счетчик Гейгера
 «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 |
Счетчик Гейгера ( / ˈ ɡ aɪ ɡ ər / , GY -ger ; [1] 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. [2] Широко и широко используемое в качестве ручного прибора для радиационного обследования , это, пожалуй, один из самых известных в мире приборов для обнаружения радиации .
Оригинальный принцип обнаружения был реализован в 1908 году в Манчестерском университете . [3] 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. [4]
Счетчик Гейгера — один из первых примеров ультразвуковой обработки данных . [5]
Принцип работы [ править ]
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. [4] 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. [6] 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 .
Считывание [ править ]
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). Показания счетчиков обычно используются 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. [4] 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 [ править ]
Есть два основных ограничения счетчика Гейгера:
- Поскольку выходной импульс трубки Гейгера – Мюллера всегда имеет одну и ту же величину (независимо от энергии падающего излучения), трубка не может различать типы излучения. [4]
- 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. [4] 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 [ править ]
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 [ править ]
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 . [2]
α-частицы имеют самый короткий пробег, и для их обнаружения окно в идеале должно находиться в пределах 10 мм от источника излучения из-за затухания α-частиц . [2] Однако трубка Гейгера-Мюллера производит импульсный выходной сигнал одинаковой величины для всего обнаруженного излучения, поэтому счетчик Гейгера с трубкой с торцевым окном не может различать α- и β-частицы. [4] 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. [2]
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. [4] [7] Однако для различения α- и β-частиц или предоставления информации об энергии частиц сцинтилляционные счетчики или пропорциональные счетчики . следует использовать [8] 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 [ править ]
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. [4]
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. [2]
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. [2] Трубка Гейгера-Мюллера со стальными стенками имеет КПД около 1% в широком диапазоне энергий. [2]
Обнаружение нейтронов [ править ]
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.
Гамма-измерение — защита персонала и контроль технологических процессов [ править ]
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 [ править ]
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, позволяющее легко проходить излучение с низкой проникающей способностью. [9]
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 [ править ]
В Соединенном Королевстве Национальный совет по радиологической защите выпустил инструкцию для пользователей по выбору наилучшего типа портативного прибора для соответствующего применения измерения радиации. [8] Он охватывает все технологии приборов радиационной защиты и включает руководство по использованию детекторов ГМ.
История [ править ]
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. [10] 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. [11] 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 не только обнаруживать альфа- и бета-излучение, как это делали предыдущие модели, но и гамма-излучение. [9] [12] 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 . [13] Галогенные соединения вытеснили органические закалочные газы из-за их гораздо более длительного срока службы и более низкого рабочего напряжения; обычно 400-900 вольт. [14]
Галерея [ править ]
Использование детектора «горячих точек» на длинном столбе для обследования контейнеров с отходами.
Детектор блинов GM (справа) питает регистратор данных микроконтроллера (слева) и отправляет 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 [ править ]
- 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.
Ссылки [ править ]
- ^ «Счетчик Гейгера | Произношение на английском языке» .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г '' Трубки Гейгера-Мюллера; выпуск 1», опубликованный Centronics Ltd, Великобритания.
- ^ Э. Резерфорд и Х. Гейгер (1908) «Электрический метод подсчета количества α-частиц из радиоактивных веществ», Труды Королевского общества (Лондон), серия A, том. 81, нет. 546, страницы 141–161.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Гленн Ф. Нолл. Обнаружение и измерение радиации , третье издание, 2000 г. Джон Уайли и сыновья, ISBN 0-471-07338-5
- ^ «Что такое сонификация – доступные океаны» . Что такое озвучивание данных . Океанографический институт Вудс-Хоул . Проверено 30 мая 2024 г.
- ^ Сигел, Питер; Эскандари, Сефир. «Введение в счетчики Гейгера» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 21 февраля 2017 г.
- ^ «Функции детектора GM и методы измерения» . Проверено 07 марта 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б [1] Архивировано 30 июля 2018 г. на сайте Wayback Machine Выбор, использование и обслуживание портативных инструментов мониторинга. Великобритания, НИУ ВШЭ
- ^ Перейти обратно: а б Корфф, СНТМ (2012) 20: 271. дои : 10.1007 /s00048-012-0080-y
- ^ Э. Резерфорд и Х. Гейгер (1908) «Электрический метод подсчета числа α-частиц из радиоактивных веществ», Труды Королевского общества (Лондон) , Серия A, том. 81, нет. 546, страницы 141–161.
- ^ Джон С. Таунсенд (1901) «Проводимость, создаваемая в газах движением отрицательно заряженных ионов», Philosophical Magazine , серия 6, 1 (2): 198-227.
- ^ См.:
- Х. Гейгер и В. Мюллер (1928), «Электронная счетная трубка для измерения самой слабой радиоактивности», The Sciences , vol. 16, вып. 31, стр. 617–618.
- Гейгер Х. и Мюллер В. (1928) «Счетная трубка электронов», Physical Journal , 29 : 839-841.
- Гейгер Х. и Мюллер В. (1929) «Технические заметки по трубке для счета электронов», Physical Journal , 30 : 489-493.
- Гейгер Х. и Мюллер В. (1929) «Демонстрация трубки для счета электронов», Physical Journal , 30 : 523 и далее.
- ^ Либсон, С.Х. (1947). «Механизм разряда самогасящих счетчиков Гейгера – Мюллера» (PDF) . Физический обзор . 72 (7): 602–608. Бибкод : 1947PhRv...72..602L . дои : 10.1103/PhysRev.72.602 . hdl : 1903/17793 . Архивировано (PDF) из оригинала 21 сентября 2017 г.
- ^ «История портативных приборов для обнаружения радиации периода 1920–60 годов» . Архивировано из оригинала 13 января 2009 г. Проверено 15 июля 2008 г.
Внешние ссылки [ править ]
СМИ, связанные со счетчиками Гейгера, на Викискладе?
