Счётчик Гейгера ( / ˈ ɡ aɪ ɡ ər / , GY -gər ; [1] также известный как счётчик Гейгера–Мюллера или счётчик ГМ ) — электронный прибор, используемый для обнаружения и измерения ионизирующего излучения . Он широко используется в таких приложениях, как радиационная дозиметрия , радиационная защита , экспериментальная физика и ядерная промышленность .
Он обнаруживает ионизирующее излучение, такое как альфа-частицы , бета-частицы и гамма-лучи, используя эффект ионизации, создаваемый в трубке Гейгера-Мюллера , что и дало название прибору. [2] Широко и заметно используемый в качестве ручного прибора для радиационного контроля , он, пожалуй, является одним 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 быть произведен как практический прибор. С тех пор он стал очень популярен благодаря своему надежному чувствительному элементу и относительно низкой стоимости. Однако существуют ограничения в измерении высоких уровней излучения и энергии падающего излучения. [4]
Счетчик Гейгера является одним из первых примеров ультразвуковой обработки данных . [5]
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 , при низком давлении, к которому приложено высокое напряжение. Трубка кратковременно проводит электрический заряд, когда частицы высокой энергии или гамма-излучение делают газ проводящим путем ионизации. Ионизация значительно усиливается внутри трубки за счет эффекта разряда Таунсенда , чтобы произвести легко измеряемый импульс обнаружения, который подается на обрабатывающую и отображающую электронику. Этот большой импульс из трубки делает счетчик Гейгера относительно дешевым в производстве, поскольку последующая электроника значительно упрощена. [4] Электроника также генерирует высокое напряжение, обычно 400–900 вольт, которое необходимо приложить к трубке Гейгера-Мюллера для ее работы. Это напряжение должно быть тщательно выбрано, так как слишком высокое напряжение приведет к непрерывному разряду, повреждая прибор и делая результаты недействительными. И наоборот, слишком низкое напряжение приведет к электрическому полю, которое слишком слабо для генерации импульса тока. [6] Правильное напряжение обычно указывается производителем. Чтобы помочь быстро завершить каждый разряд в трубке, в заполняющий газ добавляется небольшое количество галогенного газа или органического материала, известного как гасящая смесь .
Существует два типа показаний обнаруженного излучения: отсчеты и доза облучения .
Показания могут быть аналоговыми или цифровыми, а современные приборы предлагают последовательную связь с главным компьютером или сетью.
Обычно есть возможность производить слышимые щелчки , представляющие количество обнаруженных событий ионизации. Это характерный звук, связанный с ручными или переносными счетчиками Гейгера. Цель этого — позволить пользователю сосредоточиться на манипуляциях с прибором, сохраняя при этом слуховую обратную связь по скорости излучения.
Существуют два основных ограничения счетчика Гейгера:
Предполагаемое применение счетчика Гейгера для обнаружения диктует используемую конструкцию трубки. Следовательно, существует множество конструкций, но в целом их можно разделить на категории «с торцевым окном», без окна, «тонкостенные», «толстостенные», а иногда и гибриды этих типов.
Первые исторические применения принципа Гейгера были для обнаружения α- и β-частиц, и прибор до сих пор используется для этой цели. Для α-частиц и β-частиц низкой энергии необходимо использовать трубку Гейгера-Мюллера типа «торцевое окно», поскольку эти частицы имеют ограниченный диапазон и легко останавливаются твердым материалом. Поэтому трубке требуется окно, которое достаточно тонкое, чтобы пропустить как можно больше этих частиц к заполняющему газу. Окно обычно изготавливается из слюды плотностью около 1,5–2,0 мг/см 2 . [2]
α-частицы имеют самый короткий 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 выдает импульсный выход, 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 различное расстояние от источника излучения, чтобы различать α- и β-частицы высокой энергии.
