Счетчик Гейгера-Мюллера: принцип работы и назначение
В 1908 году физик из Германии Ганс Гейгер трудился в химических лабораториях, принадлежащих Эрнсту Резерфорду. Там же им было предложено испытать счетчик заряженных частиц, представлявший собой ионизированную камеру. Камера являлась электро-конденсатором, который наполняли газом под высоким давлением. Еще Пьер Кюри применял это устройство на практике, изучая электричество в газах. Идея Гейгера – обнаруживать излучения ионов — была связана с их влиянием на уровень ионизации летучих газов.
В 1928 г. немецкий ученый Вальтер Мюллер, работавший с Гейгером и под его началом, создал несколько счетчиков, регистрирующих ионизирующие частицы. Устройства были нужны для дальнейшего исследования радиации. Физика, будучи наукой экспериментов, не могла бы существовать без измерительных конструкций. Были открыты только несколько излучений: γ, β, α. Задача Гейгера состояла в том, чтобы измерить чувствительными приборами все виды излучения.
Счетчик Гейгера-Мюллера — простой и дешевый радиоактивный датчик. Это не точный инструмент, который фиксирует отдельные частицы. Техника измеряет общую насыщенность ионизирующего излучения. Физики используют его с другими датчиками, чтобы добиться точности расчетов при проведении экспериментов.
Немного об ионизирующих излучениях
Можно было бы сразу перейти к описанию детектора, но его работа покажется непонятной, если вы мало знаете об ионизирующих излучениях. При излучении происходит эндотермическое влияние на вещество. Этому способствует энергия. К примеру, ультрафиолет или радиоволна к таким излучениям не относятся, а вот жесткий ультрафиолетовый свет – вполне. Здесь определяется граница влияния. Вид именуется фотонным, а сами фотоны – это γ-кванты.
Эрнст Резерфорд поделил процессы испускания энергии на 3 вида, используя установку с магнитным полем:
- γ – фотон;
- α – ядро атома гелия;
- β – электрон с высокой энергией.
От частиц α можно защититься бумажным полотном. β проникают глубже. Способность проникновения γ самая высокая. Нейтроны, о которых ученые узнали позже, являются опасными частицами. Они воздействуют на расстоянии нескольких десятков метров. Имея электрическую нейтральность, они не вступают в реакцию с молекулами разных веществ.
Однако нейтроны легко попадают в центр атома, провоцируют его разрушение, из-за чего образуются радиоактивные изотопы. Распадаясь, изотопы создают ионизирующие излучения. От человека, животного, растения или неорганического предмета, получившего облучение, радиация исходит несколько дней.
Устройство и принцип работы счетчика Гейгера
Прибор состоит из металлической или стеклянной трубки, в которую закачан благородный газ (аргоново-неоновая смесь либо вещества в чистом виде). Воздуха в трубке нет. Газ добавляется под давлением и имеет примесь спирта и галогена. По всей трубке протянута проволока. Параллельно ей располагается железный цилиндр.
Проволока называется анодом, а трубка – катодом. Вместе они – электроды. К электродам подводится высокое напряжение, которое само по себе не вызывает разрядных явлений. В таком состоянии индикатор будет пребывать, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации. От источника питания к трубке подключается минус, а к проволоке – плюс, направленный через высокоуровневое сопротивление. Речь идет о постоянном питании в десятки сотен вольт.
Когда в трубку попадает частица, с ней сталкиваются атомы благородного газа. При соприкосновении выделяется энергия, отрывающая электроны от атомов газа. Затем образуются вторичные электроны, которые тоже сталкиваются, порождая массу новых ионов и электронов. На скорость электронов по направлению к аноду влияет электрическое поле. По ходу этого процесса образуется электрический ток.
При столкновении энергия частиц теряется, запас ионизированных атомов газа подходит к концу. Когда заряженные частицы попадают в газоразрядный счетчик Гейгера, сопротивление трубки падает, что немедленно снижает напряжение средней точки деления. Затем сопротивление вновь растет — это влечет за собой восстановление напряжения. Импульс становится отрицательным. Прибор показывает импульсы, а мы можем их сосчитать, заодно оценив количество частиц.
Виды счётчиков Гейгера
По конструкции счетчики Гейгера бывают 2 видов: плоский и классический.
Классический
Сделан из тонкого гофрированного металла. За счет гофрирования трубка приобретает жесткость и устойчивость к внешнему воздействию, что препятствует ее деформации. Торцы трубки оснащены стеклянными или пластмассовыми изоляторами, в которых находятся колпачки для вывода к приборам.
На поверхность трубки нанесен лак (кроме выводов). Классический счетчик считается универсальным измерительным детектором для всех известных видов излучений. Особенно для γ и β.
