Принцип роботи лічильника гейгера. Принцип дії лічильника гейгера та сучасні дозиметри Призначення лічильника гейгера
За допомогою сучасного лічильника Гейгера можна виміряти рівень радіації будівельних матеріалів, земельної ділянкичи квартири, а також продуктів харчування. Він демонструє практично стовідсоткову ймовірність зарядженої частки, адже для її фіксування достатньо лише однієї пари електрон-іон.
Технологія, на основі якої створено сучасний дозиметр на базі лічильника Гейгера-Мюллера, дає змогу отримувати результати високої точності за дуже короткий проміжок часу. На вимір потрібно не більше 60 секунд, а вся інформація виводиться в графічному та числовому вигляді на екрані дозиметра.
Налаштування приладу
Прилад має можливість налаштування порогового значення, коли він перевищений, видається звуковий сигнал, що попереджає вас про небезпеку. Виберіть одне із заданих значень порога у відповідному розділі налаштувань. Можна також вимкнути звуковий сигнал. Перед проведенням вимірювань рекомендують провести індивідуальне налаштування приладу, вибрати яскравість дисплея, параметри звукового сигналу та елементів живлення.
Порядок виконання вимірювань
Виберіть режим "Вимірювання", при цьому прилад починає оцінювати радіоактивну обстановку. Приблизно через 60 секунд на дисплеї з'являється результат вимірювань, після чого починається наступний цикл аналізу. Щоб отримати точний результат, рекомендують провести не менше 5 циклів вимірювань. Збільшення числа спостережень дає достовірніші показання.
Щоб виміряти радіаційний фонпредметів, наприклад будматеріалів або харчових продуктів, потрібно увімкнути режим «Вимірювання» на відстані кількох метрів від об'єкта, потім піднести прилад до предмета та виміряти фон максимально близько до нього. Порівняйте показання приладу з даними, отриманими з відривом кількох метрів від предмета. Різниця між цими показаннями – це додаткове радіаційне тло досліджуваного об'єкта.
Якщо результати вимірювань перевищують природний фон, характерний для тієї місцевості, де ви знаходитесь, це свідчить про радіаційне забруднення досліджуваного об'єкта. Для оцінки забруднення рідини рекомендують проводити вимірювання її відкритої поверхнею. Щоб захистити прилад від вологи, його потрібно обернути поліетиленовою плівкоюале не більше ніж в один шар. Якщо дозиметр тривалий час перебував при температурі нижче 0°С, перед проведенням вимірювань його необхідно витримати за кімнатної температури протягом 2 годин.
Лічильник Гейгера
Лічильник Гейгера СІ-8Б (СРСР) зі слюдяним віконцем для вимірювання м'якого β-випромінювання. Вікно прозоре, під ним можна розглянути спіральний дріт електрод, іншим електродом є корпус приладу.
Додаткова електронна схема забезпечує лічильник живленням (зазвичай, щонайменше 300 ), забезпечує, за необхідності, гасіння розряду і підраховує кількість розрядів через лічильник.
Лічильники Гейгера поділяються на несамогасні, що не незмагаються (не вимагають зовнішньої схеми припинення розряду).
Чутливість лічильника визначається складом газу, його об'ємом, а також матеріалом та товщиною його стінок.
Примітка
Слід зазначити, що з історичних причин склалася невідповідність між російським та англійським варіантами цього та наступних термінів:
| Українська | English |
|---|---|
| лічильник Гейгера | Geiger sensor |
| трубка Гейгера | Geiger tube |
| радіометр | Geiger counter |
| дозиметр | dosimeter |
Див. також
Wikimedia Foundation. 2010 .
Дивитись що таке "Лічильник Гейгера" в інших словниках:
лічильник Гейгера-Мюллера- Geigerio ir Miulerio skaitiklis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Geiger Müller counter; Geiger Müller counter tube vok. Geiger Müller Zählrohr, n; GM Zählrohr, n rus. лічильник Гейгера Мюллера, m pranc. compteur de Geiger Müller, м; tube … Fizikos terminų žodynas
розрядний лічильник Гейгера-Мюллера- — Тематика нафтогазова промисловість EN electronic pulse height analyzer … Довідник технічного перекладача
- … Вікіпедія
- (Гейгер Мюллер лічильник), газорозрядний детектор, що спрацьовує при проходженні через його обсяг заряд. год ц. Величина сигналу (імпульсу струму) не залежить від енергії ч ц (прилад працює в режимі самостійного розряду). Р. с. винайдений в 1908 ньому. Фізична енциклопедія
Газорозрядний прилад для виявлення іонізуючих випромінювань (a – та b частинок, g квантів, світлових та рентгенівських квантів, частинок космічного випромінювання тощо). Лічильник Гейгера – Мюллера є герметично запаяною скляною трубкою. Енциклопедія техніки
Гейгера лічильник- Гейгер лічильник ГЕЙГЕР ЛІЧИЛЬНИК, газорозрядний детектор частинок. Спрацьовує при попаданні в його обсяг частинки або кванту. Винайдений у 1908 німецьким фізиком Х. Гейгером та вдосконалений ним спільно з німецьким фізиком В. Мюллером. Гейгера… Ілюстрований енциклопедичний словник
ГЕЙГЕРА ЛІЧИЛЬНИК, газорозрядний детектор частинок. Спрацьовує при попаданні в його обсяг частинки або кванту. Винайдений у 1908 німецьким фізиком Х. Гейгером та вдосконалений ним спільно з німецьким фізиком В. Мюллером. Гейгера лічильник застосовуються ... Сучасна енциклопедія
Газорозрядний прилад для виявлення та дослідження різного роду радіоактивних та ін. Велика Радянська Енциклопедія
- [на ім'я ньому. фізиків X. Гейгера (Н. Geiger; 1882 1945) та В. Мюллера (W. Muller; 1905 79)] газорозрядний детектор радіоактивних та ін іонізуючих випромінювань (а і бета частинок, у квантів, світлових і рентгенівських квантів, частинок. випромінювання… … Великий енциклопедичний політехнічний словник
Лічильник пристрій для рахунку чогось. Лічильник (електроніка) пристрій для підрахунку кількості подій, що йдуть одна за одною (напр. імпульсів) за допомогою безперервного підсумовування, або для визначення ступеня накопичення якого… … Вікіпедія
Будова та принцип роботи лічильника Гейгера – Мюллера
У Останнім часом, Увага до радіаційної безпеки з боку звичайних громадян у нашій країні все більшою мірою зростає. І це пов'язано не лише з трагічними подіями на чорнобильській АЕС та подальшими її наслідками, а й з різними подіями, які періодично трапляються в тому чи іншому місці планети. У зв'язку з цим наприкінці минулого століття стали з'являтися прилади. дозиметричного контролю радіації побутового призначення. І такі прилади дуже багатьом людям врятували не тільки здоров'я, а іноді й життя, і це стосується не тільки територій, що прилягають до зони відчуження. Тому питання радіаційної безпеки актуальні в будь-якому місці нашої країни і до сьогодні.
