Счетчик Гейгера-Мюллера: история создания, принципы работы и назначение. Строение и принцип работы счётчика Гейгера - Мюллера

Счётчик Гейгера — газоразрядный прибор для счета числа прошедших через него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, пробивающийся при появлении ионизирующей частицы в объёме газа. Счетчики Гейгера — достаточно популярные детекторы (датчики) ионизирующего излучения. До сих пор им, изобретенным в самом начале нашего века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены.

Конструкция счетчика Гейгера достаточно проста. В герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая из легко ионизируемых неона и аргона. Материал баллона может быть различным — стеклянным, металлическим и др.

Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно». Повсеместное применение счетчика Гейгера-Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать различное излучение, сравнительной простотой и дешевизной установки.

Схема подключения счетчика Гейгера

К электродам подводят высокое напряжение U (см рис.), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В таком 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 заканчивается образованием в пространстве между электродами электронно-ионного облака, значительно увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.

Обратный процесс — востановление газовой среды в ее первоначальное состояние в так называемых галогеновых счетчиках — происходит само собой. В ход вступают галогены (обычно хлор или бром), в малом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс протекает достаточно медленно. Время, необходимое для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие — «мертвое» время — является главной его паспортной характеристикой.

Такие счетчики обозначаются как галогеновые самогасящиеся. Отличаясь очень низким напряжением питания, хорошими параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались востребованными в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.

Счетчики Гейгера способны обнаруживать самые разные виды ионизирующего излучения — a, b, g, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но действительная спектральная чувствительность счетчика очень зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к a- и мягкому b-излучению, должно быть достаточно тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3…10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое b- и g-излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки 0,05….0,06 мм (он служит и катодом счетчика). Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового — из кварцевого стекла.

Зависимость скорости счета от напряжения питания в счетчике Гейгера

В счетчик нейтронов вводят бор, при взаимодействии с которым поток нейтронов преобразуется в легко регистрируемые a- частицы. Фотонное излучение — ультрафиолетовое, рентгеновское, g-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 частица образует в его выходной цепи короткий импульс. Число импульсов, появляющихся в единицу времени, — скорость счета счетчика Гейгера — зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Стандартный график зависимости скорости счета от напряжения питания Uпит показан на рисунке выше. Здесь Uнс — напряжение начала счета; Uнг и Uвг — нижняя и верхняя граница рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение Uр обычно избирают в середине этого участка. Ему соответствует Nр — скорость счета в этом режиме.

Зависимость скорости счета от степени радиационного облучения счетчика — основная его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому зачастую радиационную чувствительность счетчика показывают через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета — имп/с — к уровню радиации — мкР/с).

В тех случаях, когда она не указана, определять о радиационной чувствительности счетчика приходится по другому его тоже крайне важному параметру — собственному фону. Так называют скорость счета, фактором которой являются две составляющие: внешняя — естественный радиационный фон, и внутренняя — излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода.

Зависимость скорости счета от энергии гамма-квантов («ход с жесткостью») в счетчике Гейгера

Еще одной существенной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц. В какой мере эта зависимость существенна, представляет график на рисунке. «Ход с жесткостью» будет сказываться, очевидно, на точность осуществляемых измерений.

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 a-частиц, электронов, g-квантов, ничем не отличаются. Сами частицы, их энергии полностью исчезают в порождаемых ими лавинах-близнецах.

В таблице приведены сведения о самогасящихся галогеновых счетчиках Гейгера отечественного производства, наиболее подходящих для бытовых приборов радиационного контроля.

