Трубка Гейгера -Мюллера или трубка G-M является чувствительным элементом счетчика Гейгера , используемого для обнаружения ионизирующего излучения . Он назван в честь Ганса Гейгера , который изобрел этот принцип в 1908 году, [1] и Вальтера Мюллера , который сотрудничал с Гейгером в дальнейшей разработке метода в 1928 году, чтобы создать практичную трубку, которая могла бы обнаруживать ряд различных типов излучения. [2] [3]
Это детектор газовой ионизации , использующий лавинное явление Таунсенда для создания легко обнаруживаемого электронного импульса всего за одно событие ионизации, вызванное радиационной частицей. Он используется для обнаружения гамма- излучения, рентгеновских лучей , а также альфа- и бета- частиц. Его также можно адаптировать для обнаружения нейтронов . Трубка работает в «гейгеровской» области генерации ионных пар. Это показано на прилагаемом графике для газовых детекторов, показывающем зависимость ионного тока от приложенного напряжения.
Несмотря на то, что это надежный и недорогой детектор, G-M не способен эффективно измерять высокие уровни радиации, имеет ограниченный срок службы в областях с высоким уровнем радиации и не может измерять энергию падающего излучения , поэтому невозможно генерировать спектральную информацию и нет различия между виды радиации; например, между альфа- и бета-частицами.
Трубка ГМ состоит из камеры, заполненной газовой смесью под низким давлением около 0,1 атмосферы . В камере находятся два электрода, между которыми существует разность потенциалов в несколько сотен вольт . Стенки трубки либо металлические, либо внутренняя поверхность покрыта проводящим материалом или спиральной проволокой, образующей катод , а анод представляет собой проволоку , установленную аксиально в центре камеры.
Когда ионизирующее излучение попадает на трубку, некоторые молекулы наполняющего газа ионизируются непосредственно падающим излучением, а если катод трубки представляет собой электрический проводник, например, из нержавеющей стали, косвенно посредством вторичных электронов, образующихся в стенках трубки, которые мигрируют в газ. Это создает в газе положительно заряженные ионы и свободные электроны , известные как ионные пары . Сильное электрическое поле, создаваемое напряжением на электродах трубки, ускоряет положительные ионы к катоду, а электроны - к аноду. Рядом с анодом, в «лавинной области», где напряженность электрического поля возрастает обратно пропорционально радиальному расстоянию по мере приближения к аноду, свободные электроны получают достаточную энергию, чтобы ионизировать дополнительные молекулы газа путем столкновения и создать большое количество электронных лавин . Они распространяются вдоль анода и эффективно по всей лавинной зоне. Это эффект «умножения газа», который придает трубке ее ключевую характеристику, заключающуюся в способности генерировать значительный выходной импульс из одного исходного ионизирующего события. [5]
Если бы на каждый первоначальный акт ионизации происходила только одна лавина, то число возбужденных молекул было бы порядка от 10 6 до 10 8 . Однако образование множественных лавин приводит к увеличению коэффициента размножения, который может произвести от 10 9 до 10 10 пар ионов. [5] Создание нескольких лавин происходит из-за образования УФ-фотонов в исходной лавине, на которые не влияет электрическое поле и которые движутся латерально к оси анода, вызывая дальнейшие ионизирующие события при столкновении с молекулами газа. Эти столкновения производят дальнейшие лавины, которые, в свою очередь, производят больше фотонов и, следовательно, больше лавин в цепной реакции, которая распространяется вбок через заполняющий газ и окутывает анодную проволоку. Прилагаемая диаграмма показывает это графически. Скорость распространения лавин обычно составляет 2–4 см в микросекунду, так что для трубок обычных размеров полная ионизация газа вокруг анода занимает всего несколько микросекунд. [5] Этот короткий, интенсивный импульс тока можно измерить как событие счета в форме импульса напряжения, возникающего на внешнем электрическом резисторе. Это может быть порядка вольт, что упрощает дальнейшую электронную обработку.
