Счетчик Гейгера: устройство и бытовые вариации. Самодельный счетчик гейгера–мюллера

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.

Давно не проблема купить прибор под условным названием «бытовой дозиметр» (были б деньги - в этом смысле, Фукусима радиофобам и радиофилам (TM) подгадила), но думаю, что этот прибор было бы интересно сделать своими руками.

Сердцем нашего прибора будет счетчик Гейгера. Мы знаем, конечно, что у этого детектора есть куча недостатков и вообще «прибор должен быть сцинтилляционным», но сцинтилляционный радиометр существенно сложнее и у меня под него задуман следующий пост. Тем более, у счетчика Гейгера-Мюллера есть и ряд неоспоримых достоинств.

Итак, начнем.

Детектор

Итак, счетчик Гейгера-Мюллера. (рис.1) Простейшее устройство, состоящее из двух электродов, помещенных в газовую среду при низком давлении - катод, имеющий большую площадь, и анод в виде более-менее тонкой проволоки, создающий локальное поле большой напряженности. в котором развивается процесс размножения ионов, за счет которого единственная ионная пара может вызвать мощную лавину ионизации и зажигание самостоятельного разряда.

Рис. 1. Счетчик Гейгера-Мюллера. 1 - анод, 2 - катод, 3 - баллон, 4 - вывод катода, 5, 6 - пружины, натягивающие нить катода.

По сути счетчик работает, как тиратрон с холодным катодом, только разряд в нем зажигается от ионизации, вызванной не импульсом с сетки, а пролетевшей через газ заряженной частицей. После того, как разряд загорелся, его нужно погасить либо снятием с анода напряжения, либо… Либо он погаснет сам. Но для этого в газовую среду счетчика надо ввести что-то, что под действием разряда перейдет в форму, которая сделает газ непрозрачным для ультрафиолетового излучения и из-за этого исчезнет один из факторов поддержания самостоятельного разряда - фотоэлектронная эмиссия. Таких добавок две: спирт и галогены (хлор, бром и йод). Первый в разряде разлагается, превращаясь, грубо говоря, в сажу, и потом обратно в спирт не превращается, и через несколько десятков тысяч импульсов кончится и счетчику конец. А галогены становятся из молекулярных атомарными, причем процесс обратим. Они тоже кончаются - из-за того, что атомарные галогены с легкостью реагируют со всем попало, включая стенки счетчика, но чаще они успевают рекомбинировать друг с другом, поэтому галогенные счетчики гораздо более долговечны, выдерживая миллиарды импульсов. Нас интересуют в первую очередь галогенные счетчики, потому что:

А) они долговечнее,
б) они работают при 400-500 В, а не при полутора тысячах, как спиртовые,
в) они просто наиболее распространены.
В таблице 1 я привел несколько распространенных счетчиков Гейгера и их основные параметры.

Таблица 1.
Основные параметры некоторых счетчиков Гейгера-Мюллера.

Примечания: 1 - чувствительность к альфа-излучению не регламентирована; 2 - мелкосерийный счетчик, данные по нему скудны.

Чувствительность

Выбирая счетчик Гейгера для нашего дозиметра, нужно в первую очередь смотреть на его чувствительность. Ведь вряд ли вы хотите прибор, который что-то покажет только там, где пару часов назад взорвалась «Кузькина мать». А таких счетчиков, между тем, предостаточно, и за их почти полной бесполезностью для обывателя, они очень дешево стоят. Это всевозможные СИ-3БГ, СИ-13Г и прочие «счетчики судного дня», стоящие в армейских дозиметрах для работы на верхнем пределе измерений. Чем счетчик чувствительнее, тем больше импульсов в секунду он при одном и том же уровне радиации даст. Классический счетчик СБМ-20 (он же более ранних выпусков носил название СТС-5), который традиционно ставили во все перестроечно-постчернобыльские «трещалки», при естественном фоне в 12 мкР/ч дает около 18 импульсов в минуту. От этой цифры удобно плясать, считая чувствительность счетчика в «СБМ-20».

Что нам дает чувствительность счетчика? Точность и скорость реакции. Дело в том, что частицы радиоактивных излучений прилетают к нам не по расписанию, а как придется, да и счетчик какую-то из них пропустит, а от какой-то сработает (от фотонов гамма-излучения - примерно от одного из нескольких сотен). Так что импульсы от счетчика Гейгера (да и от любого счетного детектора радиации) идут в абсолютно случайные моменты времени с непредсказуемыми интервалами между ними. И посчитав количество импульсов в одну минуту, другую, третью - мы получим различные значения. И среднеквадратичное отклонение этих значений, то есть погрешность определения скорости счета, будет пропорционален квадратному корню из числа зарегистрированных импульсов. Чем больше будет импульсов, тем меньше будет относительная (в процентах от измеряемой величины) погрешность их счета: .
Когда у нас детектор - упомянутый «эталонный» СБМ-20, а время счета - 40 секунд (так делали в простых бытовых дозиметрах, непосредственно показывая число сосчитанных импульсов в качестве уровня мощности дозы в мкР/ч), на естественном фоне количество импульсов - ~10 штук. А это значит, что среднеквадратическое отклонение - около трех. А погрешность при 95% доверительной вероятности - вдвое больше, то есть 6 импульсов. Таким образом, мы имеем грустную картинку: показания дозиметра 10 мкР/ч означают, что мощность дозы составляет где-то от 4 до 16 мкР/ч. А об обнаружении аномалии мы сможем говорить только когда дозиметр покажет отклонение в три сигмы, то есть больше 20 мкР/ч…

Чтобы точность увеличить, можно увеличить время счета. Если мы сделаем его три минуты, то есть в четыре раза больше, мы учетверим и число импульсов, а значит, удвоим точность. Но тогда мы потеряем реакцию прибора на короткие всплески излучения, например, на прошедшего мимо вас «вашего сиятельства» после сцинтиграфии или радиойодтерапии или наоборот, когда вы проходите на радиобазаре мимо часов с СПД. А взяв вчетверо более чувствительный детектор (4 параллельно соединенных СБМ-20, один СБМ-19, СБТ-10 или СИ-8Б) и оставив то же время измерения, мы и точность повысим, и скорость реакции сохраним.

Альфа, бета, гамма и конструкция счетчиков

Альфа-излучение задерживается бумажкой. Бета-излучение можно экранировать листом оргстекла. А от жесткого гамма-излучения нужно строить стену из свинцовых кирпичей. Это знают, пожалуй, все. И все это имеет прямое отношение к счетчикам Гейгера: чтобы он почувствовал излучение, нужно, чтобы оно, как минимум, проникло внутрь. А еще оно должно не пролететь навылет, как нейтрино сквозь Землю.

Счетчик типа СБМ-20 (и его старший брат СБМ-19 и младшие СБМ-10 и СБМ-21) имеют металлический корпус, в котором нет никаких специальных входных окон. Из этого вытекает, что ни о какой чувствительности к альфа-излучению речи не идет. Бета-лучи он чувствует достаточно неплохо, но только если они достаточно жесткие, чтобы проникнуть внутрь. Это где-то от 300 кэВ. А вот гамма-излучение он чувствует, начиная с пары десятков кэВ.

А счетчики СБТ-10 и СИ-8Б (а также новомодные и малодоступные из-за ломовых цен Бета-1,2 и 5) вместо сплошной стальной оболочки имеют обширное окно из тонкой слюды. Через это окно способны проникнуть бета-частицы с энергией свыше 100-150 кэВ, что позволяет увидеть загрязнение углеродом-14, которое абсолютно невидимо для стальных счетчиков. Также окно из слюды позволяет счетчику чувствовать альфа-частицы. Правда, в отношении последних надо смотреть на толщину слюды конкретных счетчиков. Так, СБТ-10 с его толстой слюдой его практически не видит, а у Беты-1 и 2 слюда тоньше, что дает эффективность регистрации альфа-частиц плутония-239 около 20%. СИ-8Б - где-то посередине между ними.

А вот теперь что касается пролета насквозь. Дело в том, что альфа- и бета-частицы счетчик Гейгера регистрирует практически все, что смогли проникнуть внутрь. А вот с гамма-квантами все печально. Чтобы гамма-квант вызвал импульс в счетчике, он должен выбить из его стенки электрон. Этот электрон должен преодолеть толщу металла от точки, где произошло взаимодействие, до внутренней поверхности, и поэтому «рабочий объем» детектора, где происходит его взаимодействие с фотонами гамма-излучения - это тончайший, в несколько микрон, слой металла. Отсюда ясно, что эффективность счетчика для гамма-излучения очень мала - в сто и более раз меньше, чем для бета-излучения.

