Изобретено през 1908 г. от немския физик Ханс Вилхелм Гайгер, устройство, което може да определя, се използва широко днес. Причината за това е високата чувствителност на устройството, способността му да регистрира различни лъчения. Лекотата на работа и ниската цена правят възможно закупуването на брояч на Geiger за всяко лице, което реши самостоятелно да измерва нивото на радиация по всяко време и на всяко място. Какво представлява това устройство и как работи?

Принципът на работа на брояча на Гайгер

Дизайнът му е доста прост. В запечатан контейнер с два електрода се изпомпва газова смес, състоящ се от неон и аргон, който лесно се йонизира. То се подава към електродите (от порядъка на 400V), което само по себе си не предизвиква никакви разрядни явления до момента, в който започне процесът на йонизация в газовата среда на устройството. Появата на частици, идващи отвън, води до факта, че първичните електрони, ускорени в съответното поле, започват да йонизират други молекули на газовата среда. В резултат на това под въздействието на електрическо поле се получава лавинообразно създаване на нови електрони и йони, които рязко повишават проводимостта на електронно-йонния облак. В газовата среда на брояча на Гайгер възниква разряд. Броят импулси, които се появяват за определен период от време, е право пропорционален на броя на откритите частици. Таков в в общи линииПринципът на работа на брояча на Гайгер.

Обратният процес, в резултат на който газовата среда се връща в първоначалното си състояние, възниква от само себе си. Под въздействието на халогени (обикновено се използва бром или хлор) в тази среда възниква интензивна рекомбинация на заряди. Този процес е много по-бавен и следователно времето, необходимо за възстановяване на чувствителността на брояча на Geiger, е много важна паспортна характеристика на устройството.

Въпреки факта, че принципът на работа на брояча на Гайгер е доста прост, той е в състояние да реагира на йонизиращото лъчение на най-много различни видове. Това е α-, β-, γ-, както и рентгеново, неутронно и Всичко зависи от дизайна на устройството. Така входното прозорче на брояч на Гайгер, способен да регистрира α- и меко β-лъчение, е направено от слюда с дебелина от 3 до 10 микрона. За откриване е направен от берилий, а ултравиолетовите - от кварц.

Къде се използва броячът на Гайгер?

Принципът на действие на брояча на Гайгер е в основата на работата на повечето съвременни дозиметри. Тези малки, сравнително евтини устройства са доста чувствителни и могат да показват резултатите в четливи единици. Тяхната лекота на използване прави възможно работата с тези устройства дори за тези, които имат много далечно разбиране за дозиметрия.

Според своите възможности и точност на измерване дозиметрите биват професионални и битови. С тяхна помощ е възможно своевременно и ефективно да се определи наличният източник на йонизиращо лъчение като открита площ, както и на закрито.

Тези устройства, които използват принципа на работа на брояча на Гайгер в своята работа, могат да дадат своевременен сигнал за опасност, използвайки както визуални, така и звукови или вибрационни сигнали. Така че винаги можете да проверите храната, дрехите, мебелите, оборудването, строителните материали и т.н. за липса на радиация, вредна за човешкото тяло.

Предназначение на броячите

Броячът на Geiger-Muller е двуелектродно устройство, предназначено за определяне на интензитета йонизиращо лъчениеили, с други думи, за преброяване на йонизиращи частици, произтичащи от ядрени реакции: хелиеви йони (- частици), електрони (- частици), рентгенови кванти (- частици) и неутрони. Частиците се разпространяват с много висока скорост[до 2 . 10 7 m / s за йони (енергия до 10 MeV) и около скоростта на светлината за електрони (енергия 0,2 - 2 MeV)], поради което те проникват вътре в брояча. Ролята на брояча е да формира кратък (част от милисекунда) импулс на напрежение (единици - десетки волта), когато частица навлезе в обема на устройството.

В сравнение с други детектори (сензори) на йонизиращо лъчение (йонизационна камера, пропорционален брояч), броячът на Geiger-Muller има висок праг на чувствителност - позволява ви да контролирате естествения радиоактивен фон на земята (1 частица на cm 2 на 10 - 100 секунди). Горната граница на измерване е относително ниска - до 10 4 частици на cm 2 в секунда или до 10 Sievert на час (Sv/h). Характеристика на брояча е възможността да формира еднакви импулси на изходно напрежение, независимо от вида на частиците, тяхната енергия и броя йонизации, произведени от частицата в обема на сензора.

Работата на брояча на Гайгер се основава на несамостоятелен импулсен газов разряд между метални електроди, който се инициира от един или повече електрони, които се появяват в резултат на йонизация на газ -, -, или -частица. Измервателите обикновено използват цилиндричен дизайн на електродите, като диаметърът на вътрешния цилиндър (анод) е много по-малък (2 или повече порядъка) от външния (катод), което е от фундаментално значение. Характерният диаметър на анода е 0,1 mm.

Частиците навлизат в брояча през вакуумната обвивка и катода в "цилиндрична" версия на дизайна (фиг. 2, а) или през специален плосък тънък прозорец в "крайния" вариант на дизайна (фиг. 2 ,б). Последният вариант се използва за регистриране на β-частици, които имат ниска проникваща способност (например, те се задържат от лист хартия), но са много биологично опасни, ако източникът на частици попадне в тялото. Детектори със слюдени прозорци също се използват за преброяване на сравнително нискоенергийни β-частици („меко“ бета лъчение).

Ориз. 2. Схематични проектицилиндричен ( а) и край ( б)Броячи на Гайгер. Обозначения: 1 - вакуумна обвивка (стъкло); 2 - анод; 3 - катод; 4 - прозорец (слюда, целофан)

В цилиндричния вариант на брояча, предназначен за откриване на високоенергийни частици или меки рентгенови лъчи, се използва тънкостенна вакуумна обвивка, а катодът е направен от тънко фолио или под формата на тънък метален филм (мед, алуминий), отложен върху вътрешна повърхностчерупки. В редица дизайни тънкостенен метален катод (с усилващи елементи) е елемент от вакуумната обвивка. Твърдото рентгеново лъчение (-частици) има висока проникваща способност. Поради това се регистрира от детектори с достатъчно дебели стени на вакуумната обвивка и масивен катод. При броячите на неутрони катодът е покрит с тънък слой кадмий или бор, в който неутронното лъчение се превръща в радиоактивно лъчение чрез ядрени реакции.