Разряд прекращается коллективным действием положительных ионов, создаваемых лавинами. Эти ионы имеют меньшую подвижность, чем свободные электроны, из-за их большей массы и медленно движутся вблизи анодной проволоки. Это создает «пространственный заряд», который противодействует электрическому полю, необходимому для продолжения генерации лавины. При определенной геометрии трубки и рабочем напряжении это прекращение всегда происходит при создании определенного количества лавин, поэтому импульсы от трубки всегда имеют одинаковую величину независимо от энергии инициирующей частицы. Следовательно, в импульсах нет информации об энергии излучения [5], а это означает, что трубку Гейгера–Мюллера нельзя использовать для генерации спектральной информации о падающем излучении. На практике прекращение лавины улучшается за счет использования методов «гашения» (см. Ниже).
Давление наполняющего газа важно для образования лавин. Слишком низкое давление снижает эффективность взаимодействия с падающим излучением. Слишком высокое давление, а «средняя длина свободного пробега» для столкновений между ускоренными электронами и заполняющим газом слишком мала, и электроны не могут накопить достаточно энергии между каждым столкновением, чтобы вызвать ионизацию газа. Энергия, приобретаемая электронами, пропорциональна отношению «e/p», где «e» — напряженность электрического поля в этой точке газа, а «p» — давление газа. [5]
В целом существует два важных типа конструкции трубки Гейгера.
Для альфа-частиц, бета-частиц низкой энергии и рентгеновских лучей низкой энергии обычной формой является цилиндрическая трубка с торцевым окном . Этот тип имеет окно на одном конце, покрытое тонким материалом, через который может легко проходить низкопроникающее излучение. Слюда является широко используемым материалом из-за ее низкой массы на единицу площади. На другом конце находится электрическое соединение с анодом.
Блинная трубка представляет собой вариант трубки с торцевым окном, но она предназначена для мониторинга бета- и гамма-загрязнений. Он имеет примерно такую же чувствительность к частицам, как и тип с торцевым окном, но имеет плоскую кольцевую форму, поэтому можно использовать самую большую площадь окна с минимальным пространством для газа. Как и цилиндрическая торцевая оконная трубка, слюда является широко используемым материалом для окон из-за ее низкой массы на единицу площади. Анод обычно состоит из нескольких проводов в виде концентрических кругов, поэтому он полностью проходит по всему газовому пространству.
Этот общий тип отличается от типа специального конечного окна, но имеет два основных подтипа, которые используют разные механизмы взаимодействия излучения для получения подсчета.
Этот тип, используемый для обнаружения гамма-излучения с энергией выше 25 кэВ, обычно имеет общую толщину стенок из хромистой стали около 1-2 мм . Поскольку большинство гамма-фотонов высокой энергии проходят через заполняющий газ низкой плотности без взаимодействия, трубка использует взаимодействие фотонов с молекулами материала стенки для производства вторичных электронов высокой энергии внутри стенки. Некоторые из этих электронов рождаются достаточно близко к внутренней стенке трубки и уходят в заполняющий газ. Как только это происходит, электрон дрейфует к аноду, и возникает электронная лавина, как если бы свободный электрон был создан внутри газа. [5] Лавина — это вторичный эффект процесса, который начинается внутри стенки трубки с образования электронов, которые мигрируют на внутреннюю поверхность стенки трубки и затем попадают в заполняющий газ. Этот эффект значительно ослабляется при низких энергиях ниже примерно 20 КэВ [4]
Тонкостенные трубы используются для:
Трубки G–M не обнаруживают нейтроны , поскольку они не ионизуют газ. Однако можно изготовить нейтронно-чувствительные трубки, у которых либо внутренняя часть трубки покрыта бором , либо трубка содержит трифторид бора или гелий-3 в качестве наполняющего газа, либо трубка обернута слоем толщиной около 0,5 мм ( 1 ⁄ 50 дюйма) . ) толстая кадмиевая фольга. [6] Нейтроны взаимодействуют с ядрами бора, производя альфа-частицы, или непосредственно с ядрами гелия-3, производя ионы и электроны водорода и трития , или с кадмием, производя гамма-лучи. Эти энергичные частицы взаимодействуют и производят ионы, которые затем запускают нормальный лавинный процесс.
