Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера (Г-М). Рис.1 – это стеклянный цилиндр (баллон) заполненный инертным газом (с
примесями галогенов) под давлением несколько ниже атмосферного. Тонкий металлический цилиндр внутри баллона служит катодом К; анодом А служит тонкий проводник, проходящий по центру цилиндра. Между анодом и катодом прикладывается напряжение U В =200-1000 В. Анод и катод подключаются к электронной схеме радиометрического прибора.
Рис.1 Цилиндрический счетчик Гейгера-Мюллера.
1 – нить анода 2 – трубчатый катод
U в – источник высоковольтного напряжения
R н – нагрузочное сопротивление
С V – разделительно-накопительная емкость
Р – пересчетное устройство с индикацией
ξ – источник радиации.
С помощью счетчика Г-М можно регистрировать все частицы излучения (кроме легко поглощаемых α-частиц); чтобы β- частицы не поглощались корпусом счетчика в нем имеются прорези, закрытые тонкой пленкой.
Поясним особенности работы счетчика Г-М.
β-частицы непосредственно взаимодействуют с молекулами газа счетчика, в то время как нейтроны и γ-фотоны (незаряженные частицы) с молекулами газа взаимодействуют слабо. В этом случае механизм возникновения ионов иной.
проведем дозиметрический замер окружающей среды около точек К и А, полученные данные занесем в табл. 1.
Для проведения замера необходимо:
1. Подключить дозиметр к источнику питания (9в).
2. На тыльной стороне дозиметра закрыть задвижкой (экраном) окно детектора.
3. Установить переключатель MODE (режим) в положение γ («Р»).
4. Установить переключатель RANGE (диапазон) в положение x 1 (Р н =0,1-50 мкЗв/час).
5. Установить переключатель питания дозиметра в положение ON (Вкл.).
6. Если в положении х1 раздастся звуковой сигнал и числовые ряды дисплея полностью заполнятся, то необходимо перейти на диапазон х10 (Р н =50-500 мкЗв/час).
7. После завершения суммирования импульсов на дисплее дозиметра высветится доза, эквивалентная мощности P Hγ мкЗв/час; через 4-5 сек. произойдет сброс показаний.
8. Дозиметр вновь готов к замерам радиации. Автоматически начинается новый цикл замеров.
Таблица 1.
Результирующее значение в рабочем пространстве (АВ) определяется формулой
=
,
мкЗв/час (6)
- показания дозиметра дают значения радиационного фона в точке;
Величина радиации в каждой точке замера подчиняется законам флуктуации. Поэтому, чтобы получить наиболее вероятное значение измеряемой величины, необходимо производить серию замеров;
- при дозиметрии β – излучений замеры необходимо проводить вблизи поверхности исследуемых тел.
4. Проведение измерений. П.1. Определение мощности эквивалентной дозы естественного радиационного фона.
Для определения γ-фона окружающей среды выделим (относительно каких-либо объектов (тел)) две точки А, К, расположенные друг от друга на расстоянии ~1 метр, и, не касаясь тел,
Нейтроны, взаимодействуя с атомами катода, порождают заряженные микрочастицы (осколки ядер). Гамма излучение
взаимодействует главным образом с веществом (атомами) катода, порождая фотонное излучение, которое далее ионизирует молекулы газа.
Как только в объеме счетчика появляются ионы, то под действием анодно-катодного электрического поля начнется движение зарядов.
Вблизи анода линии напряженности электрического поля резко сгущаются (следствие малого диаметра нити анода), напряженность поля резко возрастает. Электроны, подходя к нити, получают большое ускорение, возникает ударная ионизация нейтральных молекул газа , вдоль нити распространяется самостоятельный коронный разряд.
За счет энергии этого разряда, энергия первоначального импульса частиц резко усиливается (до 10 8 раз). При распространении коронного разряда часть зарядов будет медленно стекать через большое сопротивление R н ~10 6 Ом (рис.1). В цепи детектора на сопротивлении R н будут возникать импульсы тока, пропорциональный исходному потоку частиц. Возникший импульс тока передается на накопительную емкость С V (С~10 3 пикофарад), далее усиливается и регистрируется пересчетной схемой Р.
Наличие большого сопротивления R н в цепи детектора приводит к тому, что на аноде будут скапливаться отрицательные заряды. Напряженность электрического поля анода будет понижаться и в какой-то момент ударная ионизация прервется, разряд затухнет.
Важную роль в гашении возникшего газового разряда играют галогены, находящиеся в газе счетчика. Потенциал ионизации галогенов ниже, чем у инертных газов, поэтому атомы галогенов активнее «поглощают» фотоны, вызывающие самостоятельный разряд, переводя эту энергию в энергию диссипации, гася тем самостоятельный разряд.
После того как ударная ионизация (и коронный разряд) прервется, начинается процесс восстановление газа в исходное (рабочее) состояние. В течение этого времени счетчик не работает, т.е. не регистрирует пролетающие частицы. Этот промежуток
времени называется «мертвым временем» (временем восстановления). Для счетчика Г-М мертвое время = Δ t ~10 -4 секунды.
Счетчик Г-М реагирует на попадание каждой заряженной частицы, не различая их по энергиям, но, если мощность падаю
щего излучения неизменна, то скорость счета импульсов оказывается пропорциональна мощности излучения, и счетчик можно будет проградуировать в единицах доз излучения.
Качество газоразрядного самогасящегося детектора определяется зависимостью средней частоты импульсов N в единицу времени от напряжения U на его электродах при неизменной интенсивности излучения. Эта функциональная зависимость называется счетной характеристикой детектора (рис.2).