Обемът на устройството обикновено се запълва с аргон или неон с малка (до 1%) добавка на аргон при налягане, близко до атмосферното (10 -50 kPa). За да се елиминират нежеланите явления след изпускане, в газовия пълнеж се въвежда смес от бромни или алкохолни пари (до 1%).

Способността на брояча на Гайгер да открива частици, независимо от техния тип и енергия (да генерира един импулс на напрежение, независимо от броя на електроните, образувани от частицата), се определя от факта, че поради много малкия диаметър на анода, почти цялото напрежение, приложено към електродите, е концентрирано в тесен близо до анода слой. Извън слоя има „област за улавяне на частици“, в която те йонизират газовите молекули. Електроните, откъснати от частицата от молекулите, се ускоряват към анода, но газът е слабо йонизиран поради ниската сила на електрическото поле. Йонизацията рязко нараства след навлизането на електрони в прианодния слой с висока напрегнатост на полето, където се развиват електронни лавини (една или няколко) с много висока степен на размножаване на електрони (до 10 7). Полученият ток обаче все още не достига стойност, съответстваща на генерирането на сензорния сигнал.

По-нататъшното увеличаване на тока до работната стойност се дължи на факта, че едновременно с йонизацията се генерират ултравиолетови фотони в лавини с енергия от около 15 eV, достатъчна за йонизиране на молекулите на примесите в газовия пълнеж (например йонизацията потенциалът на бромните молекули е 12,8 V). Електроните, които се появяват в резултат на фотойонизация на молекули извън слоя, се ускоряват към анода, но лавини тук не се развиват поради ниската напрегнатост на полето и процесът има малък ефект върху развитието на разряда. В слоя ситуацията е различна: получените фотоелектрони, поради високия интензитет, инициират интензивни лавини, в които се генерират нови фотони. Техният брой надвишава първоначалния и процесът в слоя по схемата "фотони - електронни лавини - фотони" бързо (няколко микросекунди) нараства (влиза в "тригерен режим"). В този случай разрядът от мястото на първите лавини, инициирани от частицата, се разпространява по анода („напречно запалване“), анодният ток рязко нараства и се формира предният фронт на сигнала на сензора.

Задният ръб на сигнала (намаляване на тока) се дължи на две причини: намаляване на анодния потенциал поради спад на напрежението от тока през резистора (на предния ръб потенциалът се поддържа от междуелектродния капацитет) и намаляване на напрегнатостта на електрическото поле в слоя под действието на пространствения заряд на йони, след като електроните напуснат към анода (зарядът увеличава потенциалите на точките, в резултат на което спадът на напрежението върху слоя намалява и върху площта на улавяне на частици се увеличава). И двете причини намаляват интензивността на развитие на лавината и процесът по схемата "лавина - фотони - лавини" затихва, а токът през сензора намалява. След края на токовия импулс анодният потенциал се увеличава до първоначалното ниво (с известно забавяне поради заряда на междуелектродния капацитет през анодния резистор), разпределението на потенциала в междината между електродите се връща към първоначалната си форма като резултат от изтичането на йони към катода, а броячът възстановява способността да регистрира пристигането на нови частици.

Произвеждат се десетки видове детектори за йонизиращи лъчения. За тяхното обозначаване се използват няколко системи. Например STS-2, STS-4 - лицеви самозагасващи броячи или MS-4 - брояч с меден катод (V - с волфрам, G - с графит), или SAT-7 - лицев брояч на частици, SBM -10 - брояч - метални частици, SNM-42 - брояч на метални неутрони, CPM-1 - брояч на рентгенови лъчения и др.

1.4 Брояч на Гайгер-Мюлер

AT пропорционален брояч, газоразрядът се развива само в част от газовия обем. Първо в него се образува първична йонизация, а след това лавина от електрони. Останалата част от обема не се покрива от газоразряда. С увеличаването на напрежението критичната област се разширява. Той увеличава концентрацията на възбудени молекули, а оттам и броя на излъчените фотони. Под въздействието на фотони от катода и газовите молекули излизат навън

все повече и повече фотоелектрони. Последните от своя страна пораждат нови лавини от електрони в обема на брояча, незает от газовия разряд от първичната йонизация. По този начин увеличаването на напрежението U води до разпространение на газов разряд в обема на брояча. При някакво напрежение U p . Наречен праг, газоразрядът обхваща целия обем на брояча. При напрежение U p започва областта на Гайгер-Мюлер.

Брояч на Гайгер (или брояч на Гайгер-Мюлер) е пълен с газ брояч на заредени елементарни частици, електрически сигналот която се засилва поради вторичната йонизация на газовия обем на брояча и не зависи от енергията, оставена от частицата в този обем. Изобретен през 1908 г. от H. Geiger и E. Rutherford, по-късно подобрен от Geiger и W. Muller. БроячиГайгер-Мюлер - най-разпространените детектори (сензори) на йонизиращи лъчения.

Брояч на Гайгер - Мюлер -газоразрядно устройство за откриване и изследване на различни видове радиоактивни и други йонизиращи лъчения: α- и β-частици, γ-кванти, светлинни и рентгенови кванти, високоенергийни частици в космическите лъчи и в ускорителите. Гама-квантите се регистрират от брояч на Гайгер-Мюлер от вторични йонизиращи частици - фотоелектрони, електрони на Комптон, двойки електрон-позитрон; неутроните се регистрират от ядрата на отката и продуктите на ядрените реакции, възникващи в газа на брояча. Измервателят работи при напрежения, съответстващи на самоподдържащи се

коронен разряд (разрез V, фиг. 21).

Ориз. 21. Схемата за включване на брояча на Гайгер

Прилага се потенциална разлика (V) между стените и централния електрод чрез съпротивление R, шунтирано от кондензатор

C1.

