Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Счетчиком Гейгера представляет собой инструмент , используемый для обнаружения и измерения ионизирующего излучения . Также известный как счетчик Гейгера-Мюллера (или счетчик Гейгера-Мюллера ), он широко используется в таких приложениях, как дозиметрия излучения , радиологическая защита , экспериментальная физика и ядерная промышленность .

Он обнаруживает ионизирующее излучение, такое как альфа-частицы , бета-частицы и гамма-лучи, используя эффект ионизации, производимый в трубке Гейгера-Мюллера , которая дала название инструменту. [1] Широко и широко применяемый в качестве портативного прибора для радиационной разведки , он, возможно, является одним из самых известных в мире приборов для обнаружения радиации .

Оригинальный принцип обнаружения был реализован в 1908 году в Университете Манчестера , [2] , но он не был до развития трубки Гейгера-Мюллера в 1928 году , что счетчик Гейгера может быть получен в качестве практического инструмента. С тех пор он стал очень популярным благодаря прочному чувствительному элементу и относительно невысокой стоимости. Однако существуют ограничения при измерении высоких уровней излучения и энергии падающего излучения. [3]

Принцип работы [ править ]

Схема счетчика Гейгера с трубкой с «торцевым окном» для излучения с низким проникновением. Громкоговоритель также используется для индикации

Счетчик Гейгера состоит из трубки Гейгера – Мюллера (чувствительный элемент, который улавливает 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 ненадолго проводит электрический заряд, когда частица или фотон падающего излучения делает газ проводящим за счет ионизации. Ионизация внутри трубки значительно усиливается за счет эффекта разряда Таунсенда, чтобы получить 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. [3]Электроника также генерирует высокое напряжение, обычно 400–900 вольт, которое необходимо приложить к лампе Гейгера – Мюллера, чтобы обеспечить ее работу. Чтобы остановить разряд в трубке Гейгера – Мюллера, в газовую смесь добавляют немного газообразного галогена или органического вещества (спирта).

Чтение [ править ]

Существует два типа считывания обнаруженного излучения: счетчики или доза облучения . Отображение подсчетов является самым простым и представляет собой количество обнаруженных событий ионизации, отображаемое либо в виде скорости счета, например, «количество в минуту» или «количество в секунду», либо в виде общего количества импульсов за заданный период времени (интегрированный общее). Считывание количества обычно используется при обнаружении альфа- или бета-частиц. Более сложным является отображение мощности дозы излучения, отображаемое в таких единицах, как зиверт, которые обычно используются для измерения мощности дозы гамма- или рентгеновского излучения. Трубка Гейгера – Мюллера может обнаруживать присутствие излучения, но не его энергию., влияющий на ионизирующий эффект излучения. Следовательно, приборы, измеряющие мощность дозы, требуют использования трубки Гейгера – Мюллера с компенсацией энергии , чтобы отображаемая доза соответствовала зарегистрированным счетчикам. [3] Электроника будет применять известные факторы для выполнения этого преобразования, которое является специфическим для каждого прибора и определяется конструкцией и калибровкой.

Считывание может быть аналоговым или цифровым, а современные приборы предлагают последовательную связь с главным компьютером или сетью.

Обычно есть возможность производить звуковые щелчки, отображающие количество обнаруженных событий ионизации. Это характерный звук, который обычно ассоциируется с портативными или портативными счетчиками Гейгера. Это позволяет пользователю сконцентрироваться на манипуляциях с инструментом, сохраняя при этом слуховую обратную связь по интенсивности излучения.

Ограничения [ править ]

Есть два основных ограничения счетчика Гейгера. Поскольку выходной импульс трубки Гейгера – Мюллера всегда имеет одинаковую величину (независимо от энергии падающего излучения), трубка не может различать типы излучения. [3] Во-вторых, трубка не может измерять высокие уровни излучения, потому что за каждым событием ионизации следует «мертвое время», нечувствительный период, в течение которого любое дальнейшее падающее излучение не приводит к подсчету. Как правило, мертвое время снижает указанные скорости счета от примерно 10 4 до 10 5 отсчетов в секунду, в зависимости от характеристики используемой трубки. [3] В то время как некоторые счетчики имеют схемы, которые могут это компенсировать, для точных измерений ионная камера инструменты предпочтительнее для высоких уровней излучения.

Типы и приложения [ править ]

Счетчик Гейгера с зондом типа блинов
Лабораторное использование счетчика Гейгера с датчиком с торцевым окном для измерения бета-излучения

Предполагаемое приложение для обнаружения счетчика Гейгера диктует конструкцию используемой трубки. Следовательно, существует очень много конструкций, но их в целом можно разделить на «торцевое окно», безоконное «тонкостенное», «толстостенное», а иногда и на гибриды этих типов.

