Лічильник Гейгера - Мюллера

Д ля визначення рівня радіації застосовується спеціальний прилад – . І для таких приладів побутового та більшості професійних пристроїв дозиметричного контролю, як чутливий елемент використовується лічильник Гейгера . Ця частина радіометра дозволяє досить точно визначити рівень радіації.

Історія появи лічильника Гейгера

У перші, пристрій для визначення інтенсивності розпаду радіоактивних матеріалів з'явився на світ у 1908 році, його винайшов німецький фізик Ганс Гейгер . Через двадцять років, разом із ще одним фізиком Вальтер Мюллер прилад був удосконалений, і на честь цих двох вчених був названий.

У період розвитку та становлення ядерної фізики у колишньому радянському союзі, також було створено відповідні пристрої, які широко застосовувалися у збройних силах, на атомних електростанціях та у спеціальних групах радіаційного контролю цивільної оборони. До таких дозиметрів, починаючи з сімдесятих років минулого століття, входив лічильник, заснований на принципах Гейгера, а саме СБМ-20 . Даний лічильник, так само, як і ще один його аналог СТС-5 , широко застосовується і зараз, а також входить до складу сучасних засобів дозиметричного контролю .

Рис.1. Газорозрядний лічильник СТС-5.

Рис.2. Газорозрядний лічильник СБМ-20

Принцип роботи лічильника Гейгера – Мюллера

І дія реєстрації радіоактивних частинок запропонованої Гейгер відносно проста. Вона заснована на принципі появи електричних імпульсів серед інертного газу під дією високозарядженої радіоактивної частинки або кванта електромагнітних коливань. Щоб детальніше зупинитися на механізмі дії лічильника, зупинимося трохи на його конструкції та процесах, що відбуваються в ньому, при проходженні радіоактивної частки через чутливий елемент приладу.

Р егіструючий пристрій є герметичний балон або контейнер, який наповнюється інертним газом, це може бути неон, аргон і т.д. Такий контейнер може бути виготовлений з металу або скла, причому газ у ньому перебуватиме під низьким тиском, це робиться спеціально, щоб спростити процес реєстрації зарядженої частинки. Усередині контейнера розташовані два електроди (катод та анод) на які подається висока напруга постійного струму через спеціальний резистор навантаження.

Рис.3. Пристрій та схема включення лічильника Гейгера.

П ри активації лічильника в середовищі інертного газу на електродах не виникає розряду за рахунок високого опору середовища, проте ситуація змінюється якщо в камеру чутливого елемента приладу потрапляє радіоактивна частка або квант електромагнітних коливань. І тут частка, має заряд досить високої енергії, вибиває кілька електронів з найближчого оточення, тобто. з елементів корпусу чи фізично самих електродів. Такі електрони, опинившись серед інертного газу, під впливом високої напруги між катодом і анодом, починають рухатися убік анода, шляхом іонізуючи молекули цього газу. В результаті вони вибивають із молекул газу вторинні електрони, і цей процес зростає в геометричних масштабах, поки між електродами не відбувається пробою. У стані розряду ланцюг замикається на дуже короткий проміжок часу, а це зумовлює стрибок струму в резисторі навантаження, і саме цей стрибок і дозволяє зареєструвати проходження частки або кванта через реєстраційну камеру.

Т Який механізм дозволяє зареєструвати одну частинку, однак у середовищі, де іонізуюче випромінювання досить інтенсивно, потрібно швидке повернення реєстраційної камери у вихідне положення, для можливості визначення нової радіоактивної частки . Це досягається двома різними способами. Перший полягає в тому, щоб на короткий проміжок часу припинити подачу напруги на електроди, в цьому випадку іонізація інертного газу різко припиняється, а нове включення випробувальної камери дозволяє почати реєстрацію з самого початку. Такий тип лічильників має назву незмаганні дозиметри . Другий тип пристроїв, а саме дозиметри, що самогасяться, принцип їх дії полягає в додаванні в середовище інертного газу спеціальних добавок на основі різних елементів, наприклад, бром, йод, хлор або спирт. У цьому випадку їхня присутність автоматично призводить до припинення розряду. При такій будові випробувальної камери в якості резистора навантаження використовуються опори іноді на кілька десятків мегаом. Це дозволяє під час розряду різко зменшити різницю потенціалів на кінцях катода та анода, що припиняє струмопровідний процес і камера повертається у вихідний стан. Варто відзначити, що напруга на електродах менше 300 вольт автоматично припиняє підтримку розряду.

Весь описаний механізм дозволяє реєструвати величезну кількість радіоактивних частинок протягом короткого проміжку часу.

Види радіоактивного випромінювання

Ч щоб розуміти, що саме реєструють лічильники Гейгера – Мюллера варто зупинитися на тому, і які види її існують. Відразу варто зазначити, що газорозрядні лічильники, які входять до складу більшості сучасних дозиметрів, здатні лише зареєструвати кількість радіоактивних заряджених частинок або квантів, але не можуть визначити ні їхні енергетичні характеристики, ні тип випромінювання. Для цього дозиметри роблять більш багатофункціональними та цільовими, і щоб правильно їх порівнювати слід точніше розуміти їхні можливості.

П про сучасні уявлення ядерної фізики радіаційне випромінювання можна розділити на два типи, перший у вигляді електромагнітного поля , другий у вигляді потоку частинок (Корпускулярне випромінювання). До першого типу можна віднести потік гамма-часток або рентгенівське випромінювання . Головною їх особливістю є здатність поширюватися у вигляді хвилі на дуже великі відстані, при цьому вони досить легко проходять через різні предмети і можуть легко проникати в різні матеріали. Наприклад, якщо людині потрібно сховатися від потоку гамма-променів, внаслідок ядерного вибуху, то сховавшись у підвалі будинку чи бомбосховища, за умови його відносної герметичності, він зможе убезпечити себе від цього типу випромінювання лише на 50 відсотків.

Рис.4. Кванти рентгенівського та гамма-випромінювання.

Т Який тип випромінювання носить імпульсний характері і характеризується поширенням у навколишньому середовищі як фотонів чи квантів, тобто. коротких спалахів електромагнітного випромінювання. Таке випромінювання може мати різні енергетичні та частотні характеристики, наприклад, рентгенівське випромінювання має у тисячі разів меншу частоту, ніж гамма-промені. Тому гамма-промені значно небезпечніші для людського організму та їх вплив має значно більш руйнівний характер.

І випромінювання, засноване на корпускулярному принципі, це альфа та бета частки (корпускули). Вони виникають в результаті ядерної реакції, при якій відбувається перетворення одних радіоактивних ізотопів на інші з виділенням колосальної кількості енергії. При цьому бета-частинки є потік електронів, а альфа-частинки, істотно більші і більш стійкі утворення, що складаються з двох нейтронів і двох протонів пов'язаних один з одним. По суті, така будова має ядро ​​атома гелію, тому можна стверджувати, що потік альфа-частинок це потік ядер гелію.

Прийнята наступна класифікація , найменшою проникаючою здатністю володіють альфа-частинки, щоб від них захиститися, людині достатньо і щільного картону, більшою проникаючою здатністю володіють бета-частинки, щоб людина могла убезпечити себе від потоку такого випромінювання їй потрібно буде металевий захист в кілька міліметрів завтовшки (наприклад, алюмінієвий лист). Від гамма - квантів практично немає захисту, і вони поширюються на значні відстані, згасаючи у міру віддалення від епіцентру чи джерела, і підкоряючись законам поширення електромагнітних хвиль.

Рис.5. Радіоактивні частинки альфа та бета типу.

