В наш век техногенных катастроф необходимо защитить себя от их последствий в виде радиоактивного заражения. А для этого ионизирующее излучение необходимо обнаружить. Поэтому при отсутствии промышленных приборов любой радиолюбитель может попытаться изготовить счетчик Гейгера своими руками.
Гейгера?
Для измерения радиоактивного фона учеными и инженерами разработаны приборы - счетчики Гейгера. В качестве датчика альфа-, бета- и гамма-излучений используется герметичная газоразрядная трубка, наполненная смесью инертных газов, названная в честь ученых-изобретателей счетчиком Гейгера - Мюллера. Но профессиональные приборы мало доступны современному обывателю и довольно дороги.
Разработано несколько разновидностей подобных конструкций. Счетчик Гейгера своими руками из неоновой лампы может изготовить даже самый неподготовленный сталкер для выживания в постапокалиптическом мире.
Разновидности конструкций самодельных счетчиков Гейгера
Счетчик Гейгера своими руками разработали и изготовили уже многие конструкторы-любители. Вариантов конструкций много. Известны наиболее распространенные схемы самодельных разработок:
- Радиометр, с использованием стартера от лампы дневного света или неоновой лампы в качестве датчика бета- и гамма-излучения.
- Простой самодельный индикатор радиации на базе датчика СТС-5.
- Простейший дозиметр с датчиком СБМ-20.
- Малогабаритный радиационный индикатор на базе датчика СБТ-9.
- Индикатор ионизирующего излучения на базе датчика из полупроводникового прибора - диода.
- Простейший индикатор радиации с самодельным разрядником, изготовленным из ПЭТ-бутылки и консервной банки.
Преимущества и недостатки конструкций
Конструкции самодельных дозиметров и индикаторов радиации с использованием датчиков СБМ-20, СТС-5, СБТ-9 достаточно просты, имеют высокую чувствительность. Но у них есть очень важный недостаток - это промышленные датчики ионизирующего излучения, которые труднодоступны и дороги для покупки.
Индикатор радиации с датчиком из полупроводникового прибора дешев, но, в связи с нелинейностью характеристик полупроводников, труден в настройке, чувствителен к изменению температуры и напряжению питания.
Прибор с самодельным датчиком из ПЭТ-бутылки предельно прост, но требует схемы с полевым транзистором, который не всегда доступен для самодельщика. Кроме того, полевые транзисторы склонны к пробою в условиях сильной радиации.
Наиболее доступными являются конструкции с датчиками на базе стартера от неисправных ламп дневного света или неоновой лампы. К недостаткам датчика из стартера, как и неоновой лампы, необходимо отнести чувствительность к изменению температуры и напряжения питания, необходимость экранирования датчика от света и электромагнитного излучения. К преимуществам относится простота изготовления и настройки счетчика Гейгера своими руками.
Схема индикатора радиации c неоновой лампой в качестве датчика
Изготовление счетчика Гейгера своими руками следует начинать с изучения принципиальной схемы устройства. В этой схеме в качестве датчика гамма- и бета-излучения используется неоновая лампочка.
Рассмотрим принципиальную схему.
Чтобы выпрямить переменный ток, применен диод D1. Для обеспечения постоянного напряжения 100 В использована стабилизационная схема на основе стабилитрона D2. Параметры резистора R1 находятся в зависимости от питающего напряжения Vac и рассчитываются по формуле
R1=(Vac-100V)/(5 мА).
Переменным сопротивлением R2 устанавливается напряжение на неоновой лампочке немного ниже напряжения поджигания. Неоновая лампа в режиме ожидания не должна гореть. При пролете радиоактивных частиц через стеклянную колбу, происходит ионизация инертного газа и вспышка лампы.
В момент вспышки лампы на сопротивлении R3 произойдет падение напряжения, а на неоновой лампе появится напряжение, меньше напряжения удержания. На лампе не будет прохождения тока до момента зажигания ее ионизирующей частицей. В момент краткого протекания тока через лампу в громкоговорителе прозвучит громкий щелчок. После сборки счетчика Гейгера своими руками из неоновой лампы можно приступать к его настройке.
Настройка и калибровка счетчика Гейгера
Разработанная модель постапокалиптического счетчика Гейгера своими руками настраивается просто. Переменным сопротивлением R2 прибор переводится в на грани срабатывания датчика из неоновой лампы. Далее для эксперимента, к индикатору радиоактивности приближается пыльная тряпка и регулирующим резистором R2 подстраивается чувствительность прибора. Так как в пыли полно радиоактивных изотопов, неоновая лампочка индикатора радиоактивности при правильной настройке должна периодически вспыхивать, головка громкоговорителя должна издавать стрекочущие звуки и щелчки.
Для более точной калибровки прибора необходимо применить доступный источник радиации. Им может быть тумблер от военной радиоаппаратуры с нанесенным на него светящимся радиоактивным люминофором. Калибровка осуществляется с помощью образцового стандартного дозиметра. Частота срабатывания самодельного счетчика Гейгера подстраивается под частоту подсчета уровня радиации промышленного дозиметра. Для калибровки также может применяться стандартный источник радиации, которым, как правило, укомплектован военный дозиметр.
Материалы и инструменты для сборки счетчика Гейгера
При сборке своими руками счетчика Гейгера материалы могут применяться любые, доступные радиолюбителю. Главное, чтобы номиналы радиодеталей соответствовали приведенной схеме. Необходимо правильно подобрать в качестве датчика неоновую лампу, чтобы напряжение зажигания примерно соответствовало 100 В. При этом радиодетали могут быть как импортные, так и отечественные. Параметры деталей необходимо подобрать, используя справочную литературу.
Важно отметить, что в приведенной принципиальной схеме использовано переменное напряжение питания от сети Vac =220 В по бестрансформаторной схеме, а это опасно поражением организма электрическим током. Для предотвращения электрической травмы, следует изготовить корпус прибора из электроизоляционного материала. Для этой цели подойдет плексиглас, гетинакс, стеклотекстолит, полистирол, другие слоистые пластики.