Обнаружение частиц [ править ]

Первые исторические применения принципа Гейгера были для обнаружения альфа- и бета-частиц, и прибор до сих пор используется для этой цели. Для альфа-частиц и бета-частиц с низкой энергией необходимо использовать тип «торцевого окна» трубки Гейгера-Мюллера, поскольку эти частицы имеют ограниченный диапазон и легко задерживаются твердым материалом. Следовательно, для трубки требуется окно, которое должно быть достаточно тонким, чтобы пропустить как можно больше этих частиц в заполняющий газ. Окно обычно делают из слюды плотностью около 1,5 - 2,0 мг / см 2 . [1]

Альфа-частицы имеют самый короткий диапазон, и для их обнаружения окно в идеале должно находиться в пределах 10 мм от источника излучения из-за ослабления альфа-частицами . [1] 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 альфа- и бета-частицы. [3] Опытный оператор может использовать различное расстояние от источника излучения, чтобы различать альфа-частицы и бета-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 по сравнению с низким давлением наполняющего газа ограничивает размер окна из-за ограниченной прочности оконной мембраны.

Некоторые бета-частицы также могут быть обнаружены с помощью тонкостенной "безоконной" трубки Гейгера – Мюллера, которая не имеет торцевого окна, но позволяет бета-частицам высокой энергии проходить через стенки трубки. Хотя стенки трубки обладают большей тормозной способностью, чем тонкое торцевое окно, они все же позволяют этим более энергичным частицам достигать заполняющего газа. [1]

Счетчики Гейгера с торцевым окном до сих пор используются в качестве портативного прибора для измерения и обнаружения радиоактивного загрязнения общего назначения из-за их относительно низкой стоимости, надежности и относительно высокой эффективности обнаружения; особенно с бета-частицами высоких энергий. [3] [4] Однако для различения альфа- и бета-частиц или предоставления информации об энергии частиц следует использовать сцинтилляционные счетчики или пропорциональные счетчики . [5] Эти типы инструментов производятся с гораздо большей площадью детектора, что означает, что проверка на загрязнение поверхности происходит быстрее, чем с помощью счетчика Гейгера.

Обнаружение гамма- и рентгеновского излучения [ править ]

Счетчики Гейгера широко используются для обнаружения гамма-излучения и рентгеновских лучей, известных под общим названием фотоны , и для этого используется безоконная трубка. Однако эффективность обнаружения низка по сравнению с альфа- и бета-частицами. В статье о трубке Гейгера – Мюллера дается более подробное описание методов, используемых для регистрации фотонного излучения. Для фотонов высокой энергии трубка основана на взаимодействии излучения со стенкой трубки, обычно из материала с высоким Z, такого как хромированная сталь толщиной 1-2 мм, для образования электронов внутри стенки трубки. Они входят в заполняющий газ и ионизируют его. [3]

Это необходимо, поскольку газ низкого давления в трубке мало взаимодействует с фотонами более высоких энергий. Однако по мере того, как энергия фотонов уменьшается до низкого уровня, происходит большее взаимодействие газа и увеличивается прямое взаимодействие газа. При очень низких энергиях (менее 25 кэВ) преобладает прямая ионизация газа, и стальная трубка ослабляет падающие фотоны. Следовательно, при этих энергиях типичная конструкция трубки представляет собой длинную трубку с тонкой стенкой, которая имеет больший объем газа, что дает повышенную вероятность прямого взаимодействия частицы с наполняющим газом. [1]

Выше этих низких уровней энергии наблюдается значительная разница в реакции на различные энергии фотонов одинаковой интенсивности, и в трубке со стальными стенками используется так называемая «компенсация энергии» в виде кольцевых фильтров вокруг оголенной трубки, которые пытаются компенсируют эти колебания в большом диапазоне энергий. [1] Труба GM из хромистой стали имеет КПД около 1% в широком диапазоне энергий. [1]

Обнаружение нейтронов [ править ]

Трубка Гейгера, заполненная BF 3, для регистрации тепловых нейтронов

Для измерения нейтронов используется разновидность трубки Гейгера , где в качестве газа используется трифторид бора или гелий-3, а для замедления нейтронов используется пластиковый замедлитель. Это создает внутри детектора альфа-частицу и, таким образом, можно подсчитывать нейтроны.

