Счетчик Гейгера - Википедия - Geiger counter

Счетчик Гейгера – Мюллера
Счетчик Гейгера.jpg
«Двухкомпонентный» настольный счетчик Гейгера – Мюллера с детектором на торце.
Другие именаСчетчик Гейгера-Мюллера
ИспользуетДетектор частиц
ИзобретательГанс Гейгер
Вальтер Мюллер
Похожие материалыТрубка Гейгера – Мюллера

А счетчик Гейгера инструмент, используемый для обнаружения и измерения ионизирующего излучения. Также известен как Счетчик Гейгера – Мюллера (или же Счетчик Гейгера – Мюллера), он широко используется в таких приложениях, как радиация дозиметрия, радиологическая защита, экспериментальная физика, а атомная промышленность.

Он обнаруживает ионизирующее излучение, например альфа-частицы, бета-частицы, и гамма излучение используя эффект ионизации, возникающий в Трубка Гейгера – Мюллера, который дает название инструменту.[1] Широко и широко используется в качестве портативный прибор для радиационной разведки, пожалуй, один из самых известных в мире обнаружение радиации инструменты.

Первоначальный принцип обнаружения был реализован в 1908 г. Кильский университет, но только после разработки трубки Гейгера-Мюллера в 1928 году счетчик Гейгера мог быть создан как практический инструмент. С тех пор он стал очень популярен благодаря прочному чувствительному элементу и относительно низкой стоимости. Однако существуют ограничения при измерении высоких уровней излучения и энергия падающего излучения.[2]

Принцип действия

Схема счетчика Гейгера с трубкой с «торцевым окном» для излучения с низким проникновением. Громкоговоритель также используется для индикации
Основная статья: Трубка Гейгера – Мюллера

Счетчик Гейгера состоит из трубки Гейгера – Мюллера (чувствительный элемент, который определяет излучение) и обрабатывающей электроники, которая отображает результат.

Трубка Гейгера – Мюллера заполнена инертным газом, например гелий, неон, или же аргон при низком давлении, к которому приложено высокое напряжение. Трубка ненадолго проводит электрический заряд, когда частица или же фотон падающего излучения делает газ проводящим за счет ионизации. Ионизация внутри трубки значительно усиливается за счет Выписка из Таунсенда эффект для создания легко измеряемого импульса обнаружения, который подается в электронику обработки и отображения. Этот большой импульс от трубки делает счетчик Гейгера относительно дешевым в производстве, так как последующая электроника значительно упрощается.[2] Электроника также генерирует высокое напряжение, обычно 400–900 вольт, которое необходимо приложить к лампе Гейгера – Мюллера, чтобы обеспечить ее работу. Чтобы остановить разряд в трубке Гейгера – Мюллера, в газовую смесь добавляют немного газообразного галогена или органического вещества (спирта).

Зачитать

Существует два типа считывания детектируемого излучения: считает или же доза облучения. Отображение счетчиков является самым простым и представляет собой количество обнаруженных событий ионизации, отображаемое либо в виде скорости счета, например, «количество в минуту» или «количество в секунду», либо в виде общего количества импульсов за установленный период времени (интегрированный общий). Считывание количества обычно используется при обнаружении альфа- или бета-частиц. Более сложным для достижения является отображение мощности дозы излучения, отображаемое в таких единицах, как зиверт который обычно используется для измерения мощности дозы гамма- или рентгеновского излучения. Трубка Гейгера – Мюллера может обнаруживать присутствие излучения, но не его энергия, влияющий на ионизирующий эффект излучения. Следовательно, приборы для измерения мощности дозы требуют использования компенсированная энергия Трубка Гейгера – Мюллера, чтобы отображаемая доза соответствовала зарегистрированным счетчикам.[2] Электроника будет применять известные факторы для выполнения этого преобразования, которое является специфическим для каждого прибора и определяется конструкцией и калибровкой.

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

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

Ограничения

Есть два основных ограничения счетчика Гейгера. Поскольку выходной импульс трубки Гейгера – Мюллера всегда имеет одинаковую величину (независимо от энергии падающего излучения), трубка не может различать типы излучения.[2] Во-вторых, трубка не может измерять высокие уровни излучения, потому что за каждым событием ионизации следует «мертвое время», нечувствительный период, в течение которого любое дальнейшее падающее излучение не приводит к подсчету. Обычно мертвое время снижает указанные скорости счета выше примерно 104 до 105 отсчетов в секунду, в зависимости от характеристики используемой трубки.[2] Хотя некоторые счетчики имеют схемы, которые могут это компенсировать, для точных измерений ионная камера инструменты предпочтительнее для высоких уровней излучения.

Виды и приложения

Счетчик Гейгера с зондом типа блинов
Лабораторное использование счетчика Гейгера с зондом на торце для измерения бета-излучения

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

Обнаружение частиц

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

Альфа-частицы имеют самый короткий диапазон, и для их обнаружения окно в идеале должно находиться в пределах 10 мм от источника излучения из-за альфа-частиц. затухание.[1] Однако трубка Гейгера – Мюллера дает импульсный выходной сигнал одинаковой величины для всего обнаруженного излучения, поэтому счетчик Гейгера с трубкой с торцевым окном не может различать альфа- и бета-частицы.[2] Опытный оператор может использовать различное расстояние от источника излучения, чтобы различать альфа-частицы и бета-частицы высокой энергии.