При сборке счетчика Гейгера своими руками инструмент применяется самый разнообразный:
- Электрический паяльник мощностью 60 Вт необходим для пайки радиодеталей.
- Ножовка по металлу широко используется для распиливания фольгированного стеклотекстолита, при изготовлении печатной платы. Применяется для раскройки и разрезания пластиковых деталей корпуса.
- Электродрель применяется для сверления отверстий в печатной плате, сборки корпуса на уголках.
- Пинцет крайне необходим для работы с мелкими деталями при пайке и монтаже электрической схемы.
- Бокорезы рекомендуются для обрезки выступающих выводов радиодеталей.
- Для пуско-наладки прибора совершенно необходим элементарный тестер, с помощью которого потребуется провести замеры напряжения в контрольных точках, а также других электрических параметров.
- Для автономного электропитания подлинно постапокалиптического счетчика Гейгера желательно подключить аккумуляторную батарею напряжением 4,5-9 В, для чего применить любую простейшую схему преобразователя напряжения до 220 В переменного тока.
При работе с электричеством и следует выполнять требования техники безопасности.
Регистрация ионизирующих излучений приборами основана на преобразовании излучений детектором и измерительной схемой в электрические сигналы, принятые в практике измерений.
Приборы для измерения ионизирующих излучений могут регистрировать различные физические величины. Наиболее интересны следующие из них: поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы и их мощность, плотность потока частиц, флюенс частиц, объемная, массовая, поверхностная, эффективная активности.
Любой прибор, измеряющий ионизирующие излучения, содержит детектор, измерительную схему (регистратор или анализатор) и вспомогательные элементы.
Детектор преобразует информацию о параметрах излучений в энергию электрического сигнала. По преобразованию энергии излучения в другие виды энергии детекторы можно разделить на следующие группы:
- ионизационные (газовые счетчики, ионизационные камеры, полупроводниковые счетчики);
- сцинтилляционные;
- фотографические;
- химические.
Измерительная схема выделяет, преобразует, накапливает, хранит и выдает информацию в виде электрических сигналов, удобных для наблюдения, записи, вычисления или управления другими приборами. Вспомогательные элементы обеспечивают заданные режимы работы детектора и измерительной схемы. К ним относятся источники питания, блоки программирования режима работы, контроля исправности и градуировки, регистрирующие устройства (цифропечатающие устройства, самописцы, осциллографы, счетчики импульсов и т.д.).
Функциональные схемы приборов в значительной мере определяются формой сигналов, поступающих от детекторов излучений и с выхода измерительной схемы (в виде импульсов – дискретная форма информации или в виде медленно меняющегося тока (напряжения) – аналоговая форма информации).
Приборы с дискретной формой входной и выходной информации могут включать в себя усилители, стандартизаторы и дискриминаторы импульсов, счетные и анализирующие схемы с суммированием и памятью двоичным, десятичным и другими способами счисления.
Импульсы, несущие информацию о параметрах излучения, могут отличаться по амплитуде, форме и времени появления. Разделением этих импульсов но их параметрам с помощью анализирующих устройств удается измерять не только плотность потока излучения по средней скорости следования импульсов, но и энергию, вид и пространственное распределение излучения.
Анализирующие устройства обычно работают в двух режимах обработки информации. В первом случае анализатором отбираются импульсы с заданными параметрами, во втором – сигналы отбираются по группам в зависимости от заданных параметров отбора.
В приборах с аналоговым видом входной и выходной информации применяются электрометрические и выходные усилители постоянного тока. В схемах с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный используются преобразователи и усилители переменного тока.
Для перекрытия необходимого диапазона измерений с заданной точностью в устройствах с аналоговым видом выходной информации применяются показывающие и самопишущие приборы с линейной и нелинейной шкалами (логарифмической, линейно-логарифмической и т.д.), а также цифровые вольтметры с цифропечатающими устройствами.
Информация на выходе приборов может быть как дискретной, так и аналоговой независимо от формы информации на входе.
Аналоговая информация, поступающая от токовых детекторов излучений (ионизационные камеры), в ряде приборов преобразуется в дискретную путем дозирования – квантования зарядов.
Значительное число приборов с дискретной информацией на входе имеют аналоговую выходную информацию; к ним относятся радиометры, рентгенометры, интенсиметры с измерителями средней скорости следования импульсов.
Результаты измерений могут представляться в виде сигналов, наблюдаемых визуально (показания стрелочных приборов, на экране осциллографа или компьютера и т.д.); зафиксированных регистрирующим устройством (счетчиком импульсов, самописцем, цифропtчатающим устройством и т.д.). Сигналы могут быть звуковыми, генерируемыми телефонами, звонками, сиренами и т.д., подаваться для управления другими приборами.
Любой вид излучения при взаимодействии с веществом приводит к появлению ионизации и возбуждения. Заряженные частицы вызывают эти процессы непосредственно, при поглощении g-квантов ионизацию создают быстрые электроны, возникающие в результате фотоэффекта, эффекта Комптона или при рождении пар, а в случае нейтронов ионизация создается быстролетящими ядрами. При этом одна первичная частица может привести к появлению сотен тысяч ионов, благодаря чему сопровождающие ионизацию вторичные эффекты (электрический ток, вспышка света, потемнение фотопластинки и др.) могут быть замечены человеком непосредственно с помощью его органов чувств; иногда эти эффекты остается лишь усилить в нужное число раз. Таким образом, ионизация является как бы своеобразным усилителем явлений взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Поэтому работа всех регистрирующих приборов так или иначе связана с использованием ионизации и возбуждения атомов вещества.
Электроны, образующиеся при различных видах взаимодействий, тормозятся в среде, затрачивая свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов. Образовавшиеся ионы и свободные электроны быстро рекомбинируют, так что заряд через очень короткое время (10-5 с для газов) исчезает. Этого не происходит, если в среде создать электрическое поле. В этом случае носители заряда будут дрейфовать вдоль поля, положительные в одну сторону, отрицательные – в другую. Движение зарядов является электрическим током, измерив который, можно определить величину заряда.
