Назначение счетчиков
Счетчик Гейгера - Мюллера это двухэлектродный прибор, предназначенный для определения интенсивности ионизирующего излучения или, иными словами, - для счета возникающих при ядерных реакциях ионизирующих частиц: ионов гелия (- частиц), электронов (- частиц), квантов рентгеновского излучения (- частиц) и нейтронов. Частицы распространяются с очень большой скоростью [до 2 . 10 7 м/с для ионов (энергия до 10 МэВ) и около скорости света для электронов (энергия 0,2 - 2 МэВ)], благодаря чему проникают внутрь счетчика. Роль счетчика заключается в формировании короткого (доли миллисекунды) импульса напряжения (единицы - десятки вольт) при попадании частицы в объём прибора.
В сравнении с другими детекторами (датчиками) ионизирующих излучений (ионизационной камерой, пропорциональным счетчиком) счетчик Гейгера-Мюллера отличается высокой пороговой чувствительностью - он позволяет контролировать естественный радиоактивный фон земли (1 частица на см 2 за 10 - 100 секунд). Верхний предел измерения сравнительно невысок - до 10 4 частиц на см 2 в секунду или до 10 Зиверт в час (Зв/ч). Особенностью счетчика является способность формировать одинаковые выходные импульсы напряжения вне зависимости от рода частиц, их энергии и числа ионизаций, произведенных частицей в объеме датчика.
Работа счетчика Гейгера основана на несамостоятельном импульсном газовом разряде между металлическими электродами, который инициируется одним или несколькими электронами, появляющимися в результате ионизации газа -, -, или -частицей. В счетчиках обычно используется цилиндрическая конструкция электродов, причем диаметр внутреннего цилиндра (анода) много меньше (2 и более порядков), чем наружного (катода), что имеет принципиальное значение. Характерный диаметр анода 0,1 мм.
Частицы поступают в счетчик через вакуумную оболочку и катод в «цилиндрическом» варианте конструкции (рис. 2,а ) или через специальное плоское тонкое окно в «торцевом» варианте конструкции (рис. 2,б) . Последний вариант используется для регистрации -частиц, обладающих низкой проникающей способностью (задерживаются, например, листом бумаги), но очень опасных в биологическом отношении при попадании источника частиц внутрь организма. Детекторы со слюдяными окнами используются также для счета -частиц сравнительно малой энергии («мягкое» бэта-излучение).
Рис. 2. Схематические конструкции цилиндрического (а ) и торцевого (б) счетчиков Гейгера. Обозначения: 1 - вакуумная оболочка (стекло); 2 - анод; 3 - катод; 4 - окно (слюда, целлофан)
В цилиндрическом варианте счетчика, предназначенного для регистрации -частиц высокой энергии или мягкого рентгеновского излучения, используют тонкостенную вакуумную оболочку, а катод выполняют из тонкой фольги или в виде тонкой пленки металла (медь, алюминий), напылённой на внутреннюю поверхность оболочки. В ряде конструкций тонкостенный металлический катод (с ребрами жесткости) является элементом вакуумной оболочки. Жесткое рентгеновское излучение (-частицы) обладает повышенной проникающей способностью. Поэтому его регистрируют детекторами с достаточно толстыми стенками вакуумной оболочки и массивным катодом. В счетчиках нейтронов катод покрывается тонким слоем кадмия или бора, в котором нейтронное излучение преобразуется в радиоактивное через ядерные реакции.
Объем прибора обычно заполнен аргоном или неоном с небольшой (до 1 %) примесью аргона при давлении, близком к атмосферному (10 -50 кПа). Для устранения нежелательных послеразрядных явлений в газовое наполнение вводится примесь паров брома или спирта (до 1 %).
Способность счетчика Гейгера регистрировать частицы независимо от их рода и энергии (генерировать один импульс напряжения независимо от количества образованных частицей электронов) определяется тем, что благодаря очень малому диаметру анода почти все приложенное к электродам напряжение сосредоточено в узком прианодном слое. За пределами слоя находится “область улавливания частиц”, в которой они ионизируют молекулы газа. Электроны, оторванные частицей от молекул, ускоряются к аноду, но газ ионизируют слабо из-за малой напряженности электрического поля. Ионизация резко усиливается после входа электронов в прианодный слой с большой напряженностью поля, где развиваются электронные лавины (одна или несколько) с очень высокой степенью размножения электронов (до 10 7). Однако возникающий за счет этого ток еще не достигает величины, соответствующей формированию сигнала датчика.
Дальнейший рост тока до рабочего значения обусловлен тем, что в лавинах одновременно с ионизацией генерируются ультрафиолетовые фотоны с энергией около 15 эВ, достаточной для ионизации молекул примеси в газовом наполнении (например, потенциал ионизации молекул брома равен 12,8 В). Электроны, появившиеся в результате фотоионизации молекул за пределами слоя, ускоряются к аноду, но лавины здесь не развиваются из-за малой напряженности поля и процесс слабо влияет на развитие разряда. В слое ситуация иная: образующиеся фотоэлектроны благодаря большой напряженности инициируют интенсивные лавины, в которых генерируются новые фотоны. Их количество превышает первоначальное и процесс в слое по схеме «фотоны - электронные лавины - фотоны» быстро (несколько микросекунд) нарастает (входит в «спусковой режим»). При этом разряд от места первых лавин, инициированных частицей, распространяется вдоль анода («поперечное зажигание»), анодный ток резко увеличивается и формируется передний фронт сигнала датчика.
