Счетчик Гейгера ( / ˈ ɡ aɪ ɡ ər / , GY -gər ; [1] также известный как счетчик Гейгера-Мюллера или счетчик GM ) — электронный прибор, используемый для обнаружения и измерения ионизирующего излучения . Он широко используется в таких приложениях, как дозиметрия радиации , радиологическая защита , экспериментальная физика и атомная промышленность .
Он обнаруживает ионизирующее излучение, такое как альфа-частицы , бета-частицы и гамма-лучи, используя эффект ионизации, создаваемый трубкой Гейгера-Мюллера , которая и дала название прибору. [2] Широко и широко используемое в качестве ручного прибора для радиационного обследования , это, пожалуй, один из самых известных в мире приборов для обнаружения радиации .
Первоначальный принцип обнаружения был реализован в 1908 году в Манчестерском университете [3] , но только после разработки трубки Гейгера-Мюллера в 1928 году счетчик Гейгера смог стать практическим инструментом. С тех пор он стал очень популярен благодаря своему прочному чувствительному элементу и относительно низкой стоимости. Однако существуют ограничения в измерении высоких скоростей излучения и энергии падающего излучения. [4]
Счетчик Гейгера состоит из трубки Гейгера-Мюллера (чувствительного элемента, который обнаруживает излучение) и обрабатывающей электроники, которая отображает результат.
Трубка Гейгера-Мюллера заполнена инертным газом, таким как гелий , неон или аргон , под низким давлением, к которому приложено высокое напряжение. Трубка на короткое время проводит электрический заряд, когда частицы высокой энергии или гамма-излучение делают газ проводящим за счет ионизации. Ионизация значительно усиливается внутри трубки за счет эффекта разряда Таунсенда, создавая легко измеряемый импульс обнаружения, который подается на электронику обработки и отображения. Этот большой импульс от трубки делает счетчик Гейгера относительно дешевым в производстве, поскольку последующая электроника значительно упрощается. [4] Электроника также генерирует высокое напряжение, обычно 400–900 вольт, которое необходимо подать на трубку Гейгера-Мюллера, чтобы она работала. Это напряжение необходимо тщательно выбирать, так как слишком высокое напряжение приведет к непрерывному разряду, что приведет к повреждению прибора и аннулированию результатов. И наоборот, слишком низкое напряжение приведет к тому, что электрическое поле будет слишком слабым, чтобы генерировать импульс тока. [5] Правильное напряжение обычно указывается производителем. Чтобы остановить разряд в трубке Гейгера-Мюллера, к газовой смеси добавляют небольшое количество газообразного галогена или органического материала, известного как тушащая смесь .
Существует два типа считывания обнаруженной радиации: подсчет и доза радиации .
Показания могут быть аналоговыми или цифровыми, а современные приборы обеспечивают последовательную связь с главным компьютером или сетью.
Обычно имеется возможность издавать звуковые щелчки , обозначающие количество обнаруженных событий ионизации. Это характерный звук портативных счетчиков Гейгера. Целью этого является предоставление пользователю возможности сконцентрироваться на манипуляциях с прибором, сохраняя при этом слуховую обратную связь о скорости излучения.
Есть два основных ограничения счетчика Гейгера:
Предполагаемое применение счетчика Гейгера для обнаружения определяет конструкцию используемой трубки. Следовательно, конструкций существует великое множество, но в целом их можно разделить на «торцевые», безоконные, «тонкостенные», «толстостенные», а иногда и гибриды этих типов.
Первым историческим применением принципа Гейгера было обнаружение α- и β-частиц, и этот прибор используется для этой цели до сих пор. Для α-частиц и β-частиц низкой энергии необходимо использовать трубку Гейгера – Мюллера типа «торцевое окно», поскольку эти частицы имеют ограниченный радиус действия и легко задерживаются твердым материалом. Следовательно, в трубке требуется окно, достаточно тонкое, чтобы позволить как можно большему количеству этих частиц проникнуть в заполняющий газ. Окно обычно изготавливают из слюды плотностью около 1,5–2,0 мг/см 2 . [2]
α-частицы имеют наименьший радиус действия, и для их обнаружения окно в идеале должно находиться в пределах 10 мм от источника излучения из-за затухания α-частиц . [2] Однако трубка Гейгера-Мюллера производит импульсный выходной сигнал, который имеет одинаковую величину для всего обнаруженного излучения, поэтому счетчик Гейгера с трубкой с торцевым окном не может различать α- и β-частицы. [4] Опытный оператор может использовать разное расстояние от источника излучения, чтобы различать α- и β-частицы высокой энергии.
