счетчик Гейгера

Чтобы узнать об альбоме, см. Счетчик Гейгера (альбом) .

Счетчик Гейгера-Мюллера

«Двухчастный» настольный счетчик Гейгера – Мюллера с цилиндрическим детектором с торцевым окном, соединенным с электронным модулем с аналоговым считыванием.
Другие имена	Счетчик Гейгера
изобретатель	Ганс Гейгер , Вальтер Мюллер
Похожие товары	Трубка Гейгера – Мюллера

Duration: 10 seconds.0:10

Звук счетчика Гейгера

Счетчик Гейгера ( / ˈ ɡ aɪ ɡ ər / , GY -ger ; также известный как счетчик Гейгера-Мюллера или счетчик GM ) — электронный прибор, используемый для обнаружения и измерения ионизирующего излучения . Он широко используется в таких приложениях, как дозиметрия радиации , радиологическая защита , экспериментальная физика и атомная промышленность .

Он обнаруживает ионизирующее излучение, такое как альфа-частицы , бета-частицы и гамма-лучи , используя эффект ионизации, создаваемый трубкой Гейгера-Мюллера , которая и дала название прибору. Широко и широко используемый в качестве ручного прибора для радиационного наблюдения , он, возможно, является одним из самых известных в мире приборов для обнаружения радиации .

Оригинальный принцип обнаружения был реализован в 1908 году в Манчестерском университете . но только после разработки трубки Гейгера-Мюллера в 1928 году счетчик Гейгера смог стать практическим инструментом. С тех пор он стал очень популярен благодаря своему прочному чувствительному элементу и относительно низкой стоимости. Однако существуют ограничения в измерении высоких скоростей излучения и энергии падающего излучения.

Счетчик Гейгера — один из первых примеров ультразвуковой обработки данных .

Принцип работы

Схема счетчика Гейгера с трубкой с «торцевым окном» для излучения с низкой проникающей способностью. Для индикации также используется громкоговоритель.

Основная статья: трубка Гейгера – Мюллера

Счетчик Гейгера состоит из трубки Гейгера-Мюллера (чувствительного элемента, который обнаруживает излучение) и обрабатывающей электроники, которая отображает результат.

Трубка Гейгера-Мюллера заполнена инертным газом, таким как гелий , неон или аргон , под низким давлением, к которому приложено высокое напряжение. Трубка на короткое время проводит электрический заряд, когда частицы высокой энергии или гамма-излучение делают газ проводящим за счет ионизации. Ионизация значительно усиливается внутри трубки за счет эффекта разряда Таунсенда, создавая 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. Электроника также генерирует высокое напряжение, обычно 400–900 вольт, которое необходимо подать на трубку Гейгера-Мюллера, чтобы она работала. Это напряжение необходимо выбирать тщательно, так как слишком высокое напряжение приведет к непрерывному разряду, что приведет к повреждению прибора и аннулированию результатов. И наоборот, слишком низкое напряжение приведет к тому, что электрическое поле будет слишком слабым, чтобы генерировать импульс тока. Правильное напряжение обычно указывается производителем. небольшое количество газообразного галогена или органического материала, известного как тушащая смесь Чтобы быстро прекратить каждый разряд в трубке , к заполняющему газу добавляется .

Зачитать

Существует два типа считывания обнаруженной радиации: подсчет и доза радиации .

• Отображение подсчетов является самым простым и показывает количество обнаруженных ионизирующих событий, отображаемое либо в виде скорости счета, например «отсчетов в минуту» или «отсчетов в секунду», либо как общее количество отсчетов за установленный период времени ( интегрированный итог). Считывание счетчиков обычно используется при обнаружении альфа- или бета-частиц.
• Более сложным является отображение мощности дозы радиации, отображаемой в таких единицах, как зиверт , который обычно используется для измерения мощности дозы гамма- или рентгеновского излучения. Трубка Гейгера-Мюллера может обнаружить наличие излучения, но не его энергию , что влияет на ионизирующий эффект излучения. Следовательно, приборы, измеряющие мощность дозы, требуют использования трубки Гейгера-Мюллера с компенсацией энергии , чтобы отображаемая доза соответствовала обнаруженным значениям. Для выполнения этого преобразования электроника будет применять известные факторы, которые специфичны для каждого прибора и определяются конструкцией и калибровкой.