До кількість енергії, якою володіють всі ці три типи випромінювання, також різні, і найбільшою з них має потік альфа частинок. Для прикладу, енергія, якою володіють альфа частки у сім тисяч разів більше, ніж енергія бета-часток , тобто. проникаюча здатність різних типів радіації, знаходиться у зворотному пропорційної залежності від їхньої проникаючої здатності.

Д ля людського організму найбільш небезпечним типом радіоактивного випромінювання вважаються гама кванти , за рахунок високої проникаючої здатності, а потім за спадною, бета-частинки та альфа-частинки. Тому визначити альфа-частинки досить важко, якщо сказати неможливо звичайним лічильником. Гейгера - Мюллера, тому що для них є перешкодою практично будь-який об'єкт, не кажучи вже про скляний або металевий контейнер. Визначити бета-частинки таким лічильником можна, але лише в тому випадку, коли їхньої енергії достатньо для проходження через матеріал контейнера лічильника.

Для бета-частинок із малими енергіями звичайний лічильник Гейгера – Мюллера неефективний.

Про Братна ситуація з гамма-випромінюванням, є можливість, що вони наскрізь пройдуть через контейнер, не запустивши реакцію іонізації. Для цього в лічильниках встановлюють спеціальний екран (з щільної сталі або свинцю), який дозволяє знизити енергію гамма-квантів та активувати таким чином розряд у камері лічильника.

Базові характеристики та відмінності лічильників Гейгера – Мюллера

З таїть також висвітлити деякі базові характеристики та відмінності різних дозиметрів, обладнаних газорозрядними лічильниками Гейгера – Мюллера. Для цього слід порівняти деякі з них.

Найбільш поширені лічильники Гейгера – Мюллера обладнані циліндричнимиабо торцевими датчиками. Циліндричні схожі на довгастий циліндр у вигляді трубки з невеликим радіусом. Торцева іонізаційна камера має округлу або прямокутну форму невеликих розмірів, але зі значною робочою торцевою поверхнею. Іноді зустрічаються різновиди торцевих камер з подовженою трубкою циліндричної з невеликим вхідним вікном з торцевої сторони. Різні зміни лічильників, зокрема самих камер, можуть реєструвати різні типи випромінювань, або їх комбінації, (наприклад, комбінації гамма і бета променів, або всього спектра альфа, бета і гамма). Таке стає можливим завдяки спеціально розробленій конструкції корпусу лічильника, а також матеріалу, з якого він виготовляється.

Е ще однією важливою складовою для цільового застосування лічильників це площа вхідного чутливого елемента та робочої зони . Тобто це сектор, через який будуть потрапляти, і реєструватися цікаві для нас радіоактивні частинки. Чим більша ця площа, тим більше лічильник зможе вловити частинок, і тим сильніше буде його чутливість до радіації. У паспортних даних вказується площа робочої поверхні, як правило, у квадратних сантиметрах.

Е ще один важливий показник, який вказується у характеристиках до дозиметра, це величина шуму (Вимірюється в імпульсах в секунду). Іншими словами, цей показник можна назвати величиною власного тла. Його можна визначити в лабораторних умовах, для цього прилад поміщають у добре захищеному приміщенні або камері, як правило, з товстими стінками зі свинцю, і реєструють рівень радіації, що випускає пристрій. Зрозуміло, якщо такий рівень буде досить суттєвим, то ці наведені шуми безпосередньо позначаться на похибки вимірювань.

Кожен професійний і радіації має таку характеристику, як радіаційна чутливість, також вимірюється в імпульсах на секунду (імп/с), або в імпульсах на мікрорентген (імп/мкР). Такий параметр, а точніше його використання, безпосередньо залежить від джерела іонізуючого випромінювання, на який налаштовується лічильник, і яким буде проводитися подальший вимір. Часто налаштування проводять за джерелами, що включають такі радіоактивні матеріали як радій – 226, кобальт – 60, цезій – 137, вуглець – 14 та інші.

Е ще один показник, за яким варто порівнювати дозиметри, це ефективність реєстрації іонного випромінювання чи радіоактивних частинок. Існування цього критерію пов'язане з тим, що не всі пройдені через чутливий елемент дозиметра радіоактивні частки будуть зареєстровані. Це може відбуватися у випадку, коли квант гамма-випромінювання не викликав іонізацію в камері лічильника, або кількість частинок, що пройшли, і викликали іонізацію і розряд настільки велике, що пристрій неадекватно їх підраховує, і з деяких інших причин. Щоб точно визначити цю характеристику конкретного дозиметра, його тестують за допомогою деяких радіоактивних джерел, наприклад, плутонію - 239 (для альфа-часток), або талію - 204, стронцію - 90, ітрію - 90 (бета-випромінювач), а також інших радіоактивні матеріали.

З крижаний критерій, на якому необхідно зупинитися, це діапазон реєстрованих енергій . Будь-яка радіоактивна частка або квант випромінювання мають різну енергетичну характеристику. Тому дозиметри розраховані на вимір не тільки конкретного типу випромінювання, а й на їхню відповідну енергетичну характеристику. Такий показник вимірюється в мегаелектронвольтах або кілоелектронвольтах (МеВ, КеВ). Наприклад, якщо бета-частинки не мають достатньої енергією, то вони не зможуть вибити електрон у камері лічильника, і тому не будуть зареєстровані, або тільки високоенергетичні альфа-частинки зможуть пробитися через матеріал корпусу лічильника Гейгера - Мюллера і вибити електрон.

І З усього вищевикладеного, сучасні виробники дозиметрів радіації випускають широкий асортимент приладів для різних цільових призначень і галузей промисловості. Тому варто розглянути конкретні різновиди лічильників Гейгера.

Різні варіанти лічильників Гейгера - Мюллера

П Перший варіант дозиметрів, це пристрої, розраховані на реєстрацію та виявлення гамма-фотонів та високочастотного (жорсткого) бета-випромінювання. На даний діапазон вимірювань розраховані практично всі раніше вироблених і сучасних, як побутових наприклад: , так і професійних дозиметрів радіації, наприклад: . Таке випромінювання має достатню енергію і велику проникаючу здатність, щоб камера лічильника Гейгера змогла їх зареєструвати. Такі частинки та фотони легко проникають через стінки лічильника та викликають процес іонізації, а це легко реєструється відповідною електронною начинкою дозиметра.

Д Для реєстрації такого типу радіації чудово підходять популярні лічильники типу СБМ-20 , Що мають датчик у вигляді циліндричної трубки-балону з розташованими коаксіально дротяними катодом і анодом Причому стінки трубки датчика служать одночасно катодом і корпусом і виготовлені з нержавіючої сталі. Цей лічильник має такі характеристики:

• площу робочої зони чутливого елемента 8 квадратних сантиметрів;
• радіаційна чутливість за гамою випромінювання близько 280 імп/с, або 70 імп/мкР (тестування проводилося за цезієм – 137 при 4 мкР/с);
• власне тло дозиметра становить близько 1 імп/с;
• датчик розрахований на реєстрацію гамма-випромінювання з енергією в діапазоні від 0,05 МеВ до 3МеВ, та бета-часток з енергією 0,3 МеВ по нижньому кордоні.

Рис.6. Влаштування лічильника Гейгера СБМ-20.

У даного лічильника існували різні модифікації, наприклад, СБМ-20-1 або СБМ-20У , які мають схожі характеристики, але відрізняються принциповою конструкцією контактних елементів та вимірювальною схемою. Інші модифікації цього лічильника Гейгера - Мюллера, а це СБМ-10, СІ29БГ, СБМ-19, СБМ-21, СІ24БГ мають схожі параметри також, багато хто з них зустрічається в побутових дозиметрах радіації, які можна знайти в магазинах і на сьогоднішній день.