Трубка Гейгера-Мюллера "блинная" представляет собой вариант зонда с торцевым окном, но разработана с большей зоной обнаружения для ускорения проверки. Однако давление атмосферы против низкого давления заполняющего газа ограничивает размер окна из-за ограниченной прочности мембраны окна.
Некоторые β-частицы также могут быть обнаружены тонкостенной "безоконной" трубкой Гейгера-Мюллера, которая не имеет торцевого окна, но позволяет высокоэнергетическим β-частицам проходить через стенки трубки. Хотя стенки трубки имеют большую тормозную способность, чем тонкое торцевое окно, они все же позволяют этим более энергичным частицам достигать заполняющего газа. [2]
Торцевые счетчики Гейгера по-прежнему используются в качестве универсального портативного прибора для измерения и обнаружения радиоактивного загрязнения благодаря своей относительно низкой стоимости, надежности и относительно высокой эффективности обнаружения, особенно при высоких энергиях β-частиц. [4] [7] Однако для различения α- и β-частиц или предоставления информации об энергии частиц следует использовать сцинтилляционные счетчики или пропорциональные счетчики . [8] Эти типы приборов изготавливаются с гораздо большими площадями детекторов, что означает, что проверка на поверхностное загрязнение происходит быстрее, чем с помощью счетчика Гейгера.
Счетчики Гейгера широко используются для обнаружения гамма-излучения и рентгеновских лучей , известных как фотоны , и для этого используется безоконная трубка. Однако эффективность обнаружения низкая по сравнению с альфа- и бета-частицами. Статья о трубке Гейгера-Мюллера содержит более подробное описание методов, используемых для обнаружения фотонного излучения. Для высокоэнергетических фотонов трубка полагается на взаимодействие излучения со стенкой трубки, обычно из материала с высоким атомным числом, такого как нержавеющая сталь толщиной 1–2 мм, для создания свободных электронов внутри стенки трубки из-за фотоэлектрического эффекта . Если они мигрируют к стенке трубки, они попадают в заполняющий газ и ионизируют его. [4]
Этот эффект увеличивает эффективность обнаружения, поскольку газ низкого давления в трубке хуже взаимодействует с фотонами с более высокой энергией, чем стальная трубка. Однако, когда энергия фотонов уменьшается до низких уровней, взаимодействие газа усиливается, и вклад прямого взаимодействия газа 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, которая имеет больший объем газа, чтобы увеличить вероятность прямого взаимодействия частицы с заполняющим газом. [2]
Выше этих низких уровней энергии наблюдается значительная дисперсия в ответе на различные энергии фотонов той же интенсивности, и трубка со стальными стенками использует то, что известно как «энергетическая компенсация» в виде фильтрующих колец вокруг открытой трубки, что пытается компенсировать эти изменения в широком диапазоне энергий. [2] Трубка Гейгера-Мюллера со стальными стенками имеет эффективность около 1% в широком диапазоне энергий. [2]
Разновидность трубки Гейгера, известная как сфера Боннера, может использоваться исключительно для измерения дозы радиации от нейтронов, а не от гамма-квантов с помощью процесса захвата нейтронов . Трубка, которая может содержать заполняющий газ трифторид бора или гелий-3 , окружена пластиковым замедлителем, который снижает энергию нейтронов до захвата. Когда захват происходит в заполняющем газе, высвобождаемая энергия регистрируется детектором.
В то время как "счетчик Гейгера" практически является синонимом ручного варианта, принцип Гейгера широко используется в установленных "зонных гамма-сигнализаторах" для защиты персонала, а также в приложениях для измерения и блокировки процессов. Электроника обработки данных таких установок имеет более высокую степень сложности и надежности, чем у ручных счетчиков.
Для ручных устройств существуют две основные физические конфигурации: «интегральное» устройство, в котором детектор и электроника находятся в одном блоке, и «двухкомпонентная» конструкция, в которой отдельный зонд детектора и электронный модуль соединены коротким кабелем.