Показания могут быть аналоговыми или цифровыми, а современные приборы обеспечивают последовательную связь с главным компьютером или сетью.

Обычно имеется возможность издавать звуковые щелчки , обозначающие количество обнаруженных событий ионизации. Это характерный звук портативных счетчиков Гейгера. Целью этого является предоставление пользователю возможности сконцентрироваться на манипуляциях с прибором, сохраняя при этом слуховую обратную связь о скорости излучения.

Ограничения

Есть два основных ограничения счетчика Гейгера:

1. Поскольку выходной импульс трубки Гейгера – Мюллера всегда имеет одну и ту же величину (независимо от энергии падающего излучения), трубка не может различать типы излучения.
2. Трубка менее точна при высоких скоростях излучения, поскольку за каждым событием ионизации следует «мертвое время», нечувствительный период, в течение которого любое дальнейшее падающее излучение не приводит к подсчету. Обычно мертвое время снижает указанную скорость счета примерно до 10. ⁴ до 10 ⁵ отсчетов в секунду, в зависимости от характеристик используемой трубки. Хотя некоторые счетчики имеют схемы, которые могут это компенсировать, для точных измерений с ионной камерой , поскольку они имеют высокие уровни излучения. предпочтительны инструменты

Типы и приложения

Счетчик Гейгера с зондом типа «блинчик»

Лабораторное использование счетчика Гейгера с датчиком с торцевым окном для измерения бета-излучения

Предполагаемое применение счетчика Гейгера для обнаружения определяет конструкцию используемой трубки. Следовательно, конструкций существует великое множество, но в целом их можно разделить на «торцевые», безоконные, «тонкостенные», «толстостенные», а иногда и гибриды этих типов.

Обнаружение частиц

Первым историческим применением принципа Гейгера было обнаружение α- и β-частиц, и этот прибор используется для этой цели до сих пор. Для α-частиц и β-частиц низкой энергии необходимо использовать трубку Гейгера-Мюллера типа «торцевое окно», поскольку эти частицы имеют ограниченный радиус действия и легко задерживаются твердым материалом. Следовательно, в трубке требуется окно, достаточно тонкое, чтобы позволить как можно большему количеству этих частиц проникнуть в заполняющий газ. Окно обычно изготавливают из слюды плотностью около 1,5–2,0 мг/см. ² .

α-частицы имеют наименьший радиус действия, и для их обнаружения окно в идеале должно находиться в пределах 10 мм от источника излучения из-за затухания α-частиц . Однако трубка Гейгера-Мюллера выдает импульсный выходной сигнал одинаковой величины для всего обнаруженного излучения, поэтому счетчик Гейгера с трубкой с торцевым окном не может различать α- и β-частицы. Опытный оператор может использовать переменное расстояние от источника излучения, чтобы различать α-частицы и β-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 и низкое давление наполняющего газа ограничивают размер окна из-за ограниченной прочности оконной мембраны.

Некоторые β-частицы также можно обнаружить с помощью тонкостенной трубки Гейгера – Мюллера «без окон», которая не имеет торцевого окна, но позволяет β-частицам высокой энергии проходить через стенки трубки. Хотя стенки трубы обладают большей тормозной способностью, чем тонкое торцевое окно, они все же позволяют этим более энергичным частицам достигать заполняющего газа.

Счетчики Гейгера с торцевым окном до сих пор используются в качестве портативных приборов общего назначения для измерения и обнаружения радиоактивного загрязнения из-за их относительно низкой стоимости, надежности и относительно высокой эффективности обнаружения; особенно с β-частицами высоких энергий. Однако для различения α- и β-частиц или предоставления информации об энергии частиц сцинтилляционные счетчики или пропорциональные счетчики . следует использовать Эти типы приборов производятся с гораздо большей площадью детектора, а это означает, что проверка загрязнения поверхности происходит быстрее, чем при использовании счетчика Гейгера.

Обнаружение гамма- и рентгеновского излучения

Счетчик Гейгера Radhound измеряет радиацию, испускаемую деревом в Чернобыле.

Счетчики Гейгера широко используются для обнаружения гамма-излучения и рентгеновских лучей, известных под общим названием фотоны , и для этого используется трубка без окон. Однако эффективность обнаружения низка по сравнению с альфа- и бета-частицами. В статье о трубке Гейгера-Мюллера более подробно описаны методы, используемые для обнаружения фотонного излучения. Для фотонов высокой энергии трубка зависит от взаимодействия излучения со стенкой трубки, обычно материалом с высоким атомным номером , таким как нержавеющая сталь, толщиной 1–2 мм, для образования свободных электронов внутри стенки трубки из-за фотоэлектрического эффекта. . Если они мигрируют к стенке трубы, они проникают в заполняющий газ и ионизируют его.