Задний фронт сигнала (уменьшение тока) обусловлен двумя причинами: снижением потенциала анода за счет падения напряжения от тока на резисторе (на переднем фронте потенциал поддерживается межэлектродной емкостью) и снижением напряженности электрического поля в слое под действием пространственного заряда ионов после ухода электронов на анод (заряд повышает потенциалы точек, в результате чего перепад напряжения на слое уменьшается, а на области улавливания частиц увеличивается). Обе причины снижают интенсивность развития лавин и процесс по схеме «лавины - фотоны - лавины» затухает, а ток через датчик уменьшается. После окончания импульса тока потенциал анода увеличивается до исходного уровня (с некоторой задержкой из-за заряда межэлектродной емкости через анодный резистор), распределение потенциала в промежутке между электродами возвращается к первоначальной форме в результате ухода ионов на катод и счетчик восстанавливает способность регистрировать поступление новых частиц.
Выпускаются десятки типов детекторов ионизирующих излучений . При их обозначении используется несколько систем. Например, СТС-2, СТС-4 - счетчики торцевые самогасящиеся, или МС-4 - счетчик с медным катодом (В - с вольфрамовым, Г - с графитовым), или САТ-7 - счетчик -частиц торцевой, СБМ-10 - счетчик -частиц металлический, СНМ-42 - счетчик нейтронов металлический, СРМ-1 - счетчик для рентгеновского излучения и т. д.
Радиационная безопасность и степень загрязнения окружающей среды не беспокоила многих граждан стран мира до того момента, пока не произошли катастрофические события, унесшие жизни и здоровье сотен и тысяч людей. Максимально трагическими в плане радиационного загрязнения были Фукусима, Нагасаки и Чернобыльская катастрофа. Эти территории и связанные с ними истории хранятся в памяти каждого человека до сих пор и являются уроком о том, что независимо от внешнеполитической ситуации и уровня финансового благополучия о радиационной безопасности стоит беспокоиться всегда. Необходимо знать, для регистрации каких частиц применяется счетчик Гейгера, какие меры спасения профилактики стоит применять, если случается катастрофа.
Для чего используется счетчик Гейгера? В связи со множественными техногенными катастрофами и критическим повышением уровня радиации в воздухе за последние несколько десятков лет, человечество придумало и изобрело уникальные и максимально удобные приборы для регистрации частиц с помощью счетчика Гейгера бытового и промышленного использования. Эти приборы позволяют измерить уровень радиационного загрязнения, а также статично контролировать ситуацию загрязнения на территории или местности, учитывая погодные условия, географическое расположение и климатические перепады.
Каков принцип действия счетчика Гейгера? Сегодня приобрести дозиметр бытового типа и устройство счетчика Гейгера может каждый желающий человек. Следует отметить, что в условиях того, что радиация может быть как естественного, так и искусственного типа, человек обязан постоянно следить за радиационным фоном в своем доме, а также точно знать о том, какие частицы регистрирует счетчик Гейгера, о методах и способах профилактической защиты от ионизирующих веществ и . Из-за того, что радиация не может быть замечена или почувствована человеком без специального оснащения, многие люди могут на протяжении длительного времени находиться в состоянии зараженности, не подозревая об этом.
От какой радиации нужен счетчик Гейгера?
Важно напомнить, что радиация может быть разной, это зависит от того, из каких заряженных частиц она состоит и как далеко распространилась от своего источника. Для чего нужен счетчик Гейгера? К примеру, альфа-частицы радиации не считаются опасными и агрессивными по отношению к человеческому организму, однако при длительном воздействии они могут приводить к некоторым формам заболеваний, доброкачественным опухолям и воспалениям. Бета-радиация считается максимально опасной и губительной для человеческого здоровья. Именно на измерение таких частиц в воздухе и направлен принцип работы счетчика Гейгера.Бета-заряды могут производиться как искусственным путем в результате работы АЭС или химических лабораторий, так и природным, из-за вулканических пород и других подземных источников. В тех или иных случаях, высокая концентрация в воздухе ионизирующих элементов бета-типа может привести к раковым недугам, доброкачественным опухолям, инфекциям, отслоениям слизистых оболочек, нарушениям работы щитовидной железы и костного мозга.
Что такое счетчик Гейгера и как работает счетчик Гейгера? Так называют специальное устройство, которым оснащаются дозиметры и радиометры бытового и профессионального типа. Счетчик Гейгера – это чувствительный элемент дозиметра, который при условиях настройки определенного уровня чувствительности помогает выявить концентрацию в воздухе ионизирующих веществ за отведенный промежуток времени.
Счетчик Гейгера, фото которого показано выше, был впервые изобретен и проверен на практике в начале двадцатого века ученым Вальтером Мюллером. Преимущества и недостатки счетчика Гейгера могут оценить и нынешние поколения. Данное устройство широко применяется в быту для и промышленной сфере до настоящих пор. Некоторые умельцы даже делают счетчик Гейгера своими руками.
Улучшенные дозиметры для радиации
Следует сказать, что с момента изобретения счетчика Гейгера и дозиметра до настоящих дней эти универсальные устройства прошли много этапов улучшения и модернизации. Сегодня такие приборы можно использовать не только для проверки низких показателей радиационного фона в бытовых условиях или на производстве, но также использовать более оптимизированные и улучшенные модели, которые помогают измерить уровень радиации на АЭС, а также в процессе ведения военных действий.Современные способы применения счетчика Гейгера позволяют улавливать не только общее количество ионизирующих веществ в воздухе за определенный отрезок времени, но также реагировать на их плотность, степень заряженности, тип излучения и характер воздействия на поверхности.
