y ya aquellos, a su vez, en descomposición, forman todo el "ramo" de radiación ionizante. Lo peor de todo es que el objeto irradiado o el propio organismo vivo se convierte en una fuente de radiación durante muchas horas y días.
Un contador Geiger-Muller de descarga de gas, por regla general, se fabrica en forma de un tubo sellado, de vidrio o metal, del que se evacua el aire, y en su lugar se agrega un gas inerte (neón o argón o una mezcla de ellos). a baja presión, con una mezcla de halógenos o alcohol. Un alambre delgado se estira a lo largo del eje del tubo y un cilindro de metal se ubica coaxialmente con él. Tanto el tubo como el alambre son electrodos: el tubo es el cátodo y el alambre es el ánodo. Un negativo de una fuente de voltaje constante está conectado al cátodo y un positivo de una fuente de voltaje constante está conectado al ánodo a través de una gran resistencia constante. Eléctricamente, se obtiene un divisor de voltaje, en cuyo punto medio (la unión de la resistencia y el ánodo del contador) el voltaje es casi igual al voltaje en la fuente. Por lo general, son varios cientos de voltios.
Cuando una partícula ionizante vuela a través del tubo, los átomos del gas inerte, ya en el campo eléctrico de alta intensidad, experimentan colisiones con esta partícula. La energía cedida por la partícula durante la colisión es suficiente para separar los electrones de los átomos de gas. Los propios electrones secundarios resultantes son capaces de formar nuevas colisiones y, así, se obtiene toda una avalancha de electrones e iones. Bajo la influencia de un campo eléctrico, los electrones se aceleran hacia el ánodo y los iones de gas cargados positivamente hacia el cátodo del tubo. Por lo tanto, se produce una corriente eléctrica. Pero como la energía de la partícula ya se ha gastado en colisiones, total o parcialmente (la partícula voló por el tubo), el suministro de átomos de gas ionizado también termina, lo cual es deseable y está asegurado por algunas medidas adicionales, que nosotros discutiremos al analizar los parámetros de los contadores.
Cuando una partícula cargada ingresa al contador Geiger-Muller, la resistencia del tubo cae debido a la corriente resultante, y con ella el voltaje en el punto medio del divisor de voltaje, que se discutió anteriormente. Luego, la resistencia del tubo, debido al aumento de su resistencia, se restablece y el voltaje vuelve a ser el mismo. Por lo tanto, obtenemos un pulso de voltaje negativo. Al contar los momentos, podemos estimar el número de partículas que pasan. La intensidad del campo eléctrico cerca del ánodo es especialmente alta debido a su pequeño tamaño, lo que hace que el contador sea más sensible.
Los contadores Geiger-Muller modernos están disponibles en dos versiones principales: "clásico" y plano. El mostrador clásico está hecho de un tubo de metal de paredes delgadas con corrugación. La superficie corrugada del mostrador hace que el tubo sea rígido, resistente a la presión atmosférica externa y no permite que se colapse bajo su acción. En los extremos del tubo hay aisladores de sellado hechos de vidrio o plástico termoestable. También contienen terminales-tapas para conectar al circuito del instrumento. El tubo está marcado y recubierto con un barniz aislante duradero, además de, por supuesto, sus conclusiones. La polaridad de los cables también está marcada. Este es un contador universal para todo tipo de radiación ionizante, especialmente para beta y gamma.
Los contadores sensibles a la radiación β suave se fabrican de manera diferente. Debido al corto alcance de las partículas β, deben hacerse planas, con una ventana de mica, que retrasa débilmente la radiación beta, una de las opciones para dicho contador es un sensor de radiación. BETA-2. Todas las demás propiedades de los medidores están determinadas por los materiales de los que están hechos.
Los contadores diseñados para registrar la radiación gamma contienen un cátodo hecho de metales con un gran número de carga o están recubiertos con dichos metales. El gas está muy poco ionizado por los fotones gamma. Pero, por otro lado, los fotones gamma son capaces de eliminar una gran cantidad de electrones secundarios del cátodo, si se elige adecuadamente. Los contadores Geiger-Muller para partículas beta están hechos con ventanas delgadas para una mejor permeabilidad de las partículas, ya que son electrones ordinarios que acaban de recibir mucha energía. Interactúan muy bien con la materia y pierden rápidamente esta energía.