Този брояч има почти 100% вероятност да открие заредена частица, тъй като за

Една двойка електрон-йон е достатъчна за възникване на разряда.

В структурно отношение броячът на Гайгер също е устроен като пропорционален брояч, т.е. е кондензатор (обикновено цилиндричен) със силно нееднородно електрическо поле. Към вътрешния електрод (тънка метална нишка) се прилага положителен потенциал (анод), а към външния - отрицателен потенциал (катод). Електродите са затворени в херметически затворен резервоар, пълен с малко газ до налягане от 13-26 kN/m 2 (100-200 mm pm .st.). Към електродите на брояча се прилага напрежение от няколко sotv. Знакът + се прилага към резбата през съпротивлението R.

Функционално броячът на Гайгер също повтаря пропорционалния брояч, но се различава от последния по това, че поради по-голямата потенциална разлика на електродите работи в такъв режим, когато е достатъчно появата на един електрон в обема на детектора да развиват мощен лавиноподобен процес, дължащ се на вторична йонизация (газово усилване), който е способен да йонизира цялата област близо до анодната нишка. В този случай токовият импулс достига граничната стойност (насища) и не зависи от първичната йонизация. Развивайки се лавинообразно, този процес завършва с образуването на електронно-йонен облак в междуелектродното пространство, което рязко повишава неговата проводимост. По същество, когато една частица навлезе в брояч на Гайгер, в нея пламва (запалва) самостоятелен газов разряд, видим (ако контейнерът е прозрачен) дори с обикновен газ. В този случай коефициентът на усилване на газа може да достигне 1010, а големината на импулса може да достигне десетки волта.

Възниква мигане на коронен разряд и през измервателния уред протича ток.

Разпределението на електрическото поле в брояча е такова, че разрядът се развива само в близост до анода на брояча на разстояние няколко диаметъра на нишката. Върху нишката бързо се натрупват електрони (не повече от 10-6 сек), около които се образува "обвивка" от положителни йони. Положителният пространствен заряд увеличава ефективния диаметър на анода и по този начин намалява силата на полето, така че разрядът се прекъсва. Тъй като слоят от положителни йони се отдалечава от нажежаемата жичка, неговият екраниращ ефект отслабва и силата на полето в близост до анода става достатъчна за образуването на нова светкавица на разряд. Положителните йони, приближавайки се до катода, избиват електрони от последния, което води до образуването на неутрални атоми на инертен газ във възбудено състояние. Възбудени атоми при

достатъчно приближавайки се до катода, електроните се избиват от повърхността му, които стават основатели на нови лавини. Без външно влияниетакъв брояч би бил в дълго интермитентно разреждане.

Така при достатъчно голямо R (108 -1010 ома) върху нишката се натрупва отрицателен заряд

и потенциалната разлика между нажежаемата жичка и катода спада бързо, което води до прекратяване на разряда. След това чувствителността на брояча се възстановява след 10-1 -10-3 сек (време за разреждане на капацитет C през съпротивление R). Именно това време е необходимо на бавните положителни йони, които са изпълнили пространството близо до анодната нишка след преминаването на частицата и преминаването на електронната лавина, за да отидат до катода,

и възстанови чувствителността на детектора. Такова дълго мъртво време е неудобно за много приложения.

За практическа употребаизползват се несамогасящи се броячи на Гайгер различни начинипрекратяване на разтоварването:

а) Използване на електронни схеми за гасене на разряд в газ. Електронна схема, адаптирана за това, в точното време издава „контрасигнал“ към брояча, който спира саморазряда и „задържа“ брояча за известно време, докато възникналите заредени частици бъдат напълно неутрализирани. Характеристиките на такъв брояч с верига за потискане на разряда са близки до тези на самозагасващите се броячи и понякога ги надвишават.

б) Охлаждане чрез избор на стойностите на съпротивлението на натоварване и еквивалентния капацитет, както и напрежението на измервателния уред.

AT В зависимост от механизма за гасене на разряда се разграничават две групи броячи: несамозагасващи и самозагасващи. При несамозагасващите измервателни уреди "мъртвото" време е твърде дълго(10-2 сек), за него

се прилагат намаления електронни схемигасене на разряда, които намаляват времето за разделяне до времето за събиране на положителни йони на катода (10-4 сек).

Сега несамозагасващите броячи, в които разрядите се гасят от съпротивлението R, се заменят със самозагасващи броячи, които също са по-стабилни. В тях, благодарение на специален газов пълнеж (инертен газ с примес на сложни молекули, като алкохолни пари и малък

смес от халогени - хлор, бром, йод) разрядът се прекъсва сам дори при ниско съпротивление R. Мъртво време на самозагасващ брояч ~10-4 сек.

AT 1937 г. Трост обърна внимание на факта, че ако брояч, пълен с аргон,

добавете малко количество (няколко процента) пара етилов алкохол(C2 H5 OH), тогава разрядът, причинен в брояча от йонизираща частица, ще изчезне сам. Впоследствие се оказа, че спонтанно изгасване на разряда в брояча се получава и при добавяне на други пари към аргон. органични съединенияимащи сложни многоатомни съединения. Тези вещества обикновено се наричат ​​закаляване, а броячите на Geiger-Muller, в които се използват тези вещества, се наричат ​​самозагасващи се броячи. Самозагасващият се измервателен уред е пълен със смес от два (или повече) газа. Единият газ, основният, е около 90% в сместа, другият, газът за охлаждане, е около 10%. Компонентите на работната смес трябва да задоволят задължително условие, което се състои в това, че йонизационният потенциал на охлаждащия газ трябва да бъде по-нисък от първия потенциал на възбуждане на основния газ.