К примеру, назначение счетчиков Гейгера для бытовых нужд или личного пользования не предусматривает необходимость наличия модернизированных возможностей, поскольку они, как правило, применяются для бытового использования и служат для проверки радиационного фона в доме, на продуктах питания, одежде или строительных материалах, которые потенциально могут содержать в себе определенный уровень заряда. Однако, промышленные и профессиональные дозиметры необходимы для того, чтобы проверять более серьезные и комплексные радиационные излучения и служить постоянным способом контролирования радиационного поля на АЭС, химических лабораториях или атомных станциях.
Позвоните сейчас
и получите бесплатную
консультацию специалиста
Учитывая тот факт, что многие современные страны сегодня имеют сильнодействующее ядерное оружие, иметь профессиональные дозиметры и счетчики Гейгера должен каждый человек на планете, чтобы в случае аварийной ситуации и катастрофы иметь возможность вовремя проконтролировать радиационное поле и спасти свою жизнь и жизнь своих близких людей. Также полезно заранее изучить плюсы и минусы счетчика Гейгера.
Стоит сказать, что принцип действия счетчиков Гейгера обеспечивает реакцию не только на интенсивность радиационного заряда и количество ионизирующих частиц в воздухе, но также позволяет разделять альфа-излучение от бета-радиации. Поскольку бета-радиация считается максимально агрессивной и сильнодействующей при своем заряде и концентрации ионов, счетчики Гейгера для ее проверки покрывают специальными хомутами из свинца или стали, чтобы отсеять лишние элементы и не повредить оборудование при проверке.
Возможность отсеивать и разделять различные потоки радиационного типа позволила многим людям сегодня качественно использования дозиметры, максимально четко просчитывать опасность и уровень загрязнения той или иной территории радиационными элементами различного характера.
Из чего состоит счетчик Гейгера?
Где применяется счетчик Гейгера? Как уже говорилось выше, счетчик Гейгера не является отдельным элементом, но служит для того, чтобы быть ведущим и основным элементом в конструкции дозиметра. Он необходим для максимально качественной и точной проверки радиационного фона в той или иной местности.Следует сказать о том, что счетчик Гейгера имеет относительно незамысловатую схему устройства. В общем и целом, его конструкция имеет следующие особенности.
Счетчик Гейгера представляет собой небольшой контейнер, внутри которого содержится инертный газ. В качестве газа различные производители используют разные элементы и вещества. Максимально часто счетчики Гейгера производят с баллонами, наполненными аргоном, неоном или смесями этих двух веществ. Стоит сказать о том, что газ, который заполняет баллон счетчика, находится под минимальным давлением. Это нужно для того, чтобы не было напряжения между катодом и анодом и не возникало электрического импульса.
Катод – это конструкция всего счетчика. Анод представляет собой проволоку или металлическое соединение между баллоном и основной конструкцией дозиметра, подведенную к датчику. Следует отметить, что в некоторых случаях анод, который непосредственно реагирует на радиационные элементы, может изготавливаться со специальным защитным покрытием, которое позволяет контролировать ионы, проникающие на анод и влияющие на итоговые показатели измерения.
Как работает счетчик Гейгера?
После того, как мы выяснили основные моменты конструкции счетчика Гейгера, стоит описать кратко принцип действия счетчика Гейгера. Учитывая несложность его обустройства, работа его и функционирование тоже крайне легко объяснить. Счетчик Гейгера работает по такому принципу:- Когда дозиметр включается между катодом и анодом возникает повышенное электрическое напряжение с помощью резистора. Однако напряжение не может спадать во время работы по причине того, что баллон счетчика наполнен инертным газом.
- Когда на анод попадает заряженный ион – он начинает смешиваться с инертным газом чтобы ионизироваться. Таким образом радиационный элемент фиксируется с помощью датчика и может влиять на показатели радиационного фона в проверяемой области. Об окончании проверки обычно сигнализирует характерный звук счетчика Гейгера.
Счетчик Гейгера - основной сенсор для измерения радиации. Он регистрирует гамма-, альфа-, бета-излучение и рентгеновские лучи. Обладает самой высокой чувствительностью в сравнении с другими способами регистрации радиации, например, ионизационными камерами. Это главная причина его повсеместного распространения. Другие сенсоры для измерения радиации используются очень редко. Почти все приборы дозиметрического контроля построены именно на счетчиках Гейгера. Они выпускаются массово, и есть приборы различных уровней: от дозиметров военной приемки до китайского ширпотреба. Сейчас приобрести какой-либо прибор для измерения радиации — не проблема.
Повсеместного распространения дозиметрических приборов еще совсем недавно не было. Так к 1986 году во время чернобыльской аварии оказалось, что у населения нет просто никаких приборов дозиметрической разведки, что кстати, дополнительно усугубило последствия катастрофы. При этом, несмотря на распространение радиолюбительства и кружков технического творчества, счетчики Гейгера не продавались в магазинах, поэтому изготовление самодельных дозиметров было невозможным.