En el caso de las partículas alfa, la situación es aún peor. Entonces, a pesar de una energía muy decente, del orden de varios MeV, las partículas alfa interactúan muy fuertemente con las moléculas que están en camino y pierden energía rápidamente. Si se compara la materia con un bosque y un electrón con una bala, las partículas alfa tendrán que compararse con un tanque que atraviesa un bosque. Sin embargo, un contador ordinario responde bien a la radiación α, pero solo a una distancia de varios centímetros.
Para una evaluación objetiva del nivel de radiación ionizante dosímetros en los contadores de uso general, suelen estar equipados con dos contadores que funcionan en paralelo. Uno es más sensible a la radiación α y β, y el segundo a los rayos γ. Tal esquema para el uso de dos contadores se implementa en el dosímetro. RADEX RD1008 y en el dosimetro-radiómetro RADEX MKS-1009 en el que está instalado el contador BETA-2 y BETA-2M. A veces se coloca entre los mostradores una barra o placa hecha de una aleación que contiene una mezcla de cadmio. Cuando los neutrones golpean una barra de este tipo, se produce radiación γ, que se registra. Esto se hace para poder detectar la radiación de neutrones, a la que los simples contadores Geiger son prácticamente insensibles. Otra forma es cubrir el cuerpo (cátodo) con impurezas capaces de impartir sensibilidad a los neutrones.
Los halógenos (cloro, bromo) se mezclan con el gas para extinguir rápidamente la descarga. Los vapores de alcohol tienen el mismo propósito, aunque el alcohol en este caso es de corta duración (esto es generalmente una característica del alcohol) y el contador "sobrio" comienza a "sonar" constantemente, es decir, no puede funcionar en el modo prescrito. Esto sucede en algún lugar después del registro de 1e9 pulsos (mil millones), que no es tanto. Los medidores de halógeno son mucho más duraderos.
La sensibilidad del contador se estima por la relación entre el número de micro-roentgens de una fuente ejemplar y el número de pulsos causados por esta radiación. Debido a que los contadores Geiger no están diseñados para medir la energía de las partículas, es difícil realizar una estimación precisa. Los contadores están calibrados contra fuentes de isótopos estándar. Cabe señalar que este parámetro puede variar mucho para diferentes tipos de contadores, a continuación se muestran los parámetros de los contadores Geiger-Muller más comunes:
Contador Geiger-Müller Beta 2- 160 ÷ 240 imps / µR
Contador Geiger-Müller beta 1- 96 ÷ 144 imps / µR
Contador Geiger-Müller SBM-20- 60 ÷ 75 pulsos / µR
Contador Geiger-Müller SBM-21- 6,5 ÷ 9,5 imps/µR
Contador Geiger-Müller SBM-10- 9,6 ÷ 10,8 imps/µR
El área del sensor de radiación a través del cual vuelan las partículas radiactivas. Esta característica está directamente relacionada con las dimensiones del sensor. Cuanto mayor sea el área, más partículas captará el contador Geiger-Muller. Por lo general, este parámetro se indica en centímetros cuadrados.
Contador Geiger-Müller Beta 2- 13,8 cm2
Contador Geiger-Müller beta 1- 7cm2
Esta tensión corresponde aproximadamente a la mitad de la característica de funcionamiento. La característica de funcionamiento es una parte plana de la dependencia del número de pulsos registrados en el voltaje, por lo que también se denomina "meseta". En este punto, se alcanza la velocidad de operación más alta (límite superior de medición). Valor típico 400 V.
Esta es la diferencia entre el voltaje de ruptura de la chispa y el voltaje de salida en la parte plana de la característica. El valor típico es 100 V.
La pendiente se mide como un porcentaje de pulsos por voltio. Caracteriza el error estadístico de las medidas (contando el número de pulsos). El valor típico es 0,15%.
Para medidores de propósito general -50 ... +70 grados Celsius. Este es un parámetro muy importante si el medidor opera en cámaras, canales y otros lugares de equipos complejos: aceleradores, reactores, etc.