Компоненты газовой смеси жизненно важны для работы и применения трубки GM. Смесь состоит из инертного газа, такого как гелий , аргон или неон , который ионизируется падающим излучением, и «гасящего» газа, состоящего из 5–10% органических паров или галогенного газа, для предотвращения ложных импульсов путем гашения электронных лавин. . [5] Эта комбинация газов известна как смесь Пеннинга и использует эффект ионизации Пеннинга .
Современная трубка G–M, наполненная галогеном, была изобретена Сидни Х. Либсоном в 1947 году и имеет ряд преимуществ перед более старыми трубками с органическими смесями. [7] Разряд в галогенной трубке использует метастабильное состояние атома инертного газа для более легкой ионизации молекулы галогена, чем органических паров, что позволяет трубке работать при гораздо более низких напряжениях, обычно 400–600 вольт вместо 900– 1200 вольт. Хотя трубки с галогенной закалкой имеют больший наклон плато напряжения по сравнению с трубками с органической закалкой (нежелательное качество), они имеют гораздо более длительный срок службы, чем трубки, закаленные органическими соединениями. Это связано с тем, что органический пар постепенно разрушается в процессе разряда, что обеспечивает срок службы трубок с органической закалкой около 10 9 событий. Однако ионы галогенов могут рекомбинировать с течением времени, что дает галогенным трубкам практически неограниченный срок службы для большинства применений, хотя в какой-то момент они все равно выйдут из строя из-за других процессов, инициируемых ионизацией, которые ограничивают срок службы всех трубок Гейгера. По этим причинам в настоящее время наиболее распространены трубки с галогенной закалкой. [5]
Неон является наиболее распространенным газом-наполнителем. Хлор является наиболее распространенным тушителем, хотя иногда используется и бром. Галогены чаще всего используются с неоном, аргоном или криптоном, органические гасители — с гелием. [8]
Примером газовой смеси, используемой в основном в пропорциональных детекторах, является P10 (90 % аргона, 10 % метана). Другой используется в трубках, закаленных бромом, обычно с содержанием аргона 0,1%, брома 1-2% и оставшегося количества неона.
Галогенные гасители обладают высокой химической активностью и воздействуют на материалы электродов, особенно при повышенных температурах, что со временем приводит к ухудшению характеристик трубки. Материалы катода могут быть выбраны, например, из хрома, платины или никель-медного сплава [9] или покрыты коллоидным графитом и соответствующим образом пассивированы. Обработка кислородной плазмой может обеспечить пассивирующий слой на нержавеющей стали. Защиту здесь может обеспечить плотное непористое покрытие с платиновым или вольфрамовым слоем или подкладка из вольфрамовой фольги. [10]
Чистые благородные газы демонстрируют пороговые напряжения, увеличивающиеся с увеличением атомного веса. Добавление многоатомных органических гасителей увеличивает пороговое напряжение из-за рассеивания большого процента энергии столкновений в молекулярных колебаниях. Аргон с парами спирта был одним из наиболее распространенных материалов для заполнения первых трубок. Всего лишь 1 ppm примесей (аргон, ртуть и криптон в неоне) может значительно снизить пороговое напряжение. Добавка хлора или брома обеспечивает закалку и стабильность низковольтных неон-аргоновых смесей в широком диапазоне температур. Более низкие рабочие напряжения приводят к увеличению времени нарастания импульсов без существенного изменения мертвого времени.
