Строение и принцип работы счетчика Гейгера – Мюллера

В последнее время, внимание к радиационной безопасности со стороны обычных граждан в нашей стране все в большей степени возрастает. И это связано не только с трагическими событиями на чернобыльской АЭС и дальнейшими ее последствиями, но и с различного рода происшествиями, которые периодически случаются в том или ином месте планеты. В связи с этим, в конце прошлого века стали появляться приборы дозиметрического контроля радиации бытового назначения . И такие приборы очень многим людям спасли не только здоровье, но иногда и жизнь, и это касается не только прилежащих к зоне отчуждения территориях. Поэтому вопросы радиационной безопасности актуальны в любом месте нашей страны и по сегодняшний день.

В се бытовые и практически все профессиональные современные дозиметры оснащаются . По-другому его можно назвать чувствительным элементом дозиметра. Данный прибор был изобретен в 1908 году немецким физиком Гансом Гейгером, а спустя двадцать лет, данную разработку усовершенствовал еще один физик Вальтер Мюллер, и именно принцип этого устройства и применяется в и по настоящий момент.

Н екоторые современные дозиметры имеют сразу по четыре счетчика, что позволяет повысить точность измерений и чувствительность прибора, а также уменьшить время проведения замера. Большинство счетчиков Гейгера – Мюллера способны регистрировать гамма-излучение, высокоэнергетическое бета-излучение и рентгеновские лучи. Однако есть специальные разработки для определения альфа-частиц высоких энергий. Для настройки дозиметра на определение только гамма-излучения, самого опасного из трех видов радиации, чувствительную камеру укрывают специальным кожухом из свинца или другой стали, что позволяет отсечь проникновение в счетчик бета-частиц.

В современных дозиметрах бытового и профессионального назначения широко применяются датчики типа СБМ-20, СБМ-20-1, СБМ-20У, СБМ-21, СБМ-21-1. Они отличаются габаритными размерами камеры и другими параметрами, для линейки 20-х датчиков характерны следующие габариты, длина 110 мм, диаметр 11 мм, а для 21-й модели, длина 20-22 мм при диаметре 6мм. Важно понимать, что чем больше размеры камеры, тем большее количество радиоактивных элементов будет через нее пролетать, и тем большей чувствительностью и точностью она обладает. Так, для 20-х серий датчика характерны размеры в 8-10 раз большие, чем для 21-й, примерно в таких же пропорциях мы будем иметь разницу в чувствительности.

К онструкцию счетчика Гейгера можно схематически описать так. Датчик, состоящий из цилиндрического контейнера, в который закачан инертный газ (к примеру, аргон, неон или их смеси) под минимальным давлением, это делается для облегчения возникновения электрического разряда между катодом и анодом. Катод, чаще всего, представляет собой весь металлический корпус чувствительного датчика, а анод небольшую проволочку, размещенную на изоляторах. Иногда катод дополнительно оборачивают защитным кожухом из нержавейки или свинца, это делается для настройки счетчика на определение только гамма-квантов.

Д ля бытового применения, в настоящее время, чаще всего используются датчики торцевого исполнения (к примеру, Бета-1, Бета-2). Такие счетчики устроены таким образом, что способны обнаруживать и регистрировать даже альфа-частицы. Такой счетчик представляет собой плоский цилиндр с расположенными внутри электродами, и входным (рабочим) окном, выполненным из слюдяной пленки толщиной всего 12 мкм. Такая конструкция позволяет определить (с близкого расстояния) высокоэнергетические альфа-частицы и слабоэнергетические бета-частицы. При этом площадь рабочего окна счетчиков Бета-1 и Бета 1-1 составляет 7 кв.см. Площадь слюдяного рабочего окна для прибора Бета-2 в 2 раза больше, чем у Бета-1, его вполне можно использовать для определения , и т.д.