El número total de pulsos que registra el contador antes del momento en que sus lecturas comienzan a ser incorrectas. Para dispositivos con aditivos orgánicos, la autoextinción suele ser 1e9 (diez a la novena potencia, o mil millones). El recurso se considera solo si el voltaje de operación se aplica al medidor. Si el contador simplemente se almacena, este recurso no se consume.
Este es el tiempo (tiempo de recuperación) durante el cual el medidor conduce corriente después de ser activado por una partícula que pasa. La existencia de tal tiempo significa que hay un límite superior para la frecuencia del pulso, y esto limita el rango de medición. Un valor típico es 1e-4 s, es decir, diez microsegundos.
Cabe señalar que debido al tiempo muerto, el sensor puede resultar "fuera de escala" y estar en silencio en el momento más peligroso (por ejemplo, una reacción en cadena espontánea en la producción). Ha habido casos de este tipo, y para combatirlos se utilizan pantallas de plomo, cubriendo parte de los sensores de los sistemas de alarma de emergencia.
Medido en cámaras de plomo con paredes gruesas para evaluar la calidad de los medidores. Valor típico 1 ... 2 pulsos por minuto.
La industria soviética y ahora rusa produce muchos tipos de contadores Geiger-Muller. Aquí hay algunas marcas comunes: STS-6, SBM-20, SI-1G, SI21G, SI22G, SI34G, contadores de la serie Gamma, contadores finales de la serie " Beta' y hay muchos otros. Todos ellos se utilizan para controlar y medir la radiación: en instalaciones de la industria nuclear, en instituciones científicas y educativas, en defensa civil, medicina e incluso en la vida cotidiana. Después del accidente de Chernóbil, dosímetros domésticos, anteriormente desconocidos para la población incluso por su nombre, se han vuelto muy populares. Han aparecido muchas marcas de dosímetros domésticos. Todos ellos utilizan el contador Geiger-Muller como sensor de radiación. En los dosímetros domésticos, se instalan uno o dos tubos o contadores finales.
Durante mucho tiempo, la unidad de medida P (roentgen) fue común. Sin embargo, al pasar al sistema SI, aparecen otras unidades. Roentgen es una unidad de dosis de exposición, "cantidad de radiación", que se expresa por el número de iones formados en el aire seco. A una dosis de 1 R, se forman 2.082e9 pares de iones en 1 cm3 de aire (lo que corresponde a 1 unidad de carga CGSE). En el sistema SI, la dosis de exposición se expresa en culombios por kilogramo, y con los rayos X esto se relaciona mediante la ecuación:
1 C/kg = 3876 R
La dosis de radiación absorbida se mide en julios por kilogramo y se denomina Gray. Esto es para reemplazar la unidad de radiación obsoleta. La tasa de dosis absorbida se mide en grises por segundo. La tasa de dosis de exposición (EDR), que antes se medía en roentgens por segundo, ahora se mide en amperios por kilogramo. La dosis equivalente de radiación en la que la dosis absorbida es 1 Gy (Gray) y el factor de calidad de la radiación es 1 se denomina Sievert. Rem (el equivalente biológico de un roentgen) es una centésima parte de un sievert y ahora se considera obsoleto. Sin embargo, incluso hoy en día, todas las unidades obsoletas se utilizan de forma muy activa.
Los conceptos principales en las mediciones de radiación son la dosis y la potencia. La dosis es el número de cargas elementales en el proceso de ionización de una sustancia, y la potencia es la tasa de formación de dosis por unidad de tiempo. Y en qué unidades se expresa es una cuestión de gusto y conveniencia.
Incluso la dosis más pequeña es peligrosa en términos de efectos a largo plazo en el cuerpo. El cálculo del riesgo es bastante simple. Por ejemplo, su dosímetro muestra 300 miliroentgens por hora. Si permanece en este lugar durante un día, recibirá una dosis de 24 * 0,3 = 7,2 roentgens. Esto es peligroso y tienes que salir de aquí lo antes posible. En general, habiendo descubierto incluso una radiación débil, uno debe alejarse de ella y controlarla incluso a distancia. Si ella “te sigue”, puedes ser “felicitado”, has sido golpeado por neutrones. Y no todos los dosímetros pueden responder a ellos.
