Изобретенный еще в 1908 г. немецким физиком Гансом Вильгельмом Гейгером прибор, способный определить широко используется и в наши дни. Причиной тому является высокая чувствительность устройства, его возможность регистрировать самые различные излучения. Простота эксплуатации и дешевизна позволяют купить счетчик Гейгера любому человеку, решившему самостоятельно измерить уровень радиации в любое время и в любом месте. Что же это за прибор и как он работает?
Принцип действия счетчика Гейгера
По своей конструкции довольно прост. В герметизированный баллон с двумя электродами закачивается газовая смесь, состоящая из неона и аргона, которая легко ионизируется. На электроды подается (порядка 400В), которое само по себе никаких разрядных явлений не вызывает до того самого момента, пока в газовой среде прибора не начнется процесс ионизации. Появление пришедших извне частиц приводит к тому, что первичные электроны, ускоренные в соответствующем поле, начинают ионизировать иные молекулы газовой среды. В результате под воздействием электрического поля происходит лавинообразное создание новых электронов и ионов, которые резко увеличивают проводимость электронно-ионного облака. В газовой среде счетчика Гейгера происходит разряд. Количество импульсов, возникающих в течение определенного промежутка времени, прямо пропорционально количеству фиксируемых частиц. Таков в общих чертах принцип работы счетчика Гейгера.
Обратный процесс, в результате которого газовая среда возвращается в исходное состояние, происходит сам собой. Под воздействием галогенов (обычно используется бром или хлор) в данной среде происходит интенсивная рекомбинация зарядов. Процесс этот происходит значительно медленнее, а потому время, необходимое для восстановления чувствительности счетчика Гейгера, - очень важная паспортная характеристика прибора.
Несмотря на то что принцип действия счетчика Гейгера довольно прост, он способен реагировать на ионизирующие излучения самых различных видов. Это α-, β-, γ-, а также рентгеновское, нейтронное и Все зависит от конструкции прибора. Так, входное окно счетчика Гейгера, способного регистрировать α- и мягкое β-излучения, выполняется из слюды толщиной от 3 до 10 микрон. Для обнаружения его изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового - из кварца.
Где применяется счетчик Гейгера
Принцип действия счетчика Гейгера положен в основу работы большинства современных дозиметров. Эти небольшие приборы, имеющие относительно невысокую стоимость, отличаются довольно высокой чувствительностью и способны выводить результаты в удобных для восприятия единицах измерения. Простота их использования позволяет эксплуатировать эти приборы даже тем, кто имеет весьма отдаленные понятия о дозиметрии.
По своим возможностям и точности измерений дозиметры бывают профессиональные и бытовые. При помощи них можно своевременно и эффективно определить имеющийся источник ионизированного излучения как на открытой местности, так и внутри помещений.
Эти приборы, использующие в своей работе принцип действия счетчика Гейгера, могут своевременно подать сигнал опасности как при помощи визуальных, так и звуковых или вибросигналов. Так, можно всегда проконтролировать продукты питания, одежду, обследовать мебель, технику, стройматериалы и т. д. на предмет отсутствия вредных для организма человека излучений.
Счетчик Гейгера (Гейгера-Мюллера) -- газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. Изобретён счетчик был в 1908 году Гансом Гейгером и усовершенствован Мюллером. Является самым распространенным детектором (датчиком) ионизирующего излучения. До сих пор ему, изобретенному в самом начале прошлого века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены.
Дополнительная электронная схема обеспечивает счётчик питанием (как правило, не менее 300 В), обеспечивает, при необходимости, гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.
Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).
Чувствительность счётчика определяется составом газа, его объёмом, а также материалом и толщиной его стенок.
Наиболее часто в приборах применяются счетчики с рабочим напряжением порядка 400 В, такие как:
1. «СБМ-20» (по размерам Ї чуть толще карандаша).
2. «СБМ-21» (оба со стальными корпусами, пригодные для измерения бета- и гамма-излучения).
3. «СИ-8Б» (со слюдяным окном в корпусе, пригоден для измерения бета-излучения).
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 400 В. 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. Гамма-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 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 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 Гама-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия гамма-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 гамма-излучения. Наибольшей эффективностью обладают счётчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z, так как при этом увеличивается образование вторичных электронов.
Примечание. Атомный номер, Z Ї это порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Атомный номер равен числу протонов в атомном ядре, которое, в свою очередь, равно числу электронов в электронной оболочке соответствующего нейтрального атома. Заряд ядра равен Ze, где е -- положительный элементарный электрический заряд, равный по абсолютному значению заряду электрона.