У всі побутові та практично всі професійні сучасні дозиметри оснащуються. Інакше його можна назвати чутливим елементом дозиметра. Цей прилад був винайдений в 1908 році німецьким фізиком Гансом Гейгером, а через двадцять років, цю розробку вдосконалив ще один фізик Вальтер Мюллер, і саме принцип цього пристрою і застосовується в даний час.
Н деякі сучасні дозиметри мають відразу по чотири лічильники, що дозволяє підвищити точність вимірювань та чутливість приладу, а також зменшити час проведення виміру. Більшість лічильників Гейгера – Мюллера здатні реєструвати гамма-випромінювання, високоенергетичне бета-випромінювання та рентгенівське проміння. Проте є спеціальні розробки визначення альфа-частинок високих енергій. Для налаштування дозиметра на визначення тільки гамма-випромінювання, найнебезпечнішого з трьох видів радіації, чутливу камеру вкривають спеціальним кожухом зі свинцю або іншої сталі, що дозволяє відсікнути проникнення в лічильник бета-частин.
У Сучасні дозиметри побутового та професійного призначення широко застосовуються датчики типу СБМ-20, СБМ-20-1, СБМ-20У, СБМ-21, СБМ-21-1. Вони відрізняються габаритними розмірами камери та іншими параметрами, для лінійки 20-х датчиків характерні такі габарити, довжина 110 мм, діаметр 11 мм, а для 21 моделі, довжина 20-22 мм при діаметрі 6мм. Важливо розуміти, що чим більше розмірикамери, тим більша кількість радіоактивних елементів через неї пролітатиме, і тим більшою чутливістю і точністю вона володіє. Так, для 20-х серій датчика характерні розміри в 8-10 разів більші, ніж для 21-ї, приблизно в таких же пропорціях ми матимемо різницю в чутливості.
До Онструкцію лічильника Гейгера можна схематично описати так. Датчик, що складається з циліндричного контейнера, який закачаний інертний газ (наприклад, аргон, неон або їх суміші) під мінімальним тиском, це робиться для полегшення виникнення електричного розряду між катодом і анодом. Катод, найчастіше, являє собою весь металевий корпус чутливого датчика, а анод невелику тяганину, розміщену на ізоляторах. Іноді катод додатково обертають захисним кожухом з нержавіючої сталі або свинцю, це робиться для налаштування лічильника на визначення тільки гамма-квантів.
Д Для побутового застосування, в даний час, найчастіше використовуються датчики торцевого виконання (наприклад, Бета-1, Бета-2). Такі лічильники влаштовані таким чином, що здатні виявляти та реєструвати навіть альфа-частинки. Такий лічильник є плоским циліндром з розташованими всередині електродами, і вхідним (робочим) вікном, виконаним із слюдяної плівки товщиною всього 12 мкм. Така конструкція дозволяє визначити (з близької відстані) високоенергетичні альфа-частинки та слабоенергетичні бета-частинки. При цьому площа робочого вікна лічильників Бета-1 та Бета 1-1 складає 7 кв.см. Площа слюдяного робочого вікна для приладу Бета-2 вдвічі більше, ніж у Бета-1, його можна використовувати визначення , і т.д.
Е Якщо говорити про принцип роботи камери лічильника Гейгера, то коротко її можна описати так. При активації на катод і анод подається висока напруга (порядку 350 - 475 вольт), через навантажувальний резистор, однак між ними не відбувається розряду через інертний газ, що служить діелектриком. При попаданні в камеру її енергії виявляється достатньо, щоб вибити вільний електрон з матеріалу корпусу камери або катода, цей електрон лавиноподібно починає вибивати вільні електрони з інертного навколишнього газу і відбувається його іонізація, яка в результаті призводить до розряду між електродами. Ланцюг замикається, і цей факт можна зареєструвати за допомогою мікросхеми приладу, що є фактом виявлення або кванта гама або рентгенівського випромінювання. Потім камера входить у вихідний стан, що дозволяє виявити наступну частинку.
