Счетчик гейгера что измеряет

Исследуемое явление: в работе изучается процесс прохождения электрического тока через газ, т.е. газовый разряд.

Газ в нормальном состоянии является изолятором, в нем нет носителей тока. Газ становится проводником электрического тока, когда некоторая честь его молекул ионизируется.

Ионизация — расщепление нейтральных атомов и молекул на положительные ионы и свободные электроны. В газе это возможно в результате внешних воздействий: нагревание газа до высокой температуры, воздействие ультрафиолетом, рентгеновскими лучами, излучением радиоактивных веществ.

Существует два вида газовых разрядов:

Несамостоятельный газовый разряд — электрический разряд в газе, несохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора.

Самостоятельным газовым разрядом называется электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия ионизатора. Самоподдержка разряда возникает в результате процессов, обусловленных приложенным к газу электрическим полем.

На рис. I показана схема установки для изучения вольтамперной характеристики. Стенки прибора счетчика служат катодом. Положительный электрод (анод) вводится в газ через изолирующую пробку. К электродам подводится постоянное напряжение от источника ЭДС.

Рис. 1. Схема устройства газового счетчика.

Величине тока, проходящего через газ, измеряется по падению напряжения на измерительном сопротивлении.

Рис. 2. Характеристика газового счетчика при работе в различных режимах.

Предположим, на газ действует постоянное по интенсивности излучение (ионизатор). В результате действия ионизаторе газ приобретает некоторую электропроводность и в цепи потечет ток, зависимость которого от приложенного напряжения дана на рис. 2.

При небольших напряжениях ток, проходящий через прибор мал, регистрировать удается только суммарный ток, вызванный прохождением большого числа частиц.

Приборы, работающие в таком режиме, называются ионизационными камерами. Это соответствует на рис. 2 участкам 1 и 2. На участке 1 (рис. 2) ток возрастает пропорционально напряжению, т.е. выполняется закон Ома. На таком участке одновременно с процессом ионизации идет обратный процесс — рекомбинации,

Рекомбинация – соединение между собой положительных ионов и электронов с образованием нейтральных частиц.

При дальнейшем увеличении напряжения рост силы тока замедляется и совсем прекращается (участок 2). Наступает ток насыщения.

Ток насыщения — это максимальное значение тока, когда все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за тоже время достигают электродов. Величина тока насыщения определяется мощностью ионизатора. Ток насыщения является мерой ионизирующего действия ионизатора: если прекратить действие ионизатора, то прекратится и разряд (несамостоятельный разряд). При дальнейшем увеличении напряжения сила тока сначала медленно, а затем резко возрастает (участок 3). При больших напряжениях, возникающих под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваясь с нейтральными молекулами газе, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и положительные ионы (рис. 3, процесс I).

☢ Дозиметр из твоего смартфона

Вторичные электроны, ускорившись в электрическом поле, могут вновь ионизировать молекулы газа. Общее число электронов и ионов будет возрастать лавинообразно по мере продвижения электронов к аноду.

Описанный процесс называется ударной ионизацией.

Число электронов, проходящих к нити счетчика, отнесенное к числу первичных электронов, носит название коэффициента газового усиления А. Коэффициент газового усиления быстро возрастает с ростом напряжения и при больших А начинает зависеть от числа первичных электронов. При этом счетчик переходит из пропорционального режима в режим ограниченной пропорциональности (рис.2 участок 4). При еще больших напряжениях возникновение хотя бы одной пары ионов приводит к началу самостоятельного разряда. Счетчик начинает работать в гейгеровском режиме (рис. 2 участок 5). Ударной ионизации не достаточно, чтобы поддерживать самостоятельной разряд. Для поддержания самостоятельного разряда необходимо, чтобы электронные лавины «воспроизводились». Процессы, под воздействием которых могут возникнуть новые электроны:

  1. Ускоренные полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны (рис. 3, процесс 2).
  2. положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, приводят их в возбужденное состояние, переход таких ионов в нормальное состояние сопровождается испусканием фотона (рис. 3, процесс 3).
  1. Фотон, поглощенный нейтральной молекулой, уже находящейся в возбужденном состоянии может ионизировать ее. Произойдет процесс фотонной ионизации молекул (рис. 3, процесс 4).
  2. Выбивание электронов из катода под действием фотонов (рис. 3, процесс 5),
  3. При больших напряжениях положительные ионы способны вызывать ионизацию молекул газа (рис. 3, процесс 6) и к отрицательному электроду устремляются ионные лавины.

Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя. В зависимости от давления газа, конфигурации электродов, параметров внешней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного разряда:

  1. Тлеющем
  2. Искровом
  3. Дуговом
  4. Коронном.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях (порядка 10 мм рт.ст.). Положительные ионы, ударяясь о катод, вызывают электронную эмиссию. Почти все падение напряжения происходит вблизи катода. Искровый разряд происходит при больших напряженностях электрического поля (3х10 5 B/м) в газе, находящегося под давлением порядка атмосферного. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого. Объяснение искрового разряда дается на основе стримером теории, согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизованного газа — стримеров. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда. При этом выделяется большое количество энергии, газ . искровом промежутке нагревается до 10 К, что приводит к свечению. Быстрый нагрев газа ведет к увеличению давления к возникновению ударной волны, при этом слышны характерные потрескивания в слабых разрядах или мощные раскаты грома в случае молнии. Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным – возникает дуговой разряд. Ток резко возрастает до сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Луговой разряд можно получить другим методом. Сначала электроды сближают до соприкосновения, раскаляют электрическим током и разводят — получают электрическую дугу. Коронный разряд — высоковольтный электрический разряд при высоком давлении в резко неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (Острие). При напряжении вблизи острия порядка 30 кВ/м вокруг него образуется свечение, имеющее вид короны. Счетчик Гейгера имеет цилиндрическую форму. Наружный цилиндр счетчика, диаметром 10-20 мм, является проводящим и служит катодом, а анодом служит натянутая вдоль оси и изолированная от цилиндра тонкая стальная нить диаметром 0,02-0,1 мм. Объем между анодом и катодом заполняется аргоном при пониженном давлении (100 мм рт.ст.) с добавкой небольшого количества (0,5%) паров этилового спирта или галогенов (рис.1). Счетчик работает по принципу внутреннего газового усиления. Когда на счетчике подается высокое напряжение, поле вблизи тонкой нити крайне неоднородно, и, благодаря большему градиенту потенциала, заряженная частица, попавшая в счетчик, ускоряется полем до энергии более 30 эВ. При такой энергии частицы начинает действовать механизм ударной ионизации, за счет которого электроны умножаются в числе до лавины 10 3 . В результате на анодном нагрузочном сопротивлении образуется отрицательный импульс напряжением 10-20 В. Электронную лавину можно получить от одного единственного электрона, попавшего между катодом и анодом. Эффективность счетчика — отношение числа регистрируемых частиц квантов, к полному числу проходящих через него частиц. Счетчик Гейгера не обладает 100% эффективностью. Объективность счетчика к электронам может достигать высоких значений (99,1%). Регистрация гамма-лучей осуществляется через посредство быстрых электронов, образующихся при поглощении или рассеянии гамма-квантов б стенках счетчика. Эффективность счетчиков для гамма-квантов обычно составляет 1 … 10%. Описываемый счетчик может зарегистрировать всего одну частицу, а для регистрации следующей частицы надо предварительно погасить самостоятельный заряд. Чувствительность счетчика восстанавливается, если положительные ионы полностью нейтрализуются. Важной характеристикой счетчика Гейгера является мертвоевремя счетчикаτ = (10 -3 … 10 -5 с.). Мертвое время счетчика — время бездействия счетчика. Гашение разряда в счетчике можно осуществить двумя способами: I. Путем введения в газ сложного органического соединения. Многие сложные молекулы непрозрачны для ультрафиолета и не дают соответствующим квантам достичь катода. Энергия, освобождаемая ионами у катода, в присутствии таких веществ расходуется не на выравнивание электронов, а на диссоциацию молекул. Возникновение самостоятельного разряда в этих условиях становится невозможным. 2. Второй способ гашения — с помощью сопротивления. Объясняется тем, что при протекании по сопротивлению разрядного тока, на нем возникает большое падение напряжения. В результате межэлектродный промежуток приходится только честь приложенного напряжения, которая оказывается недостаточной для поддержания разряда. Мертвое время зависит от многих факторов: величина напряжения на счетчике, состав газа — наполнителя, способе гашения, рока службы, температуры и др. Поэтому оно трудно поддается расчету. Проще всего мертвое время определяется опытным путем, методом двух источников в следующем порядке: Ядерные превращения и взаимодействие излучения с веществом имеют статистический характер, следовательно, существует определенная вероятность попадания в счетчик двух и более частиц в течение мертвого времени τ, которые будут зарегистрированы как одна частица. Предположим, что эффективность счетчика равна 100%. Пусть n0 — средняя скорость попадания в счетчик частиц, n — средняя скорость счета (число частиц, регистрируемых в единицу времени). За время t будет зарегистрировано nt частиц. Суммарное мертвое время за время t составит nτt, а число несосчитанных частиц будет равно n0nτt . Будем считать, что число попавших в счетчик частиц будет равно сумме зарегистрированных и несосчитанных частиц n0t = nt +n0nτt, откуда n0= n/(1 -nτ). (1) При малых скоростях счета (nt) поправка на просчеты незначительна, и можно считать, что n0=n. Одним из простейших методов экспериментального определения мертвого времени счетчика является метод двух источников. Пусть n1 и n2 .- средние (наблюдаемые) скорости счета от каждого источника в отдельности, а n12 — суммарная скорость счета. Соответствующие им действительные значения и согласно (I) равны ; ; Их этих соотношений определяется мертвое время счетчика: . (2) Например, если n1 = 100, n2 = 100, n12 = 196, то, соглас­но (2), будем иметь: τ = 2·10 -4 c. Если с помощью такого счетчика с разрешающим временем производятся регистрация со скоростью п = 500 имп./с, то просчет составит 10%. Для нормальной работы необходимо правильно выбрать ра­бочее напряжение счетчика. Практически напряжение на счетчи­ке выбирается таким, чтобы оно приходилось на середину плато счетной характеристики. У хороших счетчиков Гейгера-Мюллера имеется более или менее широкий! интервал (плато) напряжения около 100 В, на котором счет частиц почти не изменяется при изменении напряжения на счетчике. Графически хорошее плато имеет вид участка графика, параллельного горизонтальной оси (оси напряжения U). Чтобы снять счетную характеристику (зависимость скорости счета от напряжения), счетчик облучает­ся слабым бета и гамма-источником (например, урановым стеклом). Цель работы: экспериментальное изучение счетной характеристики счетчика, определение мертвого времени. Оборудование: прибор «Арион», свинцовый домик, источник — излучения (соль KCI в кювете), пластинка для ограничения потока β — частиц. Внимание:Открывание и закрывание свинцового домика осуществляется только при отключенном питании счетчика. Все эксперименты проводить при рабочем напряженииUраб, определенном в задании 1.Задание и отчетность. Задание 1. Снятие счетной характеристики.

