Трубка Гейгера-Мюллера или трубка Г–М 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 дальнейшем развитии техники в 1928 году для создания практичной трубки, которая могла бы обнаруживать ряд различных типов излучения. [2] [3]
Это газообразный ионизационный детектор , использующий явление лавины Таунсенда для создания легко обнаруживаемого электронного импульса всего лишь из одного ионизирующего события, вызванного частицей излучения. Он используется для обнаружения гамма -излучения, рентгеновских лучей , а также альфа- и бета -частиц. Его также можно адаптировать для обнаружения нейтронов . Трубка работает в области «Гейгера» генерации ионных пар. Это показано на прилагаемом графике для газообразных детекторов, показывающем ионный ток в зависимости от приложенного напряжения.
Несмотря на то, что детектор G–M является надежным и недорогим, он не способен эффективно измерять высокие уровни излучения, имеет ограниченный срок службы в зонах с высоким уровнем излучения и не может измерять энергию падающего излучения , поэтому не может быть получена спектральная информация и не существует различия между типами излучения, например, между альфа- и бета-частицами.
Трубка Гейгера-Мюллера состоит из камеры, заполненной газовой смесью при низком давлении около 0,1 атмосферы . Камера содержит два электрода, между которыми существует разность потенциалов в несколько сотен вольт . Стенки трубки либо металлические, либо имеют внутреннюю поверхность, покрытую проводящим материалом или спиральной проволокой, образующей катод , в то время как анод представляет собой проволоку, установленную аксиально в центре камеры.
Когда ионизирующее излучение попадает в трубку, некоторые молекулы заполняющего газа ионизируются непосредственно падающим излучением, а если катод трубки является электрическим проводником, например, нержавеющей сталью, то косвенно посредством вторичных электронов, образующихся в стенках трубки, которые мигрируют в газ. Это создает положительно заряженные ионы и свободные электроны , известные как ионные пары , в газе. Сильное электрическое поле, создаваемое напряжением на электродах трубки, ускоряет положительные ионы по направлению к катоду, а электроны — по направлению к аноду. Вблизи анода в «лавинной области», где напряженность электрического поля возрастает обратно пропорционально радиальному расстоянию по мере приближения к аноду, свободные электроны получают достаточную энергию для ионизации дополнительных молекул газа путем столкновения и создания большого количества электронных лавин . Они распространяются вдоль анода и эффективно по всей лавинной области. Это эффект «газового умножения», который дает трубке ее ключевую характеристику — способность производить значительный выходной импульс из одного исходного ионизирующего события. [5]
Если бы на исходное ионизирующее событие приходилась только одна лавина, то число возбужденных молекул было бы порядка 10 6 - 10 8 . Однако создание множественных лавин приводит к увеличению коэффициента размножения, который может производить от 10 9 до 10 10 ионных пар. [5] Создание множественных лавин происходит из-за производства УФ-фотонов в исходной лавине, которые не подвержены влиянию электрического поля и движутся латерально к оси анода, чтобы спровоцировать дальнейшие ионизирующие события путем столкновения с молекулами газа. Эти столкновения производят дальнейшие лавины, которые в свою очередь производят больше фотонов и, следовательно, больше лавин в цепной реакции, которая распространяется латерально через заполняющий газ и охватывает анодную проволоку. Сопроводительная диаграмма показывает это графически. Скорость распространения лавин обычно составляет 2–4 см в микросекунду, так что для обычных размеров трубок полная ионизация газа вокруг анода занимает всего несколько микросекунд. [5] Этот короткий, интенсивный импульс тока может быть измерен как событие счета в форме импульса напряжения, возникающего на внешнем электрическом резисторе. Он может быть порядка вольт, что упрощает дальнейшую электронную обработку.
Разряд прекращается коллективным эффектом положительных ионов, созданных лавинами. Эти ионы имеют меньшую подвижность, чем свободные электроны, из-за их большей массы и медленно движутся от анодного провода. Это создает «пространственный заряд», который противодействует электрическому полю, необходимому для продолжения генерации лавины. Для определенной геометрии трубки и рабочего напряжения это прекращение всегда происходит, когда создается определенное количество лавин, поэтому импульсы из трубки всегда имеют одинаковую величину независимо от энергии инициирующей частицы. Следовательно, в импульсах нет информации об энергии излучения [5] , что означает, что трубка Гейгера-Мюллера не может быть использована для генерации спектральной информации о падающем излучении. На практике прекращение лавины улучшается за счет использования методов «гашения» (см. ниже).