Ч щоб процес розряду в камері припинити і підготувати камеру для реєстрації наступної частки, існує два способи, один з них заснований на тому, що на дуже короткий проміжок часу припиняється подача напруги на електроди, що припиняє процес іонізації газу. Другий спосіб заснований на додаванні в інертний газ ще однієї речовини, наприклад, йоду, спирту та інших речовин, при цьому вони призводять до зменшення напруги на електродах, що припиняє процес подальшої іонізації і камера стає здатною виявити наступний радіоактивний елемент. При цьому методі використовується резистор навантаження великий ємності.
П про кількість розрядів у камері лічильника і можна судити про рівень радіації на вимірюваній місцевості чи конкретного предмета.
Вступ
1. Призначення лічильників
Пристрій та принцип дії лічильника
Основні фізичні закономірності
1 Відновлення працездатності після реєстрації частки
2 Дозиметрична характеристика
3 Рахункова характеристика датчика
Висновок
Список літератури
Вступ
Лічильники Гейгера-Мюллера - найпоширеніші детектори (датчики) іонізуючого випромінювання. Досі їм, винайденим на самому початку нашого століття для потреб ядерної фізики, що зароджується, немає, як це не дивно, скільки-небудь повноцінної заміни. У своїй основі лічильник Гейгер дуже простий. У добре вакуумований герметичний балон з двома електродами введена газова суміш, що складається в основному з неона і аргону, що легко іонізуються. Балон може бути скляним, металевим та ін. Зазвичай лічильники сприймають випромінювання всією своєю поверхнею, але існують і такі, у яких для цього в балоні передбачено спеціальне вікно.
До електродів прикладають високу напругу U (див. рис.), яка сама по собі не викликає будь-яких розрядних явищ. У цьому стані лічильник буде перебувати доти, поки в його газовому середовищі не виникне центр іонізації - слід з іонів і електронів, що породжується іонізуючою частинкою, що прийшла ззовні. Первинні електрони, прискорюючись у електричному полі, іонізують «по дорозі» інші молекули газового середовища, породжуючи нові і нові електрони та іони. Розвиваючись лавиноподібно, цей процес завершується утворенням у міжелектродному просторі електронно-іонної хмари, що різко збільшує його провідність. У газовому середовищі лічильника виникає розряд, видимий (якщо прозорий балон) навіть простим оком.
Зворотний процес - повернення газового середовища у його вихідний стан у так званих галогенових лічильниках - відбувається само собою. В дію вступають галогени (зазвичай хлор або бром), які в невеликій кількості містяться в газовому середовищі, які сприяють інтенсивній рекомбінації зарядів. Але цей процес іде значно повільніше. p align="justify"> Відрізок часу, необхідний для відновлення радіаційної чутливості лічильника Гейгера і фактично визначальний його швидкодія - "мертвий" час - є важливою його паспортною характеристикою. Такі лічильники називають галогеновими самогасящими. Відрізняючись найнижчою напругою живлення, чудовими параметрами вихідного сигналу та досить високою швидкодією, вони виявилися особливо зручними для застосування як датчики іонізуючого випромінювання в побутових приладах радіаційного контролю.
Лічильники Гейгера здатні реагувати на самі різні видиіонізуючого випромінювання - a, b, g, ультрафіолетове, рентгенівське, нейтронне. Але реальна спектральна чутливість лічильника значною мірою залежить з його конструкції. Так, вхідне вікно лічильника, чутливого до a- та м'якого b-випромінювання, має бути дуже тонким; для цього зазвичай використовують слюду завтовшки 3...10 мкм. Балон лічильника, що реагує на жорстке b-і g-випромінювання, зазвичай має форму циліндра з товщиною стінки 0,05....0,06 мм (він служить і катодом лічильника). Вікно рентгенівського лічильника виготовляють із берилію, а ультрафіолетового – з кварцового скла.
лічильник гейгер мюллер дозиметричний випромінювання
1. Призначення лічильників
Лічильник Гейгера - Мюллера це двоелектродний прилад, призначений для визначення інтенсивності іонізуючого випромінювання або, іншими словами, - для рахунку виникають при ядерних реакціях іонізуючих частинок: іонів гелію (- частинок), електронів (- частинок), квантів рентгенівського випромінювання (- частинок) та нейтронів. Частинки поширюються з дуже швидкістю [до 2 . 10 7 м/с для іонів (енергія до 10 МеВ) та близько швидкості світла для електронів (енергія 0,2 - 2 МеВ)], завдяки чому проникають усередину лічильника. Роль лічильника полягає у формуванні короткого (частки мілісекунди) імпульсу напруги (одиниці - десятки вольт) при попаданні частки в об'єм приладу.
У порівнянні з іншими детекторами (датчиками) іонізуючих випромінювань (іонізаційною камерою, пропорційним лічильником) лічильник Гейгера-Мюллера відрізняється високою пороговою чутливістю - він дозволяє контролювати природне радіоактивне тло землі (1 частка на см 2 за 10 - 100 секунд). Верхня межа вимірювання порівняно невисока - до 10 4 частинок на см 2 в секунду або до 10 Зіверт на годину (Зв/год). Особливістю лічильника є здатність формувати однакові вихідні імпульси напруги незалежно від роду частинок, їх енергії та числа іонізацій, вироблених часткою обсягом датчика.
2. Пристрій та принцип дії лічильника
Робота лічильника Гейгера заснована на несамостійному імпульсному газовому розряді між металевими електродами, який ініціюється одним або декількома електронами, що з'являються в результаті іонізації газу -, - або -частинкою. У лічильниках зазвичай використовується циліндрична конструкція електродів, причому діаметр внутрішнього циліндра (анода) набагато менше (2 і більше порядків), ніж зовнішнього (катода), що має важливе значення. Характерний діаметр анода 0,1 мм.