Питание

Для работы счетчик Гейгера требует высоковольтного питания. Типичные галогенные приборы советского-российского производства требуют напряжения около 400 В, многие западные счетчики рассчитаны на 500 или 900 В. Некоторые счетчики требуют напряжения до полутора киловольт - это старые счетчики со спиртовым гашением типа МС и ВС, счетчики рентгеновского излучения для рентгеноструктурного анализа, нейтронные. Нас они не будут сильно интересовать. Питание на счетчик подается через балластное сопротивление в несколько мегаом - оно ограничивает импульс тока и снижает напряжение на счетчике после прохождения импульса, облегчая гашение. Величина этого сопротивления приводится в справочных данных на конкретный прибор - его слишком малая величина сокращает жизнь детектора, а слишком большая - увеличивает мертвое время. Обычно его можно взять около 5 МОм.

При увеличении напряжения от нуля счетчик Гейгера сначала работает, как обыкновенная ионизационная камера, а затем, как пропорциональный счетчик: каждая из пар ионов, которые образовались при пролете частицы, порождает небольшую ионов, увеличивая ионный ток в сотни и тысячи раз. При этом на нагрузочном сопротивлении в цепи счетчика уже можно обнаружить очень слабые, измеряемые милливольтами, импульсы. С ростом напряжения лавины становятся все больше, и в какой-то момент самые сильные из них начинают поддерживать сами себя, зажигая самостоятельный разряд. В этот момент вместо слабых, милливольтовых импульсов от лавин, проходящих через межэлектродное пространство и исчезающих на электродах, появляются гигантские, амплитудой в несколько десятков вольт! И их частота с ростом напряжения быстро растет, пока вспышку разряда не начнет вызывать каждая лавина Очевидно, что при дальнейшем росте напряжения скорость счета должна перестать расти. Так оно и происходит: на зависимости чувствительности от напряжения наблюдается плато .

Все же рост напряжения не оставляет скорость счета неизменной: разряд может возникнуть и просто так, от спонтанной эмиссии. И с ростом напряжения вероятность такого разряда только увеличивается. Поэтому плато получается наклонным, а начиная с некоторого напряжения скорость счета начинает быстро расти, а затем разряд переходит в непрерывный. В таком режиме, понятное дело, счетчик не только не выполняет своей функции, но и быстро выходит из строя.

Рис. 2. Зависимость скорости счета счетчика Гейгера от напряжения питания.

Наличие плато существенно облегчает питание счетчика Гейгера - ему не требуются высокостабильные источники высокого напряжения, какие требуются для сцинтилляционных счетчиков. Длина этого плато для низковольтных счетчиков - 80-100 В. Во многих советских бытовых дозиметрах кооперативного происхождения и практически во всех любительских конструкциях того времени питание счетчика было сделано от преобразователя напряжения на основе блокинг-генератора без всякого намека на стабилизацию. Расчет был таким: при свежей батарейке напряжение на аноде счетчика соответствовало верхней границе плато, так что нижней границы плато высокое напряжение достигало уже при изрядно разряженной батарейке.

Фон и мертвое время

Любой детектор любого излучения всегда имеет некоторый темновой сигнал, регистрируемый, когда на детектор не падает никакое излучение. Счетчик Гейгера-Мюллера - не исключение. Одним из источников темнового фона является упоминавшаяся выше спонтанная эмиссия. Вторым - радиоактивность самого счетчика, что особенно актуально для счетчиков со слюдяным окном, так как природная слюда неизбежно содержит примеси урана и тория. И если последняя практически не зависит ни от чего и является константой для данного экземпляра детектора, то фон от спонтанной эмиссии зависит от величины высокого напряжения, температуры, «возраста» счетчика. Из-за этого становится плохой идеей питать нестабилизированным напряжением счетчик, которым мы будем пользоваться в основном при измерениях низких уровней радиации: собственный фон счетчика от напряжения питания зависит весьма существенно.

Скорость счета от собственного фона достигает у счетчиков Гейгера уровня, соответствующего 3-10 мкР/ч, то есть составляет заметную долю скорости счета при нормальной радиационной обстановке. Особенно велик фон у слюдяных датчиков - СБТ-10, СИ-8Б, «Бета». Так что его обязательно нужно вычитать из результатов измерения. Но для этого его нужно знать. Справочник тут не поможет: там приведены лишь максимальные значения. Чтобы собственный фон измерить, нужен свинцовый «домик» толщиной не менее 5 см, при этом внутреннюю поверхность нужно покрыть листами меди толщиной 2-3 мм и 5 мм оргстеклом. Дело в том, что «домик» будет находиться под обстрелом космических лучей, которые делают сам домик источником рентгеновского излучения, главным образом в характеристических линиях свинца. И если сделать защиту только из свинца, это флюоресцентное «свечение» и «увидит» счетчик - вместо полной «темноты». А оргстекло нужно от выбиваемых той же космикой из свинца и меди электронов, энергия которых тоже достаточна для обнаружения счетчиком Гейгера.

При измерении фона следует учитывать, что свинцовый «домик» не оказывает никакого препятствия для космических мюонов. Их поток составляет ~0,015 . Например, через счетчик СБМ-20 эффективной площадью ~8 пройдет 0,12 или 7,2 . Из-за большой энергии эффективность регистрации космических мюонов практически любым счетчиком Гейгера можно принимать за 100%, и эту величину следует вычесть из темнового фона.

Если собственный фон - источник погрешностей при низких уровнях, то мертвое время сказывается при больших уровнях радиации. Сущность явления состоит в том, что сразу после импульса емкость счетчика еще не зарядилась до первоначального напряжения через нагрузочное сопротивление. Кроме того, в счетчике только погас разряд - но гасящая присадка еще не успела вернуться в первоначальное состояние. Поэтому у счетчика на 150-200 мкс возникает состояние, когда он оказывается нечувствителен к следующей частице, после чего он постепенно восстанавливает чувствительность. (рис. 3)

Рис. 3. Мертвое время счетчика Гейгера

Поправка на мертвое время находится по формуле:

где m и n, соответственно, измеренная и скорректированная скорости счета, а - мертвое время.

При очень больших уровнях радиации у многих счетчиков Гейгера (тут еще зависит и от остальной схемы) наступает неприятный и опасный эффект: постоянная ионизация мешает формироваться отдельным импульсам. Счетчик начинает непрерывно «гореть» постоянным разрядом и скорость счета резко падает до очень малой величины. Вместо того, чтобы зашкалить, дозиметр показывает какие-то умеренно-повышенные, а то и почти нормальные цифры. А тем временем вокруг светят десятки и сотни рентген в час и надо бы бежать, но вы успокоены показаниями дозиметра. Именно поэтому в армейских дозиметрах почти всегда есть помимо основного чувствительного - счетчик «судного дня», очень малочувствительный, но зато способный переварить тысячи Р/ч.

От скорости счета к дозе. Ход с жесткостью и прочие нехорошие вещи

Вообще говоря, счетчик Гейгера не измеряет мощность дозы. Мы получаем лишь скорость счета - сколько импульсов в минуту или секунду выдал счетчик. К дозе - энергии, поглощенной в одном килограмме человеческого тела (или еще чего-либо) это имеет весьма отдаленное отношение. В первую очередь - в связи с принципом действия: счетчику Гейгера абсолютно плевать на природу частицы и ее энергию. Импульсы от фотонов любой энергии, бета-частиц, мюонов, позитронов, протонов - будут одинаковыми. А вот эффективность регистрации - разная.

Как уже я говорил, бета-излучение счетчик Гейгера регистрирует с эффективностью в десятки процентов. А гамма-гамма-кванты - только доли процента. И все это напоминает складывание метров с килограммами, да еще и с произвольно взятыми коэффициентами. Вдобавок, чувствительность счетчика к гамма-излучению неодинакова при разных энергиях (рис.4). Дозовая чувствительность к излучению разных энергий может отличаться почти на порядок. Природа этого явления понятна: гамма-излучение низкой энергии имеет гораздо больший шанс поглотиться тонким слоем вещества, поэтому чем энергия ниже, тем выше эффективность (пока не начнет сказываться поглощение в стенках счетчика). В области же высоких энергий наоборот: с ростом энергии эффективность регистрации растет, что является среди детекторов ионизирующего излучения достаточно необычным явлением.

Рис. 4. Энергетическая зависимость дозовой чувствительности счетчика Гейгера-Мюллера (слева) и результат ее компенсации с помощью фильтра.