Para las fuentes de radiación, se utiliza un valor que caracteriza el número de decaimientos por unidad de tiempo, se llama actividad y también se mide en muchas unidades diferentes: curie, becquerel, rutherford y algunas otras. La cantidad de actividad, medida dos veces con suficiente separación de tiempo, si disminuye, permite calcular el tiempo, según la ley de decaimiento radiactivo, en que la fuente se vuelve suficientemente segura.
Esquemáticamente, el dispositivo del contador de descarga de gas Geiger-Muller se muestra en la fig. 5.4. El contador está hecho en forma de un cilindro de metal que sirve como cátodo. A, mm de diámetro. ánodo PERO se utiliza un alambre de acero delgado con un diámetro de mm, estirado a lo largo del eje del cilindro y aislado del cátodo con tapones aislantes PAGS. El cilindro se llena con argón a presión reducida ( 100 mm Hg) con la adición de una pequeña cantidad ( 0,5 %) vapores de alcohol etílico o halógenos.
En la fig. 5.4 muestra el diagrama de conexión del contador para estudiar sus características de corriente-tensión. Se suministra un voltaje constante a los electrodos desde una fuente EMF mi. La cantidad de corriente que pasa a través del gas se mide por la caída de voltaje a través de la resistencia de medición. R.
Suponga que el gas está expuesto a una radiación de intensidad constante (ionizador). Como resultado de la acción del ionizador, el gas adquiere cierta conductividad eléctrica y fluirá una corriente en el circuito, cuya dependencia del voltaje aplicado se muestra en
arroz. 5.5.
A voltajes bajos, la corriente que pasa a través del dispositivo es pequeña. Es posible registrar solo la corriente total provocada por el paso de un gran número de partículas. Los dispositivos que funcionan en este modo se denominan cámaras de ionización. Este modo corresponde a áreas yo y Yo.
Ubicación en yo la corriente aumenta en proporción al voltaje, es decir Se cumple la ley de Ohm. En esta sección, simultáneamente con el proceso de ionización, se lleva a cabo el proceso inverso: recombinación (conexión de iones y electrones positivos con la formación de partículas neutras).
Con un aumento adicional en el voltaje, el aumento en la intensidad de la corriente se ralentiza y se detiene por completo (sección Yo). Se produce corriente de saturación. La corriente de saturación es el valor máximo de la corriente cuando todos los iones y electrones creados por el ionizador externo por unidad de tiempo alcanzan los electrodos al mismo tiempo. El valor de la corriente de saturación está determinado por la potencia del ionizador. La corriente de saturación es una medida de la acción ionizante del ionizador: si se detiene la acción del ionizador, también se detendrá la descarga.
Con un aumento adicional en el voltaje, la corriente aumenta bastante lentamente (sección tercero). A altos voltajes, los electrones generados bajo la acción de un ionizador externo, fuertemente acelerados por un campo eléctrico, chocan con moléculas de gas neutro y las ionizan. Como resultado, se forman electrones secundarios e iones positivos. Los electrones secundarios, habiéndose acelerado en un campo eléctrico, pueden volver a ionizar moléculas de gas. El número total de electrones e iones aumentará como una avalancha a medida que los electrones se mueven hacia el ánodo (este proceso se llama ionización de impacto). Contadores que operan en esta área ( tercero), son llamados proporcional.
El número de electrones que llegan al ánodo dividido por el número de electrones primarios se llama factor de amplificación de gas. El factor de amplificación del gas aumenta rápidamente al aumentar el voltaje y, a voltajes altos, comienza a depender del número de electrones primarios. Al mismo tiempo, el contador cambia del modo proporcional al modo proporcionalidad limitada(gráfico IV). No hay mostradores operando en esta área.
A un voltaje aún más alto, la aparición de al menos un par de iones conduce al comienzo de una descarga autosostenida (el voltaje al que ocurre una descarga autosostenida se denomina cortocircuito). La corriente deja de depender del número de iones formados inicialmente y de la energía de las partículas registradas. El contador comienza a funcionar en el modo Geiger (sección V). El dispositivo que trabaja en esta zona se llama Contador Geiger-Müller. La independencia de la fuerza actual de la energía de las partículas ionizantes hace que los contadores Geiger-Muller sean convenientes para el registro. b-partículas que tienen un espectro continuo.
