Saistībā ar cilvēka darbības radītajām sekām uz vidi, kas saistīta ar kodolenerģiju, kā arī rūpniecībā (arī militārajā jomā), kas izmanto radioaktīvās vielas kā savu produktu sastāvdaļu vai pamatu, radiācijas drošības un radiācijas dozimetrijas pamatu apguve kļūst par pamatu. diezgan aktuāla tēma šodien. Papildus dabiskajiem jonizējošā starojuma avotiem katru gadu parādās arvien vairāk vietu, kuras pēc tam cilvēka darbības rezultātā piesārņo ar radiāciju. Tādējādi, lai saglabātu savu un savu tuvinieku veselību, ir jāzina konkrētas teritorijas vai priekšmetu un pārtikas piesārņojuma pakāpe. To var palīdzēt dozimetrs - ierīce jonizējošā starojuma efektīvās devas vai jaudas mērīšanai noteiktā laika periodā.
Pirms turpināt šīs ierīces ražošanu (vai iegādi), jums ir jābūt priekšstatam par izmērītā parametra būtību. Jonizējošais starojums (radiācija) ir fotonu, elementārdaļiņu vai atomu dalīšanās fragmentu plūsma, kas spēj jonizēt vielu. Tas ir sadalīts vairākos veidos. Alfa starojums ir alfa daļiņu plūsma - hēlija-4 kodoli, radioaktīvās sabrukšanas laikā radušās alfa daļiņas var viegli apturēt ar papīra lapu, tāpēc briesmas galvenokārt rodas, nonākot ķermeņa iekšienē. Beta starojums- tā ir elektronu plūsma, kas rodas beta sabrukšanas rezultātā; pietiek ar vairākus milimetrus biezu alumīnija plāksni, lai aizsargātu pret beta daļiņām ar enerģiju līdz 1 MeV. Gamma starojums ir daudz lielāka iespiešanās jauda, jo sastāv no augstas enerģijas fotoniem, kuriem nav lādiņa; aizsardzībai efektīvi ir smagie elementi (svins utt.) ar vairāku centimetru slāni. Visu veidu jonizējošā starojuma caurlaidības spēja ir atkarīga no enerģijas.
Geigera-Mullera skaitītājus galvenokārt izmanto jonizējošā starojuma reģistrēšanai. Šī vienkāršā un efektīvā ierīce parasti ir metāla vai stikla cilindrs, kas no iekšpuses metalizēts un gar šī cilindra asi izstiepts tievs metāla vītnis, pats balons ir piepildīts ar retinātu gāzi. Darbības princips ir balstīts uz triecienjonizāciju. Jonizējošajam starojumam atsitoties pret letes sieniņām, no tās tiek izsisti elektroni, elektroni, kustoties gāzē un saduroties ar gāzes atomiem, izsit elektronus no atomiem un rada pozitīvus jonus un brīvos elektronus. Elektriskais lauks starp katodu un anodu paātrina elektronus līdz enerģijām, pie kurām sākas trieciena jonizācija. Rodas jonu lavīna, kas izraisa primāro nesēju savairošanos. Ar pietiekami lielu lauka intensitāti šo jonu enerģija kļūst pietiekama, lai radītu sekundāras lavīnas, kas spēj uzturēt pašpietiekamu izlādi, kā rezultātā strāva caur skaitītāju strauji palielinās.
Ne visi Geigera skaitītāji var reģistrēt visu veidu jonizējošo starojumu. Tie galvenokārt ir jutīgi pret vienu starojumu – alfa, beta vai gamma starojumu, taču nereti var zināmā mērā reģistrēt arī citu starojumu. Tā, piemēram, SI-8B Geigera skaitītājs ir paredzēts mīksta beta starojuma reģistrēšanai (jā, atkarībā no daļiņu enerģijas starojumu var iedalīt mīkstajā un cietajā), taču šis sensors zināmā mērā ir jutīgs arī pret alfa starojumu. un gamma starojumam