	1	2	3	4	5	6	7
СБМ19	400	100	2	310*	50	19х195	1
СБМ20	400	100	1	78*	50	11х108	1
СБТ9	380	80	0,17	40*	40	12х74	2
СБТ10А	390	80	2,2	333*	5	(83х67х37)	2
СБТ11	390	80	0,7	50*	10	(55х29х23,5)	3
СИ8Б	390	80	2	350-500	20	82х31	2
СИ14Б	400	200	2	300	30	84х26	2
СИ22Г	390	100	1,3	540*	50	19х220	4
СИ23БГ	400	100	2	200-400*	—	19х195	1

• 1 — рабочее напряжение, В;
• 2 — плато — область малой зависимости скорости счета от напряжения питания, В;
• 3 — собственный фон счетчика, имп/с, не более;
• 4 — радиационная чувствительность счетчика, имп/мкР (* — по кобальту-60);
• 5 — амплитуда выходного импульса, В, не менее;
• 6 — габариты, мм — диаметр х длина (длина х ширина х высота);
• 7.1 — жесткое b — и g — излучение;
• 7.2 — то же и мягкое b — излучение;
• 7.3 — то же и a — излучение;
• 7.4 — g — излучение.

Хотим мы или нет, но радиация прочно вошла в нашу жизнь и уходить не собирается. Нам нужно научиться жить с этим, одновременно полезным и опасным, явлением. Радиация проявляет себя невидимыми и неощутимыми излучениями, и без специальных приборов обнаружить их невозможно.

Немного из истории радиации

В 1895 году были открыты рентгеновские лучи. Год спустя была открыта радиоактивность урана, тоже в связи с рентгеновскими лучами. Ученые поняли, что они столкнулись с совершенно новыми, невиданными до сих пор явлениями природы. Интересно, что феномен радиации замечался несколькими годами раньше, но ему не придали значение, хотя ожоги от рентгеновских лучей получал еще Никола Тесла и другие работники эдисоновской лаборатории. Вред здоровью приписывали чему угодно, но не лучам, с которыми живое никогда не сталкивалось в таких дозах. В самом начале XX века стали появляться статьи о вредном действии радиации на животных. Этому тоже не придавали значения до нашумевшей истории с «радиевыми девушками» - работницами фабрики, выпускавшей светящиеся часы. Они всего лишь смачивали кисточки кончиком языка. Ужасная участь некоторых из них даже не публиковалась, по этическим соображениям, и осталась испытанием только для крепких нервов врачей.

В 1939 году физик Лиза Мейтнер, которая вместе с Отто Ганом и Фрицем Штрассманом относится людям, впервые в мире поделившим ядро урана, неосторожно сболтнула о возможности цепной реакции, и с этого момента началась цепная реакция идей о создании бомбы, именно бомбы, а вовсе не «мирного атома», на который кровожадные политики XX века, понятно, не дали бы ни гроша. Те, кто был «в теме», уже знали, к чему это приведет и началась гонка атомных вооружений.

Как появился счетчик Гейгера - Мюллера

Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в лаборатории Эрнста Резерфорда, в 1908 году предложил принцип работы счетчика «заряженных частиц» как дальнейшее развитие уже известной ионизационной камеры, которая представляла собой электрический конденсатор, наполненный газом при небольшом давлении. Она применялась еще Пьером Кюри с 1895 года для изучения электрических свойств газов. У Гейгера возникла идея использовать ее для обнаружения ионизирующих излучений как раз потому, что эти излучения оказывали прямое воздействие на степень ионизации газа.

В 1928 году Вальтер Мюллер, под началом Гейгера, создает несколько типов счетчиков радиации, предназначенных для регистрации различных ионизирующих частиц. Создание счетчиков было очень острой необходимостью, без которой невозможно было продолжать исследование радиоактивных материалов, поскольку физика, как экспериментальная наука, немыслима без измерительных приборов. Гейгер и Мюллер целенаправленно работали над созданием счетчиков, чувствительных к каждому из открытых к тому видов излучений: α, β и γ (нейтроны открыли только в 1932 году).

Счетчик Гейгера-Мюллера оказался простым, надежным, дешевым и практичным датчиком радиации. Хотя он не является самым точным инструментом для исследования отдельных видов частиц или излучений, однако на редкость подходит в качестве прибора для общего измерения интенсивности ионизирующих излучений. А в сочетании с другими детекторами используется физиками и для точнейших измерений при экспериментах.