Плоский
Чувствительные измерители для фиксации мягкого бета-излучения имеют другую конструкцию. Из-за малого количества бета-частиц, их корпус имеет плоскую форму. Есть окошко из слюды, слабо задерживающее β. Датчик БЕТА-2 – название одного из таких приборов. Свойства других плоских счетчиков зависят от материала.
Параметры и режимы работы счетчика Гейгера
Чтобы рассчитать чувствительность счетчика, оцените отношение количества микрорентген от образца к числу сигналов от этого излучения. Прибор не измеряет энергию частицы, поэтому не дает абсолютно точной оценки. Калибровка устройств происходит по образцам изотопных источников.
Также нужно смотреть на следующие параметры:
Рабочая зона, площадь входного окна
Характеристика площади индикатора, через которую проходят микрочастицы, зависит от его размеров. Чем шире площадь, тем большее число частиц будет поймано.
Рабочее напряжение
Напряжение должно соответствовать средним характеристикам. Сама характеристика работы — это плоская часть зависимости количества фиксированных импульсов от напряжения. Ее второе название – плато. В этом месте работа прибора достигает пиковой активности и именуется верхним пределом измерений. Значение – 400 Вольт.
Рабочая ширина
Рабочая ширина — разница между напряжением выхода на плоскость и напряжением искрового разряда. Значение – 100 Вольт.
Наклон
Величина измеряется в виде процента от количества импульсов на 1 вольт. Он показывает погрешность измерения (статистическую) в подсчете импульсов. Значение – 0,15 %.
Температура
Температура важна, поскольку счётчик часто приходится применять в сложных условиях. Например, в реакторах. Счетчики общего использования: от -50 до +70 С по Цельсию.
Рабочий ресурс
Ресурс характеризуется общим числом всех импульсов, зафиксированных до момента, когда показания прибора становятся некорректными. Если в устройстве есть органика для самогашения, количество импульсов составит один миллиард. Ресурс уместно подсчитывать только в состоянии рабочего напряжения. При хранении прибора расход останавливается.
Время восстановления
Это промежуток времени, за который устройство проводит электричество после реагирования на ионизирующую частицу. Существует верхний предел для частоты импульсов, ограничивающий интервал измерений. Значение – 10 микросекунд.
Из-за времени восстановления (его ещё называют мертвое время) прибор может подвести в решающий момент. Для предотвращения зашкаливания производители устанавливают свинцовые экраны.
Есть ли у счетчика фон
Фон измеряется в толстостенной свинцовой камере. Обычное значение – не более 2 импульсов за минуту.
Кто и где применяет дозиметры радиации?
В промышленных масштабах выпускают много модификаций счетчиков Гейгера-Мюллера. Их производство началось во времена СССР и продолжается сейчас, но уже в Российской Федерации.
- на объектах атомной промышленности;
- в научных институтах;
- в медицине;
- в быту.
После аварии на Чернобыльской АЭС дозиметры покупают и рядовые граждане. Во всех приборах установлен счетчик Гейгера. Такие дозиметры оснащают одной или двумя трубками.
Можно ли сделать счетчик Гейгера своими руками?
Изготовить счетчик самостоятельно сложно. Нужен датчик излучения, а его купить смогут далеко не все. Сама схема счетчика давно известна — в учебниках физики, например, её тоже печатают. Однако воспроизвести устройство в домашних условиях сумеет только настоящий «левша».
Талантливые мастера-самоучки научились делать счетчику заменитель, который также способен замерять гамма- и бета-излучения с помощью люминесцентной лампы и лампы накаливания. Также используют трансформаторы от сломанной техники, трубка Гейгера, таймер, конденсатор, различные платы, резисторы.
Заключение
Диагностируя излучения, нужно учитывать собственный фон измерителя. Даже при наличии свинцовой защиты приличной толщины скорость регистрации не обнуляется. У этого явления есть объяснение: причина активности – космическое излучение, проникающее через толщи свинца. Над поверхностью Земли ежеминутно проносятся мюоны, которые регистрируются счетчиком с вероятностью 100%.
Есть и еще один источник фона – радиация, накопленная самим устройством. Поэтому по отношению к счётчику Гейгера тоже уместно говорить об износе. Чем больше радиации прибор накопил, тем ниже достоверность его данных.
Источник
Принцип действия счетчика Гейгера
Счетчик Гейгера — это специальный аппарат, который применяется для поиска и измерения уровня ионизированного излучения. Проще говоря, этот прибор предназначен для измерения радиоактивного фона. Его можно встретить не только на специальных предприятиях, но и в бытовых условиях.
Схема и принцип работы счетчика
Чтобы понять, как работает счетчик Гейгера, нужно сначала изучить его конструкцию. Он выполняется в виде герметично запаянной гильзы, изготовленной из стекла или металла. Из нее откачивают весь воздух и заменяют его инертным газом с примесью спиртовых соединений или галогена. Для этого применяются следующие виды веществ:
Внутри гильзы находятся коаксиально расположенные элементы. Они представляют собой электроды, с помощью которых и происходит измерение. Один из них играет роль анода, к нему подключается напряжение со знаком плюс, а другой — это катод, к которому подключена минусовая клемма.