  1. Ознакомиться с кнопками и тумблерами прибора «Арион».

Тумблеры «сеть» и «выкл.» предназначены для включения прибора. Регулятор «Высок» предназначен для регулирования высокого напряжения, подаваемого на газоразрядный счетчик. Тумблер «АВТ» — для одновременного включения счетчика импульсов и секундомера (пользуются кнопками счетчика импульсов). Кнопки «Пуск» и «Стоп» управляют прибором при счете сигналов, поступающих от газоразрядного счетчика. Кнопки «Сброс» предназначены для сбора показании перед очередным измерением.

  1. Ручки регулирования напряжения вывести в крайнее левое поло­жение. Включить прибор в сеть и дать прогреться в течение 10 -15 мин.
  2. Определить пороговое напряжение по началу счета при плавном увеличении напряжения питания. Дальнейшее измерение проводится с шагом 50 В. Время измерения каждой точки 100 с.

При увеличении счета на 20% по отношению к уровню плато измерения прекращают во избежание выхода счетчике из строя и напряжение уменьшают.

  1. Определить фон Nф, для чего убрать источник из домика.
  2. Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ п/пU, Вt, cCчет NСкорость счета N/t
1300100
2350
3400
700

6. Обработка результатов измерения. Результаты представить графически в виде n = f(U). Определить пороговое напряжение, протяженность плато, его наклон в процентах на 100 В, выбрать рабочую точку счетчика. Для определения наклона плато в процентах на 100 В бере­те отношение ∆n/n на 100 В, где n — исходная скорость счета; n + ∆n — скорость счета при увеличении напряжения на 100 В. Задание 2. Определение мертвого времени счетчика.