«Блинная» трубка Гейгера-Мюллера представляет собой вариант зонда с торцевым окном, но имеет большую зону обнаружения, чтобы ускорить проверку. Однако давление атмосферы и низкое давление наполняющего газа ограничивают размер окна из-за ограниченной прочности оконной мембраны.
Некоторые β-частицы также можно обнаружить с помощью тонкостенной трубки Гейгера – Мюллера «без окон», которая не имеет торцевого окна, но позволяет β-частицам высокой энергии проходить через стенки трубки. Хотя стенки трубы обладают большей тормозной способностью, чем тонкое торцевое окно, они все же позволяют этим более энергичным частицам достигать заполняющего газа. [2]
Счетчики Гейгера с торцевым окном до сих пор используются в качестве портативного прибора общего назначения для измерения и обнаружения радиоактивного загрязнения из-за их относительно низкой стоимости, надежности и относительно высокой эффективности обнаружения; особенно с β-частицами высоких энергий. [4] [6] Однако для различения α- и β-частиц или предоставления информации об энергии частиц следует использовать сцинтилляционные счетчики или пропорциональные счетчики . [7] Эти типы приборов производятся с гораздо большей площадью детектора, а это означает, что проверка загрязнения поверхности происходит быстрее, чем при использовании счетчика Гейгера.
Счетчики Гейгера широко используются для обнаружения гамма-излучения и рентгеновских лучей, известных под общим названием фотоны , и для этого используется трубка без окон. Однако эффективность обнаружения низка по сравнению с альфа- и бета-частицами. В статье о трубке Гейгера-Мюллера более подробно описаны методы, используемые для обнаружения фотонного излучения. Для фотонов высокой энергии трубка зависит от взаимодействия излучения со стенкой трубки, обычно это материал с высоким Z [ необходимы разъяснения ] , такой как хромистая сталь толщиной 1–2 мм, для производства электронов внутри стенки трубки. Они попадают в заполняющий газ и ионизируют его. [4]
Это необходимо, поскольку газ низкого давления в трубке мало взаимодействует с фотонами более высокой энергии. Однако по мере того, как энергия фотонов снижается до низких уровней, взаимодействие с газом усиливается, и прямое взаимодействие с газом увеличивается. При очень низких энергиях (менее 25 кэВ ) доминирует прямая ионизация газа, а стальная трубка ослабляет падающие фотоны. Следовательно, при этих энергиях типичная конструкция трубки представляет собой длинную трубку с тонкой стенкой, имеющую больший объем газа, что увеличивает вероятность прямого взаимодействия частицы с заполняющим газом. [2]
Выше этих низких уровней энергии существует значительная разница в реакции на разные энергии фотонов одной и той же интенсивности, и в трубке со стальными стенками используется так называемая «компенсация энергии» в виде фильтрующих колец вокруг голой трубки, что пытается для компенсации этих изменений в широком диапазоне энергий. [2] Трубка Гейгера-Мюллера из хромированной стали имеет КПД около 1% в широком диапазоне энергий. [2]
Разновидность трубки Гейгера, известная как сфера Боннера , может использоваться для измерения дозы радиации исключительно от нейтронов , а не от гамма-излучения посредством захвата нейтронов. Трубка, которая может содержать трифторид бора или гелий-3 , окружена пластиковым замедлителем, который снижает энергию нейтронов перед захватом. При захвате целевого газа выделившаяся при захвате энергия наблюдается в трубке и ее счет регистрируется в детекторе.
Хотя «счетчик Гейгера» практически является синонимом портативного варианта, принцип Гейгера широко используется в установленных сигнализаторах «зонального гамма-излучения» для защиты персонала, а также в измерениях технологических процессов и блокировках. Обрабатывающая электроника таких установок имеет более высокую степень сложности и надежности, чем у ручных счетчиков.
Для портативных устройств существуют две основные физические конфигурации: «интегральный» блок, в котором детектор и электроника находятся в одном блоке, и «состоящая из двух частей» конструкция, в которой имеется отдельный датчик детектора и электронный модуль, соединенные коротким кабелем. .