Принцип работы счетчиков Гейгера
Это электровакуумный прибор с предельно простым принципом работы. Датчик радиоактивных излучений представляет собой металлическую или стеклянную камеру с металлизацией, заполненную разряженным инертным газом. По центру камеры располагают электрод. Внешние стенки камеры подключают к источнику высокого напряжения (обычно 400 вольт). Внутренний электрод - к чувствительному усилителю. Ионизирующие излучения (радиация) представляют собой поток частиц. Они буквально переносят электроны от высоковольтного катода в нити анода. На ней просто наводится напряжение, которое можно уже измерить, подключив к усилителю.
Высокая чувствительность счетчика Гейгера обусловлена лавинообразным эффектом. Энергия, которую регистрирует усилитель на выходе, — это не энергия источника ионизирующего излучения. Это энергия высоковольтного блока питания самого дозиметра. Проникшая частица только переносит электрон (энергетический заряд, который превращается в ток, регистрируемый измерителем). Между электродами введена газовая смесь, состоящая из благородных газов: аргона, неона. Она призвана гасить высоковольтные разряды. Если возникнет такой разряд, то это будет ложное срабатывание счетчика. Последующая измерительная схема игнорирует такие выбросы. Кроме того, высоковольтный блок питания тоже должен быть от них защищен.
Схема питания в счетчике Гейгера обеспечивает ток на выходе в нескольких микроампер при выходном напряжении 400 вольт. Точное значение напряжения питания устанавливается для каждой марки счетчика по его технической спецификации.
Возможности счетчиков Гейгера, чувствительность, регистрируемые излучения
С помощью счетчика Гейгера можно зарегистрировать и с высокой точностью измерить гамма- и бета-излучение. К сожалению, нельзя распознать вид излучения напрямую. Это делается косвенным методом с помощью установки преград между сенсором и обследуемым объектом или местностью. Гамма-лучи обладают высокой проницаемостью, и их фон не меняется. Если дозиметр засек бета-излучение, то установка разделительной преграды даже из тонкого листа металла почти полностью перекроет поток бета-частиц.
Распространенные в прошлом комплекты индивидуальных дозиметров ДП-22, ДП-24 не использовали счетчиков Гейгера. Вместо них там использовался сенсор ионизационная камера, поэтому чувствительность была очень низкой. Современные дозиметрические приборы на счетчиках Гейгера обладают в тысячи раз большей чувствительностью. С помощью них можно регистрировать естественные изменения солнечного радиационного фона.
Примечательная особенность счетчика Гейгера - чувствительность, в десятки и сотни раз превышающая необходимый уровень. Если в совершенно защищенной свинцовой камере включить счетчик, то он покажет огромный естественный радиационный фон. Эти показания не являются дефектом конструкции самого счетчика, что было проверено многочисленными лабораторными исследованиями. Такие данные - следствие естественного радиационного космического фона. Эксперимент только показывает, насколько чувствительным является счетчик Гейгера.
Специально для измерения этого параметра в технических характеристиках указывается значение «чувствительность счетчика имп мкр» (импульсов в микросекунду). Чем больше этих импульсов - тем больше чувствительность.
Измерение радиации счетчиком Гейгера, схема дозиметра
Схему дозиметра можно разделить на два функциональных модуля: высоковольтный блок питания и измерительная схема. Высоковольтный блок питания - аналоговая схема. Измерительный модуль на цифровых дозиметрах всегда цифровой. Это счетчик импульсов, который выводит соответствующее значение в виде цифр на шкалу прибора. Для измерения дозы радиации необходимо подсчитать импульсы за минуту, 10, 15 секунд или другие значения. Микроконтроллер пересчитывает число импульсов в конкретное значение на шкале дозиметра в стандартных единицах измерения радиации. Вот самые распространенные из них:
- рентген (обычно используется микрорентген);
- Зиверт (микрозиверт - мЗв);
- Грей, рад,
- плотность потока в микроваттах/м2.
Зиверт - наиболее популярная единица измерения радиации. К ней соотнесены все нормы, никаких дополнительных пересчетов проводить не требуется. Бэр - единица для определения влияния радиации на биологические объекты.
Сравнение газоразрядного счетчика Гейгера с полупроводниковым датчиком радиации
Счетчик Гейгера является газоразрядным прибором, а современная тенденция микроэлектроники - повсеместное от них избавление. Были разработаны десятки вариантов полупроводниковых сенсоров радиации. Регистрируемый ими уровень радиационного фона значительно выше, чем для счетчиков Гейгера. Чувствительность полупроводникового сенсора хуже, но у него другое преимущество - экономичность. Полупроводникам не требуется высоковольтного питания. Для портативных дозиметров с батарейным питанием они хорошо подходят. Еще одно их преимущество - регистрация альфа-частиц. Газовый объем счетчика существенно больше полупроводникового сенсора, но все равно его габариты приемлемы даже для портативной техники.
Измерение альфа-, бета- и гамма-излучения
Гамма-излучение измерять наиболее просто. Это электромагнитное излучение, представляющее собой поток фотонов (свет - тоже поток фотонов). В отличие от света у него гораздо более высокая частота и очень малая длина волны. Это позволяет ему проникать сквозь атомы. В гражданской обороне гамма-излучение — это проникающая радиация. Она проникает сквозь стены домов, автомобили, различные сооружения и задерживается только слоем земли или бетона в несколько метров. Регистрация гамма-квантов проводится с градуировкой дозиметра по естественному гамма-излучению солнца. Источников радиации не требуется. Совсем другое дело с бета- и альфа-излучением.