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. СГ имеет свои минусы Ї по реакции такого прибора нельзя судить о первопричине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые СГ под действием альфа-частиц, электронов, гамма-квантов ничем не различаются.
Приведем некоторые паспортные данные, на примере счетчика СБМ 20.
· Номинальное рабочее напряжение Ї 400 В.
· Протяжность плато счетной характеристики Ї не менее 100 В.
· Изменение чувствительности счетчика в течение всего ресурса не превышает.
· Собственный фон Ї не более 1 имп/сек.
· Амплитуда импульса Ї не менее 50 В.
· Диапазон регистрируемых мощностей Ї (0,001…10) мкр/сек.
· Чувствительность к излучению Ї 460 имп/сек.
Рис. 1.1 Ї Зависимость скорости счета от напряжения питания
Рис. 1.2 Ї Зависимость скорости счета от уровня радиации
Счетчик Гейгера представляет собой
вакуумированный баллон с двумя электродами, в
который введена газовая смесь, состоящая из
легкоионизируемых неона и аргона с небольшой
добавкой галогена - хлора или брома.
К
электродам прикладывают высокое напряжение,
которое само по себе не вызывает каких-либо
разрядных явлений (см. рис.).
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 - происходит под действием содержащегося в ней галогена, который способствует интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика и фактически определяющий его быстродействие - так называемое «мертвое» время, - является важной паспортной характеристикой счетчика.
Галоген - расходуемая часть газовой среды счетчика. Но эта часть столь велика, что в режиме фонового счета ее хватило бы на столетия (наработка по галогену, например, счетчика СБМ20 составляет не менее 2 10 10 импульсов).
Счетчики такого типа 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 - α, β, γ,
ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но
реальная спектральная чувствительность счетчика
зависит от его конструкции.
Чаще встречаются
счетчики с цилиндрическим баллоном, выполненным из
нержавеющей стали толщиной 0,05....0,06 мм. Баллон
в таком счетчике является и его катодом.
Спектральная чувствительность такого тонкостенного
счетчика ограничена γ- и жестким
β-излучением.
Счетчики со стеклянным баллоном чувствительны лишь к γ-излучению (стекло толщиной в 1 мм для β-излучения является почти непреодолимой преградой). Катодом в таких счетчиках служит тонкий проводящий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность стекла. Практически полностью теряет чувствительность к β-излучению и счетчик с толстостенным (более 0,2 мм) металлическим баллоном.
В счетчиках Гейгера, предназначенных для
регистрации мягкого β-излучения, делают
специальные окна из очень тонкой слюды.
Окно
рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия,
а ультрафиолетового - из кварцевого стекла.
В счетчик нейтронов вводят бор, при
взаимодействии с которым поток нейтронов
преобразуется в легкорегистрируемые α-частицы.
Фотонное излучение - ультрафиолетовое,
рентгеновское, γ-излучение - счетчики Гейгера
воспринимают опосредованно: через фотоэффект,
комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом
случае происходит преобразование
взаимодействующего с веществом катода излучения в
поток электронов.
Каждая фиксируемая счетчиком Гейгера частица возбуждает в нем короткий (доли миллисекунды) импульс тока. Число импульсов, возникающих в единицу времени - скорость счета счетчика Гейгера, - зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Типичный график зависимости скорости счета от напряжения питания U пит показан на рис. a.
Здесь:
Uнс - напряжение начала
счета;
Umin и Umax - нижняя и верхняя границы
рабочего участка, так называемого плато, на
котором скорость счета почти не зависит от
напряжения питания счетчика.
Рабочее напряжение
Up обычно выбирают в середине этого
участка.
Ему соответствует N(Up) - скорость
счета в этом режиме.
На рис. б приведена зависимость N(Uпит) для счетчика СБМ20, находящегося в поле ионизирующей радиации, примерно в 1000 раз превышающей уровень естественного радиационного фона.
Зависимость скорости счета от уровня
радиационного облучения счетчика - важнейшая его
характеристика.
График этой зависимости имеет
почти линейный характер, и поэтому нередко
радиационную чувствительность счетчика выражают
через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта
размерность следует из отношения скорости счета -
имп/с - к уровню радиации - мкР/с). На рис. 4
приведен график этой зависимости для счетчика
СБМ20.
В тех случаях, когда она не указана
(нередких, к сожалению), судить о радиационной
чувствительности счетчика приходится по другому
его, тоже очень важному параметру - собственному
фону.