Частинки надходять у лічильник через вакуумну оболонку та катод у «циліндричному» варіанті конструкції (рис. 2, а) або через спеціальне тонке плоске вікно в «торцевому» варіанті конструкції (рис. 2). б). Останній варіант використовується для реєстрації частинок, що мають низьку проникаючу здатність (затримуються, наприклад, листом паперу), але дуже небезпечних у біологічному відношенні при попаданні джерела частинок всередину організму. Детектори зі слюдяними вікнами використовуються також для рахунку частинок порівняно малої енергії («м'яке» бета-випромінювання).
Рис. 2. Схематичні конструкції циліндричного ( а) та торцевого ( б)лічильників Гейгера. Позначення: 1 - вакуумна оболонка (скло); 2 – анод; 3 – катод; 4 - вікно (слюда, целофан)
У циліндричному варіанті лічильника, призначеного для реєстрації частинок високої енергії або м'якого рентгенівського випромінювання, використовують тонкостінну вакуумну оболонку, а катод виконують з тонкої фольги або у вигляді тонкої плівки металу (мідь, алюміній), напиленої на внутрішню поверхнюоболонки. У ряді конструкцій тонкостінний металевий катод (з ребрами жорсткості) є елементом вакуумної оболонки. Жорстке рентгенівське випромінювання (-частки) має підвищену проникаючу здатність. Тому його реєструють детекторами з досить товстими стінками вакуумної оболонки та масивним катодом. У лічильниках нейтронів катод покривається тонким шаром кадмію або бору, в якому нейтронне випромінювання перетворюється на радіоактивне через ядерні реакції.
Об'єм приладу зазвичай заповнений аргоном або неоном з невеликою (до 1%) домішкою аргону при тиску близькому до атмосферного (10 -50 кПа). Для усунення небажаних післярозрядних явищ у газове наповнення вводиться домішка пар брому або спирту (до 1%).
Здатність лічильника Гейгера реєструвати частинки незалежно від їхнього роду та енергії (генерувати один імпульс напруги незалежно від кількості утворених частинкою електронів) визначається тим, що завдяки дуже малому діаметру анода майже вся прикладена до електродів напруга зосереджена у вузькому прианодному шарі. За межами шару знаходиться "область уловлювання частинок", в якій вони іонізують молекули газу. Електрони, відірвані частинкою від молекул, прискорюються до анода, але газ іонізують слабко через малу напруженість електричного поля. Іонізація різко посилюється після входу електронів у прианодний шар з великою напруженістю поля, де розвиваються електронні лавини (одна або кілька) з дуже високим ступенем розмноження електронів (до 107). Однак струм, що виникає за рахунок цього, ще не досягає величини, що відповідає формуванню сигналу датчика.
Подальше зростання струму до робочого значення обумовлено тим, що в лавинах одночасно з іонізацією генеруються ультрафіолетові фотони з енергією близько 15 еВ, достатньої для іонізації молекул домішки в газовому наповненні (наприклад, потенціал іонізації брому молекул дорівнює 12,8 В). Електрони, що з'явилися в результаті фотоіонізації молекул за шаром, прискорюються до анода, але лавини тут не розвиваються через малу напруженість поля і процес слабко впливає на розвиток розряду. У шарі ситуація інша: фотоелектрони, що утворюються, завдяки великій напруженості ініціюють інтенсивні лавини, в яких генеруються нові фотони. Їхня кількість перевищує початкове і процес у шарі за схемою «фотони – електронні лавини – фотони» швидко (кілька мікросекунд) наростає (входить до «спускового режиму»). При цьому розряд від місця перших лавин, ініційованих часткою, поширюється вздовж анода («поперечне запалювання»), анодний струм різко збільшується та формується передній фронт сигналу датчика.
Задній фронт сигналу (зменшення струму) обумовлений двома причинами: зниженням потенціалу анода за рахунок падіння напруги від струму на резисторі (на передньому фронті потенціал підтримується міжелектродною ємністю) та зниженням напруженості електричного поля в шарі під дією просторового заряду іонів після відходу електронів на анод (заряд підвищує потенціали точок, у результаті перепад напруги на шарі зменшується, але в області уловлювання частинок збільшується). Обидві причини знижують інтенсивність розвитку лавин і процес за схемою «лавини – фотони – лавини» згасає, а струм через датчик зменшується. Після закінчення імпульсу струму потенціал анода збільшується до вихідного рівня (з деякою затримкою через заряд міжелектродної ємності через анодний резистор), розподіл потенціалу в проміжку між електродами повертається до початкової форми в результаті відходу іонів на катод і лічильник відновлює здатність реєструвати.
Випускаються десятки типів детекторів іонізуючих випромінювань. При позначенні використовується кілька систем. Наприклад, СТС-2, СТС-4 - лічильники торцеві самогасящіеся, або МС-4 - лічильник з мідним катодом (В - з вольфрамовим, Г - з графітовим), або САТ-7 - лічильник-частинок торцевий, СБМ-10 - лічильник -Частиць металевий, СНМ-42 - лічильник нейтронів металевий, СРМ-1 - лічильник для рентгенівського випромінювання і т. д.
3. Основні фізичні закономірності
.1 Відновлення працездатності після реєстрації частки
Час відходу іонів з проміжку після реєстрації частки виявляється порівняно більшим - одиниці мілісекунд, що обмежує верхню межу вимірювання потужності дози випромінювання. При високій інтенсивності випромінювання частинки надходять з інтервалом, меншим за час догляду іонів, і деякі частинки датчик не реєструє. Процес ілюструється осцилограмою напруги на аноді датчика під час відновлення його працездатності (рис. 3).