К счастью, при высоких энергиях (выше 0,5-1 МэВ) эффективность счетчика Гейгера к гамма-излучению почти пропорциональна энергии. А значит, энергетическая зависимость дозовой чувствительности там невелика. А горб при малых энергиях легко убрать с помощью фильтра из свинца толщиной около 0,5 мм. Толщина фильтра подбирается таким образом, чтобы при энергии, соответствующей максимальной чувствительности детектора (это 50-100 кэВ в зависимости от толщины входного окна детектора) кратность поглощения составляла бы величину этого пика. Чем энергия больше, тем меньше поглощения в свинце, и при 500-1000 кэВ, где чувствительность детектора выравнивается сама, оно уже практически незаметно.

Более точной коррекции можно добиться, используя многослойный фильтр из разных металлов, который нужно подбирать к конкретному счетчику.

Такой фильтр сокращает «ход с жесткостью» до величины в 15-20% во всем диапазоне 50-3000 кэВ и превращает показометр (ну ладно, поисковый радиометр-индикатор) в дозиметр.

Такой фильтр обычно делают съемным, поскольку он делает датчик нечувствительным к альфа- и бета-излучению.

***

В общем-то, это все, что нужно знать про счетчик Гейгера-Мюллера конструктору приборов на его основе. Как видите, прибор и впрямь несложный, хотя ряд тонкостей имеется. В следующей серии мы на его основе что-нибудь полезное сконструируем.

В наш век техногенных катастроф необходимо защитить себя от их последствий в виде радиоактивного заражения. А для этого ионизирующее излучение необходимо обнаружить. Поэтому при отсутствии промышленных приборов любой радиолюбитель может попытаться изготовить счетчик Гейгера своими руками.

Гейгера?

Для измерения радиоактивного фона учеными и инженерами разработаны приборы - счетчики Гейгера. В качестве датчика альфа-, бета- и гамма-излучений используется герметичная газоразрядная трубка, наполненная смесью инертных газов, названная в честь ученых-изобретателей счетчиком Гейгера - Мюллера. Но профессиональные приборы мало доступны современному обывателю и довольно дороги.

Разработано несколько разновидностей подобных конструкций. Счетчик Гейгера своими руками из неоновой лампы может изготовить даже самый неподготовленный сталкер для выживания в постапокалиптическом мире.

Разновидности конструкций самодельных счетчиков Гейгера

Счетчик Гейгера своими руками разработали и изготовили уже многие конструкторы-любители. Вариантов конструкций много. Известны наиболее распространенные схемы самодельных разработок:

• Радиометр, с использованием стартера от лампы дневного света или неоновой лампы в качестве датчика бета- и гамма-излучения.
• Простой самодельный индикатор радиации на базе датчика СТС-5.
• Простейший дозиметр с датчиком СБМ-20.
• Малогабаритный радиационный индикатор на базе датчика СБТ-9.
• Индикатор ионизирующего излучения на базе датчика из полупроводникового прибора - диода.
• Простейший индикатор радиации с самодельным разрядником, изготовленным из ПЭТ-бутылки и консервной банки.

Преимущества и недостатки конструкций

Конструкции самодельных дозиметров и индикаторов радиации с использованием датчиков СБМ-20, СТС-5, СБТ-9 достаточно просты, имеют высокую чувствительность. Но у них есть очень важный недостаток - это промышленные датчики ионизирующего излучения, которые труднодоступны и дороги для покупки.

Индикатор радиации с датчиком из полупроводникового прибора дешев, но, в связи с нелинейностью характеристик полупроводников, труден в настройке, чувствителен к изменению температуры и напряжению питания.

Прибор с самодельным датчиком из ПЭТ-бутылки предельно прост, но требует схемы с полевым транзистором, который не всегда доступен для самодельщика. Кроме того, полевые транзисторы склонны к пробою в условиях сильной радиации.

Наиболее доступными являются конструкции с датчиками на базе стартера от неисправных ламп дневного света или неоновой лампы. К недостаткам датчика из стартера, как и неоновой лампы, необходимо отнести чувствительность к изменению температуры и напряжения питания, необходимость экранирования датчика от света и электромагнитного излучения. К преимуществам относится простота изготовления и настройки счетчика Гейгера своими руками.

Схема индикатора радиации c неоновой лампой в качестве датчика

Изготовление счетчика Гейгера своими руками следует начинать с изучения принципиальной схемы устройства. В этой схеме в качестве датчика гамма- и бета-излучения используется неоновая лампочка.

Рассмотрим принципиальную схему.

Чтобы выпрямить переменный ток, применен диод D1. Для обеспечения постоянного напряжения 100 В использована стабилизационная схема на основе стабилитрона D2. Параметры резистора R1 находятся в зависимости от питающего напряжения Vac и рассчитываются по формуле

R1=(Vac-100V)/(5 мА).

Переменным сопротивлением R2 устанавливается напряжение на неоновой лампочке немного ниже напряжения поджигания. Неоновая лампа в режиме ожидания не должна гореть. При пролете радиоактивных частиц через стеклянную колбу, происходит ионизация инертного газа и вспышка лампы.

В момент вспышки лампы на сопротивлении R3 произойдет падение напряжения, а на неоновой лампе появится напряжение, меньше напряжения удержания. На лампе не будет прохождения тока до момента зажигания ее ионизирующей частицей. В момент краткого протекания тока через лампу в громкоговорителе прозвучит громкий щелчок. После сборки счетчика Гейгера своими руками из неоновой лампы можно приступать к его настройке.

Настройка и калибровка счетчика Гейгера

Разработанная модель постапокалиптического счетчика Гейгера своими руками настраивается просто. Переменным сопротивлением R2 прибор переводится в на грани срабатывания датчика из неоновой лампы. Далее для эксперимента, к индикатору радиоактивности приближается пыльная тряпка и регулирующим резистором R2 подстраивается чувствительность прибора. Так как в пыли полно радиоактивных изотопов, неоновая лампочка индикатора радиоактивности при правильной настройке должна периодически вспыхивать, головка громкоговорителя должна издавать стрекочущие звуки и щелчки.

Для более точной калибровки прибора необходимо применить доступный источник радиации. Им может быть тумблер от военной радиоаппаратуры с нанесенным на него светящимся радиоактивным люминофором. Калибровка осуществляется с помощью образцового стандартного дозиметра. Частота срабатывания самодельного счетчика Гейгера подстраивается под частоту подсчета уровня радиации промышленного дозиметра. Для калибровки также может применяться стандартный источник радиации, которым, как правило, укомплектован военный дозиметр.

Материалы и инструменты для сборки счетчика Гейгера

При сборке своими руками счетчика Гейгера материалы могут применяться любые, доступные радиолюбителю. Главное, чтобы номиналы радиодеталей соответствовали приведенной схеме. Необходимо правильно подобрать в качестве датчика неоновую лампу, чтобы напряжение зажигания примерно соответствовало 100 В. При этом радиодетали могут быть как импортные, так и отечественные. Параметры деталей необходимо подобрать, используя справочную литературу.

Важно отметить, что в приведенной принципиальной схеме использовано переменное напряжение питания от сети Vac =220 В по бестрансформаторной схеме, а это опасно поражением организма электрическим током. Для предотвращения электрической травмы, следует изготовить корпус прибора из электроизоляционного материала. Для этой цели подойдет плексиглас, гетинакс, стеклотекстолит, полистирол, другие слоистые пластики.

При сборке счетчика Гейгера своими руками инструмент применяется самый разнообразный:

• Электрический паяльник мощностью 60 Вт необходим для пайки радиодеталей.
• Ножовка по металлу широко используется для распиливания фольгированного стеклотекстолита, при изготовлении печатной платы. Применяется для раскройки и разрезания пластиковых деталей корпуса.
• Электродрель применяется для сверления отверстий в печатной плате, сборки корпуса на уголках.
• Пинцет крайне необходим для работы с мелкими деталями при пайке и монтаже электрической схемы.
• Бокорезы рекомендуются для обрезки выступающих выводов радиодеталей.
• Для пуско-наладки прибора совершенно необходим элементарный тестер, с помощью которого потребуется провести замеры напряжения в контрольных точках, а также других электрических параметров.
• Для автономного электропитания подлинно постапокалиптического счетчика Гейгера желательно подключить аккумуляторную батарею напряжением 4,5-9 В, для чего применить любую простейшую схему преобразователя напряжения до 220 В переменного тока.

При работе с электричеством и следует выполнять требования техники безопасности.

Счетчик Гейгера - Мюллера

Д ля определения уровня радиации применяется специальный прибор – . И для таких приборов бытового и большинства профессиональных устройств дозиметрического контроля, в качестве чувствительного элемента используется счетчик Гейгера . Это часть радиометра позволяет достаточно точно определить уровень радиации.