Именно так действует ионизационная камера. Она представляет из себя герметичный объем, наполненный газом, в котором расположены два металлических электрода (рис. 7.1). К электродам приложено электрическое напряжение. При прохождении электрона, образовавшегося при взаимодействии γ-кванта с веществом, свободные заряды – ионы и электроны – дрейфуют к электродам, и в цепи возникает импульс тока, пропорциональный заряду, образованному электроном.
Рис. 7.1.
К сожалению, импульсы тока от электронов, образованных частицами малых энергий и γ-квантами, очень малы. Их трудно точно измерить, поэтому ионизационные камеры используются для регистрации тяжелых частиц, например, α-частиц, которые образуют при прохождении через ионизационную камеру значительно бо́льшие импульсы тока.
Если повысить напряжение на электродах ионизационной камеры, то возникает явление, названное газовым усилением. Свободные электроны, двигаясь в электрическом поле, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов газа, наполняющего камеру. При ионизации электрон образует еще одну пару ион – электрон, так что общее количество зарядов умножается на два, как это показано на рис. 7.2. В свою очередь новообразовавшиеся электроны тоже способны к ионизации, и таким образом заряд умножается еще и еще. При специальной форме электродов коэффициент газового усиления может достигать 105. Существенным здесь является тот факт, что конечный заряд остается пропорционален первичному, а значит, и энергии электрона, образованного частицей или γ-квантом. Именно по этой причине такие приборы называются пропорциональными счетчиками.
Обычно пропорциональный счетчик делают в виде цилиндра, вдоль оси которого натягивают тонкую металлическую проволочку – нить. К корпусу счетчика подключают отрицательный, а к нити – положительный полюс источника тока. При таком устройстве электрическое поле сосредоточивается главным образом около нити и максимальное значение напряженности поля оказывается тем выше, чем меньше радиус нити. Поэтому необходимые для газового усиления большие напряженности полей удается получить при сравнительно небольших разностях потенциалов между корпусом счетчика и нитью.
Рис. 7.2.
Пропорциональные счетчики получили широкое распространение благодаря своей простоте и большим импульсам тока при прохождении заряженных частиц. Сейчас пропорциональные счетчики используют главным образом для регистрации β-излучения, мягкого γ-излучения, α-частиц и нейтронов. На рис. 7.3 представлены основные тины пропорциональных счетчиков.
Рис. 7.3.
В электрическую цепь пропорциональный счетчик включается так же, как и ионизационная камера. И электрические импульсы от него получаются такие же, как от камеры, только большей величины. Казалось бы, стоит только применить достаточно высокое напряжение, чтобы газовое усиление было больше, и пропорциональный счетчик даст настолько большие импульсы, что работать с ними можно будет без дальнейшего усиления. Однако на самом деле это не так. Дело в том, что при больших газовых усилениях счетчик начинает работать нестабильно и пропорциональность между энергией частиц и амплитудой импульса нарушается.
Чтобы избежать появления пробоев и выровнять электрическое поле, счетчик приходится делать очень тщательно, зачищая и полируя его электроды. Отполировать же нить, диаметр которой измеряется сотыми долями миллиметра, очень сложно. Если электрическое поле в счетчике будет неоднородным вдоль нити, то импульс будет зависеть не только от энергии частицы, но и от места ее попадания в счетчик, что, естественно, нежелательно.
Поэтому конструкцию пропорционального счетчика часто приходится усложнять, вводя в него дополнительные электроды для выравнивания поля. В результате всех этих усложнений удается изготовить счетчики с газовыми усилениями в десятки, сотни, а иногда даже в тысячи раз, но и этого зачастую оказывается слишком мало, чтобы с получаемыми от них импульсами можно было работать без последующего усиления.
Рассмотрим, что произойдет, если еще больше увеличить напряжение между электродами счетчика. В этом случае при попадании в счетчик заряженной частицы образуется чрезвычайно мощная лавина электронов, которая с большой скоростью обрушивается на положительный электрод и выбивает из него несколько фотонов – квантов ультрафиолетового излучения.
Эти фотоны, попадая на отрицательный электрод, могут вырвать новые электроны, последние опять устремятся к положительному электроду и т.д. В результате в счетчике возникает так называемый самостоятельный разряд, который будет гореть с постоянной силой независимо от того, попадают в счетчик новые частицы или нет. (Точно так горит разряд в неоновых трубках световых реклам.)
Счетчик же должен реагировать на каждую попадающую в него частицу, поэтому такой режим работы никому не нужен. Однако, применяя специальные схемы включения или добавляя в атмосферу счетчика некоторые тяжелые газы, можно создать условия, при которых возникший при попадании в счетчик частицы самостоятельный разряд сам по себе будет гаснуть через очень короткое время. Таким образом, попадание в счетчик каждой новой частицы будет вызывать появление кратковременного, но довольно сильного тока.
Самым распространенным детектором (датчиком) ионизирующего излучения, работающим в описанном выше режиме, является счетчик Гейгера – Мюллера. Принцип его работы основан на возникновении разряда в газе при пролете ионизирующих частиц. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами, находящийся под напряжением, введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона (устройство должно регистрировать β- и γ-излучение). Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное "окно".
К электродам прикладывают высокое напряжение U (рис. 7.4), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В этом 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 завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.
Рис. 7.4.
Обратный процесс – возвращение газовой среды в ее исходное состояние в так называемых галогеновых счетчиках – происходит сам собой. В действие вступают галогены (обычно хлор или бром), в небольшом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие – "мертвое" время – является важной его паспортной характеристикой. Например, для газоразрядного счетчика Гейгера – Мюллера, типа СБМ-20-1 "мертвое" время при U = 400 В составляет 190 Р/мкс.
Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения – альфа, бета, гамма, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции.