Ионизирующие излучения

Чтобы лучше понять работу счетчика Гейгера-Мюллера, полезно иметь представление об ионизирующих излучениях вообще. По определению, к ним относится то, что может вызвать ионизацию вещества, находящегося в нормальном состоянии. Для этого необходима определенная энергия. Например, радиоволны или даже ультрафиолетовый свет не относятся к ионизирующим излучениям. Граница начинается с «жесткого ультрафиолета», он же «мягкий рентген». Этот вид является фотонным видом излучения. Фотоны большой энергии принято называть гамма-квантами.

Впервые разделил ионизирующие излучения на три вида Эрнст Резерфорд. Это было сделано на экспериментальной установке при помощи магнитного поля в вакууме. Впоследствии выяснилось, что это:

α - ядра атомов гелия
β - электроны с высокой энергией
γ - гамма-кванты (фотоны)

Позже были открыты нейтроны. Альфа-частицы легко задерживаются даже обычной бумагой, бета-частицы имеют немного большую проникающую способность, а гамма-лучи - самую высокую. Наиболее опасны нейтроны (на расстоянии до многих десятков метров в воздухе!). Из-за их электрической нейтральности они не взаимодействуют с электронными оболочками молекул вещества. Но попав в атомное ядро, вероятность чего достаточно высока, приводят к его нестабильности и распаду, с образованием, как правило, радиоактивных изотопов. А уже те, в свою очередь, распадаясь, сами образуют весь «букет» ионизирующих излучений. Хуже всего то, что облученный предмет или живой организм сам становится источником радиации на протяжении многих часов и суток.

Устройство счетчика Гейгера-Мюллера и принцип его работы

Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, как правило, выполняется в виде герметичной трубки, стеклянной или металлической, из которой откачан воздух, а вместо него добавлен инертный газ (неон или аргон или их смесь) под небольшим давлением, с примесью галогенов или спирта. По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. И трубка и проволока являются электродами: трубка - катод, а проволока - анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду - через большое постоянное сопротивление - плюс от источника постоянного напряжения. Электрически получается делитель напряжения, в средней точке которого (место соединения сопротивления и анода счетчика) напряжение практически равно напряжению на источнике. Обычно это несколько сотен вольт.

Когда сквозь трубку пролетает ионизирующая частица, атомы инертного газа, и так находящиеся в электрическом поле большой напряженности, испытывают столкновения с этой частицей. Энергии, отданной частицей при столкновении, хватает для отрыва электронов от атомов газа. Образующиеся вторичные электроны сами способны образовать новые столкновения и, таким образом, получается целая лавина электронов и ионов. Под действием электрического поля, электроны ускоряются в направлении анода, а положительно заряженные ионы газа - к катоду трубки. Таким образом, возникает электрический ток. Но так как энергия частицы уже израсходована на столкновения, полностью или частично (частица пролетела сквозь трубку), то кончается и запас ионизированных атомов газа, что является желательным и обеспечивается кое-какими дополнительными мерами, о которых мы поговорим при разборе параметров счетчиков.

При попадании в счетчик Гейгера-Мюллера заряженной частицы, за счет возникающего тока падает сопротивление трубки, а вместе с ним и напряжение в средней точке делителя напряжения, о которой шла речь выше. Затем сопротивление трубки вследствие возрастания ее сопротивления восстанавливается, и напряжение опять становится прежним. Таким образом, мы получаем отрицательный импульс напряжения. Считая импульсы, мы можем оценить число пролетевших частиц. Особенно велика напряженность электрического поля вблизи анода из-за его малых размеров, что делает счетчик более чувствительным.