        1. Подать на счетчик рабочее напряжение.
        2. Определить фон счетчика Nф, не вынимая кювету с KCl из домика, закрыв ее алюминиевой пластинкой толщиной 2 мм. Рассчитать nф скорость счета от фона за 1 секунду .
        3. Измерить счет от импульсов β — излучения левым счетчиком n1 и правым счетчиком n2 и двумя счетчиками n12. Для этого используют пластинку ограничивающую поток β — излучения.
        4. Результаты измерений записать в таблицу 2. Измерения проводятся 3 раза.

        Таблица 2

        Время, сСчетСкорость счета n + N/tСкорость счета за вычетом фона
        1-ый источник:100
        2-ый источник:
        Два источника

              1. Вычислить мертвое время по формуле .
              2. Сделать вывод по результатам измерений.

              Контрольные вопросы

              1. Что такое газовый разряд?
              2. Что такое ионизация?
              3. Какой газовый разряд называется самостоятельным?
              4. Схеме устройства газового счётчика.
              5. Вольм-амперная характеристика газового счетчика при работе в различных режимах.
              6. Что такое рекомбинация?
              7. Что такое ток насыщения?
              8. Процессы, под воздействием которых может поддерживаться самостоятельный разряд.
              9. Устройство счетчика Гейгера-Мюллера.
              10. Что такое напряжение пробоя?
              11. Тлеющий разряд.
              12. Искровый разряд.
              13. Дуговой разряд.
              14. Коронный разряд.
              15. Методы гашения самостоятельного разряда в счетчике.
              16. Методика определения мертвого времени счетчика.
              17. Что такое мертвое время счетчика?
              18. Что такое эффективность счетчика?

              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.

              Как появился счетчик Гейгера — Мюллера

              Эрнест Резерфорд и Ханс Гейгер

              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

              Устройство счетчика Гейгера-Мюллера СБМ-20

              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.

              Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2

              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

              Рекомендуемое рабочее напряжение счетчика.

              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:

              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.

              • Полезная информация
              • Вопросы и ответы
              • Конвертор единиц

              Что такое счетчик Гейгера и как он работает

              Радиоактивное излучение способно повреждать живые клетки. Но почувствовать его с помощью наших органов чувств никак нельзя. Поэтому для таких измерений используют специальные счетчики.

              Никита Шевцев
              GettyImages

              Первые приборы для измерения уровня радиоактивного излучения предложил немецкий физик Ханс Гейгер в 1908 году. Однако тогда ученый не смог создать работающее на этом принципе устройство. Это смог сделать ученик Гейгера Вальтер Мюллер спустя 20 лет после того, как его учитель предложил принцип работы прибора. Мюллер создал несколько вариантов конструкции счетчика, которые могли регистрировать разные виды излучения.

              РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

              Цилиндрический счетчик Гейгера состоит из металлического цилиндра и тонкой нити, огибающей его. Металлическая нить играет роль анода, а цилиндр — катода. В трубку закачивается благородный газ под низким давлением. Как правило, в счетчике Гейгера используют аргон или неон. На анод и катод подается напряжение от сотен до тысяч вольт в зависимости от параметров самого устройства.

              Принцип работы счетчика Гейгера основан на явлении ионизации. При прохождении радиоактивного излучения через слой разреженного газа между катодом и анодом, его частицы взаимодействуют с атомами и выбивают с их внешних оболочек электроны. Эти электроны разгоняются в мощном электрическом поле внутри прибора и начинают выбивать другие электроны. Так происходит до тех пор, пока между катодом и анодом не начнет течь электрический ток.

              Когда между электродами конденсатора начинает течь ток, это называется пробоем. Получаемое при этом напряжение можно зафиксировать и количественно измерить радиоактивный фон. Однако прибор обладает и собственным фоном, который нужно учитывать при измерении слабых уровней ионизирующего излучения.