Е сли говорить о принципе работы камеры счетчика Гейгера, то вкратце ее можно описать следующим образом. При активации , на катод и анод подается высокое напряжение (порядка 350 – 475 вольт), через нагрузочный резистор, однако между ними не происходит разряда из-за инертного газа, служащего диэлектриком. При попадании в камеру , ее энергии оказывается достаточно, чтобы выбить свободный электрон из материала корпуса камеры или катода, этот электрон лавинообразно начинает выбивать свободные электроны из окружающего инертного газа и происходит его ионизация, которая в итоге приводит к разряду между электродами. Цепь замыкается, и данный факт можно зарегистрировать при помощи микросхемы прибора, что является фактом обнаружения или кванта гамма или рентгеновского излучения. Затем камера приходит в исходное состояние, что позволяет обнаружить следующую частицу.

Ч тобы процесс разряда в камере прекратить и подготовить камеру для регистрации следующей частицы, существует два способа, один из них основан на том, что на очень короткий промежуток времени прекращается подача напряжения на электроды, что прекращает процесс ионизации газа. Второй способ основан на добавлении в инертный газ еще одного вещества, к примеру, йода, спирта и других веществ, при этом они приводят к уменьшению напряжения на электродах, что также прекращает процесс дальнейшей ионизации и камера становится способной обнаружить следующий радиоактивный элемент. При данном методе используется нагрузочный резистор большой емкости.

П о количеству разрядов в камере счетчика и можно судить об уровне радиации на измеряемой местности или от конкретного предмета.

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.

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.

В 1908 году физик из Германии Ганс Гейгер трудился в химических лабораториях, принадлежащих Эрнсту Резерфорду. Там же им было предложено испытать счетчик заряженных частиц, представлявший собой ионизированную камеру. Камера являлась электро-конденсатором, который наполняли газом под высоким давлением. Еще Пьер Кюри применял это устройство на практике, изучая электричество в газах. Идея Гейгера - обнаруживать излучения ионов - была связана с их влиянием на уровень ионизации летучих газов.

В 1928 г. немецкий ученый Вальтер Мюллер, работавший с Гейгером и под его началом, создал несколько счетчиков, регистрирующих ионизирующие частицы. Устройства были нужны для дальнейшего исследования радиации. Физика, будучи наукой экспериментов, не могла бы существовать без измерительных конструкций. Были открыты только несколько излучений: γ, β, α. Задача Гейгера состояла в том, чтобы измерить чувствительными приборами все виды излучения.

Счетчик Гейгера-Мюллера - простой и дешевый радиоактивный датчик. Это не точный инструмент, который фиксирует отдельные частицы. Техника измеряет общую насыщенность ионизирующего излучения. Физики используют его с другими датчиками, чтобы добиться точности расчетов при проведении экспериментов.

Немного об ионизирующих излучениях

Можно было бы сразу перейти к описанию детектора, но его работа покажется непонятной, если вы мало знаете об ионизирующих излучениях. При излучении происходит эндотермическое влияние на вещество. Этому способствует энергия. К примеру, ультрафиолет или радиоволна к таким излучениям не относятся, а вот жесткий ультрафиолетовый свет - вполне. Здесь определяется граница влияния. Вид именуется фотонным, а сами фотоны - это γ-кванты.

Эрнст Резерфорд поделил процессы испускания энергии на 3 вида, используя установку с магнитным полем:

• γ - фотон;
• α - ядро атома гелия;
• β - электрон с высокой энергией.

От частиц α можно защититься бумажным полотном. β проникают глубже. Способность проникновения γ самая высокая. Нейтроны, о которых ученые узнали позже, являются опасными частицами. Они воздействуют на расстоянии нескольких десятков метров. Имея электрическую нейтральность, они не вступают в реакцию с молекулами разных веществ.

Однако нейтроны легко попадают в центр атома, провоцируют его разрушение, из-за чего образуются радиоактивные изотопы. Распадаясь, изотопы создают ионизирующие излучения. От человека, животного, растения или неорганического предмета, получившего облучение, радиация исходит несколько дней.

Устройство и принцип работы счетчика Гейгера

Прибор состоит из металлической или стеклянной трубки, в которую закачан благородный газ (аргоново-неоновая смесь либо вещества в чистом виде). Воздуха в трубке нет. Газ добавляется под давлением и имеет примесь спирта и галогена. По всей трубке протянута проволока. Параллельно ей располагается железный цилиндр.