Давление заполняющего газа важно для генерации лавин. Слишком низкое давление — и эффективность взаимодействия с падающим излучением снижается. Слишком высокое давление — и «средняя длина свободного пробега» для столкновений между ускоренными электронами и заполняющим газом слишком мала, и электроны не могут собрать достаточно энергии между каждым столкновением, чтобы вызвать ионизацию газа. Энергия, получаемая электронами, пропорциональна отношению «e/p», где «e» — напряженность электрического поля в этой точке газа, а «p» — давление газа. [5]
В целом существует два основных типа конструкции трубки Гейгера.
Для альфа-частиц, бета-частиц низкой энергии и рентгеновских лучей низкой энергии обычная форма — цилиндрическая трубка с торцевым окном . Этот тип имеет окно на одном конце, покрытое тонким материалом, через который легко проходит слабопроникающее излучение. Слюда является широко используемым материалом из-за ее малой массы на единицу площади. На другом конце находится электрическое соединение с анодом.
Блинчатая трубка — это разновидность трубки с торцевым окном, но она предназначена для мониторинга бета- и гамма-загрязнений. Она имеет примерно такую же чувствительность к частицам, как и трубка с торцевым окном, но имеет плоскую кольцевую форму, поэтому можно использовать наибольшую площадь окна с минимальным газовым пространством. Как и цилиндрическая трубка с торцевым окном, слюда является широко используемым материалом для окон из-за ее малой массы на единицу площади. Анод обычно многопроволочный в концентрических кругах, поэтому он полностью простирается по всему газовому пространству.
Этот общий тип отличается от специализированного типа конечного окна, но имеет два основных подтипа, которые используют различные механизмы взаимодействия излучения для получения подсчета.
Используемый для обнаружения гамма-излучения выше энергий около 25 кэВ, этот тип обычно имеет общую толщину стенки около 1-2 мм хромированной стали . Поскольку большинство гамма-фотонов высокой энергии будут проходить через заполняющий газ низкой плотности без взаимодействия, трубка использует взаимодействие фотонов с молекулами материала стенки для создания вторичных электронов высокой энергии внутри стенки. Некоторые из этих электронов производятся достаточно близко к внутренней стенке трубки, чтобы выйти в заполняющий газ. Как только это происходит, электрон дрейфует к аноду, и происходит лавина электронов, как если бы свободный электрон был создан внутри газа. [5] Лавина является вторичным эффектом процесса, который начинается внутри стенки трубки с создания электронов, которые мигрируют на внутреннюю поверхность стенки трубки, а затем попадают в заполняющий газ. Этот эффект значительно ослабевает при низких энергиях ниже примерно 20 кэВ [4]
Тонкостенные трубы используются для:
Трубки Г–М не будут обнаруживать нейтроны , поскольку они не ионизируют газ. Однако можно изготовить трубки, чувствительные к нейтронам, у которых внутренняя часть трубки покрыта бором , или трубка содержит трифторид бора или гелий-3 в качестве заполняющего газа, или трубка обернута кадмиевой фольгой толщиной около 0,5 мм ( 1 ⁄ 50 дюйма) . [6] Нейтроны взаимодействуют с ядрами бора, производя альфа-частицы, или напрямую с ядрами гелия-3, производя ионы водорода и трития и электроны, 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 Гейгера-Мюллера. Смесь состоит из инертного газа, такого как гелий , аргон или неон , который ионизируется падающим излучением, и «гасящего» газа, состоящего из 5–10% органического пара 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 галогено-заполненная трубка Г–М была изобретена Сиднеем Х. Либсоном в 1947 году и имеет несколько преимуществ по сравнению со старыми трубками с органическими смесями. [7] Разряд галогенной трубки использует метастабильное состояние атома инертного газа для более легкой ионизации молекулы галогена, чем органического пара, что позволяет трубке работать при гораздо более низких напряжениях, обычно 400–600 вольт вместо 900–1200 вольт. Хотя галогено-закаленные трубки имеют большие наклоны плато напряжения по сравнению с органо-закаленными трубками (нежелательное качество), они имеют значительно более длительный срок службы, чем трубки, закаленные органическими соединениями. Это связано с тем, что органический пар постепенно разрушается в процессе разряда, давая органо-закаленным трубкам полезный срок службы около 10 9 событий. Однако ионы галогена могут со временем рекомбинировать, что обеспечивает трубкам с галогенным гашением фактически неограниченный срок службы для большинства применений, хотя они все равно в какой-то момент выйдут из строя из-за других процессов, инициированных ионизацией, которые ограничивают срок службы всех трубок Гейгера. По этим причинам трубка с галогенным гашением в настоящее время является наиболее распространенной. [5]
Неон является наиболее распространенным газом-наполнителем. Хлор является наиболее распространенным гасителем, хотя бром также иногда используется. 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). Другая используется в трубках с бромным охлаждением, обычно 0,1% аргона, 1-2% брома и остаток неона.
