Счётчик Гейгера

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Счётчик Гейгера СИ-8Б (СССР) со слюдяным окошком для измерения мягкого β-излучения. Окно прозрачно, под ним можно видеть спиральный проволочный электрод, другим электродом является корпус прибора.
Радиометр, чувствительный элемент — счётчик Гейгера—расположен в выносном блоке на переднем плане.

Счётчик Ге́йгера, счётчик Ге́йгера—Мю́ллера — газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. Принцип предложен в 1908 году Гансом Гейгером; в 1928 Вальтер Мюллер, работая под руководством Гейгера, реализовал несколько версий прибора, отличавшихся в зависимости от типа излучения, которое регистрировал счётчик.

Дополнительная электронная схема обеспечивает счётчик питанием (как правило, не менее 300 В), обеспечивает, при необходимости, гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.

Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).


В бытовых дозиметрах и радиометрах производства СССР и России обычно применяются счетчики с рабочим напряжением 390 В:

  • «СБМ-20» (по размерам — чуть толще карандаша), СБМ-21 (как сигаретный фильтр, оба со стальным корпусом, пригодный для жёсткого β- и γ-излучений)
  • «СИ-8Б» (со слюдяным окном в корпусе, пригоден для измерения мягкого β-излучения)

Широкое применение счётчика Гейгера—Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать разного рода излучения, сравнительной простотой и дешевизной установки.

Цилиндрический счётчик Гейгера—Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки, и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка — катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы — аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение от сотен до тысяч вольт в зависимости от геометрических размеров материала электродов и газовой среды внутри счетчика. В большинстве случаев широкораспространенные отечественные счетчики Гейгера требуют напряжения 400 В.

Работа счётчика основана на ударной ионизации. γ-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счётчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, приводящая к размножению первичных носителей. При достаточно большой напряженности поля энергии этих ионов становится достаточной, чтобы порождать вторичные лавины, способные поддерживать самостоятельный разряд, в результате чего ток через счетчик резко возрастает. Этим счетчик Гейгера отличается от пропорционального счетчика, где напряженность поля недостаточна для возникновения вторичных лавин, и разряд прекращается после пролета первичной лавины. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счётчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается — настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе. Для ускорения гашения могут использоваться специальные схемы, принудительно снижающие напряжение на счетчике, что позволяет также уменьшить анодное сопротивление и увеличить уровень сигнала. Однако чаще в газовую смесь в счетчике добавляют немного галогена (брома или йода) или органического соединения с относительно большой молекулярной массой (обычно какого-либо спирта) -- эти молекулы взаимодействуют с положительными ионами, давая в результате ионы с большей массой и меньшей подвижностью. Кроме того, они интенсивно поглощают ультрафиолетовое излучение разряда -- эти два фактора приводят к быстрому и самопроизвольному гашению разряда даже с небольшим анодным сопротивлением. Такие счетчики называются самогасящимися. В случае применения в качестве гасящей добавки спирта при каждом импульсе некоторое его количество разрушается, поэтому гасящая добавка расходуется и счетчик имеет определенный (хоть и достаточно большой) ресурс по количеству зарегистрированных частиц. При его исчерпании счетчик начинает "гореть" -- начинает самопроизвольно возрастать скорость счета даже в отсутствии облучения, а затем в счетчике возникает непрерывный разряд. В галогенных счетчиках распавшиеся молекулы галогена вновь соединяются, поэтому их ресурс значительно выше (1010 импульсов и выше).

Счетная характеристика (зависимость скорости счета от напряжения на счетчике) имеет хорошо выраженное плато, в пределах которого скорость счета очень слабо зависит от напряжения на счетчике. Протяженность такого плато достигает для низковольтных счетчиков 80-100 В, а для высоковольтных -- нескольких сотен вольт.

Длительность сигнала со счётчика Гейгера сравнительно велика (≈ 10-4 с). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду и восстановилась чувствительность детектора.

Важной характеристикой счётчика является его эффективность. Не все γ-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия γ-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объёма.

Эффективность регистрации частиц счетчиком Гейгера различна в зависимости от их природы. Заряженные частицы (например, альфа- и бета-лучи) вызывают разряд в счетчике почти всегда, однако часть их теряется в материале стенок счетчика. Особенно это актуально для альфа-частиц и мягкого бета-излучения. Для их регистрации в счетчике делают тонкое (2-7 мкм для регистрации альфа-излучения и 10-15 для мягкого бета-излучения) окно из слюды, алюминиевой или бериллиевой фольги или полимерной пленки. Эффективность счётчика для рентгеновского и гамма-излучения зависит от толщины стенок счётчика, их материала и энергии γ-излучения.Так как γ-излучение слабо взаимодействует с веществом, то обычно эффективность γ-счётчиков мала и составляет всего 1-2 %. Наибольшей эффективностью обладают счётчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z, так как при этом увеличивается образование вторичных электронов. Кроме того, стенки счётчика должны быть достаточно толстыми. Толщина стенки счётчика выбирается из условия её равенства длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объём счётчика, и возникновения импульса тока не произойдет. Это приводит к характерной зависимости скорости счета от энергии гамма-кванта (так называемый "ход с жесткостью") с явно выраженным максимумом, который у большинства счетчиков Гейгера расположен в области мягкого гамма-излучения. При использовании счетчиков Гейгера в дозиметрической аппаратуре "ход с жесткостью" частично исправляют с помощью дополнительного экрана (например, стального или свинцового), который поглощает мягкое гамма-излучение вблизи максимума чувствительности и вместе с тем несколько повышает эффективность регистрации жестких гамма-квантов из-за генерации вторичных электронов и комптоновского излучения в материале экрана. В результате этого зависимость скорости счета от мощности дозы в значительной степени выравнивается. Этот экран часто делают съемным для возможности раздельного определения бета- и гамма-излучения. Напротив, для регистрации рентгеновского излучения применяют счетчики с тонким окном, наподобие используемого в детекторах для альфа- и мягкого бета-излучения.

Нейтроны напрямую газоразрядными счетчиками не детектируются. Использование в качестве газовой среды гелия-3 или бора в составе материала стенок позволяет регистрировать нейтроны по заряженным продуктам ядерных реакций. Помимо низкой и сильно зависящей от энергии эффективности, недостатком счётчика Гейгера—Мюллера является то, что он не даёт возможность идентифицировать частицы и определять их энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счётчиках.

При измерении слабых потоков ионизирующего излучения счетчиком Гейгера необходимо учитывать его собственный фон. Даже в толстой свинцовой защите скорость счета никогда не становится равной нулю. Одной из причин этой спонтанной активности счетчика является жесткая компонента космического излучения, проникающая без существенного ослабления даже через десятки сантиметров свинца и состоящая в основном из мюонов. Через каждый квадратный сантиметр у поверхности Земли пролетает в среднем около 1 мюона в минуту, при этом эффективность регистрации их счетчиком Гейгера практически равна 100%. Другой источник фона -- это радиоактивное "загрязнение" материалов самого счетчика. Кроме того, значительный вклад в собственный фон дает спонтанная эмиссия электронов из катода счетчика.

Примечание[править | править вики-текст]

Следует отметить, что по историческим причинам сложилось несоответствие между русским и английским вариантами этого и последующих терминов:

Русский English
счётчик Гейгера Geiger sensor
трубка Гейгера Geiger tube
радиометр Geiger counter
дозиметр dosimeter

См. также[править | править вики-текст]