Рис. 3. Осцилограми напруги на аноді лічильника Гейгера. U o- Амплітуда сигналу в нормальному режимі (сотні вольт). 1 - 5 - номери частинок
Надходження першої частки (1 на рис. 3) обсяг датчика ініціює імпульсний газовий розряд, що веде до зниження напруги на величину U o(Нормальна амплітуда сигналу). Далі напруга зростає в результаті повільного зменшення струму через проміжок у міру відходу іонів на катод і за рахунок заряду міжелектродної ємності джерела напруги через обмежувальний резистор. Якщо датчик через невеликий інтервал часу після надходження першої потрапляє інша частка (2 на рис. 3), то розрядні процеси розвиваються слабо через знижену напругу і малу напруженість поля у анода в умовах дії просторового заряду іонів. Сигнал датчика у разі виявляється неприпустимо малим. Надходження другої частки через триваліший інтервал часу після першої (частки 3 - 5 на рис. 3) дає сигнал більшої амплітуди, так як напруга збільшується, а просторовий заряд зменшується.
Якщо друга частка надходить у датчик після першої через інтервал, менший, ніж відрізок часу між частинками 1 і 2 на рис. 3, то з наведених вище причин датчик взагалі сигнал не виробляє ("не вважає" частинку). У зв'язку з цим часовий інтервал між частинками 1 і 2 називається "мертвим часом лічильника" (амплітуда сигналу частки 2 становить 10% нормальної). Відрізок часу між частинками 2 та 5 на рис. 3 називається «часом відновлення датчика» (сигнал частки 5 становить 90% нормального). Протягом цього часу амплітуда сигналів датчика знижена і вони можуть не реєструватися лічильником електричних імпульсів.
Мертвий час (0,01 – 1 мс) та час відновлення (0,1 – 1 мс) є важливими параметрами лічильника Гейгера. Найбільша потужність дози, що реєструється, тим вище, чим менше значення цих параметрів. Основними факторами, що визначають параметри, є тиск газу та величина обмежувального резистора. Зі зменшенням тиску і величини резистора мертвий час і час відновлення зменшуються, так як збільшується швидкість відходу іонів з проміжку і зменшується постійна часу процесу заряду міжелектродної ємності.
3.2 Дозиметрична характеристика
Чутливість лічильника Гейгера - це відношення частоти імпульсів, що генеруються датчиком до потужності дози випромінювання, що вимірюється в мікрозивертах на годину (мкЗв/год; варіанти: Зв/с, мЗв/с, мкЗв/с). Характерні значення чутливості: 0,1 – 1 імпульсів на мікрозиверт. У робочому діапазоні чутливість є коефіцієнтом пропорційності між показаннями лічильника (кількістю імпульсів на секунду) та потужністю дози. За межами діапазону пропорційність порушується, що відображає дозиметричну характеристику детектора - залежність показань від потужності дози (рис. 4).
Рис. Залежність швидкості рахунку від потужності дози радіоактивного випромінювання (дозиметричні характеристики) для двох лічильників з різним тиском газу (1 - 5 кПа, 2 - 30 кПа)
З фізичних міркувань випливає, що показання датчика зі збільшенням потужності дози що неспроможні перевищити величину (1/), де - мертве час датчика (частки, що надходять через інтервал часу, менший , не вважаються). Тому робочий лінійний ділянку дозиметричної характеристики плавно перетворюється на області інтенсивної радіації в горизонтальну пряму лише на рівні (1/).
Зі зменшенням мертвого часу дозиметрична характеристика датчика переходить у горизонтальну пряму на більш високому рівніпри більш високій потужності радіації, і верхня межа виміру підвищується. Така ситуація спостерігається за зменшення тиску газу (рис. 4). Однак одночасно знижується чутливість датчика (збільшується кількість частинок, що перетинають газорозрядний проміжок без зіткнень з молекулами). Тому при зменшенні тиску дозиметрична характеристика знижується. Математично характеристика описується наступним співвідношенням:
де N- швидкість рахунку (покази датчика - число імпульсів за секунду); - чутливість лічильника (імпульсів за секунду на мікрозиверт); Р- Потужність дози радіації; - мертвий час датчика (у секундах).
3.3 Рахункова характеристика датчика
Контроль потужності дози випромінювання найчастіше доводиться вести поза приміщеннями або в польових умовах, де електричне харчуваннядатчика здійснюється від акумуляторів чи інших гальванічних джерел. Їхня напруга в міру роботи зменшується. У той же час, газорозрядні процеси в датчику залежать від напруги дуже сильно. Тому залежність показань лічильника Гейгера від напруги за постійної потужності дози радіації є однією з найважливіших характеристик датчика. Залежність називається лічильною характеристикою датчика (рис. 5).
На одній із поданих залежностей (крива 2) відзначені характерні точки A - D. При малій напрузі (лівіше точки А) електрони, що утворюються в датчику при попаданні іонізуючої частинки, ініціюють електронні лавини, але їх інтенсивність недостатня для формування імпульсу струму необхідної амплітуди, і показання лічильника дорівнюють нулю. Крапка Авідповідає "напрузі початку рахунку". При збільшенні напруги на ділянці А - Впоказання лічильника зростають, оскільки зростає ймовірність надходження електронів з області уловлювання частинок прианодний шар з великою напруженістю поля. При низькій напрузі електрони за час руху до шару рекомбінують з іонами (попередньо можуть прилипати до молекул домішки брому з утворенням негативних іонів). У точці Унапруга достатньо швидкого переміщення практично всіх електронів у шар, а інтенсивність рекомбінації близька до нуля. Датчик виробляє сигнали нормальної амплітуди.