Проволока называется анодом, а трубка - катодом. Вместе они - электроды. К электродам подводится высокое напряжение, которое само по себе не вызывает разрядных явлений. В таком состоянии индикатор будет пребывать, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации. От источника питания к трубке подключается минус, а к проволоке - плюс, направленный через высокоуровневое сопротивление. Речь идет о постоянном питании в десятки сотен вольт.

Когда в трубку попадает частица, с ней сталкиваются атомы благородного газа. При соприкосновении выделяется энергия, отрывающая электроны от атомов газа. Затем образуются вторичные электроны, которые тоже сталкиваются, порождая массу новых ионов и электронов. На скорость электронов по направлению к аноду влияет электрическое поле. По ходу этого процесса образуется электрический ток.

При столкновении энергия частиц теряется, запас ионизированных атомов газа подходит к концу. Когда заряженные частицы попадают в газоразрядный счетчик Гейгера, сопротивление трубки падает, что немедленно снижает напряжение средней точки деления. Затем сопротивление вновь растет - это влечет за собой восстановление напряжения. Импульс становится отрицательным. Прибор показывает импульсы, а мы можем их сосчитать, заодно оценив количество частиц.

Виды счётчиков Гейгера

По конструкции счетчики Гейгера бывают 2 видов: плоский и классический.

Классический

Сделан из тонкого гофрированного металла. За счет гофрирования трубка приобретает жесткость и устойчивость к внешнему воздействию, что препятствует ее деформации. Торцы трубки оснащены стеклянными или пластмассовыми изоляторами, в которых находятся колпачки для вывода к приборам.

На поверхность трубки нанесен лак (кроме выводов). Классический счетчик считается универсальным измерительным детектором для всех известных видов излучений. Особенно для γ и β.

Плоский

Чувствительные измерители для фиксации мягкого бета-излучения имеют другую конструкцию. Из-за малого количества бета-частиц, их корпус имеет плоскую форму. Есть окошко из слюды, слабо задерживающее β. Датчик БЕТА-2 - название одного из таких приборов. Свойства других плоских счетчиков зависят от материала.

Параметры и режимы работы счетчика Гейгера

Чтобы рассчитать чувствительность счетчика, оцените отношение количества микрорентген от образца к числу сигналов от этого излучения. Прибор не измеряет энергию частицы, поэтому не дает абсолютно точной оценки. Калибровка устройств происходит по образцам изотопных источников.

Также нужно смотреть на следующие параметры:

Рабочая зона, площадь входного окна

Характеристика площади индикатора, через которую проходят микрочастицы, зависит от его размеров. Чем шире площадь, тем большее число частиц будет поймано.

Рабочее напряжение

Напряжение должно соответствовать средним характеристикам. Сама характеристика работы - это плоская часть зависимости количества фиксированных импульсов от напряжения. Ее второе название - плато. В этом месте работа прибора достигает пиковой активности и именуется верхним пределом измерений. Значение - 400 Вольт.

Рабочая ширина

Рабочая ширина - разница между напряжением выхода на плоскость и напряжением искрового разряда. Значение - 100 Вольт.

Наклон

Величина измеряется в виде процента от количества импульсов на 1 вольт. Он показывает погрешность измерения (статистическую) в подсчете импульсов. Значение - 0,15 %.

Температура

Температура важна, поскольку счётчик часто приходится применять в сложных условиях. Например, в реакторах. Счетчики общего использования: от -50 до +70 С по Цельсию.

Рабочий ресурс

Ресурс характеризуется общим числом всех импульсов, зафиксированных до момента, когда показания прибора становятся некорректными. Если в устройстве есть органика для самогашения, количество импульсов составит один миллиард. Ресурс уместно подсчитывать только в состоянии рабочего напряжения. При хранении прибора расход останавливается.

Время восстановления

Это промежуток времени, за который устройство проводит электричество после реагирования на ионизирующую частицу. Существует верхний предел для частоты импульсов, ограничивающий интервал измерений. Значение - 10 микросекунд.

Из-за времени восстановления (его ещё называют мертвое время) прибор может подвести в решающий момент. Для предотвращения зашкаливания производители устанавливают свинцовые экраны.