Так называют скорость счета, причиной
которой являются две составляющие: внешняя -
естественный радиационный фон, и внутренняя -
излучение радионуклидов, оказавшихся в самой
конструкции счетчика, а также спонтанная
электронная эмиссия его катода.
Еще одной важной характеристикой счетчика
Гейгера является зависимость его радиационной
чувствительности от энергии (жесткости)
ионизирующих частиц.
На профессиональном
жаргоне график этой зависимости называют «ходом с
жесткостью». В какой мере эта зависимость важна,
показывает график на рис. 5
«Ход с жесткостью»
будет влиять, очевидно, на точность проводимых
измерений.
Не обсуждая вопрос о том, нужна ли высокая точность измерений бытовому радиометру, заметим, что подобные приборы промышленного изготовления отличаются от любительских лишь коррекцией счетчика Гейгера по жесткости. Для этого на него надевают «рубашку» - пассивный фильтр. Этот фильтр должен, во-первых, «отрезать» посторонние излучения (прежде всего, (β-излучение), и, во-вторых, своей приблизительно обратной по отношению к счетчику жесткостной характеристикой скомпенсировать «ход с жесткостью» самого счетчика. Некоторые из промышленных дозиметров учитывают также и спонтанную активность счетчика Гейгера.
То, что счетчик Гейгера является лавинным
прибором, имеет и свои минусы - по реакции такого
прибора нельзя судить о первопричине его
возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые
счетчиком Гейгера под действием α-частиц,
электронов, γ-квантов (в счетчике на все эти виды
излучения реагирующем), ничем не
различаются.
Сами частицы, их энергии
совершенно исчезают в порождаемых ими
лавинах-близнецах.
В принципе регулировать радиационную чувствительность счетчика Гейгера можно изменением напряжения питания в пределах от напряжения начала счета до выхода на плато: Uпит € . Но этот режим весьма неустойчив, и в сколько-нибудь серьезных случаях полагаться на него нельзя.
Стабильная регулировка чувствительности возможна лишь в трехэлектродном счетчике Гейгера, в котором от напряжения на управляющем электроде зависят конфигурация и объем пространства, в котором возможны лавинные вспышки. На рис. 6, а показана схема включения такого счетчика, а на рис. 6, б - зависимость его радиационной чувствительности от напряжения на управляющем электроде.
Рис. 8.
Включение трехэлектродного счетчика Гейгера (а);
зависимость его радиационной чувствительности от
напряжения на управляющем электроде
(б)
Однако трехэлектродные счетчики Гейгера широкого распространения не получили. Причина в генераторе Uynp. Электроника, учитывающая реальную радиационную чувствительность двухэлектродного счетчика Гейгера, оказалась проще, нежели этот высоковольтный источник.
В бытовых дозиметрических приборах
быстродействие счетчика Гейгера не является
сколько-нибудь лимитирующим фактором (человек
должен обнаружить источник радиации до того, как
это быстродействие ему потребуется). Поэтому нет
необходимости включать многоанодный счетчик
Гейгера так, как это обычно рекомендуют
справочники (рис.).
Постоянная времени при
прямом объединении даже всех десяти анодов
счетчика СБТ10, самого многосекционного из
отечественных, остается еще достаточно малой (R
n Са = 15 10 6 10 5
10 -12 = 0,75 мс), чтобы практически
никак не влиять на результат измерений даже в
полях, тысячекратно превышающих уровень
естественного радиационного фона.
Есть ли счетчики Гейгера, способные реагировать на α-излучение - одного из самых опасных для человека?
Оценим способность счетчиков, имеющих слюдяные окна (другие можно и не рассматривать), реагировать на α-излучение того же плутония-239 (Еа = 5,16 МэВ). Пробег в воздухе его α-частиц около 3,5 см. Слюда плотностью 2,8 г/см 3 (она плотнее воздуха примерно в 2200 раз) и толщиной 10 мкм (10 -3 см) эквивалентна воздушной «подушке» толщиной 2200 10 -3 = 2,2 см. То есть, счетчик со слюдяным окном 10-микронной толщины сможет обнаружить излучение плутония-239, если сблизится с ним практически вплотную. Во всяком случае, «зазор» между излучателем и счетчиком должен быть меньше 3,5 - 2,2 = 1,3 см.
Из счетчиков отечественного производства слюду примерно такой толщины имеют СБТ7 и СБТ11. Еще тоньше слюда в счетчике СБТ9 (4...5 мкм), но из-за маленького окна (0,2 см 2) его α-чувствительность очень невелика. Но - и это важно! - не равна нулю, как у многих других.
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.
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