На робочій ділянці лічильної характеристики В - З(«плато характеристики») показання лічильника слабо збільшуються зі зростанням напруги, що має важливе практичне значення і є гідністю лічильника Гейгера. Його якість тим вища, чим більша довжина плато (100 -400 В) і менша крутість горизонтальної ділянки лічильної характеристики.
Рис. 5. Залежність швидкості рахунку від напруги (лічильна характеристика) при різних значеннях тиску газу та вмісту домішки брому: 1 - 8 кПа, 0,5 %; 2 – 16 кПа, 0,5 %; 3 – 16 кПа, 0,1 % для потужності дози випромінювання 5 мкЗв/год. A, B, C, D- характерні точки кривої 2
Крутизна (або нахил) плато Sхарактеризується процентною зміною показань лічильника на одиницю напруги:
, (2)
де N Bі N C -показники лічильника на початку та наприкінці плато; U Bі U C- значення напруги на початку та наприкінці плато. Характерні значення крутості 0,01 – 0,05 %/В.
Відносна стабільність показань на плато лічильної характеристики забезпечується специфічним типом розряду, що виникає в датчику з приходом іонізуючої частки. Збільшення напруги інтенсифікує розвиток електронних лавин, але це призводить лише до прискорення розповсюдження розряду вздовж анода, а здатність лічильника генерувати сигнал на одну частинку майже не порушується.
Невелике зростання швидкості рахунки зі збільшенням напруги на плато рахункової характеристики пов'язані з емісією електронів з катода під впливом розряду. Емісія обумовлена так званими процесами, під якими розуміють виривання електронів іонами, збудженими атомами і фотонами. Коефіцієнт умовно вважається рівним кількості електронів, що припадають однією іон (збуджені атоми і фотони маються на увазі). Характерні значення коефіцієнта становлять 0,1 - 0,01 (10 - 100 іонів виривають електрон залежно від роду газу та матеріалу катода). При таких значеннях коефіцієнта лічильник Гейгера не функціонує, оскільки електрони, що виходять з катода, реєструються як іонізуючі частинки (реєструються “хибні” сигнали).
Нормальне функціонування лічильника забезпечується введенням у газове наповнення домішки брому або парів спирту (“домішки, що гасять”), що різко знижує коефіцієнт (нижче 10 -4). У цьому випадку кількість помилкових сигналів також різко зменшується, але залишається відчутною (наприклад, одиниці відсотків). Зі збільшенням напруги розрядні процеси посилюються, тобто. кількість іонів, збуджених атомів та фотонів збільшується і відповідно зростає кількість хибних сигналів. Цим пояснюються невелике зростання показань датчика на плато лічильної характеристики (збільшення нахилу) та закінчення плато (перехід у круту ділянку C- D). При збільшенні вмісту домішки коефіцієнт знижується більшою мірою, що зменшує нахил плато та збільшує його довжину (криві 2 та 3 на рис. 5).
Фізичний механізм дії гасять домішок полягає в різкому зниженні надходження на катод іонів, збуджених атомів і фотонів, здатних викликати емісію електронів, а також підвищення роботи виходу електронів з катода. Іони основного газу (неон або аргон) в процесі руху до катода стають нейтральними атомами в результаті «перезарядки» при зіткненнях з молекулами домішки, оскільки потенціали іонізації неону та аргону більші, ніж брому та спирту (відповідно: 21,5 В; 15, 7 В; 12,8 В; 11,3 В). Енергія, що виділяється при цьому, витрачається на руйнування молекул або на утворення низькоенергетичних фотонів, не здатних викликати фотоемісію електронів. Такі фотони, до того ж добре поглинаються молекулами домішки.
Іони, що утворюються при перезарядці, домішки на катод потрапляють, але емісію електронів не викликають. У разі брому це пояснюється тим, що потенційна енергія іона (12,8 еВ) недостатня для виривання з катода двох електронів (один – на нейтралізацію іона, а інший – для початку електронної лавини), оскільки робота виходу електронів з катода за наявності домішки брому підвищується до 7 еВ. У разі спирту при нейтралізації іонів на катоді енергія, що виділяється, зазвичай витрачається на дисоціацію складної молекули, а не на виривання електронів.
Довгоживучі (метастабільні) збуджені атоми основного газу, що виникають у розряді, принципово можуть потрапляти на катод і викликати емісію електронів, оскільки їх потенційна енергія досить велика (наприклад, 16,6 еВ для неону). Однак ймовірність процесу виявляється дуже малою, тому що атоми при зіткненнях з молекулами домішки передають їм свою енергію – «гасяться». Енергія витрачається на дисоціацію молекул домішки чи випромінювання низькоенергетичних фотонів, які викликають фотоемісію електронів з катода і добре поглинаються молекулами домішки.
Приблизно аналогічним чином "гасяться" високоенергетичні фотони, що надходять з розряду, здатні викликати емісію електронів з катода: вони поглинаються молекулами домішки з подальшою витратою енергії на дисоціацію молекул і випромінювання низькоенергетичних фотонів.
Довговічність лічильників з добавкою брому значно вища (10 10 - 10 11 імпульсів), так як вона не обмежена розкладанням молекул гасить домішки. Зниження концентрації брому обумовлено його порівняно високою хімічною активністю, що ускладнює технологію виготовлення датчика та накладає обмеження на вибір матеріалу катода (застосовується, наприклад, нержавіюча сталь).
Рахункова характеристика залежить від тиску газу: з його збільшенням підвищується напруга початку рахунку (точка Ана рис 5 зміщується вправо), а рівень плато підвищується в результаті ефективнішого уловлювання іонізуючих частинок молекулами газу в датчику (криві 1 і 2 на рис 5). Підвищення напруги початку рахунку пояснюється тим, що умови датчика відповідають правої гілки кривої Пашена.