Этот эффект увеличивает эффективность обнаружения, поскольку газ низкого давления в трубке хуже взаимодействует с фотонами более высокой энергии, чем стальная трубка. Однако по мере уменьшения энергии фотонов до низких уровней газовое взаимодействие усиливается, и вклад прямого газового взаимодействия увеличивается. При очень низких энергиях (менее 25 кэВ ) доминирует прямая ионизация газа, а стальная трубка ослабляет падающие фотоны. Следовательно, при этих энергиях типичная конструкция трубки представляет собой длинную трубку с тонкой стенкой, которая имеет больший объем газа, что увеличивает вероятность прямого взаимодействия частицы с заполняющим газом.

Выше этих низких уровней энергии существует значительная разница в реакции на разные энергии фотонов одной и той же интенсивности, и в трубке со стальными стенками используется так называемая «компенсация энергии» в виде фильтрующих колец вокруг голой трубки, которая пытается для компенсации этих изменений в широком диапазоне энергий. Трубка Гейгера-Мюллера со стальными стенками имеет КПД около 1% в широком диапазоне энергий.

Обнаружение нейтронов

Трубка Гейгера, наполненная BF _3, для регистрации тепловых нейтронов

Разновидность трубки Гейгера, известная как сфера Боннера, может использоваться для измерения дозы радиации исключительно от нейтронов, а не от гамма-излучения в процессе захвата нейтронов . Трубка, которая может содержать заполняющий газ трифторид бора или гелий-3 , окружена пластиковым замедлителем, который снижает энергию нейтронов перед захватом. Когда происходит захват в заполняющем газе, выделившаяся энергия регистрируется в детекторе.

Современный цельный счетчик Гейгера-Мюллера, включая трубку Гейгера-Мюллера типа 70 019 (вверху).

Гамма-измерение — защита персонала и контроль технологических процессов

Хотя «счетчик Гейгера» практически является синонимом портативного варианта, принцип Гейгера широко используется в установленных сигнализаторах «зонального гамма-излучения» для защиты персонала, а также в приложениях измерения технологических процессов и блокировки. Обрабатывающая электроника таких установок имеет более высокую степень сложности и надежности, чем у ручных счетчиков.

Физический дизайн

Трубка Pancake GM, используемая для обнаружения альфа- и бета-излучения; тонкое слюдяное окно при установке в инструмент обычно защищено сеткой.

Для портативных устройств существуют две основные физические конфигурации: «интегральный» блок, в котором детектор и электроника находятся в одном блоке, и «состоящая из двух частей» конструкция, в которой имеется отдельный датчик детектора и электронный модуль, соединенные коротким кабелем. .

В 1930-х годах к цилиндрической конструкции было добавлено слюдяное окно, обеспечивающее легкое прохождение излучения с низкой проникающей способностью.

Встроенный блок позволяет работать одной рукой, поэтому оператор может использовать другую руку для личной безопасности в сложных положениях наблюдения, но конструкция, состоящая из двух частей, упрощает манипулирование детектором и обычно используется для мониторинга альфа- и бета-загрязнения поверхности, где осторожность необходимо манипулировать датчиком, иначе вес электронного модуля сделает операцию громоздкой. Доступен ряд детекторов разных размеров для конкретных ситуаций, например, для размещения 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 можно легко достичь, поскольку корпус обычно имеет небольшое затухание и используется при измерениях гамма-излучения окружающей среды, где расстояние от источника излучения не является значимым фактором. Однако для облегчения более локализованных измерений, таких как «поверхностная доза», положение трубки в корпусе иногда обозначается метками на корпусе, поэтому можно выполнить точные измерения, когда трубка находится в правильной ориентации и на известном расстоянии от поверхность.

Существует особый тип гамма-прибора, известный как детектор «горячей точки», детекторная трубка которого находится на конце длинного столба или гибкого трубопровода. Они используются для измерения мест с высоким уровнем гамма-излучения, одновременно защищая оператора посредством дистанционного экранирования.