Конструкции счетчиков Гейгера-Мюллера

Современные счетчики Гейгера-Мюллера выпускаются в двух основных вариантах: «классическом» и плоском. Классический счетчик выполняют из тонкостенной металлической трубки с гофрированием. Гофрированная поверхность счетчика делает трубку жесткой, устойчивой к внешнему атмосферному давлению и не дает ей сминаться под его действием. На торцах трубки расположены герметизирующие изоляторы из стекла или термореактивной пластмассы. В них же находятся выводы-колпачки для подключения к схеме приборов. Трубка снабжена маркировкой и покрыта прочным изолирующим лаком, не считая, конечно, ее выводов. Полярность выводов также обозначена. Это универсальный счетчик для любых видов ионизирующих излучений, особенно для бета и гамма.

Счетчики, чувствительные к мягкому β-излучению, делаются иначе. Из-за малого пробега β-частиц, их приходится делать плоскими, со слюдяным окошком, которое слабо задерживает бета-излучение, одним из вариантов такого счетчика, является датчик радиации БЕТА-2 . Все остальные свойства счетчиков определяются материалами, из которых их изготавливают.

Счетчики, предназначенные для регистрации гамма-излучения, содержат катод, изготовленный из металлов с большим зарядовым числом, или покрывают такими металлами. Газ крайне плохо ионизируется гамма-фотонами. Но зато гамма-фотоны способны выбить много вторичных электронов из катода, если его выбрать подходящим образом. Счетчики Гейгера-Мюллера для бета-частиц делают с тонкими окнами для лучшей проницаемости частиц, поскольку они являются обычными электронами, всего лишь получившими большую энергию. С веществом они взаимодействуют весьма хорошо и быстро эту энергию теряют.

В случае альфа-частиц дело обстоит еще хуже. Так, несмотря на весьма приличную энергию, порядка нескольких МэВ, альфа-частицы очень сильно взаимодействуют с молекулами, находящимися на пути, и быстро теряют энергию. Если вещество сравнить с лесом, а электрон с пулей, то тогда альфа-частицы придется сравнивать с танком, ломящимся через лес. Впрочем, обычный счетчик хорошо реагирует на α-излучение, но только на расстоянии до нескольких сантиметров.

Для объективной оценки уровня ионизирующих излучений дозиметры на счетчиках общего применения часто снабжают двумя параллельно работающими счетчиками. Один более чувствителен к α и β излучениям, а второй к γ-лучам. Такая схема применения двух счетчиков реализована в дозиметре RADEX RD1008 и в дозиметре-радиометре РАДЭКС МКС-1009 , в котором установлены счетчик БЕТА-2 и БЕТА-2М . Иногда между счетчиками помещают брусок или пластину из сплава, в котором есть примесь кадмия. При попадании нейтронов в такой брусок возникает γ-излучение, которое и регистрируется. Это делается для получения возможности определять нейтронное излучение, к которому простые счетчики Гейгера практически нечувствительны. Еще один способ - покрытие корпуса (катода) примесями, способными придавать чувствительность к нейтронам.

Галогены (хлор, бром) к газу подмешивают для быстрого самогашения разряда. Той же цели служат и пары спирта, хотя спирт в таком случае недолговечен (это вообще особенность спирта) и «протрезвевший» счетчик постоянно начинает «звенеть», то есть, не может работать в предусмотренном режиме. Это происходит где-то после регистрации 1e9 импульсов (миллиарда) что не так уж и много. Счетчики с галогенами намного долговечнее.

Параметры и режимы работы счетчиков Гейгера

Чувствительность счетчиков Гейгера.

Чувствительность счетчика оценивается отношением числа микрорентген от образцового источника к числу вызываемых этим излучением импульсов. Поскольку счетчики Гейгера не предназначены для измерения энергии частиц, точная оценка затруднительна. Счетчики калибруют по образцовым изотопным источникам. Необходимо отметить, что данный параметр у разных типов счетчиков может сильно отличаться, ниже приведены параметры самых распространённых счетчиков Гейгера-Мюллера:

Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 - 160 ÷ 240 имп / мкР

Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 - 96 ÷ 144 имп / мкР

Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-20 - 60 ÷ 75 имп / мкР

Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-21 - 6,5 ÷ 9,5 имп / мкР

Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-10 - 9,6 ÷ 10,8 имп / мкР

Площадь входного окна или рабочая зона

Площадь датчика радиации, через которую пролетают радиоактивные частицы. Данная характеристика напрямо связана с габаритами датчика. Чем больше площадь, тем больше частиц уловит счетчик Гейгера-Мюллера. Обычно данный параметр указывается в квадратных сантиметрах.

Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 - 13,8 см 2

Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 - 7 см 2

Это напряжение соответствует приблизительно середине рабочей характеристики. Рабочая характеристика составляет плоскую часть зависимости числа регистрируемых импульсов от напряжения, поэтому ее еще называют «плато». В этой точке достигается наибольшая скорость работы (верхний предел измерений). Типичное значение 400 В.

Ширина рабочей характеристики счетчика.

Это разность между напряжением искрового пробоя и напряжением выхода на плоскую часть характеристики. Типичное значение 100 В.

Наклон рабочей характеристики счетчика.

Наклон измеряется в процентах от числа импульсов на вольт. Он характеризует статистическую погрешность измерений (подсчета числа импульсов). Типичное значение 0.15%.

Допустимая температура эксплуатации счетчика.

Для счетчиков общего применения -50 … +70 градусов Цельсия. Это весьма важный параметр, если счетчик работает в камерах, каналах, и других местах сложного оборудования: ускорителей, реакторов и т.п.

Рабочий ресурс счетчика.

Общее число импульсов, которое счетчик регистрирует до того момента, когда его показания начнут становиться неверными. Для приборов с органическими добавками самогашения, как правило, составляет число 1e9 (десять в девятой степени, или один миллиард). Ресурс считается только в том случае, если к счетчику приложено рабочее напряжение. Если счетчик просто хранится, этот ресурс не расходуется.

Мертвое время счетчика.

Это время (время восстановления), в течение которого счетчик проводит ток после срабатывания от пролетевшей частицы. Существование такого времени означает, что для частоты импульсов есть верхний предел, и это ограничивает диапазон измерений. Типичное значение 1e-4 с, то есть десять микросекунд.

Нужно отметить, что благодаря мертвому времени, датчик может оказаться «зашкаленным» и молчать в самый опасный момент (например, самопроизвольной цепной реакции на производстве). Такие случаи бывали, и для борьбы с ними применяют свинцовые экраны, закрывающие часть датчиков аварийных систем сигнализации.

Собственный фон счетчика.

Измеряется в свинцовых камерах с толстыми стенками для оценки качества счетчиков. Типичное значение 1 … 2 импульса в минуту.

Практическое применение счетчиков Гейгера

Советская и теперь российская промышленность выпускает много типов счетчиков Гейгера-Мюллера. Вот несколько распространенных марок: СТС-6, СБМ-20, СИ-1Г, СИ21Г, СИ22Г, СИ34Г, счетчики серии «Гамма», торцевые счетчики серии «Бета » и есть еще множество других. Все они применяются для контроля и измерений радиации: на объектах ядерной промышленности, в научных и учебных учреждениях, в гражданской обороне, медицине, и даже быту. После чернобыльской аварии, бытовые дозиметры , ранее неизвестные населению даже по названию, стали очень популярными. Появилось много марок бытовых дозиметров. Все они используют именно счетчик Гейгера-Мюллера в качестве датчика радиации. В бытовых дозиметрах устанавливают от одного до двух трубок или торцевых счетчиков.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ВЕЛИЧИН

Долгое время была распространена единица измерения Р (рентген). Однако, при переходе к системе СИ появляются другие единицы. Рентген - это единица экспозиционной дозы, «количество радиации», которое выражается числом образовавшихся ионов в сухом воздухе. При дозе в 1 Р в 1 см3 воздуха образуется 2.082e9 пар ионов (что соответствует 1 единице заряда СГСЭ). В системе СИ экспозиционную дозу выражают в кулонах на килограмм, а с рентгеном это связано уравнением:

1 Кл/кг = 3876 Р

Поглощенная доза излучения измеряется в джоулях на килограмм и называется Грей. Это взамен устаревшей единицы рад. Мощность поглощенной дозы измеряется в греях в секунду. Мощность экспозиционной дозы (МЭД) раньше измерявшаяся в рентгенах в секунду, теперь измеряется в амперах на килограмм. Эквивалентная доза излучения, при которой поглощенная доза составляет 1 Гр (грей) и коэффициент качества излучения 1, называется Зиверт. Бэр (биологический эквивалент рентгена) - это сотая часть зиверта, в настоящее время уже считается устаревшей. Тем не менее, и сегодня очень активно применяются все устаревшие единицы.