Коментирайте. Ксенонови жични детектори често се използват за откриване на рентгенови лъчи. Пример за това е първият домашен сканиращ цифров медицински флуорограф МЦРУ СИБИР. Друго приложение на рентгеновите броячи е рентгенов флуоресцентен вълново-дисперсивен спектрометър (например Venus 200), предназначен да определя различни елементивъв вещества и материали. В зависимост от елемента, който се определя, е възможно да се използват следните детектори: - проточен пропорционален детектор с прозорци с дебелина 1, 2, 6 микрона; непоточен неонов детектор с прозорци с дебелина 25 и 50 микрона; - непоточен криптон детектор с прозорец с дебелина 100 микрона, 200 микрона и сцинтилационен детектор с прозорец от 300 микрона.

Самозагасващите се метри позволяват голяма скоростсметки без специални електронни схеми

гасене на разряда, така че те намериха широко приложение. Самозагасващите броячи с органични охлаждащи примеси имат ограничен експлоатационен живот (108 -1010 импулса). Когато един от халогените се използва като охлаждащ примес (най-често се използва по-малко активният Br2), експлоатационният живот става практически неограничен поради факта, че двуатомните халогенни молекули се образуват отново след дисоциация на атоми (по време на процеса на разреждане). Недостатъците на халогенните броячи включват сложността на производствената им технология поради химическата активност на халогените и дългото време на нарастване на предния фронт на импулсите поради прикрепването на първични електрони към молекулата на халогена. "Издърпването" на предния фронт на импулса в халогенните броячи ги прави неприложими в съвпадащи вериги.

Основните характеристики на брояча са: характеристика на броене - зависимостта на скоростта на броене от големината на работното напрежение; ефективност на брояча - изразява се като процент от отношението на броя на преброените частици към броя на всички частици, попадащи в работния обем на брояча; време за разрешаване -

минималния интервал от време между импулсите, при който те се записват отделно, и експлоатационния живот на броячите.

Ориз. 22. Схема на възникване на мъртво време в брояча Гайгер-Мюлер.(Форма на импулса по време на разреждане в брояч на Гайгер-Мюлер).

Продължителността на времето, необходимо за възстановяване на радиационната чувствителност на брояча на Гайгер и всъщност определя неговата скорост - "мъртво" време - е неговата важна паспортна характеристика.

Ако разрядът, причинен от ядрена частица, започне в брояча на Geiger-Muller в момент t 0, тогава напрежението на брояча рязко пада. Броячът за определено време, което се нарича мъртво време τ m, не е в състояние да регулира други частици. От момента t 1 , т.е. след изтичане на мъртвото време уредът отново може да има саморазреждане. Но в началото амплитудата на импулса е все още малка. Само след като пространственият заряд достигне повърхността на катода, в брояча се образуват импулси с нормална амплитуда. Интервалът от време τ s между момента t 0, когато е настъпил независим разряд в измервателния уред, и момента на възстановяване на работното напрежение t 3 се нарича време за възстановяване. За да може записващото устройство да отчита импулса, е необходимо неговата амплитуда да надвишава определена стойност U p . Интервалът от време между момента на възникване на независим разряд t 0 и момента на формиране на амплитудата U p импулс t 2 се нарича време на разделителна способност τ p на брояча на Geiger-Muller. Времето за разрешаване τ p е малко по-голямо от мъртвото време.

Ако всяка секунда голям брой частици (няколко хиляди или повече) влизат в брояча, тогава времето за разделяне τ p ще бъде сравнимо по стойност със средния интервал от време между импулсите, така че значителен брой импулси не се отчитат. Нека m е наблюдаваната скорост на броене на брояча. Тогава частта от времето, през което броячната единица е нечувствителна, е m τ . Следователно броят на загубените импулси за единица време е равен на nm τ p , където n е скоростта на броене, която би се наблюдавала, ако времето за разделяне имаше пренебрежимо малка стойност. Ето защо

Корекцията на скоростта на броене, която се дава от това уравнение, се нарича корекция на мъртвото време на установяване.

Халогенните самогасящи се измервателни уреди се характеризират с най-ниско захранващо напрежение, отлични параметри на изходния сигнал и достатъчно висока скорост, доказаха се като особено подходящи за използване като сензори за йонизиращи лъчения в домашни устройства за радиационен контрол.

Всяка частица, открита от брояча, предизвиква появата на кратък импулс в неговата изходна верига. Броят на импулсите, които се появяват за единица време - скоростта на броене на брояча на Гайгер - зависи от нивото на йонизиращото лъчение и напрежението на неговите електроди. Типичен график на скоростта на броене спрямо захранващото напрежение V е показан на фиг. 23. Тук V zazh е напрежението на началото на броенето; V 1 и V 2 са долната и горната граница на работната зона, така нареченото плато, на което скоростта на броене е почти независима от захранващото напрежение на брояч. Работното напрежение V slave обикновено се избира в средата на този раздел. Съответства на N p - скоростта на броене в този режим.

Ориз. 23. Зависимост на скоростта на броене от захранващото напрежение в брояча на Geiger (Характеристика на броене)

Зависимостта на скоростта на броене от нивото на облъчване на брояча е най-важната му характеристика. Графиката на тази зависимост е почти линейна и затова често радиационната чувствителност на брояча се изразява в импулси / μR (импулси на микрорентген; тази величина следва от съотношението на скоростта на броене - импулси / s - към нивото на радиация - μR/s). AT

в случаите, когато не е показано (не рядко, за съжаление), за преценка на радиационната чувствителност

броячът отчита по различен начин също много важен параметър- собствен фон. Това е името на скоростта на броене, причината за която са два компонента: външно - естествено фоново лъчение и вътрешно - излъчване на радионуклиди, уловени в самия дизайн на брояча, както и спонтанно електронно излъчване на неговия катод. ("фон" в дозиметрията има почти същото значение като "шум" в радиоелектрониката; и в двата случая говорим сиза принципно неотстраними ефекти върху оборудването.)

Още едно важна характеристикаБроячът на Гайгер е зависимостта на неговата чувствителност към излъчване от енергията ("твърдостта") на йонизиращите частици. На професионален жаргон графиката на тази зависимост се нарича "удар с твърдост". До каква степен тази зависимост е важна, показва графиката на фигурата. „Пътуване с твърдост“ очевидно ще повлияе на точността на направените измервания.