З Лігуча група дозиметрів радіації розрахована на реєстрацію гамма-фотонів та рентгенівського випромінювання . Якщо говорити про точність таких пристроїв, то слід розуміти, що фотонне та гамма випромінювання є кванти електромагнітного випромінювання, що рухаються зі швидкістю світла (близько 300 000 км/с), тому зареєструвати подібний об'єкт є досить важким завданням.

Ефективність роботи таких лічильників Гейгера становить близько одного відсотка.

Ч щоб підвищити її потрібно збільшення поверхні катода. По суті, гамма-кванти реєструються непрямим способом завдяки вибитим ними електронам, які беруть участь у наслідок в іонізації інертного газу. Щоб максимально ефективно сприяти цьому явищу, спеціально підбираються матеріал та товщина стінок камери лічильника, а також розміри, товщина та матеріал катода. Тут велика товщина і щільність матеріалу можуть знизити чутливість реєстраційної камери, а занадто мала дозволить легко потрапляти високочастотному бета-випромінювання в камеру, а також збільшить кількість природних для приладу радіаційних шумів, що заглушить точність визначення гамма-квантів. Звичайно, точні пропорції підбираються виробниками. По суті, на цьому принципі виготовляються дозиметри на підставі лічильників Гейгера – Мюллера для прямого визначення гамма випромінювання на місцевості, при цьому такий прилад виключає можливість визначення будь-яких інших видів випромінювання та радіоактивного впливу, що дозволяє точно визначити радіаційну забрудненість та рівень негативного впливу на людину лише за гамма-випромінювання.

У вітчизняних дозиметрах, які оснащені циліндричними датчиками, встановлюються такі їх типи: СІ22Г, СІ21Г, СІ34Г, Гамма 1-1, Гамма – 4, Гамма – 5, Гамма – 7ц, Гамма – 8, Гамма – 11 та багато інших. Причому в деяких типах встановлюється спеціальний фільтр на вхідному, торцевому, чутливому вікні, який спеціально служить для відсікання альфа і бета-часток і додатково збільшує площу катода, для більш ефективного визначення гамма-квантів. До таких датчиків можна віднести Бета – 1М, Бета – 2М, Бета – 5М, Гамма – 6, Бета – 6М та інші.

Ч Щоб зрозуміти більш наочно принцип їхньої дії, варто докладніше розглянути один з таких лічильників. Наприклад, торцевий лічильник із датчиком Бета – 2М , Що має округлу форму робочого вікна, що становить близько 14 квадратних сантиметрів. При цьому радіаційна чутливість до кобальту - 60 становить близько 240 імп/мкР. Цей тип лічильника має дуже низькі показники власного шуму. , Що становить не більше 1 імпульсу в секунду. Це можливо за рахунок товстостінної свинцевої камери, яка, в свою чергу, розрахована на реєстрацію фотонного випромінювання з енергією в діапазоні від 0,05 МеВ до 3 МеВ.

Рис.7. Торцевий гамма-лічильник Бета-2М.

Для визначення гамма випромінювання цілком можна використовувати лічильники для гамма-бета імпульсів, які розраховані на реєстрацію жорстких (високочастотних та високоенергетичних) бета-часток та гамма-квантів. Наприклад, модель СБМ - 20. Якщо в цій моделі дозиметра ви хочете виключити реєстрацію бета-частин, то для цього достатньо встановити свинцевий екран, або щит з будь-якого іншого металевого матеріалу (ефективніший свинцевий екран). Це найбільш поширений спосіб, яким користуються більшість розробників при створенні лічильників для гамма та рентгенівського випромінювання.

Реєстрація «м'якого» бета-випромінювання.

До Як ми вже раніше згадували, реєстрація м'якого бета випромінювання (випромінювання з низькими енергетичними характеристиками та порівняно невеликою частотою), досить важке завдання. Для цього потрібно забезпечити можливість легшого їх проникнення в реєстраційну камеру. Для цих цілей виготовляється спеціальне тонке робоче вікно, як правило, із слюди або полімерної плівки, яке практично не створює перешкод для проникнення бета-випромінювання цього типу в іонізаційну камеру. При цьому катодом може виступати безпосередньо сам корпус датчика, а анод є системою лінійних електродів, які рівномірно розподілені і змонтовані на ізоляторах. Реєстраційне вікно виконано в торцевому варіанті, і на шляху бета-часток у такому випадку виявляється лише тонка плівка слюдяна. У дозиметрах з такими лічильниками реєстрація гамма випромінювання йде як додаток і по суті як додаткова можливість. А якщо потрібно позбавитися реєстрації гамма-квантів, то необхідно мінімізувати поверхню катода.

Рис.8. Влаштування торцевого лічильника Гейгера.

З Варто відзначити, що лічильники для визначення м'яких бета-часток були створені вже досить давно і з успіхом застосовувалися в другій половині минулого століття. Серед них найпоширенішими були датчики типу СБТ10 і СІ8Б , які мали тонкостінні слюдяні робочі вікна Більш сучасний варіант такого приладу Бета-5має площу робочого вікна близько 37 кв/см, прямокутної форми із слюдяного матеріалу. Для таких розмірів чутливого елемента, прилад може реєструвати близько 500 імп/мкР, якщо вимірювати по кобальту - 60. При цьому ефективність визначення частинок становить до 80 відсотків. Інші показники цього приладу виглядають так: власний шум становить 2,2 імп/с., діапазон визначення енергій від 0,05 до 3 МеВ, при цьому нижній поріг визначення м'якого бета-випромінювання становить 0,1 МеВ.

Рис.9. Торцевий бета-гамма-лічильник Бета-5.

І Звичайно, варто згадати про лічильниках Гейгера – Мюллера, здатних реєструвати альфа-частинки Якщо реєстрація м'якого бета-випромінювання є досить складним завданням, то зафіксувати альфа-частинку, що навіть має високі енергетичні показники, ще складніше завдання. Таку проблему можна вирішити лише відповідним зменшенням товщини робочого вікна до товщини, якої буде достатньо для проходження альфа-частинки в реєстраційну камеру датчика, а також повним наближенням вхідного вікна до джерела випромінювання альфа-частинок. Така відстань повинна дорівнювати 1 мм. Зрозуміло, що пристрій автоматично реєструватиме будь-які інші типи випромінювання, і, причому з досить високою ефективністю. У цьому є позитивна і негативна сторона:

Позитивна – такий прилад можна використовувати для широкого спектру аналізу радіоактивного випромінювання

Негативна – за рахунок підвищеної чутливості, виникатиме значна кількість шумів, які ускладнять аналіз отриманих реєстраційних даних.

До Крім того, занадто тонке слюдяне робоче вікно хоч і підвищує можливості лічильника, проте на шкоду механічній міцності і герметичності іонізаційної камери, тим більше, що саме вікно має досить велику площу робочої поверхні. Для порівняння, у лічильниках СБТ10 і СІ8Б, про які ми згадували вище, при площі робочого вікна близько 30 кв/см, товщина шару слюдяного становить 13 – 17 мкм, а при необхідній товщині для реєстрації альфа-частинок у 4-5 мкм, вхідний вікно можна зробити лише трохи більше 0,2 кв/см., йдеться про лічильнику СБТ9.