Ложные импульсы вызываются в основном вторичными электронами, испускаемыми катодом в результате бомбардировки положительными ионами. Возникающие в результате паразитные импульсы имеют природу релаксационного генератора и имеют одинаковый интервал, зависящий от газа, заполняющего трубку, и перенапряжения. При достаточно высоких перенапряжениях, но все еще ниже начала непрерывных коронных разрядов, можно генерировать последовательности из тысяч импульсов. Такие ложные отсчеты можно подавить путем покрытия катода материалами с более высокой работой выхода , химической пассивацией, лаковым покрытием и т. д.
Органические тушители могут разлагаться на более мелкие молекулы (этиловый спирт и этилацетат) или полимеризоваться с образованием твердых отложений (типично для метана). Продукты распада органических молекул могут иметь или не иметь тушащие свойства. Молекулы большего размера распадаются на большее количество продуктов тушения, чем маленькие; Срок службы трубок, закаленных амилацетатом, как правило, в десять раз выше, чем у трубок, содержащих этанол. Трубки, закаленные углеводородами, часто выходят из строя из-за покрытия электродов продуктами полимеризации до того, как сам газ успевает истощиться; простая заправка бензином не поможет, необходима промывка электродов для удаления отложений. Иногда намеренно стремятся к низкой эффективности ионизации; смеси водорода или гелия низкого давления с органическими тушителями используются в некоторых экспериментах с космическими лучами для обнаружения сильно ионизирующих мюонов и электронов.
Аргон, криптон и ксенон используются для обнаружения мягких рентгеновских лучей с увеличением поглощения фотонов низкой энергии с уменьшением атомной массы из-за прямой ионизации за счет фотоэлектрического эффекта. Выше 60-70 кэВ прямая ионизация газа-наполнителя становится незначительной, и доминирующими механизмами инициирования ионизации становятся вторичные фотоэлектроны, комптоновские электроны или образование электрон-позитронных пар за счет взаимодействия гамма-фотонов с материалом катода. Окна в трубке можно устранить, поместив образцы непосредственно внутрь трубки или, если они газообразные, смешав их с наполняющим газом. Требование вакуумной герметичности можно устранить, используя непрерывный поток газа при атмосферном давлении. [11]
Плато Гейгера — это диапазон напряжений, в котором трубка ГМ работает в правильном режиме, при котором ионизация происходит по длине анода. Если трубка G – M подвергается воздействию постоянного источника излучения и приложенное напряжение увеличивается от нуля, это соответствует графику тока, показанному в «области Гейгера», где градиент выравнивается; это плато Гейгера. [5]
Более подробно это показано на прилагаемой диаграмме кривой плато Гейгера. Если напряжение на трубке постепенно увеличивается от нуля, эффективность обнаружения будет расти до тех пор, пока наиболее энергичное излучение не начнет генерировать импульсы, которые могут быть обнаружены электроникой. Это «стартовое напряжение». Дальнейшее увеличение напряжения приводит к быстрому увеличению количества отсчетов до тех пор, пока не будет достигнуто «колено» или порог плато, где скорость увеличения количества отсчетов падает. Здесь напряжение трубки достаточно, чтобы обеспечить полный разряд вдоль анода для каждого зарегистрированного импульса излучения, и влияние различных энергий излучения одинаково. Однако плато имеет небольшой наклон, главным образом из-за меньших электрических полей на концах анода из-за геометрии трубки. По мере увеличения напряжения на трубке эти поля усиливаются, вызывая лавины. В конце плато скорость счета снова начинает быстро увеличиваться, пока не начнется непрерывный разряд, при котором трубка не может обнаружить излучение и может быть повреждена. [5]
В зависимости от характеристик конкретной трубки (производитель, размер, тип газа и т. д.) диапазон напряжения плато будет меняться. Наклон обычно выражается как процентное изменение количества импульсов на 100 В. Чтобы предотвратить изменение общего КПД из-за изменения напряжения трубки, используется источник регулируемого напряжения, и нормальной практикой является работа в середине плато, чтобы уменьшить эффект. любых изменений напряжения. [5] [12]
Идеальная трубка G–M должна производить один импульс для каждого отдельного события ионизации, вызванного излучением. Он не должен давать ложных импульсов и должен быстро переходить в пассивное состояние, готовое к следующему радиационному излучению. Однако когда положительные ионы аргона достигают катода и становятся нейтральными атомами за счет присоединения электронов, атомы могут подняться на повышенные энергетические уровни. Затем эти атомы возвращаются в свое основное состояние, испуская фотоны, которые, в свою очередь, вызывают дальнейшую ионизацию и, следовательно, ложные вторичные разряды. Если бы ничего не было предпринято для противодействия этому, ионизация продлилась бы и могла бы даже усилиться. Длительная лавина увеличит «мертвое время», когда новые события не могут быть обнаружены, и может стать непрерывной и повредить трубку. Поэтому для уменьшения мертвого времени и защиты трубки необходима определенная форма гашения ионизации, и используется ряд методов гашения.