В основата си броячът на Гайгер е много прост. Газова смес, състояща се главно от лесно йонизиращ се неон и аргон, се въвежда в добре вакуумиран запечатан контейнер с два електрода. Цилиндърът може да бъде стъклен, метален и др. Обикновено измервателните уреди възприемат лъчение с цялата си повърхност, но има и такива, които имат специален „прозорец“ в цилиндъра за това.

Броячите на Гайгер са в състояние да отговорят на най-много различни видовейонизиращи лъчения - α, β, γ, ултравиолетови, рентгенови, неутронни. Но реалната спектрална чувствителност на брояча зависи до голяма степен от неговия дизайн. По този начин входният прозорец на брояч, чувствителен към α- и меко β-лъчение, трябва да бъде много тънък; за това обикновено се използва слюда с дебелина 3 ... 10 микрона. Балонът на брояча, който реагира на твърдо β - и γ - лъчение, обикновено има формата на цилиндър с дебелина на стената 0,05 .... 0,06 mm (той също служи като катод на брояча). Прозорецът на рентгеновия брояч е изработен от берилий, а ултравиолетовият - от кварцово стъкло.

Ориз. Фиг. 24. Зависимост на скоростта на броене от енергията на гама-квантите ("движение с твърдост") в брояч на Гайгер

Борът се въвежда в неутронния брояч, при взаимодействие с който неутронният поток се превръща в лесно откриваеми α-частици. Фотонно лъчение - ултравиолетово, рентгеново, γ - лъчение - броячите на Гайгер възприемат индиректно - чрез фотоелектричния ефект, ефекта на Комптън, ефекта на образуване на двойки; във всеки случай радиацията, взаимодействаща с материала на катода, се преобразува в поток от електрони.

Ориз. 25. Радиометрична инсталация на базата на брояча на Гайгер-Мюлер.

Фактът, че броячът на Гайгер е лавинно устройство, също има своите недостатъци - не може да се съди за първопричината за неговото възбуждане по реакцията на такова устройство. Изходните импулси, генерирани от брояча на Гайгер под действието на α-частици, електрони, γ-кванти (в брояч, който реагира на всички тези видове излъчване), не се различават по никакъв начин. себе си

частици, енергиите им напълно изчезват в двойните лавини, които генерират.

Качеството на брояча на Geiger-Muller обикновено се оценява по формата на неговата характеристика на броене. За "добри" измервателни уреди дължината на броещата част е 100-300 V с наклон на платото не повече от 3 - 5% на 100 V. Работното напрежение на брояча V slave обикновено се избира в средата на неговото броене ■ площ.

Тъй като скоростта на броене на частиците на платото варира пропорционално на интензитета на облъчване с ядрени частици, броячите на Geiger-Muller успешно се използват за относителни измервания на активността на радиоактивни източници. Абсолютни измерваниятрудно поради счетоводство Голям бройдопълнителни изменения. Когато работите с източници с ниска интензивност, трябва да вземете предвид фона на брояча, дължащ се на космическа радиация, радиоактивност околен святи радиоактивно замърсяване на броячния материал. Първоначално благородните газове, по-специално аргон и неон, най-често се използват като газове за пълнене на брояча. Повечето измервателни уреди имат налягане в диапазона от 7 до 20 cm Hg, въпреки че понякога работят при високо налягане, до 1 atm. При броячи от този тип е необходимо да се използват специални електронни схеми за гасене на газовия разряд, възникнал при навлизане на йонизиращо лъчение в брояча. Следователно такива броячи се наричат ​​броячи на Гайгер-Мюлер от несамозагасващ тип. Имат много лоша резолюция. Използването на схеми за принудително гасене на разряда, подобряване

резолюцията значително усложнява експерименталната настройка, особено ако голям брой броячи се използват едновременно.

Типичен стъклен брояч на Гайгер-Мюлер е показан на фиг. 25.

Ориз. 25. Стъклен брояч на Гайгер-Мюлер: 1 -

геометрично запечатана стъклена тръба; 2 - катод ( тънък слоймед върху тръба от неръждаема стомана); 3 - изход на катода; 4 - анод (тънка опъната нишка).

В табл. 1 предоставя информация за самозагасващи се халогенни броячи на Гайгер

Руско производство, най-подходящо за домакински уредирадиационен контрол.

Обозначения: 1 - работно напрежение, V; 2 - плато - зона на ниска зависимост на скоростта на броене от захранващото напрежение, V; 3 - собствен брояч фон, имп/и, не повече; 4 - радиационна чувствителност на брояча, импулс/μR (* - за кобалт-60); 5 - амплитуда на изходния импулс, V, не по-малко; 6 - размери, mm - диаметър x дължина (дължина x ширина x

височина); 7.1 - твърда β - и γ - радиация; 7.2 - същото и меко β - излъчване; 7.3 - същото и α - радиация; 7.4 -γ - радиация.

Фиг.26. Часовници с вграден брояч на Гайгер-Мюлер.

Броячът на Geiger-Muller, тип STS-6, брои β и γ частици и принадлежи към самозагасващите се броячи. Представлява цилиндър от неръждаема стомана с дебелина на стената 50 mg/(cm2) с усилващи елементи за здравина. Броячът е пълен със смес от неонови и бромни пари. Бромът гаси изхвърлянето.

Конструкциите на броячите са много разнообразни и зависят от вида на излъчването и неговата енергия, както и от техниката на измерване).

Радиометричната настройка, базирана на брояча на Geiger-Muller, е показана на фиг. 27. Напрежението се подава към измервателния уред от източник на захранване с високо напрежение. Импулсите от брояча се подават в усилвателния блок, където се усилват и след това се регистрират от брояч.

Броячите на Гайгер-Мюлер се използват за регистриране на всички видове радиация. Те могат да се използват както за абсолютни, така и за относителни измервания на радиоактивни емисии.

Ориз. 27. Проектиране на броячи на Geiger-Muller: а - цилиндричен; b

– вътрешен пълнеж; g - течаща за течности. 1 – анод (събиращ електрод); 2 - катод; 3 - стъклена бутилка; 4 - електродни проводници; 5 - стъклена тръба; 6 - изолатор; 7 - прозорец от слюда; 8 - вентил за вход на газ.