Если ионизирующиее излучение α (альфа-излучение) исходит от внешних объектов, то оно почти безопасно и представляет собой поток ядер атомов Гелия. Пробег и проницаемость этих частиц небольшая — нескольких микрометров (максимум миллиметров) — в зависимости от проницаемости среды. Ввиду этой особенности оно почти не регистрируется счетчиком Гейгера. В то же время регистрация альфа-излучения важна, так как эти частицы чрезвычайно опасны при проникновении внутрь организма с воздухом, пищей, водой. Для их декретирования счетчики Гейгера используются ограничено. Больше распространены специальные полупроводниковые сенсоры.
Бета-излучение отлично регистрируется счетчиком Гейгера, потому что бета-частица представляет собой электрон. Она может пролететь сотни метров в атмосфере, но хорошо поглощается металлическими поверхностями. В связи с этим счетчик Гейгера должен иметь окошко из слюды. Металлическая камера изготавливается с небольшой толщиной стенки. Состав внутреннего газа подбирается таким образом, чтобы обеспечить небольшой перепад давления. Детектор бета-излучения ставится на выносном зонде. В быту такие дозиметры мало распространены. Это в основном военная продукция.
Индивидуальный дозиметр с счетчиком Гейгера
Этот класс приборов обладает высокой чувствительностью в отличие от устаревших моделей с ионизационными камерами. Надежные модели предлагаются многими отечественными производителями: «Терра», «МКС-05», «ДКР», «Радэкс», «РКС». Это все автономные приборы с выводом данных на экран в стандартных единицах измерения. Есть режим показания накопленной дозы облучения, так и мгновенного уровня фона.
Перспективное направление - бытовой дозиметр-приставка к смартфону. Такие устройства выпускают зарубежные производители. У них богатые технические возможности, есть функция хранения показаний, калькуляции, пересчета и суммирования излучения за дни, недели, месяцы. Пока что из-за низких объемов производства стоимость этих приборов довольно высокая.
Самодельные дозиметры, зачем они нужны?
Счетчик Гейгера является специфическим элементом дозиметра, совершенно недоступным для самостоятельного изготовления. Кроме того, он встречается только в дозиметрах или продается отдельно в магазинах радиотоваров. Если этот датчик есть в наличии, все остальные компоненты дозиметра могут быть собраны самостоятельно из деталей разнообразной бытовой электроники: телевизоров, материнских плат и др. На радиолюбительских сайтах, форумах сейчас предлагается около десятка конструкций. Собирать стоит именно их, поскольку это самые отработанные варианты, имеющие подробные руководства по настройке и наладке.
Схема включения счетчика Гейгера всегда подразумевает наличие источника высокого напряжения. Типичное рабочее напряжение счетчика - 400 вольт. Его получают по схеме блокинг-генератора, и это самый сложный элемент схемы дозиметра. Выход счетчика можно подключить к усилителю низкой частоты и подсчитывать щелчки в динамике. Такой дозиметр собирается в экстренных случаях, когда времени на изготовление практически нет. Теоретически, выход счетчика Гейгера можно подключить к аудиовходу бытовой аппаратуры, например, компьютера.
Самодельные дозиметры, пригодные для точных измерений, все собираются на микроконтроллерах. Навыки программирования здесь не нужны, так как программа записывается готовой из бесплатного доступа. Сложности здесь типичные для домашнего электронного производства: получение печатной платы, пайка радиодеталей, изготовление корпуса. Все это решается в условиях небольшой мастерской. Самодельные дозиметры из счетчиков Гейгера делают в случаях, когда:
- нет возможности приобрести готовый дозиметр;
- нужен прибор со специальными характеристиками;
- необходимо изучить сам процесс постройки и наладки дозиметра.
Самодельный дозиметр градуируется по естественному фону с помощью другого дозиметра. На этом процесс постройки заканчивается.
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
Счётчик Гейгера СИ-8Б (СССР) со слюдяным окошком для измерения мягкого β -излучения. Окно прозрачно, под ним можно видеть спиральный проволочный электрод, другим электродом является корпус прибора
История
Принцип предложен в 1908 году Хансом Гейгером ; в 1928 Вальтер Мюллер, работая под руководством Гейгера, реализовал на практике несколько версий прибора, конструктивно отличавшихся в зависимости от типа излучения, которое регистрировал счётчик.
Устройство
Представляет собой газонаполненный конденсатор , который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. Дополнительная электронная схема обеспечивает счётчик питанием (как правило, не менее 300 ). При необходимости обеспечивает гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.
Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).
При измерении слабых потоков ионизирующего излучения счётчиком Гейгера необходимо учитывать его собственный фон. Даже в толстой свинцовой защите скорость счёта никогда не становится равной нулю. Одной из причин этой спонтанной активности счётчика является жёсткая компонента космического излучения, проникающая без существенного ослабления даже через десятки сантиметров свинца и состоящая в основном из мюонов. Через каждый квадратный сантиметр у поверхности Земли пролетает в среднем около 1 мюона в минуту, при этом эффективность регистрации их счётчиком Гейгера практически равна 100 %. Другой источник фона - это радиоактивное «загрязнение» материалов самого счётчика. Кроме того, значительный вклад в собственный фон дает спонтанная эмиссия электронов из катода счётчика.
Хотим мы или нет, но радиация прочно вошла в нашу жизнь и уходить не собирается. Нам нужно научиться жить с этим, одновременно полезным и опасным, явлением. Радиация проявляет себя невидимыми и неощутимыми излучениями, и без специальных приборов обнаружить их невозможно.