Галогенные гасители химически очень активны 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 сплава никеля и меди [9] или покрыты коллоидным графитом и соответствующим образом пассивированы. Обработка кислородной плазмой может обеспечить пассивирующий слой на нержавеющей стали. Плотное непористое покрытие платиной или вольфрамовым слоем или вольфрамовой фольгой может обеспечить защиту в этом случае. [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 наполнителей ранних трубок. Всего 1 ppm примесей (аргон, ртуть и криптон в неоне) может значительно снизить пороговое напряжение. Примесь хлора или брома обеспечивает гашение и стабильность низковольтных смесей неона и аргона с широким диапазоном температур. Более низкие рабочие напряжения приводят к более длительному времени нарастания импульсов без заметного изменения мертвого времени.
Ложные импульсы в основном вызваны вторичными электронами, испускаемыми катодом из-за бомбардировки положительными ионами. Результирующие ложные импульсы имеют природу релаксационного осциллятора и показывают равномерное распределение, зависящее от заполняющего газа трубки и перенапряжения. При достаточно высоких перенапряжениях, но все еще ниже начала непрерывных коронных разрядов, могут быть получены последовательности из тысяч импульсов. Такие ложные отсчеты могут быть подавлены путем покрытия катода материалами с более высокой рабочей функцией , химической пассивацией, лаковым покрытием и т. д.
Органические гасители могут разлагаться на более мелкие молекулы (этиловый спирт и этилацетат) или полимеризоваться в твердые отложения (типично для метана). Продукты распада органических молекул могут обладать или не обладать гасящими свойствами. Более крупные молекулы распадаются на более гасящие продукты, чем мелкие; трубки, гасимые амилацетатом, как правило, имеют в десять раз больший срок службы, чем трубки с этанолом. Трубки, гасимые углеводородами, часто выходят из строя из-за покрытия электродов продуктами полимеризации до того, как сам газ успеет иссякнуть; простая заправка газом не поможет, необходима промывка электродов для удаления отложений. Иногда намеренно стремятся к низкой эффективности ионизации; смеси водорода или гелия низкого давления с органическими гасителями используются в некоторых экспериментах с космическими лучами для обнаружения сильно ионизирующих мюонов и электронов.