Гайгеровият брояч е основният сензор за измерване на радиация. Регистрира гама, алфа, бета лъчения и рентгенови лъчи. Той има най-висока чувствителност в сравнение с други методи за регистрация на радиация, например йонизационни камери. то главната причинаповсеместното му разпространение. Други сензори за измерване на радиация се използват много рядко. Почти всички устройства за дозиметричен контрол са базирани на броячи на Geiger. Те се произвеждат масово и има устройства от различни нива: от военни приемни дозиметри до китайски потребителски стоки. Вече не е проблем да закупите каквото и да е устройство за измерване на радиация.

Доскоро нямаше повсеместно разпространение на дозиметрични инструменти. Така през 1986 г Чернобилска аварияОказа се, че населението просто не разполага с никакви дозиметрични разузнавателни устройства, което между другото допълнително утежни последствията от бедствието. В същото време, въпреки разпространението на аматьорските кръгове за радио и техническо творчество, броячите на Geiger не се продават в магазините, така че производството на домашни дозиметри е невъзможно.

Принципът на действие на броячите на Гайгер

Това е електровакуумен уред с изключително прост принципработа. Сензорът за излъчване е метална или стъклена камера с метализация, пълна с разреден инертен газ. В центъра на камерата се поставя електрод. Външните стени на камерата са свързани към източник с високо напрежение (обикновено 400 волта). Вътрешният електрод - към чувствителния усилвател. Йонизиращото лъчение (радиация) е поток от частици. Те буквално пренасят електрони от високоволтовия катод към анодните нишки. Върху него просто се индуцира напрежение, което вече може да се измери, като се включи към усилвател.

Високата чувствителност на брояча на Гайгер се дължи на ефекта на лавината. Енергията, която усилвателят регистрира на изхода си, не е енергията на източника на йонизиращо лъчение. Това е енергията на захранването с високо напрежение на самия дозиметър. Проникващата частица носи само електрон (енергиен заряд, който се превръща в ток, регистриран от измервателния уред). Между електродите се въвежда газова смес, състояща се от благородни газове: аргон, неон. Предназначен е за гасене на разряди с високо напрежение. Ако се появи такова разреждане, това ще бъде фалшив положителен брояч. Следващата верига за измерване игнорира такива пикове. Освен това захранването с високо напрежение също трябва да бъде защитено от тях.

Захранващата верига в брояча на Гайгер осигурява изходен ток от няколко микроампера при изходно напрежение от 400 волта. Точната стойност на захранващото напрежение се определя за всяка марка измервателен уред според техническата му спецификация.

Възможности на броячите на Гайгер, чувствителност, детектирана радиация

С помощта на брояч на Гайгер е възможно да се регистрира и измерва гама и бета радиация с висока точност. За съжаление е невъзможно да се разпознае директно вида на радиацията. Това става индиректно чрез поставяне на бариери между сензора и обекта или областта, които се изследват. Гама лъчите са силно пропускливи и техният фон не се променя. Ако дозиметърът открие бета радиация, тогава инсталирането на разделителна бариера, дори и от тънък листметал почти напълно ще блокира потока от бета частици.

Разпространените в миналото комплекти индивидуални дозиметри ДП-22, ДП-24 не са използвали броячи на Гайгер. Вместо това там беше използван сензор за йонизационна камера, така че чувствителността беше много ниска. Съвременните дозиметрични устройства, базирани на броячи на Гайгер, са хиляди пъти по-чувствителни. Те могат да се използват за регистриране на естествените промени в слънчевия радиационен фон.

Забележителна характеристика на брояча на Гайгер е неговата чувствителност, която е десетки и стотици пъти по-висока от необходимото ниво. Ако се включи брояч в напълно защитена оловна камера, той ще покаже огромен естествен радиационен фон. Тези показания не са дефект в конструкцията на самия измервателен уред, което е потвърдено от множество лабораторни изследвания. Такива данни са следствие от естествения космически радиационен фон. Експериментът само показва колко чувствителен е броячът на Гайгер.

Специално за измерване на този параметър в технически спецификациипосочва се стойността "чувствителност на импулсния брояч микросекунда" (импулси за микросекунда). Колкото повече от тези импулси - толкова по-голяма е чувствителността.

Измерване на радиация с гайгеров брояч, схема на дозиметър

Веригата на дозиметъра може да бъде разделена на два функционални модула: източник на захранване с високо напрежение и верига за измерване. Захранване високо напрежение - аналогова схема. Измервателният модул на цифровите дозиметри винаги е цифров. Това е брояч на импулси, който показва съответната стойност под формата на числа на скалата на устройството. За измерване на дозата радиация е необходимо да се броят импулсите за минута, 10, 15 секунди или други стойности. Микроконтролерът преобразува броя на импулсите в определена стойност на скалата на дозиметъра в стандартни радиационни единици. Ето най-често срещаните:

• рентгенова снимка (обикновено се използва микрорентген);
• Сиверт (микросиверт - mSv);
• Грей, щастлив
• плътност на потока в микровати/m2.

Сивертът е най-често използваната единица за измерване на радиация. Всички норми са свързани с него, не са необходими допълнителни преизчисления. Rem - единица за определяне на въздействието на радиацията върху биологични обекти.

Сравнение на газоразряден брояч на Гайгер с полупроводников сензор за излъчване

Броячът на Гайгер е газоразрядно устройство и модерна тенденциямикроелектроника - да се отървем от тях навсякъде. Разработени са десетки полупроводникови сензори за излъчване. Нивото на радиационния фон, регистрирано от тях, е много по-високо, отколкото при броячите на Гайгер. Чувствителността на полупроводниковия сензор е по-лоша, но има друго предимство - ефективност. Полупроводниците не изискват захранване с високо напрежение. Те са много подходящи за преносими дозиметри, захранвани от батерии. Друго предимство е регистрацията на алфа частици. Газовият обем на измервателния уред е много по-голям от този на полупроводников сензор, но размерите му все още са приемливи дори за преносимо оборудване.