Есть ли у счетчика фон

Фон измеряется в толстостенной свинцовой камере. Обычное значение - не более 2 импульсов за минуту.

Кто и где применяет дозиметры радиации?

В промышленных масштабах выпускают много модификаций счетчиков Гейгера-Мюллера. Их производство началось во времена СССР и продолжается сейчас, но уже в Российской Федерации.

Устройство применяют:

• на объектах атомной промышленности;
• в научных институтах;
• в медицине;
• в быту.

После аварии на Чернобыльской АЭС дозиметры покупают и рядовые граждане. Во всех приборах установлен счетчик Гейгера. Такие дозиметры оснащают одной или двумя трубками.

Можно ли сделать счетчик Гейгера своими руками?

Изготовить счетчик самостоятельно сложно. Нужен датчик излучения, а его купить смогут далеко не все. Сама схема счетчика давно известна - в учебниках физики, например, её тоже печатают. Однако воспроизвести устройство в домашних условиях сумеет только настоящий «левша».

Талантливые мастера-самоучки научились делать счетчику заменитель, который также способен замерять гамма- и бета-излучения с помощью люминесцентной лампы и лампы накаливания. Также используют трансформаторы от сломанной техники, трубка Гейгера, таймер, конденсатор, различные платы, резисторы.

Заключение

Диагностируя излучения, нужно учитывать собственный фон измерителя. Даже при наличии свинцовой защиты приличной толщины скорость регистрации не обнуляется. У этого явления есть объяснение: причина активности - космическое излучение, проникающее через толщи свинца. Над поверхностью Земли ежеминутно проносятся мюоны, которые регистрируются счетчиком с вероятностью 100%.

Есть и еще один источник фона - радиация, накопленная самим устройством. Поэтому по отношению к счётчику Гейгера тоже уместно говорить об износе. Чем больше радиации прибор накопил, тем ниже достоверность его данных.

Счетчик Гейгера - основной сенсор для измерения радиации. Он регистрирует гамма-, альфа-, бета-излучение и рентгеновские лучи. Обладает самой высокой чувствительностью в сравнении с другими способами регистрации радиации, например, ионизационными камерами. Это главная причина его повсеместного распространения. Другие сенсоры для измерения радиации используются очень редко. Почти все приборы дозиметрического контроля построены именно на счетчиках Гейгера. Они выпускаются массово, и есть приборы различных уровней: от дозиметров военной приемки до китайского ширпотреба. Сейчас приобрести какой-либо прибор для измерения радиации — не проблема.

Повсеместного распространения дозиметрических приборов еще совсем недавно не было. Так к 1986 году во время чернобыльской аварии оказалось, что у населения нет просто никаких приборов дозиметрической разведки, что кстати, дополнительно усугубило последствия катастрофы. При этом, несмотря на распространение радиолюбительства и кружков технического творчества, счетчики Гейгера не продавались в магазинах, поэтому изготовление самодельных дозиметров было невозможным.

Принцип работы счетчиков Гейгера

Это электровакуумный прибор с предельно простым принципом работы. Датчик радиоактивных излучений представляет собой металлическую или стеклянную камеру с металлизацией, заполненную разряженным инертным газом. По центру камеры располагают электрод. Внешние стенки камеры подключают к источнику высокого напряжения (обычно 400 вольт). Внутренний электрод - к чувствительному усилителю. Ионизирующие излучения (радиация) представляют собой поток частиц. Они буквально переносят электроны от высоковольтного катода в нити анода. На ней просто наводится напряжение, которое можно уже измерить, подключив к усилителю.

Высокая чувствительность счетчика Гейгера обусловлена лавинообразным эффектом. Энергия, которую регистрирует усилитель на выходе, — это не энергия источника ионизирующего излучения. Это энергия высоковольтного блока питания самого дозиметра. Проникшая частица только переносит электрон (энергетический заряд, который превращается в ток, регистрируемый измерителем). Между электродами введена газовая смесь, состоящая из благородных газов: аргона, неона. Она призвана гасить высоковольтные разряды. Если возникнет такой разряд, то это будет ложное срабатывание счетчика. Последующая измерительная схема игнорирует такие выбросы. Кроме того, высоковольтный блок питания тоже должен быть от них защищен.