История появления счетчика Гейгера

В первые, устройство для определения интенсивности распада радиоактивных материалов появилось на свет в 1908 году, его изобрел немецкий физик Ганс Гейгер . Спустя двадцать лет, совместно с еще одним физиком Вальтером Мюллером прибор был усовершенствован, и в честь этих двух ученых и был назван.

В период развития и становления ядерной физики в бывшем советском союзе, также были созданы соответствующие устройства, которые широко применялись в вооруженных силах, на атомных электростанциях, и в специальных группах радиационного контроля гражданской обороны. В состав таких дозиметров, начиная с семидесятых годов прошлого века, входил счетчик, основанный на принципах Гейгера, а именно СБМ-20 . Данный счетчик, ровно, как и еще один его аналог СТС-5 , широко применяется и по настоящий момент, а также входит в состав современных средств дозиметрического контроля .

Рис.1. Газоразрядный счетчик СТС-5.

Рис.2. Газоразрядный счетчик СБМ-20.

Принцип работы счетчика Гейгера – Мюллера

И дея регистрации радиоактивных частиц предложенной Гейгером относительно проста. Она основана на принципе появления электрических импульсов в среде инертного газа под действием высокозаряженной радиоактивной частицы или кванта электромагнитных колебаний. Чтобы подробней остановиться на механизме действия счетчика, остановимся немного на его конструкции и процессах происходящих в нем, при прохождении радиоактивной частицы через чувствительный элемент прибора.

Р егистрирующее устройство представляет собой герметичный баллон или контейнер, который наполняется инертным газом, это может быть неон, аргон и т.д. Такой контейнер может быть изготовлен из металла или стекла, причем газ в нем находиться под низким давлением, это делается специально, чтобы упростить процесс регистрации заряженной частицы. Внутри контейнера расположены два электрода (катод и анод) на которые подается высокое напряжение постоянного тока через специальный нагрузочный резистор.

Рис.3. Устройство и схема включения счетчика Гейгера.

П ри активации счетчика в среде инертного газа на электродах не возникает разряда за счет высокого сопротивления среды, однако ситуация меняется если в камеру чувствительного элемента прибора попадает радиоактивная частица или квант электромагнитных колебаний. В этом случае частица, имеющая заряд достаточно высокой энергии, выбивает некоторое количество электронов из ближайшего окружения, т.е. из элементов корпуса или физически самих электродов. Такие электроны, оказавшись в среде инертного газа, под действием высокого напряжения между катодом и анодом, начинают двигаться в сторону анода, по пути ионизируя молекулы этого газа. В результате они выбивают из молекул газа вторичные электроны, и этот процесс растет в геометрических масштабах, пока между электродами не происходит пробой. В состоянии разряда цепь замыкается на очень короткий промежуток времени, а это обуславливает скачок тока в нагрузочном резисторе, и именно этот скачок и позволяет зарегистрировать прохождение частицы или кванта через регистрационную камеру.

Т акой механизм позволяет зарегистрировать одну частицу, однако в среде, где ионизирующее излучение достаточно интенсивно, требуется быстрое возвращение регистрационной камеры в исходное положение, для возможности определения новой радиоактивной частицы . Это достигается двумя различными способами. Первый из них заключается в том, чтобы на короткий промежуток времени прекратить подачу напряжения на электроды, в этом случае ионизация инертного газа резко прекращается, а новое включение испытательной камеры, позволяет начать регистрацию с самого начала. Такой тип счетчиков носит название несамогасящиеся дозиметры . Второй тип устройств, а именно самогасящиеся дозиметры, принцип их действия заключается в добавлении в среду инертного газа специальных добавок на основе различных элементов, к примеру, бром, йод, хлор или спирт. В этом случае их присутствие автоматически приводит к прекращению разряда. При таком строении испытательной камеры в качестве нагрузочного резистора используются сопротивления иногда на несколько десятков мегаом. Это позволяет во время разряда резко уменьшить разность потенциалов на концах катода и анода, что прекращает токопроводящий процесс и камера возвращается в исходное состояние. Стоит отметить, что напряжение на электродах менее 300 вольт автоматически прекращает поддержание разряда.

Весь описанный механизм позволяет регистрировать огромное количество радиоактивных частиц за короткий промежуток времени.

Виды радиоактивного излучения

Ч тобы понимать, что именно регистрируют счетчики Гейгера – Мюллера , стоит остановиться на том, и какие виды ее существуют. Сразу стоит оговориться, что газоразрядные счетчики, которые входят в состав большинства современных дозиметров, способны только зарегистрировать количество радиоактивных заряженных частиц или квантов, но не могут определить, ни их энергетических характеристик, ни тип излучения. Для этого дозиметры делают более многофункциональными и целевыми, и чтобы правильно их сравнивать следует более точно понимать их возможности.

П о современным представлениям ядерной физики радиационное излучение можно разделить на два типа, первый в виде электромагнитного поля , второй в виде потока частиц (корпускулярное излучение). К первому типу можно отнести поток гамма-частиц или рентгеновское излучение . Главной их особенностью является способность распространяться в виде волны на очень большие расстояния, при этом они достаточно легко проходят через различные предметы и могут без труда проникать в самые различные материалы. Для примера, если человеку нужно спрятаться от потока гамма-лучей, вследствие ядерного взрыва, то укрывшись в подвале дома или бомбоубежища, при условии его относительной герметичности, он сможет обезопасить себя от этого типа излучения только на 50 процентов.

Рис.4. Кванты рентгеновского и гамма-излучения.

Т акой тип излучения носит импульсный характер и характеризуется распространением в окружающей среде в виде фотонов или квантов, т.е. коротких вспышек электромагнитного излучения. Такое излучение может иметь различные энергетические и частотные характеристики, к примеру, рентгеновское излучение имеет в тысячи раз меньшую частоту, чем гамма–лучи. Поэтому гамма-лучи существенно более опасны для человеческого организма и их воздействие носит значительно более разрушительный характер.

И злучение, основанное на корпускулярном принципе, это альфа и бета частицы (корпускулы). Они возникают в результате ядерной реакции, при которой происходит превращение одних радиоактивных изотопов в другие с выделением колоссального количества энергии. При этом бета-частицы представляют собой поток электронов, а альфа-частицы, существенно более крупные и более устойчивые образования, состоящие из двух нейтронов и двух протонов связанных друг с другом. По сути, такое строение имеет ядро атома гелия, поэтому вполне можно утверждать, что поток альфа-частиц это поток ядер гелия.

П ринята следующая классификация , наименьшей проникающей способностью обладают альфа-частицы, чтобы от них защититься, человеку достаточно и плотного картона, большей проникающей способностью обладают бета-частицы, чтобы человек мог обезопасить себя от потока такого излучения ему потребуется уже металлическая защита в несколько миллиметров толщиной (к примеру, алюминиевый лист). От гамма - квантов практически не существует защиты, и они распространяются на значительные расстояния, затухая по мере отдаления от эпицентра или источника, и подчиняясь законам распространения электромагнитных волн.

Рис.5. Радиоактивные частицы альфа и бета типа.

К оличество энергии, которой обладают все эти три типа излучения, также различны, и наибольшей из них обладает поток альфа частиц. Для примера, энергия, которой обладают альфа частицы в семь тысяч раз больше, чем энергия бета-частиц , т.е. проникающая способность различных типов радиации, находится в обратно пропорциональной зависимости от их проникающей способности.

Д ля человеческого организма наиболее опасным типом радиоактивного излучения считаются гамма кванты , за счет высокой проникающей способности, а затем по убывающей, бета-частицы и альфа-частицы. Поэтому, определить альфа-частицы достаточно трудно, если сказать невозможно обычным счетчиком Гейгера - Мюллера , так как для них является препятствием практически любой объект, не говоря уже о стеклянном или металлическом контейнере. Определить бета-частицы таким счетчиком можно, но лишь в том случае, когда их энергии достаточно для прохождения через материал контейнера счетчика.

Для бета-частиц с малыми энергиями обычный счетчик Гейгера – Мюллера неэффективен.

О братная ситуация с гамма-излучением, есть вероятность, что они насквозь пройдут через контейнер, не запустив реакцию ионизации. Для этого в счетчиках устанавливают специальный экран (из плотной стали или свинца), который позволяет снизить энергию гамма-квантов и активировать, таким образом, разряд в камере счетчика.

Базовые характеристики и отличия счетчиков Гейгера – Мюллера

С тоит также осветить некоторые базовые характеристики и отличия различных дозиметров, оборудованных газоразрядными счетчиками Гейгера – Мюллера . Для этого следует сравнить некоторые из них.