Про Проте, більшу товщину реєстраційного робочого вікна можна компенсувати близькістю до радіоактивного об'єкта, і навпаки при порівняно невеликій товщині вікна слюдяного, з'являється можливість зареєструвати альфа-частинку на вже більшій відстані, ніж 1 -2 мм. Варто навести приклад, при товщині вікна до 15 мкм, наближення до джерела альфа-випромінювання повинне становити менше 2 мм, при цьому під джерелом альфа-частинок розуміється випромінювач плутоній – 239 з енергією випромінювання 5 МеВ. Продовжимо, при товщині вхідного вікна до 10 мкм, зареєструвати альфа-частинки можна вже з відривом до 13 мм, якщо зробити слюдяное вікно товщиною до 5 мкм, то альфа-випромінювання буде реєструватися з відривом 24 мм, тощо. Ще один важливий параметр, який впливає на можливість виявлення альфа-часток, це їх енергетичний показник. Якщо енергія альфа-частинки більша ніж 5 МеВ, то відповідно збільшиться відстань її реєстрації для товщини робочого вікна будь-якого типу, а якщо енергія менша, то й відстань потрібно зменшувати, аж до повної неможливості зареєструвати м'яке альфа-випромінювання.

Е Ще одним важливим моментом, що дозволяє збільшити чутливість лічильника альфа, це зменшення реєстраційної здатності для гамма-випромінювання. Щоб це зробити, досить мінімізувати геометричні розміри катода, і гамма-фотони проходитимуть через реєстраційну камеру не викликаючи іонізації. Такий захід дозволяє зменшити вплив на іонізацію гамма-квантів у тисячі і навіть десятки тисяч разів. Усунути вплив бета-випромінювання на реєстраційну камеру вже неможливо, проте з цієї ситуації є досить простий вихід. Спочатку реєструється альфа і бета-випромінювання сумарного типу, потім встановлюється фільтр із щільного паперу, і здійснюється повторний вимір, який зареєструє тільки бета-частинки. Розмір альфа-випромінювання у разі розраховується як різницю загального випромінювання і окремого показника розрахунку бета-випромінювання.

Для прикладу варто запропонувати характеристики сучасного лічильника Бета-1, який дозволяє зареєструвати альфа, бета, гамма випромінювання. Ось ці показники:

• площу робочої зони чутливого елемента 7 кв/см;
• товщина слюдяного шару 12 мкм, (відстань ефективного виявлення альфа-часток по плутонію - 239, порядку 9 мм. По кобальту - 60 радіаційна чутливість досягається близько 144 імп/мкР);
• ефективність вимірювання радіації для альфа-часток - 20% (за плутонію - 239), бета-часток - 45% (по талію -204), і гамма-квантів - 60% (за складом стронцій - 90, ітрій - 90);
• власне тло дозиметра становить близько 0,6 імп/с;
• датчик розрахований на реєстрацію гамма-випромінювання з енергією в діапазоні від 0,05 МеВ до 3МеВ, і бета-часток з енергією більше 0,1 МеВ по нижньому кордоні, і альфа-часток з енергією 5МеВ і більше.

Рис.10. Торцевий альфа-бета-гамма-лічильник Бета-1.

До Звичайно, існує ще досить широкий ряд лічильників, які призначені для більш вузького та професійного використання. Такі прилади мають ряд додаткових налаштувань і опцій (електричні, механічні, радіометричні, кліматичні та ін.), які включають безліч спеціальних термінів і можливостей. Однак на них ми не концентруватимемося. Адже для розуміння базових принципів дії лічильників Гейгера – Мюллера , Описаних вище моделей цілком достатньо.

У аж також згадати, що існують спеціальні підкласи лічильників Гейгера , які спеціально сконструйовані визначення різних видів іншого випромінювання. Наприклад, для визначення величини ультрафіолетового випромінювання, для реєстрації та визначення повільних нейтронів, які функціонують за принципом коронного розряду, та інші варіанти, які не належать до цієї теми безпосередньо, і не розглядатимуться.

Реєстрація іонізуючих випромінювань приладами заснована на перетворенні випромінювань детектором та вимірювальною схемою електричні сигнали, прийняті в практиці вимірювань.

Прилади вимірювання іонізуючих випромінювань можуть реєструвати різні фізичні величини. Найбільш цікавими є такі: поглинена, експозиційна та еквівалентна дози та їх потужність, щільність потоку частинок, флюєнс частинок, об'ємна, масова, поверхнева, ефективна активності.

Будь-який прилад, що вимірює іонізуючі випромінювання, містить детектор, схему вимірювання (реєстратор або аналізатор) і допоміжні елементи.

Детектор перетворює інформацію про параметри випромінювань на енергію електричного сигналу. По перетворення енергії випромінювання на інші види енергії детектори можна розділити на такі групи:

• іонізаційні (газові лічильники, іонізаційні камери, напівпровідникові лічильники);
• сцинтиляційні;
• фотографічні;
• хімічні.

Вимірювальна схема виділяє, перетворює, накопичує, зберігає та видає інформацію у вигляді електричних сигналів, зручних для спостереження, запису, обчислення або керування іншими приладами. Допоміжні елементи забезпечують задані режими роботи детектора та вимірювальної схеми. До них відносяться джерела живлення, блоки програмування режиму роботи, контролю справності та градуювання, реєструючі пристрої (цифродрукувальні пристрої, самописці, осцилографи, лічильники імпульсів тощо).

Функціональні схеми приладів значною мірою визначаються формою сигналів, що надходять від детекторів випромінювань і з виходу вимірювальної схеми (у вигляді імпульсів – дискретна форма інформації або у вигляді струму, що повільно змінюється (напруги) – аналогова форма інформації).

Прилади з дискретною формою вхідної та вихідної інформації можуть включати підсилювачі, стандартизатори та дискримінатори імпульсів, лічильні та аналізуючі схеми з підсумовуванням і пам'яттю двійковим, десятковим та іншими способами числення.

Імпульси, що несуть інформацію про параметри випромінювання, можуть відрізнятися за амплітудою, формою та часом появи. Поділом цих імпульсів та їх параметрів з допомогою аналізованих пристроїв вдається вимірювати як щільність потоку випромінювання по середній швидкості слідування імпульсів, а й енергію, вигляд і просторовий розподіл випромінювання.

Аналізуючі пристрої зазвичай працюють у двох режимах обробки інформації. У першому випадку аналізатором відбираються імпульси із заданими параметрами, у другому – сигнали відбираються групами залежно від заданих параметрів відбору.

У приладах з аналоговим видом вхідної та вихідної інформації застосовуються електрометричні та вихідні підсилювачі постійного струму. У схемах з попереднім перетворенням постійного струму змінний використовуються перетворювачі і підсилювачі змінного струму.

Для перекриття необхідного діапазону вимірювань із заданою точністю в пристроях з аналоговим видом вихідної інформації застосовуються прилади, що показують і самопишучі, з лінійною і нелінійною шкалами (логарифмічної, лінійно-логарифмічної і т.д.), а також цифрові вольтметри з пристроями для друку.

Інформація на виході приладів може бути дискретною, так і аналоговою незалежно від форми інформації на вході.

Аналогова інформація, що надходить від струмових детекторів випромінювань (іонізаційні камери), у ряді приладів перетворюється на дискретну шляхом дозування – квантування зарядів.

Значна кількість приладів з дискретною інформацією на вході мають аналогову вихідну інформацію; до них відносяться радіометри, рентгенометри, інтенсиметри з вимірювачами середньої швидкості прямування імпульсів.

Результати вимірювань можуть бути представлені у вигляді сигналів, що спостерігаються візуально (покази стрілочних приладів, на екрані осцилографа або комп'ютера і т.д.); зафіксованих реєструючим пристроєм (лічильником імпульсів, самописцем, цифровим пристроєм і т.д.). Сигнали можуть бути звуковими, телефонами, що генеруються, дзвінками, сиренами і т.д., подаватися для управління іншими приладами.