Un aumento adicional en el voltaje conduce a la aparición descarga de gas continua. La corriente en este caso aumenta bruscamente (sección VI), y el medidor puede fallar.
Por lo tanto, el contador Geiger-Muller funciona según el principio de amplificación de gas interno. Cuando se aplica un voltaje alto al contador, el campo cerca del filamento delgado (ánodo) es extremadamente heterogéneo. Debido al gran gradiente de potencial, una partícula cargada que ingresa al contador es acelerada por el campo a una energía de más de 30 eV. A tal energía de la partícula, comienza a operar el mecanismo de ionización por impacto, por lo que los electrones se multiplican en número hasta una avalancha. Como resultado, se forma un pulso negativo en la resistencia de carga del ánodo. Una avalancha de electrones puede surgir de un solo electrón atrapado entre el cátodo y el ánodo.
Características del contador Geiger-Muller
Eficiencia contador es la relación entre el número de partículas registradas y el número total de partículas que lo atraviesan. La eficiencia del contador de electrones puede alcanzar 99,9 % Registro gramo Los rayos se transportan a través de electrones rápidos, formados durante la absorción o dispersión. gramo-quanta en el mostrador. Eficiencia del medidor a gramo-quantum suele ser del orden del %.
Una característica importante del contador es antecedentes. antecedentes llame a las lecturas del dispositivo en ausencia de las fuentes de radiación estudiadas. El fondo del contador se debe a: radiación cósmica; la presencia de sustancias radiactivas en el medio ambiente, incluso en los materiales de los que está hecho el medidor; descargas espontáneas en el contador (pulsos falsos). Por lo general, para contadores Geiger-Muller de varios diseños, el fondo fluctúa dentro de los límites de pulsos/min. Los métodos especiales pueden reducir el fondo en un orden de magnitud.
El contador Geiger-Muller puede registrar solo una partícula. Para registrar la siguiente partícula, primero es necesario extinguir la descarga autosostenida. Por lo tanto, una característica importante del contador es tiempo muerto t– tiempo de inactividad del contador, durante el cual se extingue la descarga de gas. Típicamente, el tiempo muerto es del orden de s.
La descarga de gas en el mostrador se puede extinguir de dos maneras:
1) introduciendo un compuesto orgánico complejo en el gas. Muchas moléculas complejas son opacas al ultravioleta y no permiten que los cuantos correspondientes lleguen al cátodo. La energía liberada por los iones en el cátodo, en presencia de tales sustancias, no se gasta en extraer electrones del cátodo, sino en la disociación de moléculas. La ocurrencia de una descarga independiente bajo tales condiciones se vuelve imposible;
2) usando resistencia. Este método se explica por el hecho de que a medida que la corriente de descarga fluye a través de la resistencia, se produce una gran caída de voltaje en ella. Como resultado, solo una parte del voltaje aplicado cae sobre el espacio entre electrodos, que es insuficiente para mantener la descarga.
El tiempo muerto depende de muchos factores: valor de voltaje en el contador; composición del gas - relleno; método de extinción; vida de servicio; temperatura, etc. Por lo tanto, es difícil de calcular.
Uno de los métodos más simples para la determinación experimental del tiempo muerto es método de dos fuentes.
Las transformaciones nucleares y las interacciones de la radiación con la materia son de carácter estadístico. Por lo tanto, existe una cierta probabilidad de que dos o más partículas golpeen el contador durante el tiempo muerto t, que se registrará como una sola partícula. Supongamos que la eficiencia del contador es igual a 100 % Sea la velocidad promedio de golpear el contador de partículas. norte es la tasa de conteo promedio (el número de partículas registradas por unidad de tiempo). Durante t las partículas serán registradas. tiempo muerto total t será , y el número de partículas no contadas será igual a . Supondremos que el número de partículas que han entrado en el contador será igual a la suma de partículas registradas y no contadas.
