Газоразрядный счётчик Гейгера-Мюллера: принцип работы и назначение

Немного об ионизирующих излучениях

Можно сразу перейти к описанию детектора, но его работа покажется непонятной, если вы мало знаете об ионизирующем излучении. При облучении на веществе происходит эндотермический эффект. Этому способствует энергия. Например, к такому излучению не относятся ультрафиолетовые или радиоволны, а жесткий ультрафиолетовый свет. Здесь определяется предел влияния. Этот вид называется фотоном, а сами фотоны являются γ-квантами.

Эрнст Резерфорд с помощью установки магнитного поля разделил процессы энерговыделения на 3 типа:

• γ – фотон;
• α — ядро ​​атома гелия;
• β — электрон высокой энергии.

От α-частиц можно защититься листом бумаги. β проникает глубже проникновение γ является самым высоким. Нейтроны, как позже узнали ученые, — опасные частицы. Они работают на расстоянии нескольких десятков метров. Обладая электронейтральностью, они не реагируют с молекулами различных веществ.

Однако нейтроны легко попадают в центр атома, провоцируя его разрушение, за счет чего образуются радиоактивные изотопы. Грабя, изотопы создают ионизирующее излучение. От человека, животного, растения или неорганического предмета, подвергшегося облучению, радиация идет в течение нескольких дней.

От какой радиации нужен счетчик Гейгера?

Чтобы измерить радиацию счетчиком Гейгера, нужно знать виды радиации. Все зависит от состава излучения, т.е из каких частиц оно состоит и как далеко находится источник. Именно типы частиц влияют на последствия облучения человека.

Альфа-частицы считаются наиболее безопасными для человека, но даже при длительном воздействии они могут вызывать заболевания, опухоли и необратимые изменения в организме. При этом наиболее опасным видом излучения является излучение, в котором участвуют бета-частицы. Поскольку это опасное излучение, именно он обычно чинит счетчик Гейгера.

Бета-частицы могут возникать как в природе, так и в результате деятельности человека. Если их можно встретить в природе во время извержений вулканов, то чаще всего мы сталкиваемся с ними из-за работы атомных электростанций или химических лабораторий. Высокая концентрация таких элементов необратимо влияет на состояние человека. Бета-излучение вызывает рак, опухоли, поражение костного мозга и слизистых оболочек.

До сих пор полностью не изучено, какое влияние может оказывать радиация на организм в зависимости от ее концентрации и времени воздействия. Но количество жертв в Чернобыле, Фукусиме и Нагасаки показывает, что действительно возможен как летальный исход, так и различные мутации и болезни, преследующие человека до конца жизни. Так что дети, рожденные на зараженных территориях, уже рождались с серьезными отклонениями или вообще не выживали.

Вот почему так важно контролировать количество радиации и соблюдение норм. Этого излучения человек не видит и часто не замечает его воздействия до тех пор, пока не возникнут тяжелые заболевания. Быть предупрежденным гораздо лучше, чем стать жертвой опасного излучения. Ведь есть современные способы снижения радиации и защиты от нее.

Отсюда хорошо видно, что такое счетчик Гейгера. Только благодаря этому прибору можно производить быстрый и качественный мониторинг местности на наличие ионизирующих частиц. Благодаря тому, что сейчас выпускаются различные модели, уже можно встретить как профессиональные устройства, так и бытовые. Бытовые приборы позволяют быстро и точно измерить радиационный фон в домашних условиях.

Из чего состоит счетчик Гейгера?

Дозиметры Гейгера включают счетчик, который может подсчитывать радиацию. Конденсаторы точно обнаруживают излучение, вредное для человеческого организма.

Хотя прибор дает точные и быстрые результаты, конструкция счетчика Гейгера несложна.

Счетчик представляет собой емкость с инертным газом. В зависимости от модели могут использоваться разные вещества или компоненты. Но чаще всего в баллон подается аргон или неон, хотя можно встретить и их смесь. Газ в баллоне поддерживается при минимальном давлении, чтобы между катодом и анодом не возникало электрического возбуждения.