Как следует из рисунка 2, при U < U 1 приложенного напряжения недостаточно для возникновения газового разряда при попадании в детектор заряженной частицы или гамма-кванта. Начиная с напряжения U В > U 2 в счетчике возникает ударная ионизация, вдоль катода распространяется коронный разряд, счетчик фиксирует пролет почти каждой частицы. С ростом U В до U 3 (см. рис. 2) число фиксируемых импульсов несколько увеличивается, что связано с некоторым увеличением степени ионизации газа счетчика. У хорошего счетчика Г-М участок графика от U 2 до U Р почти не зависит от U В , т.е. идет параллельно оси U В , средняя частота импульсов почти не зависит U В .
Рис. 2. Счетная характеристика газоразрядного самогасящегося детектора.
3. Относительная погрешность приборов при измерении Р н : δР н = ±30%.
Поясним, как импульс счетчика преобразуются в показания дозы мощности излучений.
Доказывается, что при неизменной мощности излучений скорость счета импульсов пропорциональна мощности излучений (измеряемой дозе). На этом принципе основывается измерение дозы мощности радиации.
Как только в счетчике возникает импульс, сигнал этот передается в блок пересчета, где фильтруется по длительности, амплитуде, суммируется и результат передается на дисплей счетчика в единицах дозы мощности.
Соответствие между скоростью счета и измеряемой мощностью, т.е. градуировка дозиметра производится (на заводе) по известному источнику радиации С s 137 .
Несмотря на то, желаем мы того или нет, но термин «радиация» надолго вклинился в наше сознание и бытие, и никому не скрыться от факта ее присутствия. Людям приходится учиться жить с этим в какой-то мере негативным феноменом. Явление радиации может проявлять себя при помощи невидимых и неощутимых излучений, и без специальной аппаратуры выявить его практически нереально.
Из истории изучения радиации
В 1895 году произошло открытие рентгеновских лучей. Уже через год был открыт феномен радиоактивности урана, также связанный с открытием и применением рентгеновских лучей. Исследователям пришлось столкнуться с абсолютно новым, невиданным до той поры природным явлением.
Следует отметить, что с феноменом радиации уже сталкивались за несколько лет до этого, однако явлению не было уделено должного внимания. И это при том, что обжигались рентгеновскими лучами даже знаменитый Никола Тесла, а также рабочий персонал в лаборатории Эдисона. Ухудшение здоровья объясняли всем, чем только могли, но не излучением.
Позднее с началом XX столетия произошло появление статьей о вредоносном воздействии радиации на подопытных животных. Это также прошло без внимания до одного нашумевшего происшествия, в котором пострадали «радиевые девушки» – работницы фабрики, выпускавшей светящиеся часы.
Руководство фабрики рассказало девушкам о безвредности радия, и они принимали смертельные дозы радиации: облизывали кончики кисточек с радиевой краской, ради развлечения красили ногти и даже зубы светящейся субстанцией. Пяти девушкам, которые пострадали от такой работы, удалось подать на фабрику судебный иск. В результате чего был создан прецедент по отношению к правам некоторых рабочих, которые получали профессиональные заболевания и подавали в суд на своих работодателей.
История появления счетчика Гейгера — Мюллера
Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в одной из лабораторий Резерфорда, в 1908 году разработал и предложил принципиальную схему действия счетчика «заряженных частиц». Он представлял собой модификацию уже знакомой тогда ионизационной камеры, которая была представлена в виде электрического конденсатора, наполненного газом с небольшим давлением. Камеру применял еще Пьер Кюри, когда изучал электрические свойства газов. Гейгер придумал ее употребить для выявления ионизирующего излучения именно оттого, что это излучение оказывало непосредственное воздействие на уровень ионизации газов.
В конце 20-х годов Вальтер Мюллер под руководством Гейгера создал некоторые типы счетчиков радиации, при помощи которых можно было регистрировать самые разнообразные ионизирующие частицы. Работа над созданием счетчиков была весьма необходимой, потому что без них нельзя было исследовать радиоактивные материалы. Гейгеру с Мюллером пришлось целеустремленно поработать над сотворением таких счетчиков, которые были бы чувствительны к любой из выявленных на то время разновидностей излучений типа α, β и γ.
Счетчики Гейгера-Мюллера оказались простыми, надежными, дешевыми, а также практичными датчиками радиации. Это при том, что они не являлись самыми точными инструментами для изучения излучения или некоторых частиц. Зато очень хорошо подходили в качестве приборов для общих измерений насыщенности ионизирующего излучения. В сочетании с другими приборами они и сейчас употребляются физиками-практиками для более точных замеров в процессе экспериментирования.
Что такое ионизирующее излучение?
Для лучшего понимания работы счетчиков Гейгера-Мюллера не мешало бы ознакомиться с ионизирующим излучением как таковым. К нему может относиться все то, что вызывает ионизацию веществ, находящихся в естественном состоянии. Для этого потребуется присутствие какой-то энергии. В частности, ультрафиолетовый свет либо радиоволны не причисляются к ионизирующему излучению. Разграничение может начинаться так называемым «жестким ультрафиолетом», еще именуемым «мягким рентгеном». Такая разновидность потока называется фотонное излучение. Поток фотонов высокой энергии — это гамма-кванты.
В первый раз разделение ионизирующего излучения по трем видам было проделано Эрнстом Резерфордом. Все производилось на исследовательском оборудовании, в котором было задействовано магнитное поле в пустом пространстве. В дальнейшем все это было названо:
- α – ядрами атомов гелия;
- β – электронами высокой энергии;
- γ – гамма-квантами (фотонами).