Главными понятиями в радиационных измерениях считаются доза и мощность. Доза - это число элементарных зарядов в процессе ионизации вещества, а мощность - это скорость образования дозы за единицу времени. А уж в каких единицах это выражается, это дело вкуса и удобства.

Даже минимальная доза опасна в смысле отдаленных последствий для организма. Расчет опасности достаточно прост. Например, ваш дозиметр показывает 300 миллирентген в час. Если вы останетесь в этом месте на сутки, вы получите дозу 24*0.3 = 7.2 рентген. Это опасно и нужно как можно скорее уходить отсюда. Вообще, обнаружив даже слабую радиацию надо уходить от нее и проверять ее даже на расстоянии. Если она «идет за вами», вас можно «поздравить», вы попали под нейтроны. А не каждый дозиметр может на них отреагировать.

Для источников радиации используют величину, характеризующую число распадов за единицу времени, ее называют активностью и измеряют также множеством различных единиц: кюри, беккерель, резерфорд и некоторыми другими. Величина активности, замеренная дважды с достаточным разносом по времени, если она убывает, позволяет рассчитать время, по закону радиоактивного распада, когда источник станет достаточно безопасным.

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

Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера (Г-М). Рис.1 – это стеклянный цилиндр (баллон) заполненный инертным газом (с

примесями галогенов) под давлением несколько ниже атмосферного. Тонкий металлический цилиндр внутри баллона служит катодом К; анодом А служит тонкий проводник, проходящий по центру цилиндра. Между анодом и катодом прикладывается напряжение U В =200-1000 В. Анод и катод подключаются к электронной схеме радиометрического прибора.

Рис.1 Цилиндрический счетчик Гейгера-Мюллера.

1 – нить анода 2 – трубчатый катод

U в – источник высоковольтного напряжения

R н – нагрузочное сопротивление

С V – разделительно-накопительная емкость

Р – пересчетное устройство с индикацией

ξ – источник радиации.

С помощью счетчика Г-М можно регистрировать все частицы излучения (кроме легко поглощаемых α-частиц); чтобы β- частицы не поглощались корпусом счетчика в нем имеются прорези, закрытые тонкой пленкой.

Поясним особенности работы счетчика Г-М.

β-частицы непосредственно взаимодействуют с молекулами газа счетчика, в то время как нейтроны и γ-фотоны (незаряженные частицы) с молекулами газа взаимодействуют слабо. В этом случае механизм возникновения ионов иной.

проведем дозиметрический замер окружающей среды около точек К и А, полученные данные занесем в табл. 1.

Для проведения замера необходимо:

1. Подключить дозиметр к источнику питания (9в).

2. На тыльной стороне дозиметра закрыть задвижкой (экраном) окно детектора.

3. Установить переключатель MODE (режим) в положение γ («Р»).

4. Установить переключатель RANGE (диапазон) в положение x 1 (Р н =0,1-50 мкЗв/час).

5. Установить переключатель питания дозиметра в положение ON (Вкл.).

6. Если в положении х1 раздастся звуковой сигнал и числовые ряды дисплея полностью заполнятся, то необходимо перейти на диапазон х10 (Р н =50-500 мкЗв/час).

7. После завершения суммирования импульсов на дисплее дозиметра высветится доза, эквивалентная мощности P Hγ мкЗв/час; через 4-5 сек. произойдет сброс показаний.