Трубки с самогашением или внутренним гашением останавливают разряд без внешней помощи, первоначально за счет добавления небольшого количества многоатомного органического пара, первоначально такого как бутан или этанол, но для современных трубок - это галоген, такой как бром или хлор. [5]
Если в трубку ввести плохой тушитель, то положительные ионы аргона при движении к катоду будут многократно сталкиваться с молекулами тушителя и передавать им свой заряд и некоторую энергию. Таким образом, будут образовываться нейтральные атомы аргона, а ионы гасящего газа, в свою очередь, достигнут катода, получат от него электроны и перейдут в возбужденные состояния, которые будут распадаться за счет испускания фотонов, создавая трубчатый разряд. Однако эффективные молекулы-тушители при возбуждении теряют свою энергию не за счет испускания фотонов, а за счет диссоциации на нейтральные молекулы-тушители. Таким образом, не возникают ложные импульсы. [5]
Даже при химической закалке в течение короткого времени после импульса разряда существует период, в течение которого трубка становится нечувствительной и, таким образом, временно не может обнаружить прибытие какой-либо новой ионизирующей частицы (так называемое мертвое время ; обычно 50–100 микросекунды). Это приводит к потере отсчетов при достаточно высоких скоростях счета и ограничивает эффективную (точную) скорость счета трубки Г-М примерно 10 3 отсчетов в секунду даже при внешнем гашении. Хотя трубка GM технически способна считывать более высокие скорости счета до того, как она действительно насыщается, уровень неопределенности и риск насыщения делают чрезвычайно опасным полагаться на показания с более высокой скоростью счета при попытке рассчитать эквивалентную мощность дозы радиации на основе счетчика. ставка. Следствием этого является то, что инструменты с ионной камерой обычно предпочтительнее для более высоких скоростей счета, однако современная технология внешнего гашения может значительно расширить этот верхний предел. [5]
Внешнее гашение, иногда называемое «активным гашением» или «электронным гашением», использует упрощенную высокоскоростную электронику управления для быстрого снятия и повторной подачи высокого напряжения между электродами в течение фиксированного времени после каждого пика разряда, чтобы увеличить максимальную скорость счета. и срок службы трубки. Хотя его можно использовать вместо закалочного газа, гораздо чаще его используют в сочетании с закалочным газом. [5]
«Метод времени до первого счета» представляет собой сложную современную реализацию внешнего гашения, которая позволяет значительно увеличить максимальную скорость счета за счет использования методов статистической обработки сигналов и гораздо более сложной управляющей электроники. Из-за неопределенности скорости счета, вызванной упрощенной реализацией внешнего гашения, скорость счета трубки Гейгера становится крайне ненадежной при значениях выше примерно 10 3 отсчетов в секунду. При использовании метода времени до первого счета достигается эффективная скорость счета 10 5 отсчетов в секунду, что на два порядка превышает обычный эффективный предел. Метод времени до первого счета значительно сложнее реализовать, чем традиционные методы внешнего гашения, и в результате этого он не получил широкого распространения. [5]
Одним из последствий эффекта мертвого времени является возможность постоянного срабатывания трубки при высокой скорости счета до истечения времени восстановления. Это может привести к образованию импульсов, слишком малых для обнаружения счетной электроникой, и привести к очень нежелательной ситуации, когда счетчик G-M в очень сильном поле излучения ложно показывает низкий уровень. Это явление известно как «обратная связь». Эмпирическое правило отрасли заключается в том, что схема дискриминатора, получающая выходной сигнал от лампы, должна обнаруживать до 1/10 величины нормального импульса, чтобы защититься от этого. [4] Кроме того, схема должна обнаруживать возникновение «накопления импульсов», когда кажущееся анодное напряжение перешло на новый уровень постоянного тока из-за сочетания большого количества импульсов и шума. Электронная конструкция счетчиков Гейгера-Мюллера должна быть способна обнаруживать эту ситуацию и подавать сигнал тревоги; обычно это делается путем установки порога чрезмерного тока лампы.