Амплитуда импульса от счетчика Гейгера – Мюллера может достигать нескольких десятков или даже сот вольт. С такими импульсами можно работать без всякого усиления. Но эта победа была завоевана дорогой ценой. Дело в том, что амплитуда импульса в счетчике Гейгера – Мюллера определяется только свойствами самого счетчика и параметрами электрической цепи и совершенно не зависит ни от вида, ни от энергии первичной частицы.
Импульсы от медленного электрона, создавшего всего лишь несколько пар ионов, и от α-частицы, создавшей несколько тысяч ионов, оказываются одинаковыми. Поэтому счетчики Гейгера – Мюллера можно использовать только для подсчета числа пролетевших частиц в однородных полях излучений, но не для определения их типа и энергии.
Изобретенный еще в 1908 г. немецким физиком Гансом Вильгельмом Гейгером прибор, способный определить широко используется и в наши дни. Причиной тому является высокая чувствительность устройства, его возможность регистрировать самые различные излучения. Простота эксплуатации и дешевизна позволяют купить счетчик Гейгера любому человеку, решившему самостоятельно измерить уровень радиации в любое время и в любом месте. Что же это за прибор и как он работает?
Принцип действия счетчика Гейгера
По своей конструкции довольно прост. В герметизированный баллон с двумя электродами закачивается газовая смесь, состоящая из неона и аргона, которая легко ионизируется. На электроды подается (порядка 400В), которое само по себе никаких разрядных явлений не вызывает до того самого момента, пока в газовой среде прибора не начнется процесс ионизации. Появление пришедших извне частиц приводит к тому, что первичные электроны, ускоренные в соответствующем поле, начинают ионизировать иные молекулы газовой среды. В результате под воздействием электрического поля происходит лавинообразное создание новых электронов и ионов, которые резко увеличивают проводимость электронно-ионного облака. В газовой среде счетчика Гейгера происходит разряд. Количество импульсов, возникающих в течение определенного промежутка времени, прямо пропорционально количеству фиксируемых частиц. Таков в общих чертах принцип работы счетчика Гейгера.
Обратный процесс, в результате которого газовая среда возвращается в исходное состояние, происходит сам собой. Под воздействием галогенов (обычно используется бром или хлор) в данной среде происходит интенсивная рекомбинация зарядов. Процесс этот происходит значительно медленнее, а потому время, необходимое для восстановления чувствительности счетчика Гейгера, - очень важная паспортная характеристика прибора.
Несмотря на то что принцип действия счетчика Гейгера довольно прост, он способен реагировать на ионизирующие излучения самых различных видов. Это α-, β-, γ-, а также рентгеновское, нейтронное и Все зависит от конструкции прибора. Так, входное окно счетчика Гейгера, способного регистрировать α- и мягкое β-излучения, выполняется из слюды толщиной от 3 до 10 микрон. Для обнаружения его изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового - из кварца.
Где применяется счетчик Гейгера
Принцип действия счетчика Гейгера положен в основу работы большинства современных дозиметров. Эти небольшие приборы, имеющие относительно невысокую стоимость, отличаются довольно высокой чувствительностью и способны выводить результаты в удобных для восприятия единицах измерения. Простота их использования позволяет эксплуатировать эти приборы даже тем, кто имеет весьма отдаленные понятия о дозиметрии.
По своим возможностям и точности измерений дозиметры бывают профессиональные и бытовые. При помощи них можно своевременно и эффективно определить имеющийся источник ионизированного излучения как на открытой местности, так и внутри помещений.
Эти приборы, использующие в своей работе принцип действия счетчика Гейгера, могут своевременно подать сигнал опасности как при помощи визуальных, так и звуковых или вибросигналов. Так, можно всегда проконтролировать продукты питания, одежду, обследовать мебель, технику, стройматериалы и т. д. на предмет отсутствия вредных для организма человека излучений.
Счетчик Гейгера - Мюллера
Д ля определения уровня радиации применяется специальный прибор – . И для таких приборов бытового и большинства профессиональных устройств дозиметрического контроля, в качестве чувствительного элемента используется счетчик Гейгера . Это часть радиометра позволяет достаточно точно определить уровень радиации.
История появления счетчика Гейгера
В первые, устройство для определения интенсивности распада радиоактивных материалов появилось на свет в 1908 году, его изобрел немецкий физик Ганс Гейгер . Спустя двадцать лет, совместно с еще одним физиком Вальтером Мюллером прибор был усовершенствован, и в честь этих двух ученых и был назван.
В период развития и становления ядерной физики в бывшем советском союзе, также были созданы соответствующие устройства, которые широко применялись в вооруженных силах, на атомных электростанциях, и в специальных группах радиационного контроля гражданской обороны. В состав таких дозиметров, начиная с семидесятых годов прошлого века, входил счетчик, основанный на принципах Гейгера, а именно СБМ-20 . Данный счетчик, ровно, как и еще один его аналог СТС-5 , широко применяется и по настоящий момент, а также входит в состав современных средств дозиметрического контроля .
Рис.1. Газоразрядный счетчик СТС-5.
Рис.2. Газоразрядный счетчик СБМ-20.
Принцип работы счетчика Гейгера – Мюллера
И дея регистрации радиоактивных частиц предложенной Гейгером относительно проста. Она основана на принципе появления электрических импульсов в среде инертного газа под действием высокозаряженной радиоактивной частицы или кванта электромагнитных колебаний. Чтобы подробней остановиться на механизме действия счетчика, остановимся немного на его конструкции и процессах происходящих в нем, при прохождении радиоактивной частицы через чувствительный элемент прибора.
Р егистрирующее устройство представляет собой герметичный баллон или контейнер, который наполняется инертным газом, это может быть неон, аргон и т.д. Такой контейнер может быть изготовлен из металла или стекла, причем газ в нем находиться под низким давлением, это делается специально, чтобы упростить процесс регистрации заряженной частицы. Внутри контейнера расположены два электрода (катод и анод) на которые подается высокое напряжение постоянного тока через специальный нагрузочный резистор.