Наиболее распространенные счетчики Гейгера – Мюллера оборудованы цилиндрическими или торцевыми датчиками . Цилиндрические похожи на продолговатый цилиндр в виде трубки с небольшим радиусом. Торцевая ионизационная камера имеет округлую или прямоугольную форму небольших размеров, но со значительной торцевой рабочей поверхностью. Иногда встречаются разновидности торцевых камер с удлиненной цилиндрической трубкой с небольшим входным окном с торцевой стороны. Различные конфигурации счетчиков, а именно самих камер, в состоянии регистрировать разные типы излучений, или же их комбинации, (к примеру, комбинации гамма и бета лучей, или всего спектра альфа, бета и гамма). Такое становится возможным благодаря специально разработанной конструкции корпуса счетчика, а также материала, из которого он изготавливается.

Е ще одной важной составляющей для целевого применения счетчиков это площадь входного чувствительного элемента и рабочей зоны . Другими словами это сектор, через который будут попадать, и регистрироваться интересующие нас радиоактивные частицы. Чем больше эта площадь, тем больше счетчик будет в состоянии уловить частиц, и тем сильнее будет его чувствительность к радиации. В паспортных данных к указывается площадь рабочей поверхности, как правило, в квадратных сантиметрах.

Е ще один важный показатель, который указывается в характеристиках к дозиметру, это величина шума (измеряется в импульсах в секунду). Другими словами, этот показатель можно назвать величиной собственного фона. Его можно определить в лабораторных условиях, для этого прибор помещают в хорошо защищенном помещении или камере, как правило, с толстыми стенками из свинца, и регистрируют уровень радиации, который испускает само устройство. Понятно, что если такой уровень будет достаточно существенным, то эти наведенные шумы непосредственно отразятся на погрешности измерений.

Каждый профессиональный и радиации обладает такой характеристикой, как радиационная чувствительность, также измеряется в импульсах в секунду (имп/с), или в импульсах на микрорентген (имп/мкР). Такой параметр, а точнее его использование, напрямую зависит от источника ионизирующего излучения, на который настраивается счетчик, и по которому будет проводиться дальнейшее измерение. Часто настройку производят по источникам, включающим такие радиоактивные материалы как, радий – 226, кобальт – 60, цезий – 137, углерод – 14 и другие.

Е ще один показатель, по которому стоит сравнивать дозиметры, это эффективность регистрации ионного излучения или радиоактивных частиц. Существование этого критерия связано с тем, что не все пройденные через чувствительный элемент дозиметра радиоактивные частицы будут зарегистрированы. Это может происходить в случае, когда квант гамма-излучения не вызвал ионизацию в камере счетчика, или количество прошедших частиц и вызвавших ионизацию и разряд столь велико, что устройство неадекватно их подсчитывает, и по некоторым другим причинам. Чтобы точно определить данную характеристику конкретного дозиметра, его тестируют при помощи некоторых радиоактивных источников, к примеру, плутония- 239 (для альфа-частиц), или таллия – 204, стронция – 90, иттрия - 90 (бета-излучатель), а также других радиоактивных материалов.

С ледующий критерий, на котором необходимо остановиться, это диапазон регистрируемых энергий . Любая радиоактивная частица или квант излучения обладают различной энергетической характеристикой. Поэтому, дозиметры рассчитаны на измерение не только конкретного типа излучения, но и на их соответствующую энергетическую характеристику. Такой показатель измеряется в мегаэлектронвольтах или килоэлектронвольтах, (МэВ, КэВ). К примеру, если бета-частицы не обладают достаточной энергией, то они не смогут выбить электрон в камере счетчика, и поэтому не будут зарегистрированы, или, только высокоэнергетические альфа-частицы смогут пробиться через материал корпуса счетчика Гейгера – Мюллера и выбить электрон.

И сходя из всего вышеизложенного, современные производители дозиметров радиации выпускают широкий ассортимент приборов для различных целевых назначений и конкретных отраслей промышленности. Поэтому стоит рассмотреть конкретные разновидности счетчиков Гейгера.

Различные варианты счетчиков Гейгера – Мюллера

П ервый вариант дозиметров, это устройства, рассчитанные на регистрацию и обнаружение гамма-фотонов и высокочастотного (жесткого) бета-излучения. На данный диапазон измерений рассчитаны практически все из ранее произведенных и современных, как бытовых например: , так и профессиональных дозиметров радиации, например: . Такое излучение обладает достаточной энергией и большой проникающей способностью, чтобы камера счетчика Гейгера смогла их зарегистрировать. Такие частицы и фотоны легко проникают через стенки счетчика и вызывают процесс ионизации, а это легко регистрируется соответствующей электронной начинкой дозиметра.

Д ля регистрации такого типа радиации прекрасно подходят популярные счетчики типа СБМ-20 , имеющие датчик в виде цилиндрической трубки-баллона с расположенными коаксиально проволочными катодом и анодом. Причем, стенки трубки датчика служат одновременно катодом и корпусом, и изготовлены из нержавеющей стали. Данный счетчик имеет следующие характеристики:

• площадь рабочей зоны чувствительного элемента 8 квадратных сантиметров;
• радиационная чувствительность по гамма излучению порядка 280 имп/с, или 70 имп/мкР (тестирование проводилось по цезию – 137 при 4 мкР/с);
• собственный фон дозиметра составляет порядка 1 имп/с;
• датчик рассчитан на регистрацию гамма-излучения с энергией в диапазоне от 0,05МэВ до 3МэВ, и бета-частиц с энергией 0,3МэВ по нижней границе.

Рис.6. Устройство счетчика Гейгера СБМ-20.

У данного счетчика существовали различные модификации, к примеру, СБМ-20- 1 или СБМ-20У , которые имеют похожие характеристики, но отличаются принципиальной конструкцией контактных элементов и измерительной схемой. Другие модификации этого счетчика Гейгера – Мюллера, а это СБМ-10, СИ29БГ, СБМ-19, СБМ-21, СИ24БГ имеют похожие параметры также, многие из них встречаются в бытовых дозиметрах радиации, которые можно найти в магазинах и на сегодняшний день.

С ледующая группа дозиметров радиации рассчитана на регистрацию гамма-фотонов и рентгеновского излучения . Если говорить о точности таких устройств, то следует понимать, что фотонное и гамма излучение представляет собой кванты электромагнитного излучения, которые движутся со скоростью света (порядка 300 000 км/с), поэтому зарегистрировать подобный объект представляется достаточно трудной задачей.

Эффективность работы таких счетчиков Гейгера составляет порядка одного процента.

Ч тобы повысить ее требуется увеличение поверхности катода. По сути, гамма-кванты регистрируются косвенным способом, благодаря выбитым ими электронам, которые участвуют в последствие в ионизации инертного газа. Чтобы максимально эффективно способствовать этому явлению, специально подбираются материал и толщина стенок камеры счетчика, а также размеры, толщина и материал катода. Здесь, большая толщина и плотность материала могут снизить чувствительность регистрационной камеры, а слишком малая позволит легко попадать высокочастотному бета-излучению в камеру, а также увеличит количество естественных для прибора радиационных шумов, что заглушит точность определения гамма-квантов. Естественно, что точные пропорции подбираются производителями. По сути, на данном принципе, изготавливаются дозиметры на основании счетчиков Гейгера – Мюллера для прямого определения гамма излучения на местности, при этом такой прибор исключает возможность определения любых других видов излучения и радиоактивного воздействия, что позволяет точно определить радиационную загрязненность и уровень негативного воздействия на человека только по гамма-излучению.

В отечественных дозиметрах, которые оснащены цилиндрическими датчиками, устанавливаются следующие их типы: СИ22Г, СИ21Г, СИ34Г, Гамма 1-1, Гамма – 4, Гамма – 5, Гамма – 7ц, Гамма – 8, Гамма – 11 и многие другие. Причем в некоторых типах устанавливается специальный фильтр на входном, торцевом, чувствительном окне, который специально служит для отсечения альфа и бета-частиц, и дополнительно увеличивающий площадь катода, для более эффективного определения гамма-квантов. К таким датчикам можно отнести Бета – 1М, Бета – 2М, Бета – 5М, Гамма – 6, Бета – 6М и прочие.

Ч тобы понять более наглядно принцип их действия стоит подробней рассмотреть один из таких счетчиков. К примеру, торцевой счетчик с датчиком Бета – 2М , который имеет округлую форму рабочего окна, составляющего порядка 14 квадратных сантиметров. При этом радиационная чувствительность к кобальту - 60 составляет порядка 240 имп/мкР. Данный тип счетчика имеет очень низкие показатели собственного шума , который составляет не более 1 импульса в секунду. Это возможно за счет толстостенной свинцовой камеры, которая в свою очередь рассчитана на регистрацию фотонного излучения с энергией в диапазоне от 0,05 МэВ до 3 МэВ.