Будь-який вид випромінювання при взаємодії з речовиною призводить до появи іонізації та збудження. Заряджені частинки викликають ці процеси безпосередньо, при поглинанні g-квантів іонізацію створюють швидкі електрони, що виникають в результаті фотоефекту, ефекту Комптона або при народженні пар, а у разі нейтронів іонізація створюється ядрами, що швидко летять. При цьому одна первинна частка може призвести до появи сотень тисяч іонів, завдяки чому вторинні ефекти, що супроводжують іонізацію (електричний струм, спалах світла, потемніння фотопластинки та ін.) можуть бути помічені людиною безпосередньо за допомогою його органів чуття; іноді ці ефекти залишається лише посилити у потрібне число разів. Таким чином, іонізація є своєрідним підсилювачем явищ взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною. Тому робота всіх реєструючих приладів так чи інакше пов'язана з використанням іонізації та збудження атомів речовини.

Електрони, що утворюються при різних видах взаємодій, гальмуються серед, витрачаючи свою енергію на іонізацію і збудження атомів. Іони, що утворилися, і вільні електрони швидко рекомбінують, так що заряд через дуже короткий час (10-5 с для газів) зникає. Це не відбувається, якщо в середовищі створити електричне поле. У цьому випадку носії заряду дрейфуватимуть уздовж поля, позитивні в один бік, негативні – в інший. Рух зарядів є електричним струмом, вимірявши який можна визначити величину заряду.

Саме так діє іонізаційна камера. Вона являє собою герметичний об'єм, наповнений газом, в якому розташовані два металеві електроди (рис. 7.1). До електродів додається електрична напруга. При проходженні електрона, що утворився при взаємодії γ-кванта з речовиною, вільні заряди – іони та електрони – дрейфують до електродів, і в ланцюзі виникає імпульс струму, пропорційний заряду, утвореному електроном.

Рис. 7.1.

На жаль, імпульси струму від електронів, утворених частинками малих енергій та γ-квантами, дуже малі. Їх важко точно виміряти, тому іонізаційні камери використовуються для реєстрації важких частинок, наприклад, -частинок, які утворюють при проходженні через іонізаційну камеру значно більші імпульси струму.

Якщо підвищити напругу на електродах іонізаційної камери, виникає явище, назване газовим посиленням. Вільні електрони, рухаючись в електричному полі, набувають енергію, достатню для іонізації атомів газу, що наповнює камеру. При іонізації електрон утворює ще одну пару іон - електрон, тому загальна кількість зарядів множиться на два, як це показано на рис. 7.2. У свою чергу, новоутворені електрони теж здатні до іонізації, і таким чином заряд множиться ще й ще. При спеціальній формі електродів коефіцієнт газового посилення може досягати 105. Істотним тут є той факт, що кінцевий заряд залишається пропорційним до первинного, а значить, і енергії електрона, утвореного часткою або γ-квантом. Саме з цієї причини такі прилади називаються пропорційними лічильниками.

Зазвичай пропорційний лічильник роблять у вигляді циліндра, вздовж осі якого натягують тонку металеву тяганину - нитку. До корпусу лічильника підключають негативний, а нитки – позитивний полюс джерела струму. При такому пристрої електричне поле зосереджується головним чином біля нитки і максимальне значення напруженості поля виявляється тим вищим, чим менше радіус нитки. Тому необхідні для газового посилення велику напруженість полів вдається отримати при порівняно невеликих різницях потенціалів між корпусом лічильника та ниткою.

Рис. 7.2.

Пропорційні лічильники набули широкого поширення завдяки своїй простоті та великим імпульсам струму при проходженні заряджених частинок. Зараз пропорційні лічильники використовують головним чином для реєстрації β-випромінювання, м'якого γ-випромінювання, α-часток та нейтронів. На рис. 7.3 представлені основні тіни пропорційних лічильників.

Рис. 7.3.

В електричний ланцюг пропорційний лічильник включається так само, як і іонізаційна камера. І електричні імпульси від нього виходять такі самі, як від камери, тільки більшої величини. Здавалося б, варто лише застосувати досить високу напругу, щоб газове посилення було більшим, і пропорційний лічильник дасть настільки великі імпульси, що працювати з ними можна буде без подальшого посилення. Однак, насправді це не так. Справа в тому, що при великих газових посиленнях лічильник починає працювати нестабільно і пропорційність між енергією частинок та амплітудою імпульсу порушується.

Щоб уникнути появи пробоїв та вирівняти електричне поле, лічильник доводиться робити дуже ретельно, зачищаючи та поліруючи його електроди. Відполірувати нитку, діаметр якої вимірюється сотими частками міліметра, дуже складно. Якщо електричне поле в лічильнику буде неоднорідним вздовж нитки, то імпульс залежатиме не тільки від енергії частки, а й від місця попадання в лічильник, що, природно, небажано.

Тому конструкцію пропорційного лічильника часто доводиться ускладнювати, вводячи додаткові електроди для вирівнювання поля. В результаті всіх цих ускладнень вдається виготовити лічильники з газовими посиленнями в десятки, сотні, а іноді навіть у тисячі разів, але й цього часто виявляється замало, щоб з імпульсами, що одержуються від них, можна було працювати без подальшого посилення.

Розглянемо, що станеться, якщо ще більше збільшити напругу між електродами лічильника. В цьому випадку при попаданні в лічильник зарядженої частинки утворюється надзвичайно потужна лавина електронів, яка з великою швидкістю обрушується на позитивний електрод і вибиває кілька фотонів - квантів ультрафіолетового випромінювання.

Ці фотони, потрапляючи на негативний електрод, можуть вирвати нові електрони, останні знову спрямують до позитивного електрода тощо. В результаті в лічильнику виникає так званий самостійний розряд, який горітиме з постійною силою незалежно від того, потрапляють у лічильник нові частки чи ні. (Так само горить розряд у неонових трубках світлових реклам.)

Лічильник же повинен реагувати на кожну частинку, що потрапляє в нього, тому такий режим роботи нікому не потрібен. Однак, застосовуючи спеціальні схеми включення або додаючи в атмосферу лічильника деякі важкі гази, можна створити умови, за яких виниклий при попаданні в лічильник частинки самостійний розряд сам по собі гаснутиме через дуже короткий час. Таким чином, попадання в лічильник кожної нової частки викликатиме появу короткочасного, але досить сильного струму.

Найпоширенішим детектором (датчиком) іонізуючого випромінювання, що працює в описаному вище режимі, є лічильник Гейгера - Мюллера. Принцип його роботи ґрунтується на виникненні розряду в газі при прольоті іонізуючих частинок. У добре вакуумований герметичний балон з двома електродами, що знаходиться під напругою, введена газова суміш, що складається в основному з легко іонізованих неону і аргону (пристрій повинен реєструвати β- і γ-випромінювання). Балон може бути скляним, металевим та ін. Зазвичай лічильники сприймають випромінювання всією своєю поверхнею, але існують і такі, у яких для цього в балоні передбачено спеціальне вікно.

До електродів прикладають високу напругу U (рис. 7.4), яке саме собою не викликає будь-яких розрядних явищ. У цьому стані лічильник буде перебувати до тих пір, поки в його газовому середовищі не виникне центр іонізації - слід з іонів і електронів, що породжується іонізуючою частинкою, що прийшла ззовні. Первинні електрони, прискорюючись в електричному полі, іонізують "дорогою" інші молекули газового середовища, породжуючи нові і нові електрони та іони. Розвиваючись лавиноподібно, цей процес завершується утворенням у міжелектродному просторі електронно-іонної хмари, що різко збільшує його провідність. У газовому середовищі лічильника виникає розряд, видимий (якщо прозорий балон) навіть простим оком.

Рис. 7.4.