Измерване на алфа, бета и гама лъчение

Гама радиацията се измерва най-лесно. то електромагнитно излъчване, което е поток от фотони (светлината също е поток от фотони). За разлика от светлината, тя има много повече висока честотаи много къса дължина на вълната. Това му позволява да проникне през атомите. AT гражданска отбранаГама лъчите са проникваща радиация. Прониква през стените на къщи, коли, различни структурии се забавя само от слой пръст или бетон на няколко метра. Регистрацията на гама-квантите се извършва с калибриране на дозиметъра според естественото гама-лъчение на слънцето. Не са необходими източници на радиация. Съвсем различен е въпросът с бета и алфа радиацията.

Ако йонизиращото лъчение α (алфа лъчение) идва от външни обекти, тогава то е почти безопасно и представлява поток от ядра на хелиеви атоми. Обхватът и пропускливостта на тези частици е малък - няколко микрометра (максимум милиметри) - в зависимост от пропускливостта на средата. Поради тази особеност той почти не се регистрира от брояча на Гайгер. В същото време регистрирането на алфа лъчение е важно, тъй като тези частици са изключително опасни, когато проникнат в тялото с въздух, храна и вода. За тяхното декретиране броячите на Гайгер се използват в ограничена степен. По-често се срещат специални полупроводникови сензори.

Бета радиацията се регистрира идеално от брояча на Гайгер, тъй като бета частицата е електрон. Може да прелети стотици метри в атмосферата, но се абсорбира добре метални повърхности. В тази връзка броячът на Гайгер трябва да има прозорец от слюда. Металната камера е направена с малка дебелина на стената. Съставът на вътрешния газ е избран по такъв начин, че да осигури малък спад на налягането. Детекторът на бета лъчение се поставя на дистанционна сонда. В ежедневието такива дозиметри не са много чести. Това са предимно военни продукти.

Персонален дозиметър с гайгеров брояч

Този клас устройства имат висока чувствителност за разлика от по-старите модели с йонизационни камери. Надеждни модели, предлагани от много местни производители: "Тера", "МКС-05", "ДКР", "Радекс", "РКС". Всички те са самостоятелни устройства с извеждане на данни на екрана в стандартни мерни единици. Има режим за показване на натрупаната доза радиация и моментното фоново ниво.

Обещаваща посока е домакински дозиметър-приставка към смартфон. Такива устройства се произвеждат чужди производители. Имат богати технически възможности, има функция за запаметяване на показанията, изчисляване, преизчисляване и сумиране на радиация за дни, седмици, месеци. Досега, поради ниските производствени обеми, цената на тези устройства е доста висока.

Домашни дозиметри, защо са необходими?

Броячът на Гайгер е специфичен елементдозиметър, напълно недостъпен за самостоятелно производство. Освен това се намира само в дозиметри или се продава отделно в магазините за радио. Ако този сензор е наличен, всички други компоненти на дозиметъра могат да бъдат сглобени независимо от различни части потребителска електроника: телевизори, дънни платкии други Около дузина дизайни сега се предлагат на сайтове и форуми за радиолюбители. Струва си да ги съберете, тъй като това са най-развитите опции, които имат подробни ръководстваза настройка и настройка.

Схемата за превключване на брояча на Geiger винаги предполага наличието на източник на високо напрежение. Типичното работно напрежение на измервателния уред е 400 волта. Получава се по веригата на блокиращия генератор и това е най-сложният елемент от схемата на дозиметъра. Изходът на брояча може да бъде свързан към нискочестотен усилвател и да брои щраканията в високоговорителя. Такъв дозиметър се сглобява в спешни случаикогато практически няма време за производство. Теоретично изходът на брояча на Гайгер може да бъде свързан към аудио входа на домакинско оборудване, като например компютър.

Самоделни дозиметри подходящи за точни измервания, всички сглобени на микроконтролери. Тук не са необходими умения за програмиране, тъй като програмата се записва готова от свободен достъп. Трудностите тук са типични за домашното производство на електроника: получаване на печатна платка, запояване на радиокомпоненти, изработка на кутия. Всичко това се решава в малка работилница. Домашни дозиметри от броячи на Geiger се правят в случаите, когато:

• няма начин да закупите готов дозиметър;
• имате нужда от устройство със специални характеристики;
• необходимо е да се проучи процеса на изграждане и настройка на дозиметъра.

Самоделният дозиметър се калибрира спрямо естествения фон с помощта на друг дозиметър. Това завършва процеса на изграждане.

Ако имате въпроси - оставете ги в коментарите под статията. Ние или нашите посетители ще се радваме да им отговорим.

Газоразряден брояч на Гайгер-Мюлер (G-M). Фиг.1 е стъклен цилиндър (цилиндър), пълен с инертен газ (с

халогенни примеси) при налягане малко под атмосферното. Тънък метален цилиндър вътре в балона служи като K катод; анодът А е тънък проводник, минаващ през центъра на цилиндъра. Между анода и катода се прилага напрежение U AT =200-1000 V. Анодът и катодът са свързани към електронната схема на радиометричния уред.

Фиг.1 Цилиндричен брояч на Гайгер-Мюлер.

1 – анодна нишка 2 – тръбен катод

U в – източник на високо напрежение

Р н – устойчивост на натоварване

ОТ V – разделителен резервоар за съхранение

R - преброително устройство с индикация

ξ е източник на радиация.

С помощта на G-M брояча е възможно да се регистрират всички радиационни частици (с изключение на лесно абсорбираните α-частици); така че β-частиците да не се абсорбират от корпуса на брояча, той има слотове, покрити с тънък филм.

Нека обясним характеристиките на работата на брояча G-M.

β-частиците взаимодействат директно с газовите молекули на брояча, докато неутроните и γ-фотоните (незаредени частици) взаимодействат слабо с газовите молекули. В този случай механизмът на образуване на йони е различен.

ще извършим дозиметрично измерване на околната среда в близост до точки К и А, получените данни ще бъдат въведени в табл. един.