Принцип работы счетчика Гейгера основывается на прохождении ионизирующих частиц через инертный газ, который находится под воздействием поля большого напряжения. Это приводит к образованию свободных электронов, направляющихся к аноду. К катоду при этом перемещаются ионы газа. За счет этого образуется электрический разряд. При его прохождении через счетчик импульсов определяется количество радиации, попавшей в трубку.
Именно поэтому счетчик Гейгера трещит во время измерений. Чем больше ионизирующих частиц, тем больше импульсов фиксируют электроды. Именно их слышно при работе этого датчика.
Виды счетчика Гейгера
Устройства представлены в двух вариантах:
- Цилиндрические. Этот вид производится с использованием металлической гофрированной трубки с тонкими стенками. Рифленая поверхность придает гильзе дополнительный показатель жесткости, чтобы она была максимально устойчива к атмосферному давлению и не деформировалась. Торцы трубки оборудуются изоляторами для создания герметичности. Они сделаны из стекла и пластмассы термореактивного вида. На них расположены выводы для подключения плат прибора. Такой счетчик Гейгера-Мюллера применяется для регистрации как бета, так и гамма лучей.
- Торцевые или плоские. Этот вид устройства регистрирует еще и на альфа излучение, которое отличается меньшей проходимостью частиц. Конструкция корпуса плоская. В нем есть окно из слюды, обеспечивающее лучшую проходимость частиц.
Счетчиками Гейгера можно просто и быстро найти источник ионизированного излучения и внутри помещений, и на открытой местности. Это довольно дешевые, но надежные и эффективные датчики, поэтому широко используются в таких приборах, как дозиметры. С их помощью можно проверить на радиацию:
- стройматериалы:
- одежду;
- технику;
- мебель;
- продукты питания.
Какие параметры нужно учитывать при выборе счетчика
Устройство счетчика Гейгера позволяет определять уровень излучения с большой точностью. Но чтобы сделать правильный выбор, пользователь должен знать технические параметры разных моделей, их режимы работы, достоинства и недостатки:
- Чувствительность. Этот параметр оценивается по соотношению количества микрорентген к числу импульсов, вызываемых излучением. Чувствительность может сильно варьироваться в зависимости от вида источника.
- Площадь рабочей зоны. Этот показатель влияет на размеры устройства. Бытовой счетчик Гейгера имеет небольшие размеры, промышленные отличаются более внушительными габаритами. Чем обширнее площадь рабочей зоны, тем больше активных частиц сможет регистрировать прибор.
- Рабочее напряжение. Этот показатель влияет на рабочие характеристики устройства. Среднее значение составляет 400 В.
- Рабочая температура. Для моделей, которые разрешено использовать в общем применении, этот показатель находится в диапазоне от −50 до +70 градусов. Этот параметр очень важен, так как датчик используется в различных условиях, например, в реакторе, где температура может достигать высоких значений.
- Рабочий ресурс. Он в среднем равен одному миллиарду улавливаемых импульсов. Этот параметр считается только в случае, когда аппарат включен и фиксирует частицы. При отсутствии воздействия напряжения или просто при хранении рабочий ресурс не уменьшается.
- Мертвое время. Этот показатель указывает на период неактивности оборудования после срабатывания от уловленной частицы. Как правило, это значение равняется 10 микросекундам. Именно этот показатель влияет на то, что датчик может зашкалить и не отреагировать вовремя. Поэтому приборы необходимо закрывать свинцовыми экранами.
Все эти факторы указывают на правильную работу датчика и возможность его выбора для решения тех или иных поставленных задач. Счетчик Гейгера, благодаря своему принципу действия, применяется для изучения и контроля радиационного фона на АЭС, в радиоэкологии, медицине, быту, гражданской обороне, лабораторных и научных исследованиях и во многих других случаях.
Раньше счетчиками Гейгера радиация измерялась в рентгенах (Р). Сейчас используют обозначение по системе СИ, поэтому экспозиционная доза выражается в кулонах на килограмм. Чтобы пересчитать ее в рентгены, можно использовать уравнение: 1 Кл/кг = 3876 Р.
В радиационных измерениях основными понятиями являются доза и мощность. Первый показатель — это количество элементарных зарядов, образовавшихся в ходе ионизации вещества. Под мощностью подразумевают скорость образования дозы за единицу времени. Для организма опасна даже минимальная доза, она способна проявить себя отдаленными последствиями. По данным ВОЗ радиационные излучения — одна из основных причин онкологических заболеваний.
Видео по теме
Источник