8. Дозиметр вновь готов к замерам радиации. Автоматически начинается новый цикл замеров.

Таблица 1.

Результирующее значение в рабочем пространстве (АВ) определяется формулой

=
, мкЗв/час (6)

- показания дозиметра дают значения радиационного фона в точке;

Величина радиации в каждой точке замера подчиняется законам флуктуации. Поэтому, чтобы получить наиболее вероятное значение измеряемой величины, необходимо производить серию замеров;

- при дозиметрии β – излучений замеры необходимо проводить вблизи поверхности исследуемых тел.

4. Проведение измерений. П.1. Определение мощности эквивалентной дозы естественного радиационного фона.

Для определения γ-фона окружающей среды выделим (относительно каких-либо объектов (тел)) две точки А, К, расположенные друг от друга на расстоянии ~1 метр, и, не касаясь тел,

Нейтроны, взаимодействуя с атомами катода, порождают заряженные микрочастицы (осколки ядер). Гамма излучение

взаимодействует главным образом с веществом (атомами) катода, порождая фотонное излучение, которое далее ионизирует молекулы газа.

Как только в объеме счетчика появляются ионы, то под действием анодно-катодного электрического поля начнется движение зарядов.

Вблизи анода линии напряженности электрического поля резко сгущаются (следствие малого диаметра нити анода), напряженность поля резко возрастает. Электроны, подходя к нити, получают большое ускорение, возникает ударная ионизация нейтральных молекул газа , вдоль нити распространяется самостоятельный коронный разряд.

За счет энергии этого разряда, энергия первоначального импульса частиц резко усиливается (до 10 8 раз). При распространении коронного разряда часть зарядов будет медленно стекать через большое сопротивление R н ~10 6 Ом (рис.1). В цепи детектора на сопротивлении R н будут возникать импульсы тока, пропорциональный исходному потоку частиц. Возникший импульс тока передается на накопительную емкость С V (С~10 3 пикофарад), далее усиливается и регистрируется пересчетной схемой Р.

Наличие большого сопротивления R н в цепи детектора приводит к тому, что на аноде будут скапливаться отрицательные заряды. Напряженность электрического поля анода будет понижаться и в какой-то момент ударная ионизация прервется, разряд затухнет.

Важную роль в гашении возникшего газового разряда играют галогены, находящиеся в газе счетчика. Потенциал ионизации галогенов ниже, чем у инертных газов, поэтому атомы галогенов активнее «поглощают» фотоны, вызывающие самостоятельный разряд, переводя эту энергию в энергию диссипации, гася тем самостоятельный разряд.

После того как ударная ионизация (и коронный разряд) прервется, начинается процесс восстановление газа в исходное (рабочее) состояние. В течение этого времени счетчик не работает, т.е. не регистрирует пролетающие частицы. Этот промежуток

времени называется «мертвым временем» (временем восстановления). Для счетчика Г-М мертвое время = Δ t ~10 -4 секунды.

Счетчик Г-М реагирует на попадание каждой заряженной частицы, не различая их по энергиям, но, если мощность падаю

щего излучения неизменна, то скорость счета импульсов оказывается пропорциональна мощности излучения, и счетчик можно будет проградуировать в единицах доз излучения.

Качество газоразрядного самогасящегося детектора определяется зависимостью средней частоты импульсов N в единицу времени от напряжения U на его электродах при неизменной интенсивности излучения. Эта функциональная зависимость называется счетной характеристикой детектора (рис.2).

Как следует из рисунка 2, при U < U 1 приложенного напряжения недостаточно для возникновения газового разряда при попадании в детектор заряженной частицы или гамма-кванта. Начиная с напряжения U В > U 2 в счетчике возникает ударная ионизация, вдоль катода распространяется коронный разряд, счетчик фиксирует пролет почти каждой частицы. С ростом U В до U 3 (см. рис. 2) число фиксируемых импульсов несколько увеличивается, что связано с некоторым увеличением степени ионизации газа счетчика. У хорошего счетчика Г-М участок графика от U 2 до U Р почти не зависит от U В , т.е. идет параллельно оси U В , средняя частота импульсов почти не зависит U В .