В этом узле разделяются трубки и специальные натянутые нити, которые натянуты вдоль оси цилиндра. Они выполняют функции спуска и подъема. Аноды представляют собой либо провода, либо металлические звенья. Теперь на них можно нанести специальное покрытие, повышающее точность результатов за счет устранения радиации.

Инструменты могут быть как профессиональными, так и бытовыми, что сказывается на их конструкции. Профессиональные счетчики могут содержать дополнительные компоненты.

Устройство и принцип работы счетчика Гейгера

Прибор состоит из металлической или стеклянной трубки, в которую закачивается благородный газ (аргон-неоновая смесь или чистые вещества), воздух в трубке отсутствует. Газ добавляют под давлением и смешивают со спиртом и галогеном. Через всю трубу протягивается проволока. Параллельно ему стоит железный цилиндр.

Проволока называется анодом, а трубка – катодом. Вместе они являются электродами. На электроды подается высокое напряжение, которое само по себе не вызывает разрядных явлений. В таком состоянии индикатор будет оставаться до тех пор, пока в его газовой среде не появится центр ионизации. От источника питания минус подключается к трубке, а плюс к проводу, выпрямленному через высокоуровневый резистор. Речь идет о постоянной подаче десятков сотен вольт.

Когда частица попадает в трубку, с ней сталкиваются атомы инертных газов. При контакте выделяется энергия, которая отделяет электроны от атомов газа. Затем образуются вторичные электроны, которые также сталкиваются, порождая массу новых ионов и электронов. Электрическое поле влияет на скорость движения электронов к аноду. Во время этого процесса генерируется электрический ток.

При столкновении энергия частиц теряется, заканчивается подача атомов ионизированного газа. Когда заряженные частицы попадают в газоразрядный счетчик Гейгера, сопротивление трубки падает, что немедленно снижает напряжение в средней точке. Затем сопротивление снова возрастает — это приводит к восстановлению напряжения. Импульс становится отрицательным. Прибор показывает импульсы, и мы можем их считать, оценивая количество частиц.

Как появился счетчик Гейгера — Мюллера

Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в лаборатории Эрнста Резерфорда, предложил в 1908 году принцип действия счетчика «заряженных частиц» как дальнейшее развитие уже известной ионизационной камеры, представлявшей собой электрический конденсатор, заполненный газом при низком уровне давление.

Он использовался с 1895 года Пьером Кюри для изучения электрических свойств газов. У Гейгера возникла идея использовать его для обнаружения ионизирующих излучений именно потому, что эти излучения оказывали прямое влияние на степень ионизации газа.

В 1928 году Вальтер Мюллер под руководством Гейгера создает несколько типов счетчиков излучения, предназначенных для регистрации различных ионизирующих частиц. Создание счетчиков было весьма насущной необходимостью, без которой невозможно было продолжать изучение радиоактивных материалов, так как физика как экспериментальная наука немыслима без измерительных приборов. Гейгер и Мюллер целенаправленно работали над созданием счетчиков, чувствительных к каждому из открытых для него видов излучения: α, β и γ (нейтроны были открыты лишь в 1932 г).

Счетчик Гейгера-Мюллера оказался простым, надежным, дешевым и практичным датчиком излучения. Хотя это не самый точный прибор для изучения определенных типов частиц или излучений, он чрезвычайно удобен в качестве прибора для общего измерения интенсивности ионизирующего излучения. А в сочетании с другими детекторами он также используется физиками для максимально точных измерений в экспериментах.

Ионизирующие излучения

Чтобы лучше понять работу счетчика Гейгера-Мюллера, полезно иметь общее представление об ионизирующем излучении. По определению они включают в себя все, что может вызвать ионизацию вещества в его нормальном состоянии. Для этого требуется определенное количество энергии. Например, радиоволны или даже ультрафиолетовый свет не являются ионизирующим излучением. Предел начинается с «жесткого ультрафиолета», он же «мягкий рентген». Этот тип является фотонным типом излучения. Фотоны высоких энергий обычно называют гамма-квантами.