Аргон, криптон и ксенон используются для обнаружения мягкого рентгеновского излучения с увеличением поглощения низкоэнергетических фотонов с уменьшением атомной массы из-за прямой ионизации фотоэлектрическим эффектом. Выше 60-70 кэВ прямая ионизация наполняющего газа становится незначительной, и вторичные фотоэлектроны, комптоновские электроны или образование электронно-позитронных пар путем взаимодействия гамма-фотонов с материалом катода становятся доминирующими механизмами инициирования ионизации. Окна трубки 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 Гейгера работает в правильном режиме, где ионизация происходит по всей длине анода. Если трубка Гейгера подвергается воздействию постоянного источника излучения и приложенное напряжение увеличивается от нуля, она следует графику тока, показанному в «области Гейгера», где градиент выравнивается; это плато Гейгера. [5]
Это показано более подробно на прилагаемой диаграмме кривой плато Гейгера. Если напряжение трубки постепенно увеличивается от нуля, эффективность обнаружения будет расти до тех пор, пока самое энергичное излучение не начнет производить импульсы, которые может обнаружить электроника. Это «стартовое напряжение». Дальнейшее увеличение напряжения приводит к быстрому росту счета, пока не будет достигнуто «колено» или порог плато, где скорость увеличения счета падает. Это то место, где напряжение трубки достаточно, чтобы обеспечить полный разряд вдоль анода для каждого обнаруженного счета излучения, и эффект различных энергий излучения одинаков. Однако плато имеет небольшой наклон, в основном из-за более низких электрических полей на концах анода из-за геометрии трубки. По мере увеличения напряжения трубки эти поля усиливаются, вызывая лавины. В конце плато скорость счета снова начинает быстро увеличиваться, пока не начнется непрерывный разряд, где 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 отсчетов на 100 В. Чтобы предотвратить изменение общей эффективности из-за изменения напряжения трубки, используется регулируемый источник напряжения, и обычной практикой является работа в середине плато, чтобы уменьшить влияние любых изменений напряжения. [5] [12]
Идеальная трубка Г–М должна выдавать один импульс для каждого отдельного ионизирующего события из-за излучения. Она не должна давать ложных импульсов и должна быстро восстанавливаться в пассивное состояние, готовая к следующему событию излучения. Однако, когда положительные ионы аргона достигают катода и становятся нейтральными атомами, получая электроны, атомы могут быть подняты до повышенных уровней энергии. Затем эти атомы возвращаются в свое основное состояние, испуская фотоны, которые, в свою очередь, производят дальнейшую ионизацию и, таким образом, ложные вторичные разряды. Если бы ничего не было сделано для противодействия этому, ионизация была бы продолжительной и могла бы даже усилиться. Продолжительная лавина увеличила бы «мертвое время», когда новые события не могут быть обнаружены, и могла бы стать непрерывной и повредить трубку. Поэтому некоторая форма гашения ионизации необходима для сокращения мертвого времени и защиты трубки, и используется ряд методов гашения.
Самогасящиеся или внутренне гасящиеся трубки останавливают разряд без внешней помощи, первоначально посредством добавления небольшого количества многоатомного органического пара, изначально такого как бутан или этанол, но для современных трубок это галоген, такой как бром или хлор. [5]
Если в трубку ввести плохой газовый гаситель, то положительные ионы аргона во время своего движения к катоду будут многократно сталкиваться с молекулами газа-гасителя и передавать им свой заряд и часть энергии. Таким образом, будут образовываться нейтральные атомы аргона, а ионы газа-гасителя, в свою очередь, будут достигать катода, получать от него электроны и переходить в возбужденные состояния, которые будут распадаться за счет испускания фотонов, вызывая разряд трубки. Однако эффективные молекулы гасителя при возбуждении теряют свою энергию не за счет испускания фотонов, а за счет диссоциации на нейтральные молекулы гасителя. Таким образом, не возникает никаких ложных импульсов. [5]
Даже при химическом тушении в течение короткого времени после импульса разряда существует период, в течение которого трубка становится нечувствительной и, таким образом, временно неспособной обнаружить прибытие любой новой ионизирующей частицы (так называемое мертвое время ; обычно 50–100 микросекунд). Это приводит к потере счета при достаточно высоких скоростях счета и ограничивает трубку Гейгера–М эффективной (точной) скоростью счета приблизительно 10 3 отсчетов в секунду даже при внешнем тушении. Хотя трубка Гейгера–М технически способна считывать более высокие скорости счета до того, как она действительно насытится, уровень связанной с этим неопределенности и риск насыщения делают крайне опасным полагаться на более высокие показания скорости счета при попытке рассчитать эквивалентную мощность дозы радиации из скорости счета. Следствием этого является то, что приборы с ионной камерой обычно предпочтительны для более высоких скоростей счета, однако современная техника 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 повторного приложения высокого напряжения между электродами в течение фиксированного времени после каждого пика разряда, чтобы увеличить максимальную скорость счета и срок службы трубки. Хотя это может быть использовано вместо гасящего газа, оно гораздо чаще используется в сочетании с гасящим газом. [5]