Рис.7. Торцевой гамма-счетчик Бета-2М.

Для определения гамма излучения вполне можно использовать счетчики для гамма-бета импульсов, которые рассчитаны на регистрацию жестких (высокочастотных и высокоэнергетических) бета-частиц и гамма-квантов. К примеру, модель СБМ – 20. Если в этой модели дозиметра вы хотите исключить регистрацию бета-частиц, то для этого достаточно установить свинцовый экран, или щит из любого другого металлического материала (свинцовый экран эффективнее). Это наиболее распространенный способ, каким пользуются большинство разработчиков при создании счетчиков для гамма и рентгеновского излучения.

Регистрация «мягкого» бета-излучения.

К ак мы уже ранее упоминали, регистрация мягкого бета излучения (излучение с низкими энергетическими характеристиками и сравнительно небольшой частоты), достаточно трудная задача. Для этого требуется обеспечить возможность более легкого их проникновения в регистрационную камеру. Для этих целей, изготавливается специальное тонкое рабочее окно, как правило, из слюды или полимерной пленки, которое практически не создает препятствий для проникновения бета-излучения этого типа в ионизационную камеру. При этом катодом может выступать непосредственно сам корпус датчика, а анод представляет собой систему линейных электродов, которые равномерно распределены и смонтированы на изоляторах. Регистрационное окно выполнено в торцевом варианте, и на пути бета-частиц в таком случае оказывается только тонкая слюдяная пленка. В дозиметрах с такими счетчиками регистрация гамма излучения идет, как приложение и по сути, как дополнительная возможность. А если требуется избавиться от регистрации гамма-квантов, то необходимо минимизировать поверхность катода.

Рис.8. Устройство торцевого счетчика Гейгера.

С тоит отметить, что счетчики для определения мягких бета-частиц были созданы уже достаточно давно и с успехом применялись во второй половине прошлого века. Среди них наиболее распространенными были датчики типа СБТ10 и СИ8Б , которые имели тонкостенные слюдяные рабочие окна. Более современный вариант такого прибора Бета-5 имеет площадь рабочего окна порядка 37 кв/см, прямоугольной формы из слюдяного материала. Для таких размеров чувствительного элемента, прибор в состоянии регистрировать около 500 имп/мкР, если измерять по кобальту – 60. При этом эффективность определения частиц составляет до 80 процентов. Прочие показатели этого прибора выглядят следующим образом: собственный шум составляет 2,2 имп/с., диапазон определения энергий от 0,05 до 3 МэВ, при этом нижний порог определения мягкого бета-излучения составляет 0,1 МэВ.

Рис.9. Торцевой бета-гамма-счетчик Бета-5.

И естественно, стоит упомянуть о счетчиках Гейгера – Мюллера , способных регистрировать альфа-частицы. Если регистрация мягкого бета-излучения представляется достаточно сложной задачей, то зафиксировать альфа-частицу, даже имеющую высокие энергетические показатели, еще более сложная задача. Такую проблему можно решить только соответствующим уменьшением толщины рабочего окна до толщины, которой будет достаточно для прохождения альфа-частицы в регистрационную камеру датчика, а также практически полным приближением входного окна к источнику излучения альфа-частиц. Такое расстояние должно равняться 1 мм. Понятно, что такое устройство автоматически будет регистрировать любые другие типы излучения, и, причем с достаточно высокой эффективностью. В этом есть и положительная и отрицательная сторона:

Положительная – такой прибор можно использовать для самого широкого спектра анализа радиоактивного излучения

Отрицательная – за счет повышенной чувствительности, будет возникать значительное количество шумов, которые затруднят анализ полученных регистрационных данных.

К роме того, слишком тонкое слюдяное рабочее окно хотя и повышает возможности счетчика, однако в ущерб механической прочности и герметичности ионизационной камеры, тем более что само окно имеет достаточно большую площадь рабочей поверхности. Для сравнения, в счетчиках СБТ10 и СИ8Б, о которых мы упоминали выше, при площади рабочего окна около 30 кв/см, толщина слюдяного слоя составляет 13 – 17 мкм, а при необходимой толщине для регистрации альфа-частиц в 4-5 мкм, входное окно можно сделать лишь не более 0,2 кв/см., речь идет о счетчике СБТ9.

О днако, большую толщину регистрационного рабочего окна можно компенсировать близостью к радиоактивному объекту, и наоборот при сравнительно небольшой толщине слюдяного окна, появляется возможность зарегистрировать альфа-частицу на уже большем расстоянии, чем 1 -2 мм. Стоит привести пример, при толщине окна до 15 мкм, приближение к источнику альфа-излучения должно составлять менее 2 мм, при этом под источником альфа-частиц понимается излучатель плутоний – 239 с энергией излучения 5 МэВ. Продолжим, при толщине входного окна до 10 мкм, зарегистрировать альфа-частицы возможно уже на расстоянии до 13 мм, если сделать слюдяное окно толщиной до 5 мкм, то альфа-излучение будет регистрироваться на расстоянии 24 мм, и т.д. Еще один важный параметр, который напрямую влияет на возможность обнаружения альфа-частиц, это их энергетический показатель. Если энергия альфа-частицы больше чем 5 МэВ, то соответственно увеличиться расстояние ее регистрации для толщины рабочего окна любого типа, а если энергия меньше, то и расстояние требуется уменьшать, вплоть до полной невозможности зарегистрировать мягкое альфа-излучение.

Е ще одним важным моментом, позволяющим увеличить чувствительность альфа счетчика, это уменьшение регистрационной способности для гамма-излучения. Чтобы сделать это, достаточно минимизировать геометрические размеры катода, и гамма-фотоны будут проходить через регистрационную камеру не вызывая ионизации. Такая мера позволяет уменьшить влияние на ионизацию гамма-квантов в тысячи, и даже десятки тысяч раз. Устранить влияние бета-излучения на регистрационную камеру уже не представляется возможным, однако из этой ситуации есть довольно простой выход. Вначале регистрируется альфа и бета излучение суммарного типа, затем устанавливается фильтр из плотной бумаги, и совершается повторный замер, который зарегистрирует только бета-частицы. Величина альфа-излучения в этом случае рассчитывается как разность общего излучения и отдельного показателя расчета бета-излучения.

Для примера , стоит предложить характеристики современного счетчика Бета-1, который позволяет зарегистрировать альфа, бета, гамма излучения. Вот эти показатели:

• площадь рабочей зоны чувствительного элемента 7 кв/см;
• толщина слюдяного слоя 12 мкм, (расстояние эффективного обнаружения альфа-частиц по плутонию – 239, порядка 9 мм,. По кобальту - 60 радиационная чувствительность достигается порядка 144 имп/мкР);
• эффективность измерения радиации для альфа-частиц - 20% (по плутонию - 239), бета-частиц – 45% (по таллию -204), и гамма-квантов – 60% (по составу стронций – 90, иттрий – 90);
• собственный фон дозиметра составляет порядка 0,6 имп/с;
• датчик рассчитан на регистрацию гамма-излучения с энергией в диапазоне от 0,05МэВ до 3МэВ, и бета-частиц с энергией более 0,1 МэВ по нижней границе, и альфа-частиц с энергией 5МэВ и более.

Рис.10. Торцевой альфа-бета-гамма-счетчик Бета-1.

К онечно, существует еще достаточно широкий ряд счетчиков , которые предназначены для более узкого и профессионального использования. Такие приборы имеют ряд дополнительных настроек и опций (электрические, механические, радиометрические, климатические и пр.), которые включают в себя множество специальных терминов и возможностей. Однако на них мы концентрироваться не будем. Ведь для понимания базовых принципов действия счетчиков Гейгера – Мюллера , описанных выше моделей вполне достаточно.

В ажно также упомянуть, что существуют специальные подклассы счетчиков Гейгера , которые специально сконструированы для определения различных видов другого излучения. К примеру, для определения величины ультрафиолетового излучения, для регистрации и определения медленных нейтронов, которые функционируют по принципу коронного разряда, и другие варианты, которые не относятся к данной теме напрямую, и рассматриваться не будут.