Эрнст Резерфорд первым разделил ионизирующее излучение на три вида. Это было сделано на экспериментальной установке с использованием магнитного поля в вакууме. Позже выяснилось, что это:

α — ядра атомов гелия

β — электроны высокой энергии

γ — гамма-кванты (фотоны)

Позже были открыты нейтроны. Альфа-частицы легко задерживаются даже обычной бумагой, бета-частицы обладают несколько большей проникающей способностью, а гамма-лучи — самой высокой. Наиболее опасны нейтроны (на расстоянии многих десятков метров по воздуху!). Благодаря своей электронейтральности они не взаимодействуют с электронными оболочками молекул вещества.

Но попав в атомное ядро, вероятность чего достаточно велика, они приводят к его нестабильности и распаду с образованием, как правило, радиоактивных изотопов. А уже те, что в свою очередь распадаются, сами образуют весь «букет» ионизирующих излучений. Хуже всего то, что сам облучаемый предмет или живой организм становится источником радиации на многие часы и дни.

Устройство счетчика Гейгера-Мюллера и принцип его работы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Счетчик Гейгера-Мюллера для газовых выбросов обычно изготавливают в виде герметичной трубки, стеклянной или металлической, из которой откачивают воздух, а на его место добавляют инертный газ (неон или аргон или их смесь) при низких давлением, смесью галогенов или спирта. Вдоль оси трубки натянута тонкая проволока, а соосно ей помещен металлический цилиндр. И трубка, и проволока являются электродами: трубка — катод, а проволока — анод.

Минус от источника постоянного напряжения подключается к катоду, а плюс от источника постоянного напряжения подключается к аноду через большое постоянное сопротивление. Электрически получается делитель напряжения, в средней точке которого (соединение между резистором и анодом счетчика) напряжение почти равно напряжению на истоке. Обычно это несколько сотен вольт.

Когда через трубку пролетает ионизирующая частица, атомы инертного газа, уже находящиеся в сильном электрическом поле, испытывают столкновения с этой частицей. Энергии, выделяемой частицей при столкновении, достаточно, чтобы оторвать электроны от атомов газа. Образовавшиеся вторичные электроны сами способны образовывать новые столкновения, и таким образом получается целая лавина электронов и ионов.

Под действием электрического поля электроны ускоряются к аноду, а положительно заряженные ионы газа — к катоду трубки. Это создает электрический ток. Но так как энергия частицы уже полностью или частично израсходована на столкновения (частица пролетела через трубку), то прекращается и подача атомов ионизированного газа, что желательно и обеспечивается некоторыми дополнительными мерами, которые мы обсудим, когда будут проанализированы параметры счетчиков.

Когда заряженная частица попадает в счетчик Гейгера-Мюллера, сопротивление трубки уменьшается из-за возникающего тока, а вместе с ним и напряжения в средней точке делителя напряжения, как обсуждалось выше. Затем сопротивление трубки восстанавливается за счет увеличения сопротивления, а напряжение остается прежним. Это дает нам отрицательный импульс напряжения. Подсчитывая импульсы, мы можем оценить количество пролетающих частиц. Напряженность электрического поля вблизи анода особенно высока из-за его малых размеров, что делает счетчик более чувствительным.

История создания счетчика Гейгера

Счетчик Гейгера был изобретен в 1908 году немецким физиком Гансом Вильгельмом Гейгером. Изначально устройство, предназначенное для обнаружения радиации, было очень простым и имело множество недостатков. В 1928 году во время работы с Гейгером устройство было значительно усовершенствовано его коллегой Вальтером Мюллером. В частности, он разработал несколько модификаций прибора — каждая из модификаций фиксировала разный тип излучения. Из-за этого измерительный прибор также называют счетчиком Гейгера-Мюллера.

Немецкий физик Ганс Гейгер

Агрегат разрабатывался именно в период активного изучения ядерной физики, ядерной энергетики и создания ядерного оружия. Счетчик Гейгера стал простейшим прибором для регистрации и измерения интенсивности распада радиоактивных веществ. Сегодня он входит в состав дозиметров — более совершенных приборов, которые не только регистрируют наличие радиации, но и показывают точные данные об уровне. В прошлом такие измерительные приборы использовались в армии и на атомных электростанциях, но сегодня купить счетчик Гейгера может любой желающий.