Зворотний процес – повернення газового середовища на її вихідний стан у про галогенових лічильниках – відбувається саме собою. В дію вступають галогени (зазвичай хлор або бром), які в невеликій кількості містяться в газовому середовищі, які сприяють інтенсивній рекомбінації зарядів. Але цей процес іде значно повільніше. p align="justify"> Відрізок часу, необхідний для відновлення радіаційної чутливості лічильника Гейгера і фактично визначальний його швидкодія - "мертве" час - є важливою його паспортною характеристикою. Наприклад, для газорозрядного лічильника Гейгера - Мюллера, типу СБМ-20-1 "мертвий" час при U = 400 становить 190 Р/мкс.

Лічильники Гейгера здатні реагувати на різні види іонізуючого випромінювання - альфа, бета, гама, ультрафіолетове, рентгенівське, нейтронне. Але реальна спектральна чутливість лічильника значною мірою залежить з його конструкції.

Амплітуда імпульсу від лічильника Гейгера - Мюллера може досягати кількох десятків або навіть сотень вольт. З такими імпульсами можна працювати без посилення. Але ця перемога була завойована дорогою ціною. Справа в тому, що амплітуда імпульсу в лічильнику Гейгера - Мюллера визначається тільки властивостями самого лічильника і параметрами електричного ланцюга і не залежить ні від виду, ні від енергії первинної частки.

Імпульси від повільного електрона, що створив лише кілька пар іонів, і від α-частки, що створила кілька тисяч іонів, виявляються однаковими. Тому лічильники Гейгера - Мюллера можна використовувати тільки для підрахунку кількості часток, що пролетіли в однорідних полях випромінювань, але не для визначення їх типу і енергії.

У зв'язку з екологічними наслідками діяльності людини, пов'язаної з атомною енергетикою, а також промисловістю (зокрема військовою), яка використовує радіоактивні речовини як компонент або основу своєї продукції, вивчення основ радіаційної безпеки та радіаційної дозиметрії стає сьогодні досить актуальною темою. Крім природних джерел іонізуючого випромінювання з кожним роком дедалі більше з'являється місць, забруднених радіацією згодом людської діяльності. Таким чином, щоб зберегти своє здоров'я та здоров'я своїх близьких необхідно знати ступінь зараженості тієї чи іншої місцевості чи предметів та їжі. У цьому може допомогти дозиметр – прилад для вимірювання ефективної дози або потужності іонізуючого випромінювання протягом певного проміжку часу.

Перш ніж приступати до виготовлення (або купівлі) даного пристрою необхідно мати уявлення про природу вимірюваного параметра. Іонізуюче випромінювання (радіація) – це потоки фотонів, елементарних частинок або уламків поділу атомів, здатні іонізувати речовину. Поділяється на кілька видів. Альфа-випромінюванняє потік альфа частинок - ядер гелію-4, альфа-частинки, що народжуються при радіоактивному розпаді, можуть бути легко зупинені аркушем паперу, тому небезпека представляє в основному при потраплянні всередину організму. Бета-випромінювання- це потік електронів, що виникають при бета-розпаді, для захисту від бета-часток енергією до 1 МеВ досить алюмінієвої пластини завтовшки кілька міліметрів. Гамма-випромінюваннямає набагато більшу проникаючу здатність, оскільки складається з високоенергійних фотонів, що не володіють зарядом, для захисту ефективні важкі елементи (свинець і т.п.) шаром кілька сантиметрів. Проникаюча здатність всіх видів іонізуючого випромінювання залежить від енергії.

Для реєстрації іонізуючого випромінювання переважно використовуються лічильники Гейгера-Мюллера. Цей простий і ефективний пристрій зазвичай є циліндром металевим або скляним металізованим зсередини і тонкою металевою ниткою, натягнутою по осі цього циліндра, сам циліндр наповнюється розрідженим газом. Принцип роботи ґрунтується на ударній іонізації. При попаданні на стінки лічильника іонізуючого випромінювання вибивають з нього електрони, електрони, рухаючись у газі та зіштовхуючись з атомами газу, вибивають з атомів електрони та створюють позитивні іони та вільні електрони. Електричне поле між катодом та анодом прискорює електрони до енергій, за яких починається ударна іонізація. Виникає лавина іонів, що веде до розмноження первинних носіїв. При досить велику напруженість поля енергії цих іонів стає достатньою, щоб породжувати вторинні лавини, здатні підтримувати самостійний розряд, у результаті струм через лічильник різко зростає.

Не всі лічильники Гейгер можуть реєструвати всі види іонізуючого випромінювання. В основному вони чутливі до одного випромінювання - альфа, бета або гамма-випромінювання, але часто також певною мірою можуть реєструвати й інше випромінювання. Так, наприклад, лічильник Гейгера СІ-8Б призначений для реєстрації м'якого бета-випромінювання (так, в залежності від енергії частинок випромінювання може розділятися на м'яке і жорстке), проте даний датчик так само певною мірою чутливий до альфа-випромінювання і гамма- випромінювання.

Однак, наближаючись до конструкції статті, наше завдання зробити максимально простий, природно портативний, лічильник Гейгера або вірніше сказати дозиметр. Для виготовлення цього пристрою мені вдалося роздобути лише СБМ-20. Цей лічильник Гейгера призначений для реєстрації жорсткого бета- та гамма випромінювання. Як і більшість інших лічильників, СБМ-20 працює при напрузі 400 вольт.

Основні характеристики лічильника Гейгера-Мюллера СБМ-20 (таблиця з довідника):

Даний лічильник має відносно невисокі показники точності вимірювання іонізуючого випромінювання, але достатні для визначення перевищення допустимої для людини дози випромінювання. СБМ-20 застосовується у багатьох побутових дозиметрах нині. Для поліпшення показників часто використовують відразу кілька трубок. А для збільшення точності вимірювання гамма-випромінювання дозиметри оснащуються фільтрами бета-випромінювання, в цьому випадку дозиметр реєструє лише гамма-випромінювання, але досить точно.

При вимірі дози радіації необхідно враховувати деякі фактори, які можуть бути важливими. Навіть за повної відсутності джерел іонізуючого випромінювання лічильник Гейгера даватиме кілька імпульсів. Це так зване власне тло лічильника. Сюди також відноситься кілька факторів: радіоактивне забруднення матеріалів самого лічильника, спонтанна емісія електронів з катода лічильника і космічне випромінювання. Все це дає кілька «зайвих» імпульсів в одиницю часу.

Отже, схема простого дозиметра на основі лічильника Гейгера СБМ-20:

Схему збираю на макетній платі:

Схема не містить дефіцитних деталей (крім, природно, самого лічильника) і не містить програмованих елементів (мікроконтролерів), що дозволить зібрати схему протягом короткого часу без особливих труднощів. Однак такий дозиметр не містить шкали і визначати дозу радіації необхідно на слух за кількістю клацань. Такий класичний варіант. Схема складається з перетворювача напруги 9 вольт – 400 вольт.

На мікросхемі NE555 виконаний мультивібратор, частота якого становить приблизно 14 кГц. Для збільшення частоти роботи можна зменшити номінал резистора R1 приблизно 2,7 кОм. Це буде корисно, якщо вибраний вами дросель (а може й виготовлений) видаватиме писк – зі збільшенням частоти роботи писк зникне. Дросель L1 необхідний номіналом 1000 – 4000 мкГн. Найшвидше можна знайти відповідний дросель у згорілій енергозберігаючій лампочці. Такий дросель і застосований у схемі, на фото вище він намотаний на осерді, які зазвичай використовують для виготовлення імпульсних трансформаторів. Транзистор T1 можна використовувати будь-який інший польовий n-канальний з напругою сток-витік не менше 400 вольт, а краще більше. Такий перетворювач дасть всього кілька міліампер струму при напрузі 400 вольт, але для роботи Гейгера цього вистачить з головою кілька разів. Після відключення живлення від схеми на зарядженому конденсаторі C3 схема працюватиме ще приблизно 20-30 секунд, враховуючи його невелику ємність. Супресор VD2 обмежує напругу лише на рівні 400 вольт. Конденсатор C3 необхідно використовувати на напругу не менше 400 – 450 вольт.