1.4 Счётчик Гейгера-Мюллера

В пропорциональном счётчике газовый разряд развивается только в части объёма газа. В ней образуется сначала первичная ионизация, а затем и лавина электронов. Остальной объём не охватывается газовым разрядом. С повышением напряжения критическая область расширяется. В ней увеличивается концентрация возбуждённых молекул, а следовательно, и количество испущенных фотонов. Под действием фотонов из катода и молекул газа вырывается

всё больше и больше фотоэлектронов. Последние в свою очередь дают начала новым лавинам электронов в объёме счётчика, не занятом газовым разрядом от первичной ионизации. Таким образом, повышение напряжения U приводит к распространению газового разряда по объёму счётчика. При некотором напряженииU п . Называемом пороговым, газовый разряд охватывает весь объём счётчика. При напряженииU п начинается область Гейгера-Мюллера.

Счётчик Гейгера (или счётчик Гейгера-Мюллера) − газонаполненный счётчик заряженных элементарных частиц, электрический сигнал с которого усилен за счёт вторичной ионизации газового объёма счётчика и не зависит от энергии, оставленной частицей в этом объёме.Изобретён в 1908 г. Х.Гейгером и Э.Резерфордом, позднее усовершенствован Гейгером и В. Мюллером. Счетчики Гейгера-Мюллера - самые распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения.

Гейгера - Мюллера счётчик - газоразрядный прибор для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и др. ионизирующих излучений:α - и β -частиц, γ -квантов, световых и рентгеновских квантов, частиц высокой энергии в космических лучах и на ускорителях. Гамма-кванты регистрируются счётчиком Гейгера – Мюллера по вторичным ионизирующим частицам - фотоэлектронам, комптоновским электронам, электронно-позитронным парам; нейтроны регистрируются по ядрам отдачи и продуктам ядерных реакций, возникающим в газе счётчика. Работает счётчик при напряжениях, соответствующих самостоятельному

коронному разряду (участок V, Рис. 21 ).

Рис. 21. Схема включения счетчика Гейгера

Разность потенциалов приложена (V ) между стенками и центральным электродом через сопротивлениеR , зашунтированное конденсатором

C1 .

Этот счётчик обладает практически стопроцентной вероятностью регистрации заряженной частицы, так как для

возникновения разряда достаточно одной электрон-ионной пары.

Конструктивно счётчик Гейгера устроен также как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой конденсатор (как правило, цилиндрический), с сильно неоднородным электрическим полем. К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал (анод), к внешнему – отрицательный (катод). Электроды заключены в герметически замкнутый резервуар, наполненный каким-либо газом до давления 13-26 кн/м 2 (100-200 мм pm .ст .). К электродам счётчика прикладывается напряжение в несколько сотв . На нить подаётся знак + через сопротивлениеR .

Функционально счётчик Гейгера также повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией (газовое усиление), который способен ионизовать всю область вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. По существу, при попадании в счетчик Гейгера частицы в нём вспыхивает (зажигается) самостоятельный газовый разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым газом. При этом коэффициент газового усиления может достигать 1010 , а величина импульса десятков вольт.

Возникает вспышка коронного разряда и через счётчик течёт ток.

Распределение электрического поля в счётчике таково, что разряд развивается лишь в вблизи анода счётчика на расстоянии нескольких диаметров нити. Электроны быстро скапливаются на нити (не более 10-6 сек), вокруг которой образуется «чехол» из положительных ионов. Положительный пространственный заряд увеличивает эффективный диаметр анода и снижает тем самым напряжённость поля, поэтому разряд прерывается. По мере удаления слоя положительных ионов от нити его экранирующее действие ослабляется и напряжённость поля вблизи анода становится достаточной для образования новой вспышки разряда. Положительные ионы, приближаясь к катоду, выбивают из последнего электроны, в результате чего образуются нейтральные атомы инертного газа в возбуждённом состоянии. Возбуждённые атомы при

достаточном приближении к катоду, выбивают из его поверхности электроны, которые становятся родоначальниками новых лавин. Без внешнего воздействия такой счётчик находился бы в длительном прерывистом разряде.

Таким образом, при достаточно большом R (108 -1010 ом ) на нити скапливается отрицательный заряд

и разность потенциалов между нитью и катодом быстро падает, в результате чего разряд обрывается. После этого чувствительность счётчика восстанавливается через 10-1 -10-3 сек (время разрядки ёмкости С через сопротивлениеR ). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду,

и восстановилась чувствительность детектора. Такое большое время нечувствительности неудобно для многих применений.

Для практического использования несамогасящего счётчика Гейгера используются различные способы прекращения разряда:

а) Использование электронных схем гашения разряда в газе. Приспособленная для этого электронная схема, в нужное время выдаёт на счётчик «противосигнал», который прекращает самостоятельный разряд и «выдерживает» счётчик на время до полной нейтрализации возникших заряженных частиц. Характеристики такого счётчика со схемой гашения разряда близки к характеристикам самогасящихся счётчиков и иногда превосходят их.

б) Гашение за счёт подбора величин нагрузочного сопротивления и эквивалентной ёмкости, а также величины напряжения на счётчике.

В зависимости от механизма гашения разряда различают две группы счётчиков: несамогасящиеся и самогасящиеся. В несамогасящихся счётчиках «мёртвое» время слишком велико (10-2 сек), для его

уменьшения применяют электронные схемы гашения разряда, которые снижают разрешающее время до времени собирания положительных ионов на катоде (10-4 сек).

Сейчас несамогасящиеся счётчики, в которых гашение разрядов обеспечивается сопротивлением R , вытеснены самогасящимися счётчиками, которые к тому же более стабильны. В них благодаря специальному газовому наполнению (инертный газ с примесью сложных молекул, например паров спирта, и небольшой

примесью галогенов - хлора, брома, йода) разряд сам собой обрывается даже при малых сопротивлениях R . Время нечувствительности самогасящегося счётчика ~10-4 сек .

В 1937 г. Трост обратил внимание на то обстоятельство, что если в счетчик, наполненный аргоном,

добавить небольшое количество (несколько процентов) паров этилового спирта (С2 H5 OH), то разряд, вызванный в счетчике ионизирующей частицей, погаснет сам по себе. Впоследствии выяснилось, что самопроизвольное погасание разряда в счетчике имеет место и при добавлении к аргону паров других органических соединений, обладающих сложными многоатомными соединениями. Вещества эти называют обычно гасящими, а счётчики Гейгера-Мюллера, в которых используются эти вещества, называются счетчиками - самогасящегося типа. Самогасящийся счётчик наполняется смесью двух (или нескольких) газов. Один газ, основной, составляет в смеси около 90 %, другой, гасящий - около 10 %. Компоненты рабочей смеси должны удовлетворять обязательному условию, заключающемуся в том, что потенциал ионизации гасящего газа должен быть ниже первого потенциала возбуждения основного газа.

Замечание. Для регистрации рентгеновского излучения часто применяются проволочные ксеноновые детекторы. Примером может служить первый отечественный сканирующий цифровой медицинский флюорограф МЦРУ СИБИРЬ. Другое приложение рентгеновских счётчиков - рентгенофлуоресцентный волнодисперсионный спектрометр (например, Venus 200), предназначенный для определения различных элементах в веществах и материалах. В зависимости от определяемого элемента возможно применение следующих детекторов: - проточного пропорционального детектора с окнами толщиной 1, 2, 6 микрон, непроточного неонового детектора с окнами толщиной 25 и 50 микрон, - непроточного криптонового детектора с окном толщиной 100 микрон, - ксенонового детектора с окном 200 микрон и сцинтилляционного детектора с окном 300 микрон.

Самогасящиеся счётчики допускают большую скорость счёта без специальных электронных схем

гашения разряда, поэтому они нашли широкое применение. Самогасящиеся счётчики с органическими гасящими примесями имеют ограниченный срок работы (108 -1010 импульсов). При использовании в качестве гасящей примеси одного из галогенов (чаще всего применяется менее активный Br2 ) срок службы становится практически неограниченным из-за того, что двухатомные молекулы галогена после диссоциации на атомы (в процессе разряда) образуются снова. К недостаткам галогенных счётчиков следует отнести сложность технологии их изготовления из-за химической активности галогенов и большое время нарастания переднего фронта импульсов из-за прилипания первичных электронов к молекуле галогена. «Затягивание» переднего фронта импульса в галогенных счётчиках делает их неприменимыми в схемах совпадений.

Основными характеристиками счётчика являются: счётная характеристика – зависимость скорости счёта от величины рабочего напряжения; эффективность счётчика – выраженное в процентах отношение числа считаемых частиц к числу всех частиц, попадающих в рабочий объём счётчика; разрешающее время –

минимальный интервал времени между импульсами, при котором они регистрируются раздельно и срок службы счётчиков.

Рис. 22. Схема возникновения мёртвого времени в счётчике Гейгера-Мюллера. (Форма импульса при разряде в счётчике Гейгера-Мюллера).

Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие - «мертвое» время - является важной его паспортной характеристикой.