              Улучшенные дозиметры для радиации

              Работа счетчика Гейгера основывается на том, что он состоит из конденсатора, позволяющего подсчитывать частицы. Этот прибор впервые был создан в начале 20 века и с тех пор прошел долгий путь модернизации. По сравнению с первыми моделями прибор стал точнее, удобнее и теперь может содержать различные дополнения и функции. Прибор достаточно распространен и может использоваться на производствах, дома или же для контроля уровня радиации на АЭС. Нередко можно встретить использование дозиметра в ходе военных действий.

              Благодаря современным технологиям счетчик уже может фильтровать типы излучения, отсеивая ненужные для результатов частицы. Поэтому прибор не только фиксирует количество частиц за определенный период времени, но и их плотность, заряженность и характер воздействия.

              Бытовой дозиметр Гейгера обычно не предусматривает наличие дополнительных функций. Этот прибор необходим для домашнего мониторинга радиационного фона. Так можно проводить проверку продуктов питания, воды, одежды, мебели и строительных материалов. Ведь иногда производители пренебрегают нормами и используют некачественные компоненты и материалы, которые или заражены или становятся впоследствии источниками опасного излучения. Дополнительные же функции необходимы при использовании прибора в промышленных проверках. Из-за того, что там намного больше различных факторов дополнительные функции позволяют проводить более глубокие комплексные проверки. Дозиметр радиации счетчик Гейгера может содержать различные дополнительные функции в зависимости от того, какие еще показатели нужны при исследовании.

              Проведение качественного мониторинга уровня радиационного фона – это важное мероприятие, которое следует доверить специалистам. Только они способны разобраться во всех тонкостях исследования и получить наиболее точные результаты. При помощи специального прибора эксперты нашей независимой лаборатории «ЭкоТестЭкспресс» проводят измерения уровня радиации.

              Это измерение просто необходимо для того, чтобы обезопасить себя от воздействия опасных излучений. Ведь в отличие от многих других вредных факторов, это излучение практически невозможно заметить до того, как оно вызовет проблемы со здоровьем. Как правило, эти проблемы являются достаточно серьезными и порой необратимыми. Радиационное заражение становится причиной различных онкологических заболеваний и мутаций в организме, которые могут развиваться годами незаметно для человека.

              Добавить в закладки

              Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете

              Вы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете

              Подпишитесь на нашу рассылку и получайте новости о новых проектах, мероприятиях и материалах ПостНауки

              Уведомление о Cookies

              Как измерить радиацию с помощью счетчика Гейгера

              Сегодня вновь всплыла в умах многих людей проблема радиации. Новости, которые мы слышим в средствах массовой информации, побуждают нас проводить дополнительные проверки в местах, где мы живем и работаем.

              Последние экстренные новости тревожат общественность, и резкое повышение радиоактивности может произойти в любой момент.

              С каждым днем приборы измеряющие радиацию — традиционные трубки Гейгера-Мюллера становятся все более редкими и ценными.

              Давайте рассмотрим основные проблемы с обнаружением радиоактивности, чтобы лучше понять, что такое ядерное излучение и как его эффективно измерить.

              Счетчик Гейгера

              Измерение радиации с помощью счетчика Гейгера

              На протяжении всей истории произошло много ядерных аварий, в результате которых живые существа подвергались воздействию ядерной радиации. Однако они ежедневно подвергаются естественному излучению как из космоса, так и из-за минералов Земли.

              В настоящее время используются различные методы обнаружения и измерения радиации, основанные на различных газовых, световых, люминесцентных и других эффектах.

              Счетчик Гейгера-Мюллера, также известный как «счетчик Гейгера», является одним из самых известных методов для измерения радиации.

              Это детектор, который может измерять очень слабые количества радиоактивности и основан на эффекте ионизации газа, способный обнаруживать альфа- и бета-частицы и, как правило, электрически заряженные частицы.

              Счетчик Гейгера-Мюллера — это устройство, способное обнаруживать и подсчитывать заряженные частицы, проходящие через него.

              Счетчик Гейгера состоит из прочной металлической трубки (катода), герметично закрытой на концах. Он содержит разреженный газ при пониженном давлении примерно 0,1 атмосферы. Обычно используется смесь паров аргона и спирта.

              Устройство и принцип работы трубки Гейгера

              Устройство и принцип работы трубки Гейгера

              Вольфрамовая проволока (анод) натянута и электрически изолирована внутри. Электрический потенциал анода положителен и немного ниже потенциала заряда по отношению к трубке.