Схема питания в счетчике Гейгера обеспечивает ток на выходе в нескольких микроампер при выходном напряжении 400 вольт. Точное значение напряжения питания устанавливается для каждой марки счетчика по его технической спецификации.

Возможности счетчиков Гейгера, чувствительность, регистрируемые излучения

С помощью счетчика Гейгера можно зарегистрировать и с высокой точностью измерить гамма- и бета-излучение. К сожалению, нельзя распознать вид излучения напрямую. Это делается косвенным методом с помощью установки преград между сенсором и обследуемым объектом или местностью. Гамма-лучи обладают высокой проницаемостью, и их фон не меняется. Если дозиметр засек бета-излучение, то установка разделительной преграды даже из тонкого листа металла почти полностью перекроет поток бета-частиц.

Распространенные в прошлом комплекты индивидуальных дозиметров ДП-22, ДП-24 не использовали счетчиков Гейгера. Вместо них там использовался сенсор ионизационная камера, поэтому чувствительность была очень низкой. Современные дозиметрические приборы на счетчиках Гейгера обладают в тысячи раз большей чувствительностью. С помощью них можно регистрировать естественные изменения солнечного радиационного фона.

Примечательная особенность счетчика Гейгера - чувствительность, в десятки и сотни раз превышающая необходимый уровень. Если в совершенно защищенной свинцовой камере включить счетчик, то он покажет огромный естественный радиационный фон. Эти показания не являются дефектом конструкции самого счетчика, что было проверено многочисленными лабораторными исследованиями. Такие данные - следствие естественного радиационного космического фона. Эксперимент только показывает, насколько чувствительным является счетчик Гейгера.

Специально для измерения этого параметра в технических характеристиках указывается значение «чувствительность счетчика имп мкр» (импульсов в микросекунду). Чем больше этих импульсов - тем больше чувствительность.

Измерение радиации счетчиком Гейгера, схема дозиметра

Схему дозиметра можно разделить на два функциональных модуля: высоковольтный блок питания и измерительная схема. Высоковольтный блок питания - аналоговая схема. Измерительный модуль на цифровых дозиметрах всегда цифровой. Это счетчик импульсов, который выводит соответствующее значение в виде цифр на шкалу прибора. Для измерения дозы радиации необходимо подсчитать импульсы за минуту, 10, 15 секунд или другие значения. Микроконтроллер пересчитывает число импульсов в конкретное значение на шкале дозиметра в стандартных единицах измерения радиации. Вот самые распространенные из них:

• рентген (обычно используется микрорентген);
• Зиверт (микрозиверт - мЗв);
• Грей, рад,
• плотность потока в микроваттах/м2.

Зиверт - наиболее популярная единица измерения радиации. К ней соотнесены все нормы, никаких дополнительных пересчетов проводить не требуется. Бэр - единица для определения влияния радиации на биологические объекты.

Сравнение газоразрядного счетчика Гейгера с полупроводниковым датчиком радиации

Счетчик Гейгера является газоразрядным прибором, а современная тенденция микроэлектроники - повсеместное от них избавление. Были разработаны десятки вариантов полупроводниковых сенсоров радиации. Регистрируемый ими уровень радиационного фона значительно выше, чем для счетчиков Гейгера. Чувствительность полупроводникового сенсора хуже, но у него другое преимущество - экономичность. Полупроводникам не требуется высоковольтного питания. Для портативных дозиметров с батарейным питанием они хорошо подходят. Еще одно их преимущество - регистрация альфа-частиц. Газовый объем счетчика существенно больше полупроводникового сенсора, но все равно его габариты приемлемы даже для портативной техники.

Измерение альфа-, бета- и гамма-излучения

Гамма-излучение измерять наиболее просто. Это электромагнитное излучение, представляющее собой поток фотонов (свет - тоже поток фотонов). В отличие от света у него гораздо более высокая частота и очень малая длина волны. Это позволяет ему проникать сквозь атомы. В гражданской обороне гамма-излучение — это проникающая радиация. Она проникает сквозь стены домов, автомобили, различные сооружения и задерживается только слоем земли или бетона в несколько метров. Регистрация гамма-квантов проводится с градуировкой дозиметра по естественному гамма-излучению солнца. Источников радиации не требуется. Совсем другое дело с бета- и альфа-излучением.