Рис.3. Устройство и схема включения счетчика Гейгера.
П ри активации счетчика в среде инертного газа на электродах не возникает разряда за счет высокого сопротивления среды, однако ситуация меняется если в камеру чувствительного элемента прибора попадает радиоактивная частица или квант электромагнитных колебаний. В этом случае частица, имеющая заряд достаточно высокой энергии, выбивает некоторое количество электронов из ближайшего окружения, т.е. из элементов корпуса или физически самих электродов. Такие электроны, оказавшись в среде инертного газа, под действием высокого напряжения между катодом и анодом, начинают двигаться в сторону анода, по пути ионизируя молекулы этого газа. В результате они выбивают из молекул газа вторичные электроны, и этот процесс растет в геометрических масштабах, пока между электродами не происходит пробой. В состоянии разряда цепь замыкается на очень короткий промежуток времени, а это обуславливает скачок тока в нагрузочном резисторе, и именно этот скачок и позволяет зарегистрировать прохождение частицы или кванта через регистрационную камеру.
Т акой механизм позволяет зарегистрировать одну частицу, однако в среде, где ионизирующее излучение достаточно интенсивно, требуется быстрое возвращение регистрационной камеры в исходное положение, для возможности определения новой радиоактивной частицы . Это достигается двумя различными способами. Первый из них заключается в том, чтобы на короткий промежуток времени прекратить подачу напряжения на электроды, в этом случае ионизация инертного газа резко прекращается, а новое включение испытательной камеры, позволяет начать регистрацию с самого начала. Такой тип счетчиков носит название несамогасящиеся дозиметры . Второй тип устройств, а именно самогасящиеся дозиметры, принцип их действия заключается в добавлении в среду инертного газа специальных добавок на основе различных элементов, к примеру, бром, йод, хлор или спирт. В этом случае их присутствие автоматически приводит к прекращению разряда. При таком строении испытательной камеры в качестве нагрузочного резистора используются сопротивления иногда на несколько десятков мегаом. Это позволяет во время разряда резко уменьшить разность потенциалов на концах катода и анода, что прекращает токопроводящий процесс и камера возвращается в исходное состояние. Стоит отметить, что напряжение на электродах менее 300 вольт автоматически прекращает поддержание разряда.
Весь описанный механизм позволяет регистрировать огромное количество радиоактивных частиц за короткий промежуток времени.
Виды радиоактивного излучения
Ч тобы понимать, что именно регистрируют счетчики Гейгера – Мюллера , стоит остановиться на том, и какие виды ее существуют. Сразу стоит оговориться, что газоразрядные счетчики, которые входят в состав большинства современных дозиметров, способны только зарегистрировать количество радиоактивных заряженных частиц или квантов, но не могут определить, ни их энергетических характеристик, ни тип излучения. Для этого дозиметры делают более многофункциональными и целевыми, и чтобы правильно их сравнивать следует более точно понимать их возможности.
П о современным представлениям ядерной физики радиационное излучение можно разделить на два типа, первый в виде электромагнитного поля , второй в виде потока частиц (корпускулярное излучение). К первому типу можно отнести поток гамма-частиц или рентгеновское излучение . Главной их особенностью является способность распространяться в виде волны на очень большие расстояния, при этом они достаточно легко проходят через различные предметы и могут без труда проникать в самые различные материалы. Для примера, если человеку нужно спрятаться от потока гамма-лучей, вследствие ядерного взрыва, то укрывшись в подвале дома или бомбоубежища, при условии его относительной герметичности, он сможет обезопасить себя от этого типа излучения только на 50 процентов.
Рис.4. Кванты рентгеновского и гамма-излучения.
Т акой тип излучения носит импульсный характер и характеризуется распространением в окружающей среде в виде фотонов или квантов, т.е. коротких вспышек электромагнитного излучения. Такое излучение может иметь различные энергетические и частотные характеристики, к примеру, рентгеновское излучение имеет в тысячи раз меньшую частоту, чем гамма–лучи. Поэтому гамма-лучи существенно более опасны для человеческого организма и их воздействие носит значительно более разрушительный характер.
И злучение, основанное на корпускулярном принципе, это альфа и бета частицы (корпускулы). Они возникают в результате ядерной реакции, при которой происходит превращение одних радиоактивных изотопов в другие с выделением колоссального количества энергии. При этом бета-частицы представляют собой поток электронов, а альфа-частицы, существенно более крупные и более устойчивые образования, состоящие из двух нейтронов и двух протонов связанных друг с другом. По сути, такое строение имеет ядро атома гелия, поэтому вполне можно утверждать, что поток альфа-частиц это поток ядер гелия.
П ринята следующая классификация , наименьшей проникающей способностью обладают альфа-частицы, чтобы от них защититься, человеку достаточно и плотного картона, большей проникающей способностью обладают бета-частицы, чтобы человек мог обезопасить себя от потока такого излучения ему потребуется уже металлическая защита в несколько миллиметров толщиной (к примеру, алюминиевый лист). От гамма - квантов практически не существует защиты, и они распространяются на значительные расстояния, затухая по мере отдаления от эпицентра или источника, и подчиняясь законам распространения электромагнитных волн.
Рис.5. Радиоактивные частицы альфа и бета типа.
К оличество энергии, которой обладают все эти три типа излучения, также различны, и наибольшей из них обладает поток альфа частиц. Для примера, энергия, которой обладают альфа частицы в семь тысяч раз больше, чем энергия бета-частиц , т.е. проникающая способность различных типов радиации, находится в обратно пропорциональной зависимости от их проникающей способности.
Д ля человеческого организма наиболее опасным типом радиоактивного излучения считаются гамма кванты , за счет высокой проникающей способности, а затем по убывающей, бета-частицы и альфа-частицы. Поэтому, определить альфа-частицы достаточно трудно, если сказать невозможно обычным счетчиком Гейгера - Мюллера , так как для них является препятствием практически любой объект, не говоря уже о стеклянном или металлическом контейнере. Определить бета-частицы таким счетчиком можно, но лишь в том случае, когда их энергии достаточно для прохождения через материал контейнера счетчика.