Позднее произошло открытие нейтронов. Так, выяснилось, что альфа-частицы могут с легкостью задерживаться даже с помощью обыкновенной бумаги, бета-частицы обладают несколько большей проникающей способностью, а гамма-лучи – самой высокой. Самыми опасными считаются нейтроны, особенно на дистанции во много десятков метров в воздушном пространстве. Вследствие их электрической индифферентности, они не вступают во взаимодействие ни с какой электронной оболочкой молекул в веществе.
Однако при попадании в атомные ядра с высоким потенциалом приводят к их неустойчивости и распаду, после чего образуются радиоактивные изотопы. А те, далее в процессе распада, сами образуют всю полноту ионизирующего излучения.
Устройства счетчика Гейгера-Мюллера и принципы работы
Газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера, главным образом, выполняются как герметичные трубки, стеклянные или металлические, из которых выкачан весь воздух. Его заменяют добавленным инертным газом (неоном или аргоном или их смесью) при невысоком давлении, с галогеновым или спиртовыми примесями. По осям трубок натянуты тонкие проволоки, а соосно с ними расположены металлические цилиндры. И трубки и проволоки — это электроды: трубки – катоды, а проволоки – аноды.
К катодам подключаются минусы от источников постоянного напряжения, а к анодам – с использованием большого постоянного сопротивления – плюсы от источников с постоянным напряжением. С электрической точки зрения выходит делитель напряжения. а в середине него уровень напряжения почти такой же, как напряжение на источнике. Как правило, он может доходить до нескольких сот вольт.
В процессе пролета ионизирующих частиц через трубки, атомы в инертном газе, которые уже находятся в электрополе высокой интенсивности, сталкиваются с этими частицами. Та энергия, которая была отдана частицами в процессе столкновения немалая, ее хватит для того, чтобы оторвались электроны от атомов газа. Образовавшиеся электроны вторичного порядка сами в состоянии формировать дальнейшие столкновения, после чего выходит целый электронный и ионный каскад.
При воздействии электрополя происходит ускорение электронов по направлению к анодам, а положительно заряженных ионов газа – к катодам трубок. Вследствие этого зарождается электроток. Поскольку энергию частиц уже израсходовали для столкновений, целиком или отчасти (частицы пролетели через трубку), ионизированные атомы газа стали заканчиваться.
Как только заряженные частицы попали в счетчик Гейгера-Мюллера, путем зарождающегося тока произошло падение сопротивления трубки, одновременно с этим изменяется напряжение в центральной отметке разделителя, о чем было указано ранее. После этого сопротивление в трубке в результате его роста возобновляется, а уровень напряжения снова приходит в прежнее состояние. В результате, получаются отрицательные импульсы напряжения. Произведя отсчет импульсов, можно установить количество частиц, которые пролетели. Самая большая интенсивность электрополя наблюдается рядом с анодом, благодаря его малым размерам, вследствие этого счетчики становятся более чувствительными.
Конструкции счетчиков Гейгера-Мюллера
У всех современных счетчиков Гейгера-Мюллера имеются две основные разновидности: «классическая» и плоская. Классические счетчики выполняются из тонкостенных гофрированных металлических трубок. Гофрированные поверхности счетчиков делают трубки жесткими, они устоят перед внешним атмосферным давлением, и не дадут им мяться под любыми воздействиями. С торцов трубок имеются стеклянные или пластмассовые гермоизоляторы. Там же находятся отводы-колпачки, чтобы подключаться к схеме. Трубки маркированы и покрыты с помощью прочного изолирующего лака с указанием полярности отводов. Вообще это универсальные счетчики для любой разновидности ионизирующего излучения, особенно для бета-гамма-излучений.
Счетчики, которые могут быть чувствительными к мягким β-излучениям, производятся по-иному. Вследствие малых пробегов β-частиц, их делают плоскими. Слюдяные окошки слабо задерживают бета-излучения. Одним таким счетчиком можно назвать датчик БЕТА-2. Во всех остальных счетчиках определение их свойств относят к материалам их изготовления.
Все счетчики, которые регистрируют гамма-излучение, обладают катодами, изготовленными из таких металлов, в которых присутствует большое зарядовое число. Газы чрезвычайно неудовлетворительно ионизируются с помощью гамма-фотонов. Тем не менее, гамма-фотоны могут выбивать множество электронов вторичного происхождения из катодов, если выбирать их надлежащим образом. Большинство счетчиков Гейгера-Мюллера для бета-частиц изготавливаются так, чтобы у них были тонкие окна. Это делается, чтобы улучшить проницаемость частиц, потому что это всего лишь обычные электроны, получившие больше энергии. С веществами у них происходит взаимодействие очень хорошее и быстрое, вследствие этого энергия теряется.
С альфа-частицами дела обстоят куда сквернее. Например, невзирая на довольно-таки порядочную энергию, несколько МэВ, у альфа-частиц происходит весьма сильное взаимодействие с молекулами, движущимися в пути и скоро теряющими энергетический потенциал. Обычные счетчики неплохо реагируют на α-излучения, но исключительно на удалении в несколько сантиметров.
Чтобы произвести объективную оценку уровня ионизирующего излучения дозиметры на счетчиках с общим применением нередко снабжаются двумя последовательно функционирующими счетчиками. Один может быть более чувствительным к α-β-излучениям, а другой к γ-излучению. Порой среди счетчиков помещаются бруски или пластины из сплавов, в которых имеются примеси кадмия. При попадании нейтронов в такие бруски возникает γ-излучение, которое и регистрируется. Это делается для возможного определения нейтронного излучения, а к нему у простых счетчиков Гейгера практически отсутствует чувствительность.