Як Ls1 можна використовувати будь-який п'єзодинамік або динамік. За відсутності іонізуючого випромінювання струм через резистори R2 – R4 не протікає (на фото на макетній платі п'ять резисторів, але їх загальний опір відповідає схемі). Як тільки на лічильник Гейгера потрапить відповідна частка всередині датчика, відбувається іонізація газу і його опір різко зменшується внаслідок чого виникає імпульс струму. Конденсатор С4 відсікає постійну частину та пропускає на динамік тільки імпульс струму. Чуємо клацання.

У моєму випадку як джерело живлення використовується дві акумуляторні батареї від старих телефонів (дві, оскільки необхідне живлення має бути більше 5,5 вольт для запуску роботи схеми через застосовану елементну базу).

Отже, схема працює, зрідка клацає. Тепер як це використати. Найпростіший варіант - це клацає трохи - все добре, клацає часто або взагалі безперервно - погано. Інший варіант – це приблизно підраховуємо кількість імпульсів за хвилину та переводимо кількість клацань у мкР/год. Для цього із довідника необхідно взяти значення чутливості лічильника Гейгера. Однак у різних джерелах завжди трохи різні цифри. В ідеальному випадку необхідно провести лабораторні виміри для обраного Гейгерового лічильника з еталонними джерелами випромінювання. Так для СБМ-20 значення чутливості варіюється в межах від 60 до 78 імп/мкР за різними джерелами та довідниками. Так от, підрахували кількість імпульсів за одну хвилину, далі це число множимо на 60 для апроксимації числа імпульсів за одну годину і все це розділити на чутливість датчика, тобто на 60 або 78 або що у вас ближче до дійсності виходить і в результаті отримуємо значення у мкР/год. Для достовірнішого значення необхідно зробити кілька вимірів і порахувати між ними середньоарифметичне значення. Верхня межа безпечного рівня радіації становить приблизно 20 – 25 мкР/год. Допустимий рівень становить приблизно до 50 мкР/год. У різних країнах цифри можуть відрізнятись.

P.S. На розгляд цієї теми мене підштовхнула стаття про концентрацію газу радон, що проникає в приміщення, воду тощо. у різних регіонах країни та її джерелах.

Список радіоелементів

Будова та принцип роботи лічильника Гейгера – Мюллера

У Останнім часом увага до радіаційної безпеки з боку звичайних громадян у нашій країні все більшою мірою зростає. І це пов'язано не тільки з трагічними подіями на чорнобильській АЕС та подальшими її наслідками, але й з різними подіями, які періодично трапляються в тому чи іншому місці планети. У зв'язку з цим наприкінці минулого століття почали з'являтися прилади. дозиметричного контролю радіації побутового призначення. І такі прилади дуже багатьом людям врятували не тільки здоров'я, а іноді й життя, і це стосується не тільки територій, що прилягають до зони відчуження. Тому питання радіаційної безпеки актуальні в будь-якому місці нашої країни і до сьогодні.

У всі побутові та практично всі професійні сучасні дозиметри оснащуються. Інакше його можна назвати чутливим елементом дозиметра. Цей прилад був винайдений в 1908 році німецьким фізиком Гансом Гейгером, а через двадцять років, цю розробку вдосконалив ще один фізик Вальтер Мюллер, і саме принцип цього пристрою і застосовується в даний час.

Н деякі сучасні дозиметри мають одразу по чотири лічильники, що дозволяє підвищити точність вимірювань та чутливість приладу, а також зменшити час проведення виміру. Більшість лічильників Гейгера – Мюллера здатні реєструвати гамма-випромінювання, високоенергетичне бета-випромінювання та рентгенівське проміння. Проте є спеціальні розробки визначення альфа-частинок високих енергій. Для налаштування дозиметра на визначення тільки гамма-випромінювання, найнебезпечнішого з трьох видів радіації, чутливу камеру вкривають спеціальним кожухом зі свинцю або іншої сталі, що дозволяє відсікнути проникнення в лічильник бета-частин.

У Сучасні дозиметри побутового та професійного призначення широко застосовуються датчики типу СБМ-20, СБМ-20-1, СБМ-20У, СБМ-21, СБМ-21-1. Вони відрізняються габаритними розмірами камери та іншими параметрами, для лінійки 20-х датчиків характерні такі габарити, довжина 110 мм, діаметр 11 мм, а для 21 моделі, довжина 20-22 мм при діаметрі 6мм. Важливо розуміти, що чим більше розміри камери, тим більше радіоактивних елементів через неї пролітатиме, і тим більшою чутливістю і точністю вона володіє. Так, для 20-х серій датчика характерні розміри в 8-10 разів більші, ніж для 21-ї, приблизно в таких же пропорціях ми матимемо різницю в чутливості.

До Онструкцію лічильника Гейгера можна схематично описати так. Датчик, що складається з циліндричного контейнера, який закачаний інертний газ (наприклад, аргон, неон або їх суміші) під мінімальним тиском, це робиться для полегшення виникнення електричного розряду між катодом і анодом. Катод, найчастіше, являє собою весь металевий корпус чутливого датчика, а анод невелику тяганину, розміщену на ізоляторах. Іноді катод додатково обертають захисним кожухом з нержавіючої сталі або свинцю, це робиться для налаштування лічильника на визначення тільки гамма-квантів.

Д Для побутового застосування, в даний час, найчастіше використовуються датчики торцевого виконання (наприклад, Бета-1, Бета-2). Такі лічильники влаштовані таким чином, що здатні виявляти та реєструвати навіть альфа-частинки. Такий лічильник є плоским циліндром з розташованими всередині електродами, і вхідним (робочим) вікном, виконаним зі слюдяної плівки товщиною всього 12 мкм. Така конструкція дозволяє визначити (з близької відстані) високоенергетичні альфа-частинки та слабоенергетичні бета-частинки. При цьому площа робочого вікна лічильників Бета-1 та Бета 1-1 складає 7 кв.см. Площа слюдяного робочого вікна для приладу Бета-2 вдвічі більше, ніж у Бета-1, його можна використовувати визначення , і т.д.

Е Якщо говорити про принцип роботи камери лічильника Гейгера, то коротко її можна описати так. При активації на катод і анод подається висока напруга (порядку 350 - 475 вольт), через навантажувальний резистор, однак між ними не відбувається розряду через інертний газ, що служить діелектриком. При попаданні в камеру її енергії виявляється достатньо, щоб вибити вільний електрон з матеріалу корпусу камери або катода, цей електрон лавиноподібно починає вибивати вільні електрони з інертного навколишнього газу і відбувається його іонізація, яка в результаті призводить до розряду між електродами. Ланцюг замикається, і цей факт можна зареєструвати за допомогою мікросхеми приладу, що є фактом виявлення або кванта гама або рентгенівського випромінювання. Потім камера входить у вихідний стан, що дозволяє виявити наступну частинку.