Немного из истории радиации
В 1895 году были открыты рентгеновские лучи. Год спустя была открыта радиоактивность урана, тоже в связи с рентгеновскими лучами. Ученые поняли, что они столкнулись с совершенно новыми, невиданными до сих пор явлениями природы. Интересно, что феномен радиации замечался несколькими годами раньше, но ему не придали значение, хотя ожоги от рентгеновских лучей получал еще Никола Тесла и другие работники эдисоновской лаборатории. Вред здоровью приписывали чему угодно, но не лучам, с которыми живое никогда не сталкивалось в таких дозах. В самом начале XX века стали появляться статьи о вредном действии радиации на животных. Этому тоже не придавали значения до нашумевшей истории с «радиевыми девушками» - работницами фабрики, выпускавшей светящиеся часы. Они всего лишь смачивали кисточки кончиком языка. Ужасная участь некоторых из них даже не публиковалась, по этическим соображениям, и осталась испытанием только для крепких нервов врачей.
В 1939 году физик Лиза Мейтнер, которая вместе с Отто Ганом и Фрицем Штрассманом относится людям, впервые в мире поделившим ядро урана, неосторожно сболтнула о возможности цепной реакции, и с этого момента началась цепная реакция идей о создании бомбы, именно бомбы, а вовсе не «мирного атома», на который кровожадные политики XX века, понятно, не дали бы ни гроша. Те, кто был «в теме», уже знали, к чему это приведет и началась гонка атомных вооружений.
Как появился счетчик Гейгера - Мюллера
Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в лаборатории Эрнста Резерфорда, в 1908 году предложил принцип работы счетчика «заряженных частиц» как дальнейшее развитие уже известной ионизационной камеры, которая представляла собой электрический конденсатор, наполненный газом при небольшом давлении. Она применялась еще Пьером Кюри с 1895 года для изучения электрических свойств газов. У Гейгера возникла идея использовать ее для обнаружения ионизирующих излучений как раз потому, что эти излучения оказывали прямое воздействие на степень ионизации газа.
В 1928 году Вальтер Мюллер, под началом Гейгера, создает несколько типов счетчиков радиации, предназначенных для регистрации различных ионизирующих частиц. Создание счетчиков было очень острой необходимостью, без которой невозможно было продолжать исследование радиоактивных материалов, поскольку физика, как экспериментальная наука, немыслима без измерительных приборов. Гейгер и Мюллер целенаправленно работали над созданием счетчиков, чувствительных к каждому из открытых к тому видов излучений: α, β и γ (нейтроны открыли только в 1932 году).
Счетчик Гейгера-Мюллера оказался простым, надежным, дешевым и практичным датчиком радиации. Хотя он не является самым точным инструментом для исследования отдельных видов частиц или излучений, однако на редкость подходит в качестве прибора для общего измерения интенсивности ионизирующих излучений. А в сочетании с другими детекторами используется физиками и для точнейших измерений при экспериментах.
Ионизирующие излучения
Чтобы лучше понять работу счетчика Гейгера-Мюллера, полезно иметь представление об ионизирующих излучениях вообще. По определению, к ним относится то, что может вызвать ионизацию вещества, находящегося в нормальном состоянии. Для этого необходима определенная энергия. Например, радиоволны или даже ультрафиолетовый свет не относятся к ионизирующим излучениям. Граница начинается с «жесткого ультрафиолета», он же «мягкий рентген». Этот вид является фотонным видом излучения. Фотоны большой энергии принято называть гамма-квантами.
Впервые разделил ионизирующие излучения на три вида Эрнст Резерфорд. Это было сделано на экспериментальной установке при помощи магнитного поля в вакууме. Впоследствии выяснилось, что это:
α - ядра атомов гелия
β - электроны с высокой энергией
γ - гамма-кванты (фотоны)
Позже были открыты нейтроны. Альфа-частицы легко задерживаются даже обычной бумагой, бета-частицы имеют немного большую проникающую способность, а гамма-лучи - самую высокую. Наиболее опасны нейтроны (на расстоянии до многих десятков метров в воздухе!). Из-за их электрической нейтральности они не взаимодействуют с электронными оболочками молекул вещества. Но попав в атомное ядро, вероятность чего достаточно высока, приводят к его нестабильности и распаду, с образованием, как правило, радиоактивных изотопов. А уже те, в свою очередь, распадаясь, сами образуют весь «букет» ионизирующих излучений. Хуже всего то, что облученный предмет или живой организм сам становится источником радиации на протяжении многих часов и суток.
Устройство счетчика Гейгера-Мюллера и принцип его работы
Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, как правило, выполняется в виде герметичной трубки, стеклянной или металлической, из которой откачан воздух, а вместо него добавлен инертный газ (неон или аргон или их смесь) под небольшим давлением, с примесью галогенов или спирта. По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. И трубка и проволока являются электродами: трубка - катод, а проволока - анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду - через большое постоянное сопротивление - плюс от источника постоянного напряжения. Электрически получается делитель напряжения, в средней точке которого (место соединения сопротивления и анода счетчика) напряжение практически равно напряжению на источнике. Обычно это несколько сотен вольт.
Когда сквозь трубку пролетает ионизирующая частица, атомы инертного газа, и так находящиеся в электрическом поле большой напряженности, испытывают столкновения с этой частицей. Энергии, отданной частицей при столкновении, хватает для отрыва электронов от атомов газа. Образующиеся вторичные электроны сами способны образовать новые столкновения и, таким образом, получается целая лавина электронов и ионов. Под действием электрического поля, электроны ускоряются в направлении анода, а положительно заряженные ионы газа - к катоду трубки. Таким образом, возникает электрический ток. Но так как энергия частицы уже израсходована на столкновения, полностью или частично (частица пролетела сквозь трубку), то кончается и запас ионизированных атомов газа, что является желательным и обеспечивается кое-какими дополнительными мерами, о которых мы поговорим при разборе параметров счетчиков.