Обнаружение альфа- и бета-частиц может использоваться как в цельных, так и в двухкомпонентных конструкциях. Зонд-блинчик (для альфа/бета) обычно используется для увеличения области обнаружения в приборах, состоящих из двух частей, при этом он имеет относительно небольшой вес. В интегральных приборах, использующих трубку с торцевым окном, в корпусе имеется окно для предотвращения экранирования частиц. Существуют также гибридные приборы, которые имеют отдельный зонд для обнаружения частиц и трубку для обнаружения гамма-излучения внутри электронного модуля. Детекторы переключаются оператором в зависимости от типа измеряемого излучения.

Руководство по использованию приложения

В Соединенном Королевстве Национальный совет по радиологической защите выпустил инструкцию для пользователей по выбору наилучшего типа портативного прибора для соответствующего применения измерения радиации. Он охватывает все технологии приборов радиационной защиты и включает руководство по использованию детекторов ГМ.

История

Счетчик частиц Резерфорда и Гейгера (1908 г.). Альфа-частицы из источника в зажигательной трубке поступали через отверстие «D» в детекторный сосуд, который представлял собой латунную трубку с центральным коаксиальным проводом «В» при относительном потенциале 1320 вольт постоянного тока. Апертура имела слюдяное окно, позволяющее работать в детектирующем сосуде при давлении 2–5 мм рт. ст. Эти условия позволили создать лавину Таунсенда для каждой альфа-частицы, попадающей в судно. При очень низкой скорости счета они регистрировались как «толчки» стрелки электрометра.

Ранняя трубка Гейгера-Мюллера, изготовленная в 1932 году Гансом Гейгером для лабораторного использования.

В 1908 году Ганс Гейгер под руководством Эрнеста Резерфорда в Манчестерском университете Виктории (ныне Манчестерский университет ) разработал экспериментальную технику обнаружения альфа-частиц, которая позже была использована для разработки трубки Гейгера-Мюллера в 1928 году. Этот ранний счетчик был способен обнаруживать только альфа-частицы и был частью более крупного экспериментального аппарата. Используемый фундаментальный механизм ионизации был открыт Джоном Сили Таунсендом между 1897 и 1901 годами. и известен как разряд Таунсенда , который представляет собой ионизацию молекул ионным ударом.

Лишь 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 обнаруживать не только альфа- и бета-излучение, как это делали предыдущие модели, но и гамма-излучение. Теперь практичный радиационный прибор можно было производить относительно дешево, и так родился счетчик Гейгера. Поскольку выходной сигнал трубки не требовал значительной электронной обработки, что было явным преимуществом в эпоху термоэлектронных клапанов из-за минимального количества клапанов и низкого энергопотребления, прибор приобрел большую популярность в качестве портативного детектора радиации.

В современных версиях счетчика Гейгера используются галогенные гасящие газы — метод, изобретенный в 1947 году Сидни Х. Либсоном . Галогенные соединения вытеснили органические закалочные газы из-за их гораздо более длительного срока службы и более низкого рабочего напряжения; обычно 400-900 вольт.

Галерея

• 
  Использование детектора «горячих точек» на длинном столбе для обследования контейнеров с отходами.
• 
  Детектор блинов GM (справа) питает регистратор данных микроконтроллера (слева), отправляющий данные на ПК через Bluetooth . Радиоактивный камень был помещен в детектор, в результате чего график (на заднем плане) поднялся.
• 
  Счетчики GM используются при поиске обломков спутника "Космос-954"

См. также

• Беккерель , единица СИ скорости радиоактивного распада некоторого количества радиоактивного материала.
• Счетчики Гейгера гражданской обороны , портативные радиационные мониторы, как с ГМ, так и с ионными камерами.
• Эффективность счета — соотношение событий радиации, достигающих детектора, и количества, которое он учитывает.
• Озвучивание данных , интерпретация или обработка данных по звуку.
• Дозиметр — устройство, используемое персоналом для измерения полученной дозы радиации.
• Ионизационная камера , простейший детектор ионизирующего излучения.
• Газоионизационный детектор , 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 технологии счетчика Гейгера-Мюллера в гражданской науке
• Сцинтилляционный счетчик — безгазовый детектор радиации.
• Зиверт — единица СИ стохастического воздействия радиации на организм человека.

Внешние ссылки

СМИ, связанные со счетчиками Гейгера, на Викискладе?

• Как работает счетчик Гейгера.