              Когда радиоактивная частица попадает в трубку через слюдяное окно, она ионизирует внутренний газ, вызывая кратковременный электрический разряд между проводом и корпусом и создавая шум во внешнем звуковом блоке. В этом случае детектор производит подсчет.

              При отсутствии радиоактивного источника трубка регистрирует только отсчеты из-за радиоактивности окружающей среды, в которой она расположена. Этот разряд сигнализируется внешней цепью, подключенной к трубке.

              Чтобы иметь возможность правильно оценить счет, необходимо провести два измерения: одно в отсутствие радиоактивного источника и одно в присутствии радиации. Затем в том же месте нужно вычислить разницу между двумя показателями.

              Используя другие разновидности газа, можно обнаружить другие типы частиц.

              В трубке Гейгера, сильное электрическое поле вызывает вторичные ионизации от основных, создавая дальнейшие «лавинные» ионизации. Кроме того, электроны могут подвергаться процессу возбуждения, вызывая излучение видимого и ультрафиолетового света.

              Трубки Гейгера

              В зависимости от количества отсчетов, сделанных в единицу времени, можно понять, сколько заряженных частиц проходит через трубку и интенсивность излучения.

              Если количество ионизированных частиц невелико, что указывает на небольшую радиоактивность, можно произвести в уме подсчет количества распадов в минуту. Но если излучение высокое, высокая частота счета может не помочь этой ручной операции.

              Часто лучше просматривать количество поступающих импульсов на аналоговом или цифровом дисплее.

              В этих устройствах необходимо анализировать частоту повторения поступающих импульсов, которая пропорциональна интенсивности излучения, существующего в области трубки Гейгера.

              Можно использовать простой диодный измеритель для визуализации частоты импульсов аналоговым методом.

              Схема Гейгера

              Когда в цепь поступает положительный импульс, С1 заряжается до максимального напряжения на диоде. Поскольку между импульсами на входе 0 В, конденсатор C1 быстро разряжается через диод D2 на конденсаторе C2 в ожидании следующего импульса. C2 медленно разряжается на R.

              Чем быстрее последовательность импульсов, тем быстрее C2 получает эффекты разряда C1, и его разность потенциалов увеличивается.

              Показания вольтметра пропорциональны скорости импульсов. Конденсатор С2 ведет себя как резервуар, в котором постоянная утечка через R, но он постоянно подпитывается внешними радиоактивными импульсами через С1.

              Электронные компоненты не критичны и могут быть заменены другими аналогами. Можно варьировать номинал конденсаторов и сопротивление для изменения динамических характеристик схемы.

              Счетчик Гейгера только сигнализирует о прохождении излучения благодаря электрическому импульсу, но не может различить тип излучения.

              Эффекты радиации

              Реакция схемы на поступающие импульсы

              Отклик схемы в зависимости от частоты входящих импульсов

              В зависимости от того, являются ли они «альфа», «бета» или «гамма» лучами, требуются разные виды защиты, от простого листа бумаги до алюминиевых листов или свинцовых экранов толщиной в несколько метров.

              Радиация очень вредна для живых существ, естественного или искусственного происхождения, потому что клетки полностью видоизменяются, перестают функционировать, работают ненормально или даже мутируют.

              Например, радон, природный радиоактивный газ, очень опасен, а его присутствие может вызвать рак легких.

              Клетка, пораженная радиоактивным элементом, может быть немедленно уничтожена другими клетками вокруг нее, восстанавливая нормальную клеточную активность.

              Однако в менее удачных случаях больная клетка умудряется размножаться, создавая миллионы модифицированных клеток, которые плохо работают и производят опухоли по всему телу, медленно окружая тело до смерти. Если излучение очень высокой интенсивности, опухоль возникает в течение нескольких минут.

              К сожалению, ионизирующее излучение бесшумно, не имеет ни запаха, ни цвета, ни вкуса. Можно обнаружить, что человек подвергся воздействию радиоактивного поля слишком поздно.

              Счетчик Гейгера, с другой стороны, позволяет проводить профилактику, обнаруживая излучение объекта или места.