Для бета-частиц с малыми энергиями обычный счетчик Гейгера – Мюллера неэффективен.
О братная ситуация с гамма-излучением, есть вероятность, что они насквозь пройдут через контейнер, не запустив реакцию ионизации. Для этого в счетчиках устанавливают специальный экран (из плотной стали или свинца), который позволяет снизить энергию гамма-квантов и активировать, таким образом, разряд в камере счетчика.
Базовые характеристики и отличия счетчиков Гейгера – Мюллера
С тоит также осветить некоторые базовые характеристики и отличия различных дозиметров, оборудованных газоразрядными счетчиками Гейгера – Мюллера . Для этого следует сравнить некоторые из них.
Наиболее распространенные счетчики Гейгера – Мюллера оборудованы цилиндрическими или торцевыми датчиками . Цилиндрические похожи на продолговатый цилиндр в виде трубки с небольшим радиусом. Торцевая ионизационная камера имеет округлую или прямоугольную форму небольших размеров, но со значительной торцевой рабочей поверхностью. Иногда встречаются разновидности торцевых камер с удлиненной цилиндрической трубкой с небольшим входным окном с торцевой стороны. Различные конфигурации счетчиков, а именно самих камер, в состоянии регистрировать разные типы излучений, или же их комбинации, (к примеру, комбинации гамма и бета лучей, или всего спектра альфа, бета и гамма). Такое становится возможным благодаря специально разработанной конструкции корпуса счетчика, а также материала, из которого он изготавливается.
Е ще одной важной составляющей для целевого применения счетчиков это площадь входного чувствительного элемента и рабочей зоны . Другими словами это сектор, через который будут попадать, и регистрироваться интересующие нас радиоактивные частицы. Чем больше эта площадь, тем больше счетчик будет в состоянии уловить частиц, и тем сильнее будет его чувствительность к радиации. В паспортных данных к указывается площадь рабочей поверхности, как правило, в квадратных сантиметрах.
Е ще один важный показатель, который указывается в характеристиках к дозиметру, это величина шума (измеряется в импульсах в секунду). Другими словами, этот показатель можно назвать величиной собственного фона. Его можно определить в лабораторных условиях, для этого прибор помещают в хорошо защищенном помещении или камере, как правило, с толстыми стенками из свинца, и регистрируют уровень радиации, который испускает само устройство. Понятно, что если такой уровень будет достаточно существенным, то эти наведенные шумы непосредственно отразятся на погрешности измерений.
Каждый профессиональный и радиации обладает такой характеристикой, как радиационная чувствительность, также измеряется в импульсах в секунду (имп/с), или в импульсах на микрорентген (имп/мкР). Такой параметр, а точнее его использование, напрямую зависит от источника ионизирующего излучения, на который настраивается счетчик, и по которому будет проводиться дальнейшее измерение. Часто настройку производят по источникам, включающим такие радиоактивные материалы как, радий – 226, кобальт – 60, цезий – 137, углерод – 14 и другие.
Е ще один показатель, по которому стоит сравнивать дозиметры, это эффективность регистрации ионного излучения или радиоактивных частиц. Существование этого критерия связано с тем, что не все пройденные через чувствительный элемент дозиметра радиоактивные частицы будут зарегистрированы. Это может происходить в случае, когда квант гамма-излучения не вызвал ионизацию в камере счетчика, или количество прошедших частиц и вызвавших ионизацию и разряд столь велико, что устройство неадекватно их подсчитывает, и по некоторым другим причинам. Чтобы точно определить данную характеристику конкретного дозиметра, его тестируют при помощи некоторых радиоактивных источников, к примеру, плутония- 239 (для альфа-частиц), или таллия – 204, стронция – 90, иттрия - 90 (бета-излучатель), а также других радиоактивных материалов.
С ледующий критерий, на котором необходимо остановиться, это диапазон регистрируемых энергий . Любая радиоактивная частица или квант излучения обладают различной энергетической характеристикой. Поэтому, дозиметры рассчитаны на измерение не только конкретного типа излучения, но и на их соответствующую энергетическую характеристику. Такой показатель измеряется в мегаэлектронвольтах или килоэлектронвольтах, (МэВ, КэВ). К примеру, если бета-частицы не обладают достаточной энергией, то они не смогут выбить электрон в камере счетчика, и поэтому не будут зарегистрированы, или, только высокоэнергетические альфа-частицы смогут пробиться через материал корпуса счетчика Гейгера – Мюллера и выбить электрон.
И сходя из всего вышеизложенного, современные производители дозиметров радиации выпускают широкий ассортимент приборов для различных целевых назначений и конкретных отраслей промышленности. Поэтому стоит рассмотреть конкретные разновидности счетчиков Гейгера.
Различные варианты счетчиков Гейгера – Мюллера
П ервый вариант дозиметров, это устройства, рассчитанные на регистрацию и обнаружение гамма-фотонов и высокочастотного (жесткого) бета-излучения. На данный диапазон измерений рассчитаны практически все из ранее произведенных и современных, как бытовых например: , так и профессиональных дозиметров радиации, например: . Такое излучение обладает достаточной энергией и большой проникающей способностью, чтобы камера счетчика Гейгера смогла их зарегистрировать. Такие частицы и фотоны легко проникают через стенки счетчика и вызывают процесс ионизации, а это легко регистрируется соответствующей электронной начинкой дозиметра.
Д ля регистрации такого типа радиации прекрасно подходят популярные счетчики типа СБМ-20 , имеющие датчик в виде цилиндрической трубки-баллона с расположенными коаксиально проволочными катодом и анодом. Причем, стенки трубки датчика служат одновременно катодом и корпусом, и изготовлены из нержавеющей стали. Данный счетчик имеет следующие характеристики:
- площадь рабочей зоны чувствительного элемента 8 квадратных сантиметров;
- радиационная чувствительность по гамма излучению порядка 280 имп/с, или 70 имп/мкР (тестирование проводилось по цезию – 137 при 4 мкР/с);
- собственный фон дозиметра составляет порядка 1 имп/с;
- датчик рассчитан на регистрацию гамма-излучения с энергией в диапазоне от 0,05МэВ до 3МэВ, и бета-частиц с энергией 0,3МэВ по нижней границе.