Висновок
Широке застосування лічильника Гейгера-Мюллера пояснюється високою чутливістю, можливістю реєструвати різного роду випромінювання, порівняльною простотою та дешевизною установки. Лічильник був винайдений у 1908 році Гейгером та вдосконалений Мюллером.
Циліндричний лічильник Гейгера-Мюллера складається з металевої трубки або металізованої зсередини скляної трубки і тонкої металевої нитки, натягнутої по осі циліндра. Нитка служить анодом, трубка – катодом. Трубка заповнюється розрідженим газом, найчастіше використовують шляхетні гази - аргон і неон. Між катодом і анодом створюється напруга порядку 400В. Для більшості лічильників існує так зване плато, яке лежить приблизно від 360 до 460, у цьому діапазоні невеликі коливання напруги не впливають на швидкість рахунку.
Робота лічильника заснована на ударній іонізації. -Кванти, що випускаються радіоактивним ізотопом, потрапляючи на стінки лічильника, вибивають з нього електрони. Електрони, рухаючись у газі та зіштовхуючись з атомами газу, вибивають з атомів електрони та створюють позитивні іони та вільні електрони. Електричне поле між катодом та анодом прискорює електрони до енергій, за яких починається ударна іонізація. Виникає лавина іонів, і струм через лічильник різко зростає. При цьому на опорі R утворюється імпульс напруги, який подається в пристрій, що реєструє. Щоб лічильник зміг реєструвати наступну частинку, що потрапила в нього, лавинний розряд потрібно погасити. Це відбувається автоматично. У момент появи імпульсу струму на опорі R виникає велике падіння напруги, тому напруга між анодом і катодом різко зменшується настільки, що розряд припиняється, і лічильник знову готовий до роботи.
Важливою характеристикою лічильника є ефективність. Не всі γ-фотони, що потрапили на лічильник, дадуть вторинні електрони і будуть зареєстровані, оскільки акти взаємодії γ-променів з речовиною порівняно рідкісні, частина вторинних електронів поглинається в стінках приладу, не досягнувши газового об'єму.
Ефективність лічильника залежить від товщини стінок лічильника, їх матеріалу та енергії γ-випромінювання. Найбільшою ефективністю мають лічильники, стінки яких виготовлені з матеріалу з великим атомним номером Z, тому що при цьому збільшується утворення вторинних електронів. Крім того, стінки лічильника мають бути досить товстими. Товщина стінки лічильника вибирається з умови її рівності довжині вільного пробігу вторинних електронів у матеріалі стінки. При великій товщині стінки вторинні електрони не пройдуть у робочий об'єм лічильника, і виникнення імпульсу струму не станеться. Так як γ-випромінювання слабо взаємодіє з речовиною, то зазвичай ефективність γ-лічильників також мала і становить лише 1-2%. Іншим недоліком лічильника Гейгера-Мюллера є те, що він не дає можливості ідентифікувати частинки та визначати їхню енергію. Ці недоліки відсутні у сцинтиляційних лічильниках.
Список літератури
1 Актон Д.Р. Газорозрядні прилади із холодним катодом. М.; Л.: Енергія, 1965.
2 Каганов І.Л. Іонні пристрої. М: Енергія, 1972.
3 Кацнельсон Б.В., Калугін А.М., Ларіонов А.С. Електровакуумні електронні та газорозрядні прилади: Довідник. М.: Радіо та зв'язок, 1985.
4 Кноль М., Ейхмейхер І. Технічна електроніка Т. 2. М: Енергія, 1971.
5 Сидоренко В.В. Детектори іонізуючих випромінювань: Довідник. Л.: Суднобудування, 1989
Лічильник Гейгера- газорозрядний прилад для рахунку числа іонізуючих частинок, що пройшли через нього. Є газонаповненим конденсатором, що пробивається при появі іонізуючої частинки в обсязі газу. Лічильники Гейгера – досить популярні детектори (датчики) іонізуючого випромінювання. Досі їм, винайденим на самому початку нашого століття для потреб ядерної фізики, що зароджується, немає, як це не дивно, скільки-небудь повноцінної заміни.
Конструкція лічильника Гейгер досить проста. У герметичний балон з двома електродами введена газова суміш, що складається з неону і аргону, що легко іонізуються. Матеріал балона може бути різним – скляним, металевим та ін.
Зазвичай лічильники сприймають випромінювання всією своєю поверхнею, але існують і такі, у яких для цього в балоні передбачено спеціальне вікно. Повсюдне застосування лічильника Гейгера-Мюллера пояснюється високою чутливістю, можливістю реєструвати різне випромінювання, порівняльною простотою та дешевизною установки.
Схема підключення лічильника Гейгера
До електродів підводять високу напругу U (див. рис.), яка сама по собі не викликає будь-яких розрядних явищ. У такому стані лічильник буде перебувати доти, доки в його газовому середовищі не виникне центр іонізації — слід з іонів і електронів, що породжується іонізуючою частинкою, що прийшла ззовні. Первинні електрони, прискорюючись в електричному полі, іонізують «дорогою» інші молекули газового середовища, породжуючи нові і нові електрони та іони. Розвиваючись лавиноподібно, цей процес закінчується утворенням у просторі між електродами електронно-іонної хмари, що значно збільшує його провідність. У газовому середовищі лічильника виникає розряд, видимий (якщо прозорий балон) навіть простим оком.
Зворотний процес - відновлення газового середовища в його початковий стан у так званих галогенових лічильниках - відбувається само собою. У хід вступають галогени (зазвичай хлор або бром), що в малій кількості містяться в газовому середовищі, які сприяють інтенсивній рекомбінації зарядів. Але цей процес відбувається досить повільно. Час, необхідний відновлення радіаційної чутливості лічильника Гейгера і фактично визначальний його швидкодія — «мертве» час — є його паспортної характеристикою.