Как на практике применяются счетчики Гейгера
Советской, а сейчас уже и российской промышленностью выпускается множество разновидностей счетчиков Гейгера-Мюллера. Такими приборами главным образом пользуются люди, которые имеют какое-то отношение к объектам ядерной индустрии, к научным или учебным учреждениям, к гражданской обороне, к медицинской диагностике.
После того, как произошла чернобыльская катастрофа, бытовые дозиметры, раньше абсолютно незнакомые населению нашей страны даже по наименованию, начали приобретать поистине всенародную популярность. Начало появляться множество моделей бытового назначения. Во всех них используются собственно счетчики Гейгера-Мюллера в качестве датчиков радиации. Обычно в бытовых дозиметрах устанавливаются одна-две трубки или торцевые счетчики.
Введение
1. Назначение счетчиков
Устройство и принцип действия счетчика
Основные физические закономерности
1 Восстановление работоспособности после регистрации частицы
2 Дозиметрическая характеристика
3 Счетная характеристика датчика
Заключение
Список литературы
Введение
Счетчики Гейгера-Мюллера - самые распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения. До сих пор им, изобретенным в самом начале нашего века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены. В своей основе счетчик Гейгера очень прост. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона. Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно».
К электродам прикладывают высокое напряжение U (см рис.), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В этом состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации - след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют «по дороге» другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.
Обратный процесс - возвращение газовой среды в ее исходное состояние в так называемых галогеновых счетчиках - происходит само собой. В действие вступают галогены (обычно хлор или бром), в небольшом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие - «мертвое» время - является важной его паспортной характеристикой. Такие счетчики называют галогеновыми самогасящимися. Отличаясь самым низким напряжением питания, превосходными параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались особенно удобными для применения в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.
Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения - a, b, g, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к a- и мягкому b-излучению, должно быть очень тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3...10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое b- и g-излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки 0,05....0,06 мм (он служит и катодом счетчика). Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового - из кварцевого стекла.
счетчик гейгер мюллер
дозиметрический излучение
1. 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.
2. Устройство и
принцип действия счетчика
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.
3. Основные физические закономерности
.1 Восстановление
работоспособности после регистрации частицы
Время ухода ионов из промежутка
после регистрации частицы оказывается сравнительно большим - единицы
миллисекунд, что ограничивает верхний предел измерения мощности дозы излучения.
При высокой интенсивности излучения частицы поступают с интервалом, меньшим
времени ухода ионов, и некоторые частицы датчик не регистрирует. Процесс
иллюстрируется осциллограммой напряжения на аноде датчика в ходе восстановления
его работоспособности (рис. 3).
Рис. 3. Осциллограммы
напряжения на аноде счетчика Гейгера. U o
- амплитуда сигнала
в нормальном режиме (сотни вольт). 1 - 5 - номера частиц
Поступление первой частицы (1 на рис. 3) в объем датчика инициирует импульсный газовый разряд, что ведет к снижению напряжения на величину U o (нормальная амплитуда сигнала). Далее напряжение возрастает в результате медленного уменьшения тока через промежуток по мере ухода ионов на катод и за счет заряда межэлектродной емкости от источника напряжения через ограничительный резистор. Если в датчик через небольшой интервал времени после поступления первой попадает другая частица (2 на рис. 3), то разрядные процессы развиваются слабо из-за пониженного напряжения и малой напряженности поля у анода в условиях действия пространственного заряда ионов. Сигнал датчика в этом случае оказывается недопустимо малым. Поступление второй частицы через более длительный интервал времени после первой (частицы 3 - 5 на рис. 3) дает сигнал большей амплитуды, так как напряжение увеличивается, а пространственный заряд уменьшается.
Если вторая частица поступает в датчик после первой через интервал, меньший, чем отрезок времени между частицами 1 и 2 на рис. 3, то по изложенным выше причинам датчик вообще сигнал не вырабатывает (“не считает” частицу). В связи с этим временной интервал между частицами 1 и 2 называется “мертвым временем счетчика” (амплитуда сигнала частицы 2 составляет 10 % от нормальной). Отрезок времени между частицами 2 и 5 на рис. 3 называется «временем восстановления датчика» (сигнал частицы 5 составляет 90 % нормального). В течение этого времени амплитуда сигналов датчика понижена, и они могут не регистрироваться счетчиком электрических импульсов.
Мертвое время (0,01 - 1 мс) и время восстановления (0,1 - 1 мс) являются важными параметрами счетчика Гейгера. Наибольшая регистрируемая мощность дозы тем выше, чем меньше значения этих параметров. Основными факторами, определяющими параметры, являются давление газа и величина ограничительного резистора. С уменьшением давления и величины резистора мертвое время и время восстановления уменьшаются, так как увеличивается скорость ухода ионов из промежутка и уменьшается постоянная времени процесса заряда межэлектродной емкости.
3.2 Дозиметрическая
характеристика
Чувствительность
счетчика Гейгера - это отношение частоты генерируемых датчиком импульсов к
мощности дозы излучения, измеряемой в микрозивертах на час (мкЗв/ч; варианты:
Зв/с, мЗв/с, мкЗв/с). Характерные значения чувствительности: 0,1 - 1 импульсов
на микрозиверт. В рабочем диапазоне чувствительность является коэффициентом
пропорциональности между показаниями счетчика (количеством импульсов в секунду)
и мощностью дозы. За пределами диапазона пропорциональность нарушается, что
отражает дозиметрическая характеристика детектора - зависимость показаний от
мощности дозы (рис. 4).