Рис.6. Устройство счетчика Гейгера СБМ-20.
У данного счетчика существовали различные модификации, к примеру, СБМ-20- 1 или СБМ-20У , которые имеют похожие характеристики, но отличаются принципиальной конструкцией контактных элементов и измерительной схемой. Другие модификации этого счетчика Гейгера – Мюллера, а это СБМ-10, СИ29БГ, СБМ-19, СБМ-21, СИ24БГ имеют похожие параметры также, многие из них встречаются в бытовых дозиметрах радиации, которые можно найти в магазинах и на сегодняшний день.
С ледующая группа дозиметров радиации рассчитана на регистрацию гамма-фотонов и рентгеновского излучения . Если говорить о точности таких устройств, то следует понимать, что фотонное и гамма излучение представляет собой кванты электромагнитного излучения, которые движутся со скоростью света (порядка 300 000 км/с), поэтому зарегистрировать подобный объект представляется достаточно трудной задачей.
Эффективность работы таких счетчиков Гейгера составляет порядка одного процента.
Ч тобы повысить ее требуется увеличение поверхности катода. По сути, гамма-кванты регистрируются косвенным способом, благодаря выбитым ими электронам, которые участвуют в последствие в ионизации инертного газа. Чтобы максимально эффективно способствовать этому явлению, специально подбираются материал и толщина стенок камеры счетчика, а также размеры, толщина и материал катода. Здесь, большая толщина и плотность материала могут снизить чувствительность регистрационной камеры, а слишком малая позволит легко попадать высокочастотному бета-излучению в камеру, а также увеличит количество естественных для прибора радиационных шумов, что заглушит точность определения гамма-квантов. Естественно, что точные пропорции подбираются производителями. По сути, на данном принципе, изготавливаются дозиметры на основании счетчиков Гейгера – Мюллера для прямого определения гамма излучения на местности, при этом такой прибор исключает возможность определения любых других видов излучения и радиоактивного воздействия, что позволяет точно определить радиационную загрязненность и уровень негативного воздействия на человека только по гамма-излучению.
В отечественных дозиметрах, которые оснащены цилиндрическими датчиками, устанавливаются следующие их типы: СИ22Г, СИ21Г, СИ34Г, Гамма 1-1, Гамма – 4, Гамма – 5, Гамма – 7ц, Гамма – 8, Гамма – 11 и многие другие. Причем в некоторых типах устанавливается специальный фильтр на входном, торцевом, чувствительном окне, который специально служит для отсечения альфа и бета-частиц, и дополнительно увеличивающий площадь катода, для более эффективного определения гамма-квантов. К таким датчикам можно отнести Бета – 1М, Бета – 2М, Бета – 5М, Гамма – 6, Бета – 6М и прочие.
Ч тобы понять более наглядно принцип их действия стоит подробней рассмотреть один из таких счетчиков. К примеру, торцевой счетчик с датчиком Бета – 2М , который имеет округлую форму рабочего окна, составляющего порядка 14 квадратных сантиметров. При этом радиационная чувствительность к кобальту - 60 составляет порядка 240 имп/мкР. Данный тип счетчика имеет очень низкие показатели собственного шума , который составляет не более 1 импульса в секунду. Это возможно за счет толстостенной свинцовой камеры, которая в свою очередь рассчитана на регистрацию фотонного излучения с энергией в диапазоне от 0,05 МэВ до 3 МэВ.
Рис.7. Торцевой гамма-счетчик Бета-2М.
Для определения гамма излучения вполне можно использовать счетчики для гамма-бета импульсов, которые рассчитаны на регистрацию жестких (высокочастотных и высокоэнергетических) бета-частиц и гамма-квантов. К примеру, модель СБМ – 20. Если в этой модели дозиметра вы хотите исключить регистрацию бета-частиц, то для этого достаточно установить свинцовый экран, или щит из любого другого металлического материала (свинцовый экран эффективнее). Это наиболее распространенный способ, каким пользуются большинство разработчиков при создании счетчиков для гамма и рентгеновского излучения.
Регистрация «мягкого» бета-излучения.
К ак мы уже ранее упоминали, регистрация мягкого бета излучения (излучение с низкими энергетическими характеристиками и сравнительно небольшой частоты), достаточно трудная задача. Для этого требуется обеспечить возможность более легкого их проникновения в регистрационную камеру. Для этих целей, изготавливается специальное тонкое рабочее окно, как правило, из слюды или полимерной пленки, которое практически не создает препятствий для проникновения бета-излучения этого типа в ионизационную камеру. При этом катодом может выступать непосредственно сам корпус датчика, а анод представляет собой систему линейных электродов, которые равномерно распределены и смонтированы на изоляторах. Регистрационное окно выполнено в торцевом варианте, и на пути бета-частиц в таком случае оказывается только тонкая слюдяная пленка. В дозиметрах с такими счетчиками регистрация гамма излучения идет, как приложение и по сути, как дополнительная возможность. А если требуется избавиться от регистрации гамма-квантов, то необходимо минимизировать поверхность катода.
Рис.8. Устройство торцевого счетчика Гейгера.
С тоит отметить, что счетчики для определения мягких бета-частиц были созданы уже достаточно давно и с успехом применялись во второй половине прошлого века. Среди них наиболее распространенными были датчики типа СБТ10 и СИ8Б , которые имели тонкостенные слюдяные рабочие окна. Более современный вариант такого прибора Бета-5 имеет площадь рабочего окна порядка 37 кв/см, прямоугольной формы из слюдяного материала. Для таких размеров чувствительного элемента, прибор в состоянии регистрировать около 500 имп/мкР, если измерять по кобальту – 60. При этом эффективность определения частиц составляет до 80 процентов. Прочие показатели этого прибора выглядят следующим образом: собственный шум составляет 2,2 имп/с., диапазон определения энергий от 0,05 до 3 МэВ, при этом нижний порог определения мягкого бета-излучения составляет 0,1 МэВ.