При попадании в счетчик Гейгера-Мюллера заряженной частицы, за счет возникающего тока падает сопротивление трубки, а вместе с ним и напряжение в средней точке делителя напряжения, о которой шла речь выше. Затем сопротивление трубки вследствие возрастания ее сопротивления восстанавливается, и напряжение опять становится прежним. Таким образом, мы получаем отрицательный импульс напряжения. Считая импульсы, мы можем оценить число пролетевших частиц. Особенно велика напряженность электрического поля вблизи анода из-за его малых размеров, что делает счетчик более чувствительным.
Конструкции счетчиков Гейгера-Мюллера
Современные счетчики Гейгера-Мюллера выпускаются в двух основных вариантах: «классическом» и плоском. Классический счетчик выполняют из тонкостенной металлической трубки с гофрированием. Гофрированная поверхность счетчика делает трубку жесткой, устойчивой к внешнему атмосферному давлению и не дает ей сминаться под его действием. На торцах трубки расположены герметизирующие изоляторы из стекла или термореактивной пластмассы. В них же находятся выводы-колпачки для подключения к схеме приборов. Трубка снабжена маркировкой и покрыта прочным изолирующим лаком, не считая, конечно, ее выводов. Полярность выводов также обозначена. Это универсальный счетчик для любых видов ионизирующих излучений, особенно для бета и гамма.
Счетчики, чувствительные к мягкому β-излучению, делаются иначе. Из-за малого пробега β-частиц, их приходится делать плоскими, со слюдяным окошком, которое слабо задерживает бета-излучение, одним из вариантов такого счетчика, является датчик радиации БЕТА-2
. Все остальные свойства счетчиков определяются материалами, из которых их изготавливают.
Счетчики, предназначенные для регистрации гамма-излучения, содержат катод, изготовленный из металлов с большим зарядовым числом, или покрывают такими металлами. Газ крайне плохо ионизируется гамма-фотонами. Но зато гамма-фотоны способны выбить много вторичных электронов из катода, если его выбрать подходящим образом. Счетчики Гейгера-Мюллера для бета-частиц делают с тонкими окнами для лучшей проницаемости частиц, поскольку они являются обычными электронами, всего лишь получившими большую энергию. С веществом они взаимодействуют весьма хорошо и быстро эту энергию теряют.
В случае альфа-частиц дело обстоит еще хуже. Так, несмотря на весьма приличную энергию, порядка нескольких МэВ, альфа-частицы очень сильно взаимодействуют с молекулами, находящимися на пути, и быстро теряют энергию. Если вещество сравнить с лесом, а электрон с пулей, то тогда альфа-частицы придется сравнивать с танком, ломящимся через лес. Впрочем, обычный счетчик хорошо реагирует на α-излучение, но только на расстоянии до нескольких сантиметров.
Для объективной оценки уровня ионизирующих излучений дозиметры на счетчиках общего применения часто снабжают двумя параллельно работающими счетчиками. Один более чувствителен к α и β излучениям, а второй к γ-лучам. Такая схема применения двух счетчиков реализована в дозиметре RADEX RD1008 и в дозиметре-радиометре РАДЭКС МКС-1009 , в котором установлены счетчик БЕТА-2 и БЕТА-2М . Иногда между счетчиками помещают брусок или пластину из сплава, в котором есть примесь кадмия. При попадании нейтронов в такой брусок возникает γ-излучение, которое и регистрируется. Это делается для получения возможности определять нейтронное излучение, к которому простые счетчики Гейгера практически нечувствительны. Еще один способ - покрытие корпуса (катода) примесями, способными придавать чувствительность к нейтронам.
Галогены (хлор, бром) к газу подмешивают для быстрого самогашения разряда. Той же цели служат и пары спирта, хотя спирт в таком случае недолговечен (это вообще особенность спирта) и «протрезвевший» счетчик постоянно начинает «звенеть», то есть, не может работать в предусмотренном режиме. Это происходит где-то после регистрации 1e9 импульсов (миллиарда) что не так уж и много. Счетчики с галогенами намного долговечнее.
Параметры и режимы работы счетчиков Гейгера
Чувствительность счетчиков Гейгера.
Чувствительность счетчика оценивается отношением числа микрорентген от образцового источника к числу вызываемых этим излучением импульсов. Поскольку счетчики Гейгера не предназначены для измерения энергии частиц, точная оценка затруднительна. Счетчики калибруют по образцовым изотопным источникам. Необходимо отметить, что данный параметр у разных типов счетчиков может сильно отличаться, ниже приведены параметры самых распространённых счетчиков Гейгера-Мюллера:
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 - 160 ÷ 240 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 - 96 ÷ 144 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-20 - 60 ÷ 75 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-21 - 6,5 ÷ 9,5 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-10 - 9,6 ÷ 10,8 имп / мкР
Площадь входного окна или рабочая зона
Площадь датчика радиации, через которую пролетают радиоактивные частицы. Данная характеристика напрямо связана с габаритами датчика. Чем больше площадь, тем больше частиц уловит счетчик Гейгера-Мюллера. Обычно данный параметр указывается в квадратных сантиметрах.