Если в счётчике Гейгера-Мюллера в момент временt 0 начался разряд, вызванный ядерной частицей, то напряжение на счётчике резко падает. Счётчик в течение определённого времени, которое называется мёртвым временемτ м , не способен регулировать другие частицы. С моментаt 1 , т.е. по истечении мёртвого времени, в счётчике снова возможно возникновение самостоятельного разряда. Однако вначале амплитуда импульса ещё мала. Только после того, как пространственный заряд достигнет поверхности катода, в счётчике образуются импульсы нормальной амплитуды. Отрезок времениτ с между моментомt 0 , когда в счётчике возник самостоятельный разряд, и моментом восстановления рабочего напряженияt 3 называется временем восстановления. Для того чтобы регистрирующее устройство могло сосчитать импульс, необходимо, чтобы его амплитуда превышала определённую величинуU п . Интервал времени между моментом возникновения самостоятельного разрядаt 0 и моментом образования амплитудыU п импульсаt 2 называется разрешающим временемτ p счётчика Гейгера-Мюллера. Разрешающее времяτ p несколько больше мёртвого времени.

Если ежесекундно в счетчик попадает большое число частиц (несколько тысяч и более), то разрешающее время τ р по величине будет сравнимо со средним промежутком времени между импульсами, поэтому значительное число импульсов не сосчитывается. Пустьm - наблюдаемая скорость счета счетчика. Тогда доля времени, в течение которого счетная установка нечувствительна, равнаm τ . Следовательно, число импульсов, потерянных за единицу времени, равноnm τ р , гдеn - скорость счета, которая наблюдалась бы в том случае, если бы разрешающее время имело пренебрежимо малую величину. Поэтому

	n – m = nmτ р
				−m τ

Поправка в скорости счета, которая дается этим уравнением, называется поправкой на мертвое время установки.

Галогеновые самогасящиеся счётчики отличаются самым низким напряжением питания, превосходными параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались особенно удобными для применения в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.

Каждая фиксируемая счетчиком частица вызывает появление в его выходной цепи короткого импульса. Число импульсов, возникающих в единицу времени, - скорость счета счетчика Гейгера - зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Типичный график зависимости скорости счета от напряжения питания V показан наРис. 23. ЗдесьV заж - напряжение начала счета;V 1 иV 2 - нижняя и верхняя граница рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжениеV раб обычно выбирают в середине этого участка. Ему соответствуетN р - скорость счета в этом режиме.

Рис. 23. Зависимость скорости счета от напряжения питания в счетчике Гейгера (Счётная характеристика)

Зависимость скорости счета от уровня радиационного облучения счетчика - важнейшая его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому нередко радиационную чувствительность счетчика выражают через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета - имп/с - к уровню радиации - мкР/с). В

тех случаях, когда она не указана (нередких, к сожалению), судить о радиационной чувствительности

счетчика приходится по другому его тоже очень важному параметру - собственному фону. Так называют скорость счета, причиной которой являются две составляющие: внешняя - естественный радиационный фон, и внутренняя - излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода. («фон» в дозиметрии имеет почти тот же смысл, что и «шум» в радиоэлектронике; в обоих случаях речь идет о принципиально неустранимых воздействиях на аппаратуру.)

Еще одной важной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц. На профессиональном жаргоне график этой зависимости называют «ходом с жесткостью». В какой мере эта зависимость важна, показывает график на рисунке. «Ход с жесткостью» будет влиять, очевидно, на точность проводимых измерений.

В своей основе счетчик Гейгера очень прост. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона. Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно».

Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения - α ,β ,γ , ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного кα - и мягкому β -излучению, должно быть очень тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3...10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткоеβ - и γ -излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки 0,05....0,06 мм (он служит и катодом счетчика). Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового - из кварцевого стекла.

Рис. 24. Зависимость скорости счета от энергии гамма-квантов («ход с жесткостью») в счетчике Гейгера

В счетчик нейтронов вводят бор, при взаимодействии с которым поток нейтронов преобразуется в легко регистрируемые α - частицы. Фотонное излучение -ультрафиолетовое, рентгеновское, γ -излучение - счетчики Гейгера воспринимают опосредованно - через фотоэффект, комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом случае происходит преобразование взаимодействующего с веществом катода излучения в поток электронов.

Рис. 25. Радиометрическая установка на базе счётчика Гейгера-Мюллера.

То, что счетчик Гейгера является лавинным прибором, имеет и свои минусы – по реакции такого прибора нельзя судить о первопричине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые счетчиком Гейгера под действием α -частиц, электронов, γ -квантов (в счетчике, на все эти виды излучения реагирующем), ничем не различаются. Сами

частицы, их энергии совершенно исчезают в порождаемых ими лавинах-близнецах.

О качестве счетчика Гейгера-Мюллера судят обычно по виду его счетной характеристики. Для «хороших» счетчиков протяженность счетной части составляет 100-300 В при наклоне плато не более 3 - 5 % на 100 В. Рабочее напряжение счетчикаV раб выбирают обычно в середине его счетной области.

Поскольку скорость счета частиц на плато изменяется пропорционально интенсивности облучения ядерными частицами, счетчики Гейгера-Мюллера с успехом используются для относительных измерений активности радиоактивных источников. Абсолютные измерения затрудняются вследствие учета большого числа дополнительных поправок. При работе с источниками малой интенсивности следует учесть фон счетчика, обусловленный космическим излучением, радиоактивностью окружающей среды и радиоактивным загрязнением материала счетчика. В качестве наполняющих счетчик газов первоначально чаще всего использовались благородные газы, в частности, аргон и неон. У большинства счетчиков давление лежит в интервале от 7 до 20 см рт.ст, хотя они иногда работают и при больших давлениях, вплоть до 1 атм. В счётчиках такого типа необходимо применять специальные электронные схемы для гашения газового разряда, возникшего при попадании в счетчик ионизирующего излучения. Поэтому такие счетчики называются счетчиками Гейгера-Мюллера несамогасящегося типа. Они обладают весьма плохой разрешающей способностью. Применение схем для принудительного гашения разряда, улучшая

разрешающую способность, существенно усложняет экспериментальную установку, особенно в случае использования большого числа счетчиков одновременно.

Типичный стеклянный счётчик Гейгера-Мюллера представлен наРис. 25.

Рис. 25. Стеклянный счётчик Гейгера-Мюллера: 1 –

геометрически запаянная стеклянная трубка; 2 – катод (тонкий слой меди на трубке из нержавеющей стали); 3 – вывод катода; 4 – анод (тонкая натянутая нить).

В Табл. 1 приведены сведения о самогасящихся галогеновых счетчиках Гейгера

российского производства, наиболее подходящих для бытовых приборов радиационного контроля.

Обозначения: 1 - рабочее напряжение, В; 2 - плато - область малой зависимости скорости счета от напряжения питания, В; 3 - собственный фон счетчика, имп/с, не более; 4 - радиационная чувствительность счетчика, имп/мкР (* - по кобальту-60); 5 - амплитуда выходного импульса, В, не менее; 6 - габариты, мм - диаметр х длина (длина х ширина х

высота); 7.1 - жесткое β - иγ - излучение; 7.2 - то же и мягкоеβ - излучение; 7.3 - то же иα - излучение; 7.4 -γ - излучение.

Рис.26. Часы со встроенным счётчиком Гейгера-Мюллера.

Счетчик Гейгера-Мюллера, типа СТС-6, считаетβ иγ частицы и относится к самогасящимся счетчикам. Он представляет собой цилиндр из нержавеющей стали с толщиной стенок 50 мг/(см2 с) ребрами жесткости для прочности. Счетчик заполнен смесью паров неона и брома. Бром гасит разряд.

Конструкции счётчиков весьма разнообразны и зависят от вида излучения и его энергии, а также от методики измерения).

Радиометрическая установка на базе счётчика Гейгера - Мюллера представлена на Рис. 27. Напряжение на счётчик подаётся с высоковольтного источника питания. Импульсы со счетчика подаются в блок усилителя, где они усиливаются, и затем регистрируются пересчётным устройством.

Счётчики Гейгера-Мюллера применяются для регистрации всех видов излучения. Они могут быть использованы как для абсолютных, так и для относительных измерений радиоактивных излучений.

Рис. 27. Конструкция счётчиков Гейгера-Мюллера: а – цилиндрический; б

– внутреннего наполнения; г – проточный для жидкостей. 1 – анод (собирающий электрод); 2 – катод; 3 – стеклянный баллон; 4 – выводы электродов; 5 – стеклянная трубка; 6 – изолятор; 7 – слюдяное окно; 8 – кран для впуска газа.