Рис.9. Торцевой бета-гамма-счетчик Бета-5.
И естественно, стоит упомянуть о счетчиках Гейгера – Мюллера , способных регистрировать альфа-частицы. Если регистрация мягкого бета-излучения представляется достаточно сложной задачей, то зафиксировать альфа-частицу, даже имеющую высокие энергетические показатели, еще более сложная задача. Такую проблему можно решить только соответствующим уменьшением толщины рабочего окна до толщины, которой будет достаточно для прохождения альфа-частицы в регистрационную камеру датчика, а также практически полным приближением входного окна к источнику излучения альфа-частиц. Такое расстояние должно равняться 1 мм. Понятно, что такое устройство автоматически будет регистрировать любые другие типы излучения, и, причем с достаточно высокой эффективностью. В этом есть и положительная и отрицательная сторона:
Положительная – такой прибор можно использовать для самого широкого спектра анализа радиоактивного излучения
Отрицательная – за счет повышенной чувствительности, будет возникать значительное количество шумов, которые затруднят анализ полученных регистрационных данных.
К роме того, слишком тонкое слюдяное рабочее окно хотя и повышает возможности счетчика, однако в ущерб механической прочности и герметичности ионизационной камеры, тем более что само окно имеет достаточно большую площадь рабочей поверхности. Для сравнения, в счетчиках СБТ10 и СИ8Б, о которых мы упоминали выше, при площади рабочего окна около 30 кв/см, толщина слюдяного слоя составляет 13 – 17 мкм, а при необходимой толщине для регистрации альфа-частиц в 4-5 мкм, входное окно можно сделать лишь не более 0,2 кв/см., речь идет о счетчике СБТ9.
О днако, большую толщину регистрационного рабочего окна можно компенсировать близостью к радиоактивному объекту, и наоборот при сравнительно небольшой толщине слюдяного окна, появляется возможность зарегистрировать альфа-частицу на уже большем расстоянии, чем 1 -2 мм. Стоит привести пример, при толщине окна до 15 мкм, приближение к источнику альфа-излучения должно составлять менее 2 мм, при этом под источником альфа-частиц понимается излучатель плутоний – 239 с энергией излучения 5 МэВ. Продолжим, при толщине входного окна до 10 мкм, зарегистрировать альфа-частицы возможно уже на расстоянии до 13 мм, если сделать слюдяное окно толщиной до 5 мкм, то альфа-излучение будет регистрироваться на расстоянии 24 мм, и т.д. Еще один важный параметр, который напрямую влияет на возможность обнаружения альфа-частиц, это их энергетический показатель. Если энергия альфа-частицы больше чем 5 МэВ, то соответственно увеличиться расстояние ее регистрации для толщины рабочего окна любого типа, а если энергия меньше, то и расстояние требуется уменьшать, вплоть до полной невозможности зарегистрировать мягкое альфа-излучение.
Е ще одним важным моментом, позволяющим увеличить чувствительность альфа счетчика, это уменьшение регистрационной способности для гамма-излучения. Чтобы сделать это, достаточно минимизировать геометрические размеры катода, и гамма-фотоны будут проходить через регистрационную камеру не вызывая ионизации. Такая мера позволяет уменьшить влияние на ионизацию гамма-квантов в тысячи, и даже десятки тысяч раз. Устранить влияние бета-излучения на регистрационную камеру уже не представляется возможным, однако из этой ситуации есть довольно простой выход. Вначале регистрируется альфа и бета излучение суммарного типа, затем устанавливается фильтр из плотной бумаги, и совершается повторный замер, который зарегистрирует только бета-частицы. Величина альфа-излучения в этом случае рассчитывается как разность общего излучения и отдельного показателя расчета бета-излучения.
Для примера , стоит предложить характеристики современного счетчика Бета-1, который позволяет зарегистрировать альфа, бета, гамма излучения. Вот эти показатели:
- площадь рабочей зоны чувствительного элемента 7 кв/см;
- толщина слюдяного слоя 12 мкм, (расстояние эффективного обнаружения альфа-частиц по плутонию – 239, порядка 9 мм,. По кобальту - 60 радиационная чувствительность достигается порядка 144 имп/мкР);
- эффективность измерения радиации для альфа-частиц - 20% (по плутонию - 239), бета-частиц – 45% (по таллию -204), и гамма-квантов – 60% (по составу стронций – 90, иттрий – 90);
- собственный фон дозиметра составляет порядка 0,6 имп/с;
- датчик рассчитан на регистрацию гамма-излучения с энергией в диапазоне от 0,05МэВ до 3МэВ, и бета-частиц с энергией более 0,1 МэВ по нижней границе, и альфа-частиц с энергией 5МэВ и более.
Рис.10. Торцевой альфа-бета-гамма-счетчик Бета-1.
К онечно, существует еще достаточно широкий ряд счетчиков , которые предназначены для более узкого и профессионального использования. Такие приборы имеют ряд дополнительных настроек и опций (электрические, механические, радиометрические, климатические и пр.), которые включают в себя множество специальных терминов и возможностей. Однако на них мы концентрироваться не будем. Ведь для понимания базовых принципов действия счетчиков Гейгера – Мюллера , описанных выше моделей вполне достаточно.
В ажно также упомянуть, что существуют специальные подклассы счетчиков Гейгера , которые специально сконструированы для определения различных видов другого излучения. К примеру, для определения величины ультрафиолетового излучения, для регистрации и определения медленных нейтронов, которые функционируют по принципу коронного разряда, и другие варианты, которые не относятся к данной теме напрямую, и рассматриваться не будут.
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.