Современный моноблочный счетчик Гейгера-Мюллера, включая трубку Гейгера-Мюллера тип 70019 (вверху)

Гамма-измерение - защита персонала и управление процессами [ править ]

Термин «счетчик Гейгера» обычно используется для обозначения портативного измерителя геодезического типа, однако принцип Гейгера широко используется в установленных сигнализаторах «гамма-излучения по площади» для защиты персонала, а также в приложениях для измерения технологических процессов и блокировки. Трубка Гейгера по-прежнему является чувствительным устройством, но электроника обработки данных будет иметь более высокую степень сложности и надежности, чем та, которая используется в портативном геодезическом измерителе.

Физический дизайн [ править ]

Пробирка Pancake GM используется для определения альфа и бета; окно из тонкой слюды обычно защищено сеткой, когда оно вставлено в инструмент.

Для портативных устройств существуют две основные физические конфигурации: «интегральный» блок с детектором и электроникой в ​​одном и том же блоке, и «двухкомпонентная» конструкция, которая имеет отдельный датчик детектора и электронный модуль, соединенный коротким кабелем. .

В 1930-х годах к цилиндрической конструкции было добавлено слюдяное окно, позволяющее легко проходить излучению с низким проникновением. [6]

Интегрированный блок позволяет управлять одной рукой, поэтому оператор может использовать другую руку для личной безопасности в сложных положениях для наблюдения, но конструкция из двух частей позволяет легче манипулировать детектором и обычно используется для контроля альфа- и бета-загрязнения поверхности, где требуется осторожность. требуется манипулирование датчиком, иначе вес электронного модуля сделает работу слишком громоздкой. Доступен ряд детекторов разного размера для конкретных ситуаций, таких как размещение 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 легко добиться, поскольку кожух обычно имеет небольшое затухание и используется в измерениях гамма-излучения окружающей среды, где расстояние от источника излучения не является существенным фактором. Однако для облегчения более локальных измерений, таких как «доза на поверхности», положение трубки в корпусе иногда указывается мишенями на корпусе, поэтому точное измерение может быть выполнено с трубкой в ​​правильной ориентации и на известном расстоянии от поверхность.

Существует особый тип гамма-прибора, известный как детектор «горячей точки», у которого детекторная трубка находится на конце длинного стержня или гибкого трубопровода. Они используются для измерения местоположений с высоким уровнем гамма-излучения, защищая оператора с помощью дистанционной защиты.

Обнаружение альфа- и бета-частиц может использоваться как в цельном, так и в двухкомпонентном исполнении. Зонд для блинов (для альфа / бета) обычно используется для увеличения зоны обнаружения в двухкомпонентных приборах, при этом они относительно легкие. В встроенных 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 определения гамма-излучения в электронном модуле. Датчики переключаются оператором в зависимости от типа измеряемого излучения.

Руководство по использованию приложения [ править ]

В Соединенном Королевстве Национальный совет по радиологической защите издал инструкцию пользователя по выбору лучшего портативный типа прибора для применения измерительного излучения заинтересованного. [5] Он охватывает все технологии приборов радиационной защиты и включает руководство по использованию детекторов GM.

История [ править ]

Один из первых счетчиков альфа-частиц, разработанный Резерфордом и Гейгером.
Ранняя трубка Гейгера-Мюллера, изготовленная в 1932 году Гансом Гейгером для лабораторного использования.

В 1908 году Ханс Гейгер под руководством Эрнеста Резерфорда из Университета Виктории в Манчестере (ныне Манчестерский университет ) разработал экспериментальный метод обнаружения альфа-частиц, который позже будет использован для разработки трубки Гейгера – Мюллера в 1928 году [7]. ] Этот ранний счетчик был способен обнаруживать только альфа-частицы и был частью более крупного экспериментального устройства. Используемый фундаментальный механизм ионизации был открыт Джоном Сили Таунсендом между 1897 и 1901 годами [8] и известен как таунсендовский разряд , который представляет собой ионизацию молекул ионным ударом.

Только 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 не только обнаруживать альфа- и бета-излучение, как это делали предыдущие модели, но также и гамма-излучение. [6] [9] Теперь практический радиационный прибор можно было производить относительно дешево, и так родился счетчик Гейгера. Поскольку выходной сигнал трубки требовал небольшой электронной обработки, явное преимущество в эпоху термоэмиссионных клапанов из-за минимального количества клапанов и низкого энергопотребления, прибор приобрел большую популярность как портативный детектор излучения.