В 1930-х годах к цилиндрической конструкции было добавлено слюдяное окно, позволяющее легко проходить излучение с низкой проникающей способностью. [8]
Встроенный блок позволяет работать одной рукой, поэтому оператор может использовать другую руку для личной безопасности в сложных положениях наблюдения, но конструкция, состоящая из двух частей, упрощает манипулирование детектором и обычно используется для мониторинга альфа- и бета-загрязнения поверхности, где осторожность необходимо манипулировать датчиком, иначе вес электронного модуля сделает операцию громоздкой. Доступен ряд детекторов разных размеров для конкретных ситуаций, например, для размещения зонда в небольших отверстиях или ограниченном пространстве.
Детекторы гамма- и рентгеновского излучения обычно имеют «интегральную» конструкцию, поэтому трубка Гейгера-Мюллера удобно размещается внутри корпуса электроники. Этого можно легко достичь, поскольку корпус обычно имеет небольшое затухание и используется при измерениях гамма-излучения окружающей среды, где расстояние от источника излучения не является значимым фактором. Однако для облегчения более локализованных измерений, таких как «поверхностная доза», положение трубки в корпусе иногда обозначается метками на корпусе, поэтому точные измерения могут быть выполнены с помощью трубки в правильной ориентации и на известном расстоянии от поверхность.
Существует особый тип гамма-прибора, известный как детектор «горячей точки», детекторная трубка которого находится на конце длинного столба или гибкого трубопровода. Они используются для измерения мест с высоким уровнем гамма-излучения, одновременно защищая оператора посредством дистанционного экранирования.
Обнаружение альфа- и бета-частиц может использоваться как в цельных, так и в двухкомпонентных конструкциях. Зонд-блинчик (для альфа/бета) обычно используется для увеличения области обнаружения в приборах, состоящих из двух частей, при этом он имеет относительно небольшой вес. В интегральных приборах, использующих торцевую оконную трубку, в корпусе имеется окно для предотвращения экранирования частиц. Существуют также гибридные приборы, которые имеют отдельный зонд для обнаружения частиц и трубку для обнаружения гамма-излучения внутри электронного модуля. Детекторы переключаются оператором в зависимости от типа измеряемого излучения.
В Соединенном Королевстве Национальный совет по радиологической защите выпустил руководство пользователя по выбору наилучшего типа портативного прибора для соответствующего применения измерения радиации. [7] Здесь рассматриваются все технологии приборов радиационной защиты и включается руководство по использованию детекторов ГМ.
.jpg/1280px-Early_Geiger_counter,_made_by_Hans_Geiger,_1932._(9663806938).jpg)
В 1908 году Ганс Гейгер под руководством Эрнеста Резерфорда в Манчестерском университете Виктории (ныне Манчестерский университет ) разработал экспериментальную технику обнаружения альфа-частиц, которая позже была использована для разработки трубки Гейгера-Мюллера в 1928 году. [9] ] Этот ранний счетчик был способен обнаруживать только альфа-частицы и был частью более крупного экспериментального аппарата. Используемый фундаментальный механизм ионизации был открыт Джоном Сили Таунсендом между 1897 и 1901 годами [10] и известен как разряд Таунсенда , который представляет собой ионизацию молекул ионным ударом.
Лишь в 1928 году Гейгер и Вальтер Мюллер (аспирант Гейгера) разработали герметичную трубку Гейгера-Мюллера, в которой использовались основные принципы ионизации, ранее использовавшиеся экспериментально. Маленький и прочный, он мог обнаруживать не только альфа- и бета-излучение, как это делали предыдущие модели, но и гамма-излучение. [8] [11] Теперь практический радиационный прибор можно было производить относительно дешево, и так родился счетчик Гейгера. Поскольку выходной сигнал лампы не требовал значительной электронной обработки, что было явным преимуществом в эпоху термоэлектронных клапанов из-за минимального количества клапанов и низкого энергопотребления, прибор приобрел большую популярность в качестве портативного детектора радиации.
В современных версиях счетчика Гейгера используются галогенные гасящие газы — метод, изобретенный в 1947 году Сидни Х. Либсоном . [12] Галогенные соединения вытеснили органические закалочные газы из-за их гораздо более длительного срока службы и более низкого рабочего напряжения; обычно 400-900 вольт. [13]
СМИ, связанные со счетчиками Гейгера, на Викискладе?