«Блинная» трубка Гейгера – Мюллера представляет собой вариант зонда с торцевым окном, но имеет большую зону обнаружения, чтобы ускорить проверку. Однако давление атмосферы по сравнению с низким давлением наполняющего газа ограничивает размер окна из-за ограниченной прочности оконной мембраны.

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

Счетчики Гейгера с торцевым окном до сих пор используются как универсальные, переносные, радиоактивное загрязнение приборы для измерения и обнаружения в силу их относительно низкой стоимости, надежности и относительно высокой эффективности обнаружения; особенно с бета-частицами высокой энергии.[2][3] Однако для различения альфа- и бета-частиц или предоставления информации об энергии частиц, сцинтилляционные счетчики или же пропорциональные счетчики должен быть использован.[4] Эти типы инструментов производятся с гораздо большей площадью детектора, а это означает, что проверка на загрязнение поверхности происходит быстрее, чем с помощью счетчика Гейгера.

Обнаружение гамма- и рентгеновского излучения

Счетчики Гейгера широко используются для обнаружения гамма-излучение и Рентгеновские лучи все вместе известные как фотоны, и для этого используется безоконная трубка. Однако эффективность обнаружения невысока по сравнению с альфа- и бета-частицами. Трубка Гейгера – Мюллера содержит более подробный отчет о методах, используемых для обнаружения фотонного излучения. Для фотонов высокой энергии трубка основана на взаимодействии излучения со стенкой трубки, обычно это материал с высоким Z, такой как хромированная сталь толщиной 1-2 мм для образования электронов внутри стенки трубки. Они входят в заполняющий газ и ионизируют его.[2]

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

Выше этих низких уровней энергии наблюдается значительная разница в реакции на различные энергии фотонов одинаковой интенсивности, и в трубке со стальными стенками используется так называемая «компенсация энергии» в виде колец фильтра вокруг трубки без оболочки, которая пытается уменьшить компенсируют эти изменения в большом диапазоне энергий.[1] Труба G-M из хромистой стали имеет КПД около 1% в широком диапазоне энергий.[1]

Обнаружение нейтронов

Трубка Гейгера заполнена BF3 для обнаружения тепловых нейтронов

Вариант трубки Гейгера используется для измерения нейтроны, где используется газ трифторид бора или гелий-3 и пластиковый замедлитель используется для замедления нейтронов. Это создает альфа-частица внутри детектора и, таким образом, можно подсчитывать нейтроны.

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

Гамма-измерение - защита персонала и управление технологическим процессом

Термин «счетчик Гейгера» обычно используется для обозначения портативного измерителя геодезического типа, однако принцип Гейгера широко используется в установленных сигнализаторах «гамма-излучения по площади» для защиты персонала, а также в измерениях технологического процесса и блокировках. все еще чувствительное устройство, но электроника обработки будет иметь более высокую степень сложности и надежности, чем та, которая используется в портативном геодезическом измерителе.

Физический дизайн

Пробирка Pancake G-M, используемая для определения альфа и бета; окно из тонкой слюды обычно защищено сеткой, когда оно вставлено в инструмент.

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

В 1930-х годах к цилиндрической конструкции было добавлено слюдяное окно, позволяющее легко проходить излучению с низким проникновением.[5]

Интегрированный блок позволяет работать одной рукой, поэтому оператор может использовать другую руку для личной безопасности в сложных положениях для наблюдения, но конструкция из двух частей упрощает манипулирование детектором и обычно используется для контроля альфа- и бета-загрязнения поверхности, где требуется осторожность. необходимо манипулировать датчиком, иначе вес электронного модуля сделает работу слишком громоздкой. Доступен ряд детекторов разного размера для конкретных ситуаций, таких как размещение зонда в небольших отверстиях или ограниченном пространстве.

Детекторы гамма- и рентгеновского излучения обычно имеют «интегральную» конструкцию, поэтому трубка Гейгера – Мюллера удобно размещается внутри корпуса электроники. Этого легко добиться, потому что кожух обычно имеет небольшое затухание и используется в измерениях гамма-излучения окружающей среды, где расстояние от источника излучения не является существенным фактором. Однако, чтобы облегчить более локальные измерения, такие как «доза на поверхности», положение трубки в корпусе иногда указывается мишенями на корпусе, поэтому точное измерение может быть выполнено с трубкой в ​​правильной ориентации и на известном расстоянии от поверхность.