Рис. Зависимости
скорости счета от мощности дозы радиоактивного излучения (дозиметрические
характеристики) для двух счетчиков с различным давлением газа (1 - 5 кПа, 2 -
30 кПа)
Из физических соображений следует, что показания датчика по мере увеличения мощности дозы не могут превысить величину (1/), где - мертвое время датчика (частицы, поступающие через интервал времени, меньший , не считаются). Поэтому рабочий линейный участок дозиметрической характеристики плавно переходит в области интенсивной радиации в горизонтальную прямую на уровне (1/).
С уменьшением мертвого
времени дозиметрическая характеристика датчика переходит в горизонтальную
прямую на более высоком уровне при более высокой мощности радиации, и верхний
предел измерения повышается. Такая ситуация наблюдается при уменьшении давления
газа (рис. 4). Однако одновременно снижается чувствительность датчика
(увеличивается количество частиц, пересекающих газоразрядный промежуток без
столкновений с молекулами). Поэтому при уменьшении давления дозиметрическая характеристика
опускается вниз. Математически характеристика описывается следующим
соотношением:
где N
- скорость
счета (показания датчика - число импульсов в секунду); -
чувствительность счетчика (импульсов в секунду на микрозиверт); Р
-
мощность дозы радиации; -
мертвое время датчика (в секундах).
3.3 Счетная
характеристика датчика
Контроль мощности дозы излучения наиболее часто приходится вести вне помещений или в полевых условиях, где электрическое питание датчика осуществляется от аккумуляторов или других гальванических источников. Их напряжение по мере работы уменьшается. В то же время, газоразрядные процессы в датчике зависят от напряжения в очень сильной степени. Поэтому зависимость показаний счетчика Гейгера от напряжения при неизменной мощности дозы радиации является одной из наиболее важных характеристик датчика. Зависимость называется счетной характеристикой датчика (рис. 5).
На одной из представленных зависимостей (кривая 2) отмечены характерные точки A - D . При малом напряжении (левее точки А ) электроны, образующиеся в датчике при попадании ионизирующей частицы, инициируют электронные лавины, но их интенсивность недостаточна для формирования импульса тока необходимой амплитуды, и показания счетчика равны нулю. Точка А соответствует «напряжению начала счета». При увеличении напряжения на участке А - В показания счетчика возрастают, поскольку растет вероятность поступления электронов из области улавливания частиц в прианодный слой с большой напряженностью поля. При низком напряжении электроны за время движения к слою рекомбинируют с ионами (предварительно могут «прилипать» к молекулам примеси брома с образованием отрицательных ионов). В точке В напряжение достаточно для быстрого перемещения практически всех электронов в слой, а интенсивность рекомбинации близка к нулю. Датчик вырабатывает сигналы нормальной амплитуды.
На рабочем участке
счетной характеристики В - С
(«плато характеристики») показания счетчика
слабо увеличиваются с ростом напряжения, что имеет важное практическое значение
и является достоинством счетчика Гейгера. Его качество тем выше, чем больше
протяженность плато (100 -400 В) и меньше крутизна горизонтального участка
счетной характеристики.
Рис. 5. Зависимости
скорости счета от напряжения (счетная характеристика) при различных значениях
давления газа и содержания примеси брома: 1 - 8 кПа, 0,5 %; 2 - 16 кПа, 0,5 %;
3 - 16 кПа, 0,1 % для мощности дозы излучения 5 мкЗв/ч. A, B, C, D
-
характерные точки кривой 2
Крутизна (или наклон)
плато S
характеризуется процентным изменением показаний счетчика на
единицу напряжения:
, (2)
где N B и N C - показания счетчика в начале и конце плато; U B и U C - значения напряжения в начале и конце плато. Характерные значения крутизны 0,01 - 0,05 %/В.
Относительная стабильность показаний на плато счетной характеристики обеспечивается специфическим типом разряда, возникающего в датчике с приходом ионизирующей частицы. Увеличение напряжения интенсифицирует развитие электронных лавин, но это приводит лишь к ускорению распространения разряда вдоль анода, а способность счетчика генерировать один сигнал на одну частицу почти не нарушается.
Небольшой рост скорости счета с увеличением напряжения на плато счетной характеристики связан с эмиссией электронов из катода под действием разряда. Эмиссия обусловлена так называемыми -процессами, под которыми понимают вырывание электронов ионами, возбужденными атомами и фотонами. Коэффициент условно считается равным количеству электронов, приходящихся на один ион (возбужденные атомы и фотоны подразумеваются). Характерные значения коэффициента составляют 0,1 - 0,01 (10 - 100 ионов вырывают электрон в зависимости от рода газа и материала катода). При таких значениях коэффициента счетчик Гейгера не функционирует, поскольку выходящие из катода электроны регистрируются как ионизирующие частицы (регистрируются “ложные” сигналы).
Нормальное функционирование счетчика обеспечивается введением в газовое наполнение примеси брома или паров спирта (“гасящие примеси”), что резко снижает коэффициент (ниже 10 -4). В этом случае число ложных сигналов также резко уменьшается, но остается ощутимым (например, единицы процентов). С увеличением напряжения разрядные процессы усиливаются, т.е. количество ионов, возбужденных атомов и фотонов увеличивается и соответственно возрастает количество ложных сигналов. Этим объясняются небольшой рост показаний датчика на плато счетной характеристики (увеличение наклона) и окончание плато (переход в крутой участок C - D ). При увеличении содержания примеси коэффициент снижается в большей степени, что уменьшает наклон плато и увеличивает его длину (кривые 2 и 3 на рис. 5).