Если ионизирующиее излучение α (альфа-излучение) исходит от внешних объектов, то оно почти безопасно и представляет собой поток ядер атомов Гелия. Пробег и проницаемость этих частиц небольшая — нескольких микрометров (максимум миллиметров) — в зависимости от проницаемости среды. Ввиду этой особенности оно почти не регистрируется счетчиком Гейгера. В то же время регистрация альфа-излучения важна, так как эти частицы чрезвычайно опасны при проникновении внутрь организма с воздухом, пищей, водой. Для их декретирования счетчики Гейгера используются ограничено. Больше распространены специальные полупроводниковые сенсоры.

Бета-излучение отлично регистрируется счетчиком Гейгера, потому что бета-частица представляет собой электрон. Она может пролететь сотни метров в атмосфере, но хорошо поглощается металлическими поверхностями. В связи с этим счетчик Гейгера должен иметь окошко из слюды. Металлическая камера изготавливается с небольшой толщиной стенки. Состав внутреннего газа подбирается таким образом, чтобы обеспечить небольшой перепад давления. Детектор бета-излучения ставится на выносном зонде. В быту такие дозиметры мало распространены. Это в основном военная продукция.

Индивидуальный дозиметр с счетчиком Гейгера

Этот класс приборов обладает высокой чувствительностью в отличие от устаревших моделей с ионизационными камерами. Надежные модели предлагаются многими отечественными производителями: «Терра», «МКС-05», «ДКР», «Радэкс», «РКС». Это все автономные приборы с выводом данных на экран в стандартных единицах измерения. Есть режим показания накопленной дозы облучения, так и мгновенного уровня фона.

Перспективное направление - бытовой дозиметр-приставка к смартфону. Такие устройства выпускают зарубежные производители. У них богатые технические возможности, есть функция хранения показаний, калькуляции, пересчета и суммирования излучения за дни, недели, месяцы. Пока что из-за низких объемов производства стоимость этих приборов довольно высокая.

Самодельные дозиметры, зачем они нужны?

Счетчик Гейгера является специфическим элементом дозиметра, совершенно недоступным для самостоятельного изготовления. Кроме того, он встречается только в дозиметрах или продается отдельно в магазинах радиотоваров. Если этот датчик есть в наличии, все остальные компоненты дозиметра могут быть собраны самостоятельно из деталей разнообразной бытовой электроники: телевизоров, материнских плат и др. На радиолюбительских сайтах, форумах сейчас предлагается около десятка конструкций. Собирать стоит именно их, поскольку это самые отработанные варианты, имеющие подробные руководства по настройке и наладке.

Схема включения счетчика Гейгера всегда подразумевает наличие источника высокого напряжения. Типичное рабочее напряжение счетчика - 400 вольт. Его получают по схеме блокинг-генератора, и это самый сложный элемент схемы дозиметра. Выход счетчика можно подключить к усилителю низкой частоты и подсчитывать щелчки в динамике. Такой дозиметр собирается в экстренных случаях, когда времени на изготовление практически нет. Теоретически, выход счетчика Гейгера можно подключить к аудиовходу бытовой аппаратуры, например, компьютера.

Самодельные дозиметры, пригодные для точных измерений, все собираются на микроконтроллерах. Навыки программирования здесь не нужны, так как программа записывается готовой из бесплатного доступа. Сложности здесь типичные для домашнего электронного производства: получение печатной платы, пайка радиодеталей, изготовление корпуса. Все это решается в условиях небольшой мастерской. Самодельные дозиметры из счетчиков Гейгера делают в случаях, когда:

• нет возможности приобрести готовый дозиметр;
• нужен прибор со специальными характеристиками;
• необходимо изучить сам процесс постройки и наладки дозиметра.

Самодельный дозиметр градуируется по естественному фону с помощью другого дозиметра. На этом процесс постройки заканчивается.

Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них