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 - 13,8 см 2
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 - 7 см 2
Это напряжение соответствует приблизительно середине рабочей характеристики. Рабочая характеристика составляет плоскую часть зависимости числа регистрируемых импульсов от напряжения, поэтому ее еще называют «плато». В этой точке достигается наибольшая скорость работы (верхний предел измерений). Типичное значение 400 В.
Ширина рабочей характеристики счетчика.
Это разность между напряжением искрового пробоя и напряжением выхода на плоскую часть характеристики. Типичное значение 100 В.
Наклон рабочей характеристики счетчика.
Наклон измеряется в процентах от числа импульсов на вольт. Он характеризует статистическую погрешность измерений (подсчета числа импульсов). Типичное значение 0.15%.
Допустимая температура эксплуатации счетчика.
Для счетчиков общего применения -50 … +70 градусов Цельсия. Это весьма важный параметр, если счетчик работает в камерах, каналах, и других местах сложного оборудования: ускорителей, реакторов и т.п.
Рабочий ресурс счетчика.
Общее число импульсов, которое счетчик регистрирует до того момента, когда его показания начнут становиться неверными. Для приборов с органическими добавками самогашения, как правило, составляет число 1e9 (десять в девятой степени, или один миллиард). Ресурс считается только в том случае, если к счетчику приложено рабочее напряжение. Если счетчик просто хранится, этот ресурс не расходуется.
Мертвое время счетчика.
Это время (время восстановления), в течение которого счетчик проводит ток после срабатывания от пролетевшей частицы. Существование такого времени означает, что для частоты импульсов есть верхний предел, и это ограничивает диапазон измерений. Типичное значение 1e-4 с, то есть десять микросекунд.
Нужно отметить, что благодаря мертвому времени, датчик может оказаться «зашкаленным» и молчать в самый опасный момент (например, самопроизвольной цепной реакции на производстве). Такие случаи бывали, и для борьбы с ними применяют свинцовые экраны, закрывающие часть датчиков аварийных систем сигнализации.
Собственный фон счетчика.
Измеряется в свинцовых камерах с толстыми стенками для оценки качества счетчиков. Типичное значение 1 … 2 импульса в минуту.
Практическое применение счетчиков Гейгера
Советская и теперь российская промышленность выпускает много типов счетчиков Гейгера-Мюллера. Вот несколько распространенных марок: СТС-6, СБМ-20, СИ-1Г, СИ21Г, СИ22Г, СИ34Г, счетчики серии «Гамма», торцевые счетчики серии «Бета » и есть еще множество других. Все они применяются для контроля и измерений радиации: на объектах ядерной промышленности, в научных и учебных учреждениях, в гражданской обороне, медицине, и даже быту. После чернобыльской аварии, бытовые дозиметры , ранее неизвестные населению даже по названию, стали очень популярными. Появилось много марок бытовых дозиметров. Все они используют именно счетчик Гейгера-Мюллера в качестве датчика радиации. В бытовых дозиметрах устанавливают от одного до двух трубок или торцевых счетчиков.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ВЕЛИЧИН
Долгое время была распространена единица измерения Р (рентген). Однако, при переходе к системе СИ появляются другие единицы. Рентген - это единица экспозиционной дозы, «количество радиации», которое выражается числом образовавшихся ионов в сухом воздухе. При дозе в 1 Р в 1 см3 воздуха образуется 2.082e9 пар ионов (что соответствует 1 единице заряда СГСЭ). В системе СИ экспозиционную дозу выражают в кулонах на килограмм, а с рентгеном это связано уравнением:
1 Кл/кг = 3876 Р
Поглощенная доза излучения измеряется в джоулях на килограмм и называется Грей. Это взамен устаревшей единицы рад. Мощность поглощенной дозы измеряется в греях в секунду. Мощность экспозиционной дозы (МЭД) раньше измерявшаяся в рентгенах в секунду, теперь измеряется в амперах на килограмм. Эквивалентная доза излучения, при которой поглощенная доза составляет 1 Гр (грей) и коэффициент качества излучения 1, называется Зиверт. Бэр (биологический эквивалент рентгена) - это сотая часть зиверта, в настоящее время уже считается устаревшей. Тем не менее, и сегодня очень активно применяются все устаревшие единицы.
Главными понятиями в радиационных измерениях считаются доза и мощность. Доза - это число элементарных зарядов в процессе ионизации вещества, а мощность - это скорость образования дозы за единицу времени. А уж в каких единицах это выражается, это дело вкуса и удобства.
Даже минимальная доза опасна в смысле отдаленных последствий для организма. Расчет опасности достаточно прост. Например, ваш дозиметр показывает 300 миллирентген в час. Если вы останетесь в этом месте на сутки, вы получите дозу 24*0.3 = 7.2 рентген. Это опасно и нужно как можно скорее уходить отсюда. Вообще, обнаружив даже слабую радиацию надо уходить от нее и проверять ее даже на расстоянии. Если она «идет за вами», вас можно «поздравить», вы попали под нейтроны. А не каждый дозиметр может на них отреагировать.
Для источников радиации используют величину, характеризующую число распадов за единицу времени, ее называют активностью и измеряют также множеством различных единиц: кюри, беккерель, резерфорд и некоторыми другими. Величина активности, замеренная дважды с достаточным разносом по времени, если она убывает, позволяет рассчитать время, по закону радиоактивного распада, когда источник станет достаточно безопасным.