Физический механизм действия гасящих примесей заключается в резком снижении поступления на катод ионов, возбужденных атомов и фотонов, способных вызывать эмиссию электронов, а также в повышении работы выхода электронов из катода. Ионы основного газа (неон или аргон) в процессе движения к катоду становятся нейтральными атомами в результате «перезарядки» при столкновениях с молекулами примеси, так как потенциалы ионизации неона и аргона больше, чем брома и спирта (соответственно: 21,5 В; 15,7 В; 12,8 В; 11,3 В). Выделяющаяся при этом энергия расходуется на разрушение молекул или на образование низкоэнергетичных фотонов, не способных вызвать фотоэмиссию электронов. Такие фотоны, к тому же, хорошо поглощаются молекулами примеси.
Образующиеся при перезарядке ионы примеси на катод попадают, но эмиссию электронов не вызывают. В случае брома это объясняется тем, что потенциальная энергия иона (12,8 эВ) недостаточна для вырывания из катода двух электронов (один - на нейтрализацию иона, а другой - для начала электронной лавины), так как работа выхода электронов из катода при наличии примеси брома повышается до 7 эВ. В случае спирта при нейтрализации ионов на катоде выделяющаяся энергия обычно расходуется на диссоциацию сложной молекулы, а не на вырывание электронов.
Возникающие в разряде долгоживущие (метастабильные) возбужденные атомы основного газа принципиально могут попадать на катод и вызывать эмиссию электронов, поскольку их потенциальная энергия достаточно велика (например, 16,6 эВ для неона). Однако вероятность процесса оказывается очень малой, так как атомы при столкновениях с молекулами примеси передают им свою энергию - «гасятся». Энергия расходуется на диссоциацию молекул примеси или на излучение низкоэнергетичных фотонов, не вызывающих фотоэмиссию электронов из катода и хорошо поглощаемых молекулами примеси.
Приблизительно аналогичным образом “гасятся” поступающие из разряда высокоэнергетичные фотоны, способные вызвать эмиссию электронов из катода: они поглощаются молекулами примеси с последующим расходом энергии на диссоциацию молекул и излучение низкоэнергетичных фотонов.
Долговечность счетчиков с добавкой брома значительно выше (10 10 - 10 11 импульсов), так как она не ограничена разложением молекул гасящей примеси. Снижение концентрации брома обусловлено его сравнительно высокой химической активностью, что усложняет технологию изготовления датчика и накладывает ограничения на выбор материала катода (применяется, например, нержавеющая сталь).
Счетная характеристика
зависит от давления газа: с его увеличением повышается напряжение начала счета
(точка А
на рис 5 смещается вправо), а уровень плато повышается в
результате более эффективного улавливания ионизирующих частиц молекулами газа в
датчике (кривые 1 и 2 на рис 5). Повышение напряжения начала счета объясняется
тем, что условия в датчике соответствуют правой ветви кривой Пашена.
Заключение
Широкое применение счётчика Гейгера-Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать разного рода излучения, сравнительной простотой и дешевизной установки. Счётчик был изобретен в 1908 году Гейгером и усовершенствован Мюллером.
Цилиндрический счётчик Гейгера-Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки, и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка - катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы - аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 400В.Для большинства счетчиков существует так называемое плато, которое лежит приблизительно от 360 до 460 В,в этом диапазоне небольшие колебания напряжения не влияют на скорость счета.
Работа счетчика основана на ударной ионизации.γ-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счётчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается - настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.
Важной характеристикой счётчика является его эффективность. Не все γ-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия γ-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема.
Эффективность счётчика зависит от
толщины стенок счётчика, их материала и энергии γ-излучения. Наибольшей эффективностью обладают счётчики, стенки
которых сделаны из материала с большим атомным номером Z, так как при этом увеличивается
образование вторичных электронов. Кроме того, стенки счётчика должны быть
достаточно толстыми. Толщина стенки счётчика выбирается из условия её равенства
длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой
толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объем счётчика, и
возникновения импульса тока не произойдет. Так как γ-излучение слабо
взаимодействует с веществом, то обычно эффективность γ-счётчиков также мала и
составляет всего 1-2 %. Другим недостатком счётчика Гейгера-Мюллера является
то, что он не даёт возможность идентифицировать частицы и определять их
энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счётчиках.
Список литературы
1 Актон Д.Р. Газоразрядные приборы с холодным катодом. М.;Л.: Энергия, 1965.
2 Каганов И.Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1972.
3 Кацнельсон Б.В., Калугин А.М., Ларионов А.С. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы: Справочник. М.: Радио и связь, 1985.
4 Кноль М., Эйхмейхер И. Техническая электроника Т. 2. М.: Энергия, 1971.
5
Сидоренко В.В. Детекторы ионизирующих излучений: Справочник. Л.:
Судостроение, 1989
Регистрация ионизирующих излучений приборами основана на преобразовании излучений детектором и измерительной схемой в электрические сигналы, принятые в практике измерений.
Приборы для измерения ионизирующих излучений могут регистрировать различные физические величины. Наиболее интересны следующие из них: поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы и их мощность, плотность потока частиц, флюенс частиц, объемная, массовая, поверхностная, эффективная активности.