Ч щоб процес розряду в камері припинити і підготувати камеру для реєстрації наступної частки, існує два способи, один з них заснований на тому, що на дуже короткий проміжок часу припиняється подача напруги на електроди, що припиняє процес іонізації газу. Другий спосіб заснований на додаванні в інертний газ ще однієї речовини, наприклад, йоду, спирту та інших речовин, при цьому вони призводять до зменшення напруги на електродах, що припиняє процес подальшої іонізації і камера стає здатною виявити наступний радіоактивний елемент. При цьому методі використовується резистор навантаження великий ємності.

П про кількість розрядів у камері лічильника і можна судити про рівень радіації на вимірюваній місцевості чи конкретного предмета.

Схематично пристрій газорозрядного лічильника Гей-гера-Мюллер показано на рис. 5.4. Лічильник виконаний у вигляді металевого циліндра, що служить катодом До, Діаметром мм. Анодом Аслужить тонкий сталевий дріт діаметром мм, натягнутий по осі циліндра та ізольований від катода ізолюючими пробками П. Циліндр заповнений аргоном при зниженому тиску ( 100 мм рт.ст.) з добавкою невеликої кількості ( 0,5 %) парів етилового спирту чи галогенів.

На рис. 5.4 показана схема включення лічильника вивчення його вольт-амперной характеристики. До електродів підводиться постійна напруга від джерела ЕРС e. Величину струму, що проходить через газ, вимірюють за падінням напруги на вимірювальному опорі R.

Припустимо, що газ діє постійне за інтенсивністю випромінювання (іонізатор). В результаті дії іонізатора газ набуває деякої електропровідності і в ланцюзі потече струм, залежність якого від прикладеної напруги показана на
Рис. 5.5.

При невеликих напругах струм, що проходить через прилад, мал. Реєструвати вдається лише сумарний струм, викликаний проходженням великої кількості частинок. Прилади, що працюють у такому режимі, називаються іонізаційними камерами. Цьому режиму відповідають ділянки Iі II.

На ділянці IСтрум зростає пропорційно напрузі, тобто. виконується закон Ома. На цій ділянці одночасно з процесом іонізації йде зворотний процес – рекомбінація (з'єднання між собою позитивних іонів та електронів із утворенням нейтральних частинок).

При подальшому збільшенні напруги зростання сили струму сповільнюється і припиняється (ділянка II). Настає струм насичення. Струм насичення - це максимальне значення струму, коли всі іони та електрони, що створюються зовнішнім іонізатором за одиницю часу, за той же час досягають електродів. Розмір струму насичення визначається потужністю іонізатора. Струм насичення є мірою іонізуючої дії іонізатора: якщо припинити дію іонізатора, припиниться і розряд.

При подальшому збільшенні напруги сила струму зростає досить повільно. III). При великих напругах електрони, що виникають під дією зовнішнього іонізатора, прискорені електричним полем, стикаються з нейтральними молекулами газу і іонізують їх. В результаті утворюються вторинні електрони та позитивні іони. Вторинні електрони, прискорившись в електричному полі, можуть знову іонізувати молекули газу. Загальна кількість електронів та іонів зростатиме лавиноподібно у міру просування електронів до анода (цей процес називається ударною іонізацією). Лічильники, що працюють у цій галузі ( III), називаються пропорційними.

Число електронів, що доходять до анода, віднесене до первинних електронів, називається коефіцієнтом газового посилення. Коефіцієнт газового посилення швидко зростає зі зростанням напруги і за великих напругах починає залежати від числа первинних електронів. При цьому лічильник із пропорційного режиму переходить у режим обмеженої пропорційності(Дільниця IV). Лічильників, які працюють у цій галузі, не існує.

При ще більшому напрузі виникнення хоча б однієї пари іонів призводить до початку самостійного розряду (напруга, при якому виникає самостійний розряд, називається напругою пробою). Струм перестає залежати від числа іонів, що первинно утворилися, і енергії реєстрованих частинок. Лічильник починає працювати в Гейгерівському режимі (ділянка V). Прилад, що працює в цій галузі, називається лічильником Гейгера-Мюллера. Незалежність сили струму від енергії іонізуючих частинок робить лічильники Гейгера-Мюллера зручними для реєстрації b-Частинок, що мають безперервний спектр.

Подальше підвищення напруги призводить до виникнення безперервного газового розряду. Струм у цьому випадку різко зростає (ділянка VI), і лічильник може вийти з ладу.

Таким чином, лічильник Гейгера-Мюллера працює за принципом внутрішнього газового посилення. Коли на лічильник подається висока напруга, поле поблизу тонкої нитки (анода) вкрай неоднорідне. Завдяки великому градієнту потенціалу заряджена частка, що потрапила в лічильник, прискорюється полем до енергії. 30 еВ. За такої енергії частки починає діяти механізм ударної іонізації, рахунок якої електрони множаться у числі лавини. У результаті анодному навантажувальному опорі утворюється негативний імпульс. Електронна лавина може виникнути від єдиного електрона, що потрапив між катодом і анодом.

Характеристики лічильника Гейгера-Мюллера

Ефективністьлічильника – це відношення числа частинок, що реєструються, до повного числа частинок, що проходять через нього. Ефективність лічильника до електронів може досягати 99,9 %. Реєстрація g-променів здійснюється через швидкі електрони, що утворюється під час поглинання або розсіювання g-Квантів у лічильнику. Ефективність лічильників до g-Квантам зазвичай становить близько %.

Важливою характеристикою лічильника є фон. Фономназивають показання приладу без досліджуваних джерел випромінювання. Фон лічильника обумовлений: космічним випромінюванням; наявністю радіоактивних речовин у навколишньому середовищі, у тому числі у матеріалах, з яких виготовлений лічильник; мимовільними розрядами в лічильнику (хибні імпульси). Зазвичай для різних за конструкцією лічильників Гейгера-Мюллера фон коливається в межах імп./хв. Спеціальними методами вдається знизити тло на порядок.

Лічильник Гейгера-Мюллера може реєструвати лише одну частинку. Для реєстрації наступної частки необхідно заздалегідь погасити самостійний розряд. Тому важливою характеристикою лічильника є мертвий час t- Час бездіяльності лічильника, протягом якого відбувається гасіння газового розряду. Зазвичай мертвий час складає близько с.

Гасіння газового розряду в лічильнику можна здійснити двома способами:

1) шляхом введення в газ складної органічної сполуки. Багато складних молекул непрозорі для ультрафіолету і не дають відповідним квантам досягти катода. Енергія, що звільняється іонами у катода, у присутності таких речовин витрачається не так на виривання електронів з катода, але в дисоціацію молекул. Виникнення самостійного розряду за таких умов стає неможливим;

2) за допомогою опору. Цей спосіб пояснюється тим, що по перебігу опору розрядного струму на ньому виникає велике падіння напруги. В результаті на міжелектродний проміжок припадає лише частина прикладеної напруги, яка виявляється недостатньою для підтримки розряду.

Мертве час залежить багатьох чинників: величини напруги на лічильнику; складу газу – наповнювача; способу гасіння; терміну служби; температури та ін. Тому воно важко піддається розрахунку.

Одним із найпростіших методів експериментального визначення мертвого часу є метод двох джерел.

Ядерні перетворення та взаємодії випромінювання з речовиною мають статистичний характер. Отже, існує певна ймовірність попадання в лічильник двох і більше частинок протягом мертвого часу t, які будуть зареєстровані як одна частка. Припустимо, що ефективність лічильника дорівнює 100 %. Нехай – середня швидкість потрапляння до лічильника частинок. n- Середня швидкість рахунку (кількість частинок, що реєструються в одиницю часу). За час tбуде зареєстровано частинок. Сумарний мертвий час tстановитиме, а число незлічених частинок буде рівним. Будемо вважати, що кількість частинок, що потрапили в лічильник, буде дорівнює сумі зареєстрованих і незлічених частинок.