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

Обнаружение альфа- и бета-частиц может использоваться как в цельных, так и в составных конструкциях. Зонд для блинов (для альфа / бета) обычно используется для увеличения зоны обнаружения в двухкомпонентных приборах, при этом они относительно легкие. В интегральных приборах, использующих трубку с торцевым окном, в корпусе корпуса имеется окно для предотвращения защиты от частиц. Существуют также гибридные приборы, которые имеют отдельный зонд для обнаружения частиц и трубку для определения гамма-излучения в электронном модуле. Датчики переключаются оператором в зависимости от типа измеряемого излучения.

Руководство по использованию приложения

в объединенное Королевство то Национальный совет радиологической защиты выпустила инструкцию для пользователя по выбору наилучшего типа портативного прибора для соответствующего приложения измерения радиации.[4] Он охватывает все технологии приборов радиационной защиты и включает руководство по использованию детекторов G-M.

История

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

В 1908 г. Ганс Гейгер, под присмотром Эрнест Резерфорд на Университет Виктории в Манчестере (теперь Манчестерский университет ), разработал экспериментальную методику обнаружения альфа-частиц, которая позже будет использована для разработки трубки Гейгера-Мюллера в 1928 году.[6] Этот ранний счетчик был способен обнаруживать только альфа-частицы и был частью более крупного экспериментального устройства. Используемый фундаментальный механизм ионизации был открыт Джон Сили Таунсенд между 1897 и 1901 гг.,[7] и известен как Выписка из Таунсенда, которая представляет собой ионизацию молекул ионным ударом.

Только в 1928 году Гейгер и Вальтер Мюллер (аспирант Гейгера) разработал герметичную трубку Гейгера – Мюллера, в которой использовались основные принципы ионизации, ранее использовавшиеся экспериментально. Маленький и прочный, он мог обнаруживать не только альфа- и бета-излучение, как это делали предыдущие модели, но также и гамма-излучение.[5][8] Теперь практический радиационный прибор можно было производить относительно дешево, и так родился счетчик Гейгера. Поскольку выходной сигнал лампы требует небольшой электронной обработки, явное преимущество в термоэмиссионный клапан Благодаря минимальному количеству клапанов и низкому энергопотреблению прибор приобрел большую популярность как портативный детектор излучения.

Современные версии счетчика Гейгера используют галогеновую трубку, изобретенную в 1947 г. Сидни Х. Либсон.[9] Она заменила более раннюю лампу Гейгера – Мюллера из-за ее гораздо более длительного срока службы и более низкого рабочего напряжения, обычно 400-900 вольт.[10]

Галерея

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

  • Детектор блинов G-M, запитывающий регистратор данных микроконтроллера, отправляющий данные на ПК через Bluetooth. Радиоактивный камень был помещен на вершину G-M, из-за чего график поднялся.

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

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм '' Трубки Гейгера-Мюллера; выпуск 1 ’’, изданный Centronics Ltd, Великобритания.
  2. ^ а б c d е ж грамм час Гленн Ф. Нолл. Обнаружение и измерение радиации, третье издание 2000 г. Джон Уайли и сыновья, ISBN  0-471-07338-5
  3. ^ «Функция детектора G-M и методы измерения». Получено 2017-03-07.
  4. ^ а б [1] Выбор, использование и обслуживание портативных средств мониторинга. ВШЭ Великобритании
  5. ^ а б Корфф, СНТМ (2012) 20: 271. Дои:10.1007 / s00048-012-0080-у
  6. ^ Э. Резерфорд и Х. Гейгер (1908) «Электрический метод подсчета количества α-частиц радиоактивных веществ», Труды Королевского общества (Лондон), Серия А, т. 81, нет. 546, страницы 141–161.
  7. ^ Джон С. Таунсенд (1901) «Электропроводность, создаваемая в газах движением отрицательно заряженных ионов», Философский журнал, серия 6, 1 (2) : 198-227.
  8. ^ Видеть:
    • Х. Гейгер и В. Мюллер (1928), «Elektronenzählrohr zur Messung schwächster Aktivitäten» (Электронная счетная трубка для измерения самой слабой радиоактивности), Die Naturwissenschaften (Науки), т. 16, нет. 31, страницы 617–618.
    • Гейгер, Х. и Мюллер, В. (1928) "Das Elektronenzählrohr" (Электронная счетная трубка), Physikalische Zeitschrift, 29: 839-841.
    • Гейгер, Х. и Мюллер, В. (1929) "Technische Bemerkungen zum Elektronenzählrohr" (Технические примечания по электронной счетной трубке), Physikalische Zeitschrift, 30: 489-493.
    • Гейгер, Х. и Мюллер, В. (1929) "Demonstration des Elektronenzählrohrs" (Демонстрация электронно-счетной трубки), Physikalische Zeitschrift, 30: 523 и далее.
  9. ^ Либсон, С. Х. (1947). «Разрядный механизм самозатухающих счетчиков Гейгера – Мюллера» (PDF). Физический обзор. 72 (7): 602–608. Bibcode:1947ПхРв ... 72..602Л. Дои:10.1103 / PhysRev.72.602. HDL:1903/17793.
  10. ^ История портативных средств обнаружения радиации с периода 1920–60 гг.

внешняя ссылка

СМИ, связанные с Счетчики Гейгера в Wikimedia Commons