Любой прибор, измеряющий ионизирующие излучения, содержит детектор, измерительную схему (регистратор или анализатор) и вспомогательные элементы.
Детектор преобразует информацию о параметрах излучений в энергию электрического сигнала. По преобразованию энергии излучения в другие виды энергии детекторы можно разделить на следующие группы:
- ионизационные (газовые счетчики, ионизационные камеры, полупроводниковые счетчики);
- сцинтилляционные;
- фотографические;
- химические.
Измерительная схема выделяет, преобразует, накапливает, хранит и выдает информацию в виде электрических сигналов, удобных для наблюдения, записи, вычисления или управления другими приборами. Вспомогательные элементы обеспечивают заданные режимы работы детектора и измерительной схемы. К ним относятся источники питания, блоки программирования режима работы, контроля исправности и градуировки, регистрирующие устройства (цифропечатающие устройства, самописцы, осциллографы, счетчики импульсов и т.д.).
Функциональные схемы приборов в значительной мере определяются формой сигналов, поступающих от детекторов излучений и с выхода измерительной схемы (в виде импульсов – дискретная форма информации или в виде медленно меняющегося тока (напряжения) – аналоговая форма информации).
Приборы с дискретной формой входной и выходной информации могут включать в себя усилители, стандартизаторы и дискриминаторы импульсов, счетные и анализирующие схемы с суммированием и памятью двоичным, десятичным и другими способами счисления.
Импульсы, несущие информацию о параметрах излучения, могут отличаться по амплитуде, форме и времени появления. Разделением этих импульсов но их параметрам с помощью анализирующих устройств удается измерять не только плотность потока излучения по средней скорости следования импульсов, но и энергию, вид и пространственное распределение излучения.
Анализирующие устройства обычно работают в двух режимах обработки информации. В первом случае анализатором отбираются импульсы с заданными параметрами, во втором – сигналы отбираются по группам в зависимости от заданных параметров отбора.
В приборах с аналоговым видом входной и выходной информации применяются электрометрические и выходные усилители постоянного тока. В схемах с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный используются преобразователи и усилители переменного тока.
Для перекрытия необходимого диапазона измерений с заданной точностью в устройствах с аналоговым видом выходной информации применяются показывающие и самопишущие приборы с линейной и нелинейной шкалами (логарифмической, линейно-логарифмической и т.д.), а также цифровые вольтметры с цифропечатающими устройствами.
Информация на выходе приборов может быть как дискретной, так и аналоговой независимо от формы информации на входе.
Аналоговая информация, поступающая от токовых детекторов излучений (ионизационные камеры), в ряде приборов преобразуется в дискретную путем дозирования – квантования зарядов.
Значительное число приборов с дискретной информацией на входе имеют аналоговую выходную информацию; к ним относятся радиометры, рентгенометры, интенсиметры с измерителями средней скорости следования импульсов.
Результаты измерений могут представляться в виде сигналов, наблюдаемых визуально (показания стрелочных приборов, на экране осциллографа или компьютера и т.д.); зафиксированных регистрирующим устройством (счетчиком импульсов, самописцем, цифропtчатающим устройством и т.д.). Сигналы могут быть звуковыми, генерируемыми телефонами, звонками, сиренами и т.д., подаваться для управления другими приборами.
Любой вид излучения при взаимодействии с веществом приводит к появлению ионизации и возбуждения. Заряженные частицы вызывают эти процессы непосредственно, при поглощении g-квантов ионизацию создают быстрые электроны, возникающие в результате фотоэффекта, эффекта Комптона или при рождении пар, а в случае нейтронов ионизация создается быстролетящими ядрами. При этом одна первичная частица может привести к появлению сотен тысяч ионов, благодаря чему сопровождающие ионизацию вторичные эффекты (электрический ток, вспышка света, потемнение фотопластинки и др.) могут быть замечены человеком непосредственно с помощью его органов чувств; иногда эти эффекты остается лишь усилить в нужное число раз. Таким образом, ионизация является как бы своеобразным усилителем явлений взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Поэтому работа всех регистрирующих приборов так или иначе связана с использованием ионизации и возбуждения атомов вещества.
Электроны, образующиеся при различных видах взаимодействий, тормозятся в среде, затрачивая свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов. Образовавшиеся ионы и свободные электроны быстро рекомбинируют, так что заряд через очень короткое время (10-5 с для газов) исчезает. Этого не происходит, если в среде создать электрическое поле. В этом случае носители заряда будут дрейфовать вдоль поля, положительные в одну сторону, отрицательные – в другую. Движение зарядов является электрическим током, измерив который, можно определить величину заряда.
Именно так действует ионизационная камера. Она представляет из себя герметичный объем, наполненный газом, в котором расположены два металлических электрода (рис. 7.1). К электродам приложено электрическое напряжение. При прохождении электрона, образовавшегося при взаимодействии γ-кванта с веществом, свободные заряды – ионы и электроны – дрейфуют к электродам, и в цепи возникает импульс тока, пропорциональный заряду, образованному электроном.
Рис. 7.1.
К сожалению, импульсы тока от электронов, образованных частицами малых энергий и γ-квантами, очень малы. Их трудно точно измерить, поэтому ионизационные камеры используются для регистрации тяжелых частиц, например, α-частиц, которые образуют при прохождении через ионизационную камеру значительно бо́льшие импульсы тока.