Принцип действия счетчика

Работа счетчика Гейгера основана на несамостоятельном пульсирующем газовом разряде между металлическими электродами, который инициируется одним или несколькими электронами, возникающими в результате ионизации газа -, — или -частицами. В счетчиках обычно используется цилиндрическая конструкция электродов, причем диаметр внутреннего цилиндра (анода) значительно меньше (на 2 и более порядков), чем наружного (катода), что имеет принципиальное значение. Характерный диаметр анода 0,1 мм.

В цилиндрическом варианте счетчика, предназначенном для регистрации высокоэнергетических частиц или мягкого рентгеновского излучения, используется тонкостенная вакуумная оболочка, а катод выполнен из тонкой фольги или в виде тонкой металлической пленки (медь, алюминий), нанесенный на внутреннюю поверхность корпуса. В ряде конструкций тонкостенный металлический катод (с ребрами жесткости) является элементом вакуумной оболочки.

Жесткое рентгеновское излучение (частицы) обладает высокой проникающей способностью. Поэтому его регистрируют детекторы с достаточно толстыми стенками вакуумной оболочки и массивным катодом. В счетчиках нейтронов катод покрыт тонким слоем кадмия или бора, где нейтронное излучение преобразуется в радиоактивное излучение посредством ядерных реакций.

Объем прибора обычно заполняется аргоном или неоном с небольшой (до 1%) примесью аргона при давлении, близком к атмосферному (10 -50 кПа). Для устранения нежелательных явлений после сброса в газовую заправку вводят смесь паров брома или спирта (до 1 %).

Способность счетчика Гейгера регистрировать частицы вне зависимости от их вида и энергии (генерировать один импульс напряжения вне зависимости от числа электронов, образуемых частицей) определяется тем, что из-за очень малого диаметра анода почти все приложенное к электродам напряжение сосредоточено в узком прианодном слое. За пределами слоя находится «область захвата частиц», где они ионизируют молекулы газа.

Электроны, отрываемые частицей от молекул, ускоряются по направлению к аноду, но газ слабо ионизируется из-за малой напряженности электрического поля. Ионизация резко возрастает после попадания электронов в прианодный слой с большой напряженностью поля, где развиваются электронные лавины (одна или несколько) с очень высокой степенью электронного размножения (до 107). Однако результирующий ток еще не достигает значения, соответствующего генерации сигнала датчика.

В случае ядерного взрыва, аварии на атомной электростанции или другой подобной катастрофы окружающая среда будет отравлена ​​радиацией. При воздействии ионизирующего излучения на организм человека и животных возникает радиационное отравление. Тяжесть последствий напрямую зависит от уровня воздействия. Если он небольшой, человек будет испытывать такие проблемы, как головокружение и утомляемость.

Если доза облучения была высокой, организм получает серьезные неврологические повреждения и умирает в течение 48 часов. Чтобы узнать, испускает ли окружающая среда ионизирующее излучение, используют счетчик Гейгера. В том случае, если излучение исходит из окружающей среды или конкретного объекта, он начинает трескаться. Давайте посмотрим, как работает это простое и дешевое устройство.

Счетчики Гейгера могут на 100 % обнаруживать наличие радиации

Читайте также: Вторая чеченская война 1999-2009, причины и участники, тактика, хронология событий, штурм Грозного, итоги и потери

Виды счётчиков Гейгера

Дизайн Счетчики Гейгера бывают 2 типов: плоские и классические.

Классический

Изготовлен из тонкого гофрированного металла. Благодаря гофре труба приобретает жесткость и устойчивость к внешним воздействиям, что предотвращает ее деформацию. Концы трубы снабжены стеклянными или пластмассовыми изоляторами, на которых имеются заглушки для вывода к приборам.