В 1930-х годах к цилиндрической конструкции было добавлено слюдяное окно, позволяющее легко пропускать слабопроникающее излучение. [9]
Интегральный блок позволяет управлять им одной рукой, поэтому оператор может использовать другую руку для личной безопасности в сложных положениях мониторинга, но двухкомпонентная конструкция упрощает манипуляции с детектором и обычно используется для контроля альфа- и бета-загрязнения поверхности, когда требуется осторожное обращение с зондом или вес электронного модуля делает работу громоздкой. Доступно несколько детекторов разных размеров для соответствия конкретным ситуациям, таким как размещение зонда в небольших отверстиях или ограниченных пространствах.
Детекторы гамма- и рентгеновского излучения обычно используют «интегральную» конструкцию, поэтому трубка Гейгера-Мюллера удобно расположена внутри корпуса электроники. Этого можно легко достичь, поскольку корпус обычно имеет небольшое затухание и используется при измерениях гамма-излучения окружающей среды, когда расстояние от источника излучения не является существенным фактором. Однако для облегчения более локализованных измерений, таких как «поверхностная доза», положение трубки в корпусе иногда указывается мишенями на корпусе, поэтому можно выполнить точное измерение, если трубка находится в правильной ориентации и на известном расстоянии от поверхности.
Существует особый тип гамма-инструмента, известный как детектор «горячей точки», который имеет детекторную трубку на конце длинного шеста или гибкого трубопровода. Они используются для измерения мест с высоким уровнем гамма-излучения, защищая оператора с помощью дистанционного экранирования.
Обнаружение частиц альфа и бета может использоваться как в интегральных, так и в двухкомпонентных конструкциях. Зонд-блин (для альфа/бета) обычно используется для увеличения области обнаружения в двухкомпонентных приборах, при этом он относительно легкий. В интегральных приборах, использующих трубку с торцевым окном, в корпусе корпуса имеется окно для предотвращения экранирования частиц. Существуют также гибридные приборы, которые имеют отдельный зонд для обнаружения частиц и трубку для обнаружения гамма-излучения в электронном модуле. Детекторы переключаются оператором в зависимости от типа измеряемого излучения.
В Соединенном Королевстве Национальный совет по радиологической защите выпустил руководство для пользователя по выбору наилучшего типа портативного прибора для соответствующего применения измерения радиации. [8] Оно охватывает все технологии приборов радиационной защиты и включает 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 Университете Виктории в Манчестере (ныне Университет Манчестера ) разработал экспериментальную методику обнаружения альфа-частиц, которая позже была использована для разработки трубки Гейгера-Мюллера в 1928 году. [10] Этот ранний счетчик был способен обнаруживать только альфа-частицы и был частью более крупного экспериментального аппарата. Основной механизм ионизации, используемый в нем, был открыт Джоном Сили Таунсендом между 1897 и 1901 годами [11] и известен как разряд Таунсенда , который представляет собой ионизацию молекул ионным ударом.
Только в 1928 году Гейгер и Вальтер Мюллер (аспирант Гейгера) разработали герметичную трубку Гейгера-Мюллера, которая использовала основные принципы ионизации, ранее использовавшиеся экспериментально. Маленькая и прочная, она могла обнаруживать не только альфа- и бета-излучение, как это делали предыдущие модели, но и гамма-излучение. [9] [12] Теперь практический прибор для измерения излучения можно было производить относительно дёшево, и так родился счётчик Гейгера. Поскольку выход трубки требовал небольшой электронной обработки, что было явным преимуществом в эпоху термоионных клапанов из-за минимального количества клапанов и низкого энергопотребления, прибор снискал большую популярность в качестве портативного детектора излучения.
Современные версии счетчика Гейгера используют галогенные гасящие газы, технологию, изобретенную в 1947 году Сиднеем Х. Либсоном . [13] Галогенные соединения вытеснили органические гасящие газы из-за их гораздо более длительного срока службы и более низкого рабочего напряжения; обычно 400-900 вольт. [14]
Медиа, связанные со счетчиками Гейгера на Wikimedia Commons