Если повысить напряжение на электродах ионизационной камеры, то возникает явление, названное газовым усилением. Свободные электроны, двигаясь в электрическом поле, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов газа, наполняющего камеру. При ионизации электрон образует еще одну пару ион – электрон, так что общее количество зарядов умножается на два, как это показано на рис. 7.2. В свою очередь новообразовавшиеся электроны тоже способны к ионизации, и таким образом заряд умножается еще и еще. При специальной форме электродов коэффициент газового усиления может достигать 105. Существенным здесь является тот факт, что конечный заряд остается пропорционален первичному, а значит, и энергии электрона, образованного частицей или γ-квантом. Именно по этой причине такие приборы называются пропорциональными счетчиками.
Обычно пропорциональный счетчик делают в виде цилиндра, вдоль оси которого натягивают тонкую металлическую проволочку – нить. К корпусу счетчика подключают отрицательный, а к нити – положительный полюс источника тока. При таком устройстве электрическое поле сосредоточивается главным образом около нити и максимальное значение напряженности поля оказывается тем выше, чем меньше радиус нити. Поэтому необходимые для газового усиления большие напряженности полей удается получить при сравнительно небольших разностях потенциалов между корпусом счетчика и нитью.
Рис. 7.2.
Пропорциональные счетчики получили широкое распространение благодаря своей простоте и большим импульсам тока при прохождении заряженных частиц. Сейчас пропорциональные счетчики используют главным образом для регистрации β-излучения, мягкого γ-излучения, α-частиц и нейтронов. На рис. 7.3 представлены основные тины пропорциональных счетчиков.
Рис. 7.3.
В электрическую цепь пропорциональный счетчик включается так же, как и ионизационная камера. И электрические импульсы от него получаются такие же, как от камеры, только большей величины. Казалось бы, стоит только применить достаточно высокое напряжение, чтобы газовое усиление было больше, и пропорциональный счетчик даст настолько большие импульсы, что работать с ними можно будет без дальнейшего усиления. Однако на самом деле это не так. Дело в том, что при больших газовых усилениях счетчик начинает работать нестабильно и пропорциональность между энергией частиц и амплитудой импульса нарушается.
Чтобы избежать появления пробоев и выровнять электрическое поле, счетчик приходится делать очень тщательно, зачищая и полируя его электроды. Отполировать же нить, диаметр которой измеряется сотыми долями миллиметра, очень сложно. Если электрическое поле в счетчике будет неоднородным вдоль нити, то импульс будет зависеть не только от энергии частицы, но и от места ее попадания в счетчик, что, естественно, нежелательно.
Поэтому конструкцию пропорционального счетчика часто приходится усложнять, вводя в него дополнительные электроды для выравнивания поля. В результате всех этих усложнений удается изготовить счетчики с газовыми усилениями в десятки, сотни, а иногда даже в тысячи раз, но и этого зачастую оказывается слишком мало, чтобы с получаемыми от них импульсами можно было работать без последующего усиления.
Рассмотрим, что произойдет, если еще больше увеличить напряжение между электродами счетчика. В этом случае при попадании в счетчик заряженной частицы образуется чрезвычайно мощная лавина электронов, которая с большой скоростью обрушивается на положительный электрод и выбивает из него несколько фотонов – квантов ультрафиолетового излучения.
Эти фотоны, попадая на отрицательный электрод, могут вырвать новые электроны, последние опять устремятся к положительному электроду и т.д. В результате в счетчике возникает так называемый самостоятельный разряд, который будет гореть с постоянной силой независимо от того, попадают в счетчик новые частицы или нет. (Точно так горит разряд в неоновых трубках световых реклам.)
Счетчик же должен реагировать на каждую попадающую в него частицу, поэтому такой режим работы никому не нужен. Однако, применяя специальные схемы включения или добавляя в атмосферу счетчика некоторые тяжелые газы, можно создать условия, при которых возникший при попадании в счетчик частицы самостоятельный разряд сам по себе будет гаснуть через очень короткое время. Таким образом, попадание в счетчик каждой новой частицы будет вызывать появление кратковременного, но довольно сильного тока.
Самым распространенным детектором (датчиком) ионизирующего излучения, работающим в описанном выше режиме, является счетчик Гейгера – Мюллера. Принцип его работы основан на возникновении разряда в газе при пролете ионизирующих частиц. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами, находящийся под напряжением, введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона (устройство должно регистрировать β- и γ-излучение). Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное "окно".
К электродам прикладывают высокое напряжение U (рис. 7.4), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В этом состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации – след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют "по дороге" другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.
Рис. 7.4.
Обратный процесс – возвращение газовой среды в ее исходное состояние в так называемых галогеновых счетчиках – происходит сам собой. В действие вступают галогены (обычно хлор или бром), в небольшом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие – "мертвое" время – является важной его паспортной характеристикой. Например, для газоразрядного счетчика Гейгера – Мюллера, типа СБМ-20-1 "мертвое" время при U = 400 В составляет 190 Р/мкс.
Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения – альфа, бета, гамма, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции.
Амплитуда импульса от счетчика Гейгера – Мюллера может достигать нескольких десятков или даже сот вольт. С такими импульсами можно работать без всякого усиления. Но эта победа была завоевана дорогой ценой. Дело в том, что амплитуда импульса в счетчике Гейгера – Мюллера определяется только свойствами самого счетчика и параметрами электрической цепи и совершенно не зависит ни от вида, ни от энергии первичной частицы.
Импульсы от медленного электрона, создавшего всего лишь несколько пар ионов, и от α-частицы, создавшей несколько тысяч ионов, оказываются одинаковыми. Поэтому счетчики Гейгера – Мюллера можно использовать только для подсчета числа пролетевших частиц в однородных полях излучений, но не для определения их типа и энергии.
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.