Поверхность трубы покрыта лаком (кроме проводов). Классический счетчик считается универсальным измерительным детектором для всех известных видов излучений. Особенно для γ и β.

Плоский

Чувствительные измерители для фиксации мягкого бета-излучения имеют другую конструкцию. Из-за малого количества бета-частиц их тело имеет плоскую форму. Это окно из слюды, которая сохраняет некоторое количество β. Датчик БЕТА-2 — это название одного из таких устройств. Свойства других плоских датчиков зависят от материала.

Параметры и режимы работы счетчика Гейгера

Для расчета чувствительности счетчика оцените отношение количества микрорентгенов от образца к количеству сигналов от этого излучения. Прибор не измеряет энергию частицы, поэтому не дает абсолютно точной оценки. Установки калибруются с использованием образцов изотопных источников.

Также необходимо обратить внимание на следующие параметры:

Рабочая зона, площадь входного окна

Характеристики индикаторной области, через которую проходят микрочастицы, зависят от их размера. Чем шире площадь, тем больше частиц будет захвачено.

Рабочее напряжение

Напряжение должно соответствовать средним характеристикам. Сама рабочая характеристика представляет собой плоскую часть зависимости количества фиксированных импульсов от напряжения. Другое название плато. В этот момент работа прибора достигает пика активности и называется верхним пределом измерений. Значение — 400 вольт.

Рабочая ширина

Рабочая ширина — разница между выходным напряжением самолета и напряжением искрового разряда. Значение 100 вольт.

Наклон

Значение измеряется в процентах от количества импульсов на 1 вольт. Он показывает погрешность измерения (статистическую) при подсчете импульсов. Значение составляет 0,15 %.

Температура

Температура важна, потому что счетчик часто приходится использовать в тяжелых условиях. Например, в реакторах. Счетчики общего назначения: от -50 до +70 по Цельсию.

Рабочий ресурс

Ресурс характеризуется общим количеством всех импульсов, зарегистрированных до момента, когда показания прибора станут неверными. Если в устройстве есть органические вещества для самозатухания, то количество импульсов составит миллиард. Ресурс целесообразно рассчитывать только в состоянии рабочего напряжения. Когда устройство сохранено, поток останавливается.

Время восстановления

Именно столько времени требуется устройству для проведения тока после реакции на ионизирующую частицу. Существует верхний предел частоты импульсов, ограничивающий интервал измерения. Значение составляет 10 микросекунд.

Из-за времени восстановления (также называемого мертвым временем) устройство может выйти из строя в ответственный момент. Для предотвращения перерегулирования производители устанавливают свинцовые экраны.

Есть ли у счетчика фон

Фон измеряется в толстостенной свинцовой камере. Обычное значение составляет не более 2 импульсов в минуту.

Кто и где применяет дозиметры радиации?

В промышленных масштабах выпускается множество модификаций счетчиков Гейгера-Мюллера. Их производство началось еще в советское время и продолжается сейчас, но уже в Российской Федерации.

Устройство используется:

• на объектах атомной промышленности;
• в научных институтах;
• в медицине;
• дома.

После аварии на АЭС в Чернобыле дозиметры покупают и обычные граждане. Все приборы имеют счетчики Гейгера. Такие дозиметры оснащаются одной или двумя трубками.

Конструкции счетчиков Гейгера-Мюллера

Современные диски Гейгера-Мюллера бывают двух основных версий: «классические» и плоские. Классический счетчик изготовлен из тонкостенной металлической трубы с гофрами. Рифленая поверхность диска делает трубу жесткой, устойчивой к внешнему атмосферному давлению и не позволяет ей разрушаться под его действием.

На концах трубы установлены уплотнительные изоляторы из стекла или термореактивной пластмассы. Они также содержат клеммы для подключения к цепи прибора. Труба промаркирована и покрыта прочным электроизоляционным лаком, кроме конечно выводов. Также отмечена полярность проводов. Это универсальный счетчик всех видов ионизирующего излучения, особенно бета и гамма.