Современные версии счетчика Гейгера используют галогеновую трубку, изобретенную в 1947 году Сидни Х. Либсоном . [10] Он заменил более раннюю лампу Гейгера-Мюллера из-за ее гораздо более длительного срока службы и более низкого рабочего напряжения, обычно 400-900 вольт. [11]

Галерея [ править ]

  • Использование детектора «горячих точек» на длинном столбе для обследования контейнеров с отходами.

  • Детектор блинов GM, запитывающий регистратор данных микроконтроллера, отправляющий данные на ПК через Bluetooth . Поверх GM поместили радиоактивный камень, из-за чего график поднялся.

  • Счетчики GM используются в качестве мониторов гамма-съемки для поиска радиоактивных спутниковых обломков

См. Также [ править ]

  • Беккерель , единица СИ скорости радиоактивного распада количества радиоактивного материала.
  • Счетчики Гейгера гражданской обороны , портативные радиомониторы, как GM, так и ионные камеры
  • Эффективность подсчета: отношение количества радиационных событий, достигших детектора, к количеству, которое он считает.
  • Дозиметр - устройство, используемое персоналом для измерения полученной дозы облучения.
  • Ионизационная камера , простейший детектор ионизирующего излучения
  • Детектор газовой ионизации , обзор основных типов газовых детекторов
  • Трубка Гейгера – Мюллера , содержит более подробное описание работы и типов трубки Гейгера – Мюллера.
  • Плато Гейгера , правильный диапазон рабочего напряжения для трубки Гейгера-Мюллера
  • Подсчет фотонов
  • Радиоактивный распад - процесс, при котором нестабильные атомы испускают излучение.
  • Safecast (организация) , использование счетчика Гейгера – Мюллера в гражданской науке
  • Сцинтилляционный счетчик , безгазовый детектор излучения
  • Зиверт , единица СИ воздействия низких уровней радиации на организм человека

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g '' Трубки Гейгера-Мюллера; выпуск 1 '', изданный Centronics Ltd, Великобритания.
  2. ^ Э. Резерфорд и Х. Гейгер (1908) "Электрический метод подсчета числа α-частиц радиоактивных веществ", Труды Королевского общества (Лондон), серия A, том. 81, нет. 546, страницы 141–161.
  3. ^ Б с д е е г ч Glenn F Knoll. Обнаружение и измерение радиации , третье издание 2000 г. Джон Вили и сыновья, ISBN  0-471-07338-5
  4. ^ "Функция детектора GM и методы измерения" . Проверено 7 марта 2017 .
  5. ^ a b [1] Выбор, использование и обслуживание портативных приборов мониторинга. ВШЭ Великобритании
  6. ^ Б Корф, SNTM (2012) 20: 271. DOI : 10.1007 / s00048-012-0080-й
  7. ^ Э. Резерфорд и Х. Гейгер (1908) "Электрический метод подсчета числа α-частиц радиоактивных веществ", Труды Королевского общества (Лондон) , серия A, том. 81, нет. 546, страницы 141–161.
  8. ^ Джон С. Таунсенд (1901) "Проводимость, создаваемая в газах движением отрицательно заряженных ионов", Philosophical Magazine , серия 6, 1 (2): 198-227.
  9. ^ См .:
    • Х. Гейгер и В. Мюллер (1928), "Elektronenzählrohr zur Messung schwächster Aktivitäten" (Электронная счетная трубка для измерения самой слабой радиоактивности), Die Naturwissenschaften (The Sciences), vol. 16, нет. 31, страницы 617–618.
    • Гейгер, Х. и Мюллер, В. (1928) «Das Elektronenzählrohr» (Электронная счетная трубка), Physikalische Zeitschrift , 29 : 839-841.
    • Гейгер, Х. и Мюллер, В. (1929) «Technische Bemerkungen zum Elektronenzählrohr» (Технические примечания к электронно-счетной трубке), Physikalische Zeitschrift , 30 : 489-493.
    • Гейгер, Х. и Мюллер, В. (1929) «Демонстрация электронно-счетной трубки», Physikalische Zeitschrift , 30 : 523 и сл.
  10. ^ Liebson, SH (1947). "Разрядный механизм самозатухающих счетчиков Гейгера – Мюллера" (PDF) . Физический обзор . 72 (7): 602–608. Bibcode : 1947PhRv ... 72..602L . DOI : 10.1103 / PhysRev.72.602 . hdl : 1903/17793 .
  11. ^ История портативных приборов обнаружения радиации с периода 1920–60

Внешние ссылки [ править ]

СМИ, связанные со счетчиками Гейгера, на Викискладе?

  • Как работает счетчик Гейгера.