«Метод времени до первого отсчета» — это сложная современная реализация внешнего гашения, которая позволяет значительно увеличить максимальную скорость счета с помощью использования статистических методов обработки сигналов и гораздо более сложной управляющей электроники. Из-за неопределенности в скорости счета, введенной упрощенной реализацией внешнего гашения, скорость счета трубки Гейгера становится крайне ненадежной выше примерно 10 3 отсчетов в секунду. С методом времени до первого отсчета достижимы эффективные скорости счета 10 5 отсчетов в секунду, что на два порядка больше нормального эффективного предела. Метод времени до первого отсчета значительно сложнее в реализации, чем традиционные методы внешнего гашения, и в результате этого он не получил широкого распространения. [5]
Одним из последствий эффекта мертвого времени является возможность того, что высокая скорость счета будет постоянно запускать трубку до истечения времени восстановления. Это может привести к импульсам, слишком малым для обнаружения счетной электроникой, и привести к очень нежелательной ситуации, когда счетчик Гейгера-Мюллера в очень сильном поле излучения ложно указывает на низкий уровень. Это явление известно как «fold-back». Промышленное правило заключается в том, что схема дискриминатора, получающая выходной сигнал от трубки, должна обнаруживать вплоть до 1/10 величины нормального импульса, чтобы защититься от этого. [4] Кроме того, схема должна обнаруживать, когда происходит «наложение импульсов», когда кажущееся анодное напряжение переходит на новый уровень постоянного тока из-за комбинации 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 для чрезмерного тока трубки.
Эффективность обнаружения трубки Г–М варьируется в зависимости от типа падающего излучения. Трубки с тонкими оконными отверстиями имеют очень высокую эффективность (может достигать почти 100%) для бета-частиц высокой энергии, хотя она падает по мере уменьшения энергии бета-частиц из-за ослабления материалом окна. Альфа-частицы также ослабляются окном. Поскольку альфа-частицы имеют максимальный радиус действия менее 50 мм в воздухе, окно обнаружения должно располагаться как можно ближе к источнику излучения. Ослабление окна добавляется к ослаблению воздуха, поэтому окно должно иметь плотность не ниже 1,5–2,0 мг/см2, чтобы обеспечить приемлемый уровень эффективности обнаружения. В статье о тормозной способности более подробно объясняются диапазоны для типов частиц различных энергий. Эффективность счета фотонного излучения (гамма- и рентгеновского излучения выше 25 кэВ) зависит от эффективности взаимодействия излучения в стенке трубки, которая увеличивается с атомным номером материала стенки. Хромистое железо является широко используемым материалом, который обеспечивает эффективность около 1% в широком диапазоне энергий. [4]
Если трубка Г–М должна использоваться для гамма- или рентгеновской дозиметрии , необходимо учитывать энергию падающего излучения, которая влияет на ионизирующий эффект. Однако импульсы от трубки Г–М не несут никакой энергетической информации и приписывают равную дозу каждому событию счета. Следовательно, реакция скорости счета «голой» трубки Г–М на фотоны на разных уровнях энергии нелинейна с эффектом завышения показаний при низких энергиях. Изменение в ответе на дозу может быть фактором от 5 до 15, в зависимости от индивидуальной конструкции трубки; самые маленькие трубки имеют самые высокие значения.
Для исправления этого применяется метод, известный как «компенсация энергии», который заключается в добавлении экрана из поглощающего материала вокруг трубки. Этот фильтр преимущественно поглощает фотоны с низкой энергией, а ответная реакция дозы «сглаживается». Цель состоит в том, чтобы чувствительность/энергетическая характеристика трубки соответствовала поглощающей/энергетической характеристике фильтра. Этого нельзя достичь в точности, но результатом является более равномерный ответ в указанном диапазоне энергий обнаружения для трубки. [5]
Свинец и олово являются обычно используемыми материалами, и простой фильтр, эффективный выше 150 кэВ , может быть изготовлен с использованием непрерывного воротника по всей длине трубки. Однако на более низких уровнях энергии это ослабление может стать слишком большим, поэтому в воротнике оставляют воздушные зазоры, чтобы позволить излучению с низкой энергией оказывать большее воздействие. На практике конструкция компенсационного фильтра является эмпирическим компромиссом для получения приемлемо однородного отклика, и для получения требуемой коррекции используется ряд различных материалов и геометрий. [4]