Эффективность обнаружения трубки Г–М зависит от типа падающего излучения. Трубки с тонкими торцевыми окнами имеют очень высокий КПД (может достигать почти 100%) для бета-излучения высокой энергии, хотя он падает по мере уменьшения энергии бета-излучения из-за затухания материалом окна. Альфа-частицы также ослабляются окном. Поскольку максимальный радиус действия альфа-частиц в воздухе составляет менее 50 мм, окно обнаружения должно располагаться как можно ближе к источнику излучения. Ослабление окна добавляется к ослаблению воздуха, поэтому окно должно иметь плотность от 1,5 до 2,0 мг/см 2 , чтобы обеспечить приемлемый уровень эффективности обнаружения. В статье о останавливающей способности более подробно объясняются диапазоны типов частиц различной энергии. Эффективность счета фотонного излучения (гамма- и рентгеновского излучения с энергией выше 25 кэВ) зависит от эффективности взаимодействия излучения в стенке трубки, которая увеличивается с увеличением атомного номера материала стенки. Хромистое железо — широко используемый материал, который дает эффективность около 1% в широком диапазоне энергий. [4]
Если трубка Г-М будет использоваться для гамма- или рентгеновских дозиметрических измерений , необходимо учитывать энергию падающего излучения, влияющую на ионизирующий эффект. Однако импульсы из трубки G – M не несут никакой информации об энергии и приписывают равную дозу каждому событию подсчета. Следовательно, реакция скорости счета «голой» трубки G – M на фотоны на разных энергетических уровнях является нелинейной с эффектом чрезмерного считывания при низких энергиях. Изменение реакции на дозу может составлять от 5 до 15 раз в зависимости от конструкции индивидуальной трубки; очень маленькие трубки имеют самые высокие значения.
Чтобы исправить это, применяется метод, известный как «компенсация энергии», который заключается в добавлении экрана из поглощающего материала вокруг трубки. Этот фильтр преимущественно поглощает фотоны низкой энергии, и реакция на дозу «сглаживается». Цель состоит в том, чтобы чувствительность/энергетическая характеристика трубки соответствовала характеристике поглощения/энергии фильтра. Этого невозможно достичь в точности, но результатом является более равномерный отклик в заявленном диапазоне энергий обнаружения трубки. [5]
Свинец и олово являются широко используемыми материалами, а простой фильтр с эффективностью выше 150 кэВ можно изготовить с использованием непрерывного воротника по длине трубки. Однако на более низких уровнях энергии это ослабление может стать слишком большим, поэтому в воротнике оставляются воздушные зазоры, позволяющие низкоэнергетическому излучению оказывать больший эффект. На практике конструкция компенсационного фильтра представляет собой эмпирический компромисс для получения приемлемо однородного отклика, а для получения необходимой коррекции используется ряд различных материалов и геометрических форм. [4]