Рис. 2. Счетная характеристика газоразрядного самогасящегося детектора.

3. Относительная погрешность приборов при измерении Р н : δР н = ±30%.

Поясним, как импульс счетчика преобразуются в показания дозы мощности излучений.

Доказывается, что при неизменной мощности излучений скорость счета импульсов пропорциональна мощности излучений (измеряемой дозе). На этом принципе основывается измерение дозы мощности радиации.

Как только в счетчике возникает импульс, сигнал этот передается в блок пересчета, где фильтруется по длительности, амплитуде, суммируется и результат передается на дисплей счетчика в единицах дозы мощности.

Соответствие между скоростью счета и измеряемой мощностью, т.е. градуировка дозиметра производится (на заводе) по известному источнику радиации С s 137 .

Неконтролируемое ионизирующее излучение в любых проявлениях опасно. Поэтому существует необходимость его регистрации, наблюдения и учета. Ионизационный метод регистрации ИИ - один из методов дозиметрии, позволяющий быть в курсе реальной радиационной обстановки.

Что такое ионизационный метод регистрации излучения?

В основе этого метода лежит регистрация эффектов ионизации. Электрическое поле не дает ионам рекомбинировать и направляет их движение к соответствующим электродам. Благодаря этому появляется возможность замерить величину заряда ионов, образующихся под действием ионизирующего излучения.

Детекторы и их особенности

В качестве детекторов при ионизационном методе используются:

• ионизационные камеры;
• счетчики Гейгера—Мюллера;
• пропорциональные счетчики;
• полупроводниковые детекторы;
• и др.

Все детекторы за исключением полупроводниковых - это баллоны, наполненные газом, в которые вмонтированы два электрода с подведенным к ним напряжением постоянного тока. На электродах собираются ионы, образующиеся при прохождении ионизирующего излучения сквозь газовую среду. Отрицательные ионы движутся к аноду, а положительные к катоду, образуя ионизационный ток. По его значению можно оценить количество зарегистрированных частиц и определить интенсивность излучения.

Принцип работы счетчика Гейгера-Мюллера

В основе работы счетчика лежит ударная ионизация. Движущиеся в газе электроны (выбитые излучением при попадании на стенки счетчика) сталкиваются с его атомами, выбивая из них электроны, в результате чего создаются свободные электроны и положительные ионы. Существующее между катодом и анодом электрическое поле придает свободным электронам ускорение, достаточное для начала ударной ионизации. Вследствие этой реакции появляется большое количество ионов с резким возрастанием тока через счетчик и импульсом напряжения, который фиксируется регистрирующим устройством. Далее лавинный разряд гасится. Только после этого может быть зарегистрирована следующая частица.

Отличие ионизационной камеры и счетчика Гейгера-Мюллера.

В газовом счетчике (счетчик Гейгера) используется вторичная ионизация, создающая большое газовое усиление тока, которое возникает вследствие того, что скорость движущихся ионов, созданных ионизирующим веществом, настолько велика, что образуются новые ионы. Они, в свою очередь, также могут ионизировать газ, тем самым, развивая процесс. Таким образом, каждая частица образует ионов в 10 6 раз больше, чем это возможно в ионизационной камере, позволяя, таким образом, измерять ионизирующее излучение даже малой интенсивности.

Полупроводниковые детекторы

Основным элементом полупроводниковых детекторов является кристалл, а принцип работы отличается от ионизационной камеры только тем, что ионы создаются в толще кристалла, а не в газовом промежутке.

Примеры дозиметров на основе ионизационных методов регистрации

Современный прибор этого типа - клинический дозиметр 27012 с набором ионизационных камер, который на сегодняшний день является эталоном.

Среди индивидуальных дозиметров получили распространение КИД-1, КИД-2,ДК-02, ДП-24 и др., а также ИД-0,2, который является современным аналогом упомянутых выше.