За да извършите измерването, трябва:

1. Свържете дозиметъра към източник на захранване (9v).

2. От задната страна на дозиметъра затворете прозореца на детектора с капак (екран).

3. Поставете превключвателяРЕЖИМ(режим) в позиция γ ("P").

4. Поставете превключвателяОБХВАТ(диапазон) към позициях1 (стр н \u003d 0,1-50 μSv / h).

5. Поставете превключвателя за захранване на дозиметъра в положениеНА(На).

6. Ако в позиция x1 има a звуков сигнали цифровите редове на дисплея са напълно запълнени, тогава трябва да превключите към диапазона x10 (P н \u003d 50-500 μSv / h).

7. След завършване на сумирането на импулсите, дисплеят на дозиметъра ще покаже доза, еквивалентна на мощносттаП Hγ µSv/h; след 4-5 сек. ще настъпи нулиране.

8. Дозиметърът отново е готов за радиационни измервания. Нов цикъл на измерване започва автоматично.

Маса 1.

Получената стойност в работното поле (AB) се определя по формулата

=
, µSv/h (6)

- показанията на дозиметъра дават стойностите на радиационния фон в точката;

Количеството радиация във всяка точка на измерване се подчинява на законите на флуктуацията. Следователно, за да се получи най-вероятната стойност на измерената стойност, е необходимо да се направи серия от измервания;

- в случай на дозиметрия на β-лъчение, измерванията трябва да се извършват близо до повърхността на изследваните тела.

4. Вземане на измервания. P.1. Определяне на мощността на еквивалентната доза на естествения радиационен фон.

За да определим γ-фона на околната среда, избираме (спрямо всякакви обекти (тела)) две точки A, K, разположени на разстояние ~1 метър една от друга, и без да докосваме телата,

Неутроните, взаимодействайки с катодните атоми, генерират заредени микрочастици (фрагменти от ядра). Гама радиация

взаимодейства главно с веществото (атомите) на катода, генерирайки фотонно лъчение, което допълнително йонизира газовите молекули.

Веднага след като йони се появят в обема на брояча, движението на зарядите ще започне под действието на електрическото поле анод-катод.

В близост до анода линиите на напрегнатостта на електрическото поле рязко се удебеляват (поради малкия диаметър на анодната нишка), напрегнатостта на полето рязко се увеличава. Електроните, приближавайки нишката, получават голямо ускорение, има ударна йонизация на молекули на неутрален газ , независим коронен разряд се разпространява по нажежаемата жичка.

Поради енергията на този разряд, енергията на началния импулс на частиците рязко нараства (до 10 8 веднъж). Когато се разпространи коронен разряд, част от зарядите бавно ще се оттекат през голямо съпротивление Р н ~10 6 Ом (фиг. 1). Във веригата на съпротивителния детекторР нще има токови импулси, пропорционални на първоначалния поток от частици. Полученият токов импулс се прехвърля към капацитета за съхранение C V (C~10 3 пикофарад), допълнително усилен и записан от схемата за преобразуване R.

Имайки много съпротиваР нвъв веригата на детектора води до факта, че на анода ще се натрупат отрицателни заряди. Силата на електрическото поле на анода ще намалее и в даден момент ударната йонизация ще бъде прекъсната, разрядът ще изчезне.

Важна роля в потискането на образувания газов разряд играят халогените, присъстващи в газа на брояча. Йонизационният потенциал на халогените е по-нисък от този на инертните газове, следователно халогенните атоми по-активно „абсорбират“ фотони, които причиняват самоподдържащ се разряд, превръщайки тази енергия в енергия на разсейване, като по този начин гасят самоподдържащия се разряд.

След прекъсване на ударната йонизация (и коронния разряд) започва процесът на възстановяване на газа до първоначалното (работно) състояние. През това време броячът не работи, т.е. не регистрира летящи частици. Този интервал

времето се нарича "мъртво време" (време за възстановяване). За G-M броячмъртво време = ΔT~10 -4 секунди.

G-M броячът реагира на удара на всяка заредена частица, без да ги разграничава по енергия, но ако мощността падне

радиацията е непроменена, тогава скоростта на броене на импулсите е пропорционална на мощността на излъчване и броячът може да бъде калибриран в единици радиационни дози.

Качеството на газоразрядния самозагасящ се детектор се определя от зависимостта на средната честота на импулсанза единица време от напрежениеUвърху неговите електроди при постоянен интензитет на излъчване. Тази функционална зависимост се нарича броителна характеристика на детектора (фиг. 2).

Както е показано на фигура 2, когатоU < U 1 приложеното напрежение е недостатъчно за възникване на газов разряд при попадане на заредена частица или гама лъч в детектора. Започвайки с напрежение U AT > U 2 в брояча възниква ударна йонизация, коронен разряд се разпространява по дължината на катода и броячът записва преминаването на почти всяка частица. С растеж U AT предиU 3 (виж фиг. 2), броят на записаните импулси леко се увеличава, което е свързано с известно повишаване на степента на йонизация на броячния газ. При добър брояч GM Plot диаграма от U 2 предиU Р почти независимо отU AT , т.е. върви успоредно на остаU AT , средната честота на импулса почти не зависи отU AT .

Ориз. 2. Броячна характеристика на газоразряден самозагасящ се детектор.

3. Относителна грешка на инструментите при измерване на P н : δP н = ±30%.

Нека обясним как импулсът на измервателния уред се преобразува в показания на мощността на дозата на радиация.

Доказано е, че при постоянна мощност на излъчване скоростта на броене на импулсите е пропорционална на мощността на излъчване (измерената доза). Измерването на мощността на дозата на радиацията се основава на този принцип.

Веднага щом в измервателния уред възникне импулс, този сигнал се предава на преобразуващия блок, където се филтрира по продължителност, амплитуда, сумира се и резултатът се предава на дисплея на измервателния уред в единици мощностна доза.

Съответствие между скоростта на броене и измерената мощност, т.е. дозиметърът е калибриран (фабрично) според известен източник на радиация C с 137 .