Счетчики, чувствительные к мягкому β-излучению, изготавливаются по-разному. Из-за малого пробега β-частиц их необходимо делать плоскими, со слюдяным окошком, слабо задерживающим бета-излучение, одним из вариантов такого счетчика является датчик излучения БЕТА-2. Все остальные свойства счетчиков определяются материалами, из которых они изготовлены.

Счетчики, предназначенные для регистрации гамма-излучения, содержат катод из металлов с большим зарядовым числом или покрыты такими металлами. Газ крайне плохо ионизируется гамма-фотонами. Но с другой стороны, гамма-фотоны способны выбить из катода многие вторичные электроны, если он выбран правильно.

Счетчики Гейгера-Мюллера для бета-частиц сделаны с тонкими окнами для лучшей проницаемости частиц, так как это обычные электроны, только что набравшие много энергии. Они очень хорошо взаимодействуют с материей и быстро теряют эту энергию.

В случае с альфа-частицами дело обстоит еще хуже. Итак, несмотря на весьма приличную энергию, порядка нескольких МэВ, альфа-частицы очень сильно взаимодействуют с молекулами на пути и быстро теряют энергию. Если материю сравнить с лесом, а электрон с пулей, то альфа-частицы пришлось бы сравнить с танком, прорвавшимся через лес. Однако обычный счетчик хорошо реагирует на α-излучение, но только на расстоянии до нескольких сантиметров.

Для объективной оценки уровня ионизирующего излучения дозиметры на счетчиках общего пользования часто снабжают двумя счетчиками, работающими параллельно. Один более чувствителен к α- и β-излучению, а другой – к γ-излучению. Такая схема использования двух счетчиков реализована в дозиметре РАДЭКС РД1008 и в дозиметре-радиометре РАДЭКС МКС-1009, где установлены счетчики БЕТА-2 и БЕТА-2М.

Иногда между дисками помещают брусок или пластину из сплава, содержащего смесь кадмия. При попадании нейтронов на такой полюс возникает γ-излучение, которое регистрируется. Это делается для того, чтобы регистрировать нейтронное излучение, к которому простые счетчики Гейгера практически нечувствительны. Другой способ — покрыть корпус (катод) примесями, способными придать чувствительность к нейтронам.

Галогены (хлор, бром) смешивают с газом для быстрого гашения выброса. Той же цели служат пары спирта, хотя спирт в этом случае недолговечен (обычно это особенность алкоголя) и «трезвый» счетчик постоянно начинает «звенеть», то есть не может работать в заданном режиме. Это происходит где-то после регистрации 1е9 импульсов (млрд), что не так уж и много. Галогенные счетчики намного долговечнее.

Параметры и режимы работы счетчиков Гейгера

Мертвое время счетчика.

Это время (время восстановления), в течение которого счетчик проводит ток после срабатывания проходящей частицы. Наличие такого времени означает, что существует верхний предел частоты импульсов, а это ограничивает диапазон измерений. Типичное значение составляет 1e-4 с, т.е десять микросекунд.

Следует отметить, что из-за мертвого времени датчик может оказаться «за пределами шкалы» и промолчать в самый опасный момент (например, самопроизвольная цепная реакция на производстве). Бывали такие случаи, и для борьбы с ними применяют свинцовые щиты, закрывающие части датчиков систем аварийной сигнализации.

Практическое применение счетчиков Гейгера

Советская, а теперь и российская промышленность выпускает множество типов счетчиков Гейгера-Мюллера. Вот некоторые распространенные марки: СТС-6, СБМ-20, СИ-1Г, СИ21Г, СИ22Г, СИ34Г, счетчики серии Гамма, итоговые счетчики серии Бета и многие другие. Все они используются для контроля и измерения радиации: на объектах атомной промышленности, в научных и учебных заведениях, в гражданской обороне, медицине и даже в быту.

После чернобыльской аварии большую популярность приобрели бытовые дозиметры, ранее неизвестные населению даже по названию. Появилось множество марок бытовых дозиметров. Все используют счетчик Гейгера-Мюллера в качестве датчика радиации. В бытовых дозиметрах устанавливают одну-две трубки или концевые счетчики.