              Единицы измерения радиоактивности

              В следующем кратком списке показаны некоторые из основных единиц измерения радиоактивности. Они являются частью международной системы:

              • Зиверт (Зв): степень повреждения ;
              • Грей (Гр): мера поглощенной дозы ;
              • Беккерель (Бк): мера активности радионуклидов ;
              • Рад: мера поглощенной дозы радиации ;
              • Бэр: мера эквивалентной дозы облучения.

              Зиверт — единица измерения эквивалентной энергетической дозы воздействия и повреждения организма, вызванного радиацией.

              Поскольку 1 Зв является очень большой величиной и может вызвать у человека очень серьезное заболевание, используются единицы, кратные миллизивертам (мЗв, или одна тысячная зиверта) и микрозивертам (мкЗв, или одна миллионная зиверта).

              Чтобы понять масштабы сравнения, примите во внимание, что годовая естественная радиация в среднем равна 2,4 мЗв, рентгеновское излучение равно примерно 1 мЗв, компьютерная томография равна примерно 4 мЗв, а лучевая терапия равна 30Зв.

              Измерение радиации с помощью счетчика Гейгера

              Измерение радиации с помощью счетчика Гейгера

              В следующем списке показано количество радиации, вызванное ежедневными эпизодами нормальной жизни:

              • 1 мкЗв: употребление банана, богатого калием ;
              • 5 мкЗв: рентгенография одной рукой ;
              • 20 мкЗв: рентген грудной клетки ;
              • 3 мЗв: маммография ;
              • 4 мЗв: КТ всего тела ;
              • 50–100 мЗв: изменения биохимического состава крови ;
              • 100 мЗв: минимальная доза, связанная с повышенным риском развития рака ;
              • 400 мЗв: разовая доза, способная вызвать радиационное отравление ;
              • 500 мЗв: через несколько часов вас будет тошнить ;
              • 700 мЗв: рвота ;
              • 750 мЗв: выпадение волос за две недели ;
              • 1 Зв: кровоизлияния ;
              • 4 Зв: смерть через несколько дней ;
              • 50 Зв: доза радиации, полученная за 10 минут пребывания возле Чернобыльского реактора после взрыва.

              Приложение для Android

              В Google Play и Mac App Store есть десятки приложений, предназначенных для наблюдения за локальной и глобальной радиацией.

              Для некоторых из них требуется датчик радиации, подключенный непосредственно к смартфону. Другие подключаются напрямую к различным серверам, расположенным по всему миру, настроенным для измерения радиоактивности.

              Заслуживает внимания приложение «Radiation Scan Pro», доступное для Android. С помощью этого приложения вы можете проверить наличие радиоактивного излучения в вашем городе и просмотреть множество точек, представляющих общий интерес.

              Результаты предоставляются в режиме реального времени. Через карту Google вы можете увидеть действующие атомные электростанции и их данные.

              Приложение Radiation Scan Pro для Android

              Приложение Radiation Scan Pro для Android

              Это приложение не измеряет радиацию через датчик, подключенный к телефону, а рассчитывает ее с помощью специальных алгоритмов триангуляции, которые анализируют данные, поступающие с ближайших станций обнаружения радиоактивных излучений.

              Встроенные системы и системы разработки

              Имея доступные сегодня электронные устройства, довольно просто построить систему для измерения и анализа радиации.

              В Интернете можно найти тысячи различных решений, которые предполагают использование различных ИТ и электронных платформ. Некоторые предоставляют программное обеспечение для использования с Arduino, Raspberry Pi или Theremino. Другие состоят из электронных схем, созданных специально.

              В любом случае все решения объединяет наличие подходящего датчика первичного излучения, обычно представленного трубкой Гейгера.

              Проводить испытания с такими приборами очень просто, так как каждый день люди прикасаются к множеству радиоактивных предметов, таких как сигареты, пемза, некоторые предметы для вечеринок, походные лампы и некоторые виды гончарных изделий.

              Радиоактивность можно измерять как в полевых условиях, так и в лаборатории. Портативные приборы более чувствительны и позволяют выполнять измерения уровня радиации в окружающей среде.

              Однако когда дело доходит до количественного определения радиоактивного уровня пищи или воды, необходимо взять определенные образцы, которые затем исследуются в лаборатории с использованием более чувствительных инструментов. Широко используемым для обнаружения радиации методом высокого разрешения является Гамма-спектрометрия.

              Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

              Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

              Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

              Оцените статью
              TutShema
              Добавить комментарий