Такі лічильники позначаються як галогенові, що самогасяться. Відрізняючись дуже низькою напругою живлення, хорошими параметрамивихідного сигналу і досить високою швидкодією, вони виявилися затребуваними як датчики іонізуючого випромінювання в побутових приладах радіаційного контролю.
Лічильники Гейгера здатні виявляти різні види іонізуючого випромінювання - a, b, g, ультрафіолетове, рентгенівське, нейтронне. Але дійсна спектральна чутливість лічильника залежить від його конструкції. Так, вхідне вікно лічильника, чутливого до a- та м'якого b-випромінювання, має бути досить тонким; для цього зазвичай використовують слюду завтовшки 3...10 мкм. Балон лічильника, що реагує на жорстке b-і g-випромінювання, зазвичай має форму циліндра з товщиною стінки 0,05….0,06 мм (він служить і катодом лічильника). Вікно рентгенівського лічильника виготовляють із берилію, а ультрафіолетового — із кварцового скла.
Залежність швидкості рахунку від напруги живлення у лічильнику Гейгера
У лічильник нейтронів вводять бор, при взаємодії з яким потік нейтронів перетворюється на легко реєструються a-частинки. Фотонне випромінювання – ультрафіолетове, рентгенівське, g-випромінювання – лічильники Гейгера сприймають опосередковано – через фотоефект, комптон-ефект, ефект народження пар; у кожному випадку відбувається перетворення взаємодіючого з речовиною катода випромінювання на потік електронів.
Кожна фіксована лічильником частка утворює у його вихідний ланцюга короткий імпульс. Число імпульсів, що з'являються в одиницю часу, – швидкість рахунку лічильника Гейгера – залежить від рівня іонізуючої радіації та напруги на його електродах. Стандартний графікзалежності швидкості рахунку від напруги живлення Uпіт показаний на малюнку вище. Тут Uнс - напруга початку рахунку; Uнг і Uвг - нижня та верхня межа робочої ділянки, так званого плато, на якому швидкість рахунку майже не залежить від напруги живлення лічильника. Робоча напруга Uр зазвичай обирають у середині цієї ділянки. Йому відповідає Nр - швидкість рахунку в цьому режимі.
Залежність швидкості рахунку від ступеня радіаційного опромінення лічильника — його основна характеристика. Графік цієї залежності має майже лінійний характер і тому найчастіше радіаційну чутливість лічильника показують через імп/мкР (імпульсів на мікрорентген; ця розмірність випливає з відношення швидкості рахунку — імп/с до рівня радіації — мкР/с).
У тих випадках, коли вона не вказана, визначати про радіаційну чутливість лічильника доводиться за іншим його теж вкрай важливим параметром — власним тлом. Так називають швидкість рахунку, фактором якої є дві складові: зовнішня — природне радіаційне тло, і внутрішня — випромінювання радіонуклідів, що опинилися в самій конструкції лічильника, а також спонтанна електронна емісія його катода.
Залежність швидкості рахунку від енергії гамма-квантів («хід із жорсткістю») у лічильнику Гейгера
Ще однією істотною характеристикою лічильника Гейгера є залежність його радіаційної чутливості від енергії (жорсткості) іонізуючих частинок. Наскільки ця залежність істотна, представляє графік малюнку. «Хід із жорсткістю» позначатиметься, очевидно, на точність здійснюваних вимірювань.
Те, що лічильник Гейгера є лавинним приладом, має і свої мінуси — щодо реакції такого приладу не можна судити про причину його збудження. Вихідні імпульси, що генеруються лічильником Гейгера під дією a-часток, електронів, g-квантів, нічим не відрізняються. Самі частинки, їх енергії повністю зникають у лавинах-близнюках, що породжуються ними.
У таблиці наведені відомості про галогенові лічильники Гейгера вітчизняного виробництва, що найбільш гасять, найбільш підходять для побутових приладіврадіаційного контролю.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| СБМ19 | 400 | 100 | 2 | 310* | 50 | 19х195 | 1 |
| СБМ20 | 400 | 100 | 1 | 78* | 50 | 11х108 | 1 |
| СБТ9 | 380 | 80 | 0,17 | 40* | 40 | 12х74 | 2 |
| СБТ10А | 390 | 80 | 2,2 | 333* | 5 | (83х67х37) | 2 |
| СБТ11 | 390 | 80 | 0,7 | 50* | 10 | (55х29х23,5) | 3 |
| СІ8Б | 390 | 80 | 2 | 350-500 | 20 | 82х31 | 2 |
| СІ14Б | 400 | 200 | 2 | 300 | 30 | 84х26 | 2 |
| СІ22Г | 390 | 100 | 1,3 | 540* | 50 | 19х220 | 4 |
| СІ23БГ | 400 | 100 | 2 | 200-400* | — | 19х195 | 1 |
- 1 - робоча напруга, В;
- 2 - плато - область малої залежності швидкості рахунку від напруги живлення, В;
- 3 — власне тло лічильника, імп/с, трохи більше;
- 4 - радіаційна чутливість лічильника, імп/мкР (* - по кобальту-60);
- 5 - амплітуда вихідного імпульсу, не менше;
- 6 - габарити, мм - діаметр х довжина (довжина х ширина х висота);
- 7.1 - жорстке b - і g - випромінювання;
- 7.2 - те саме і м'яке b - випромінювання;
- 7.3 - те саме і a - випромінювання;
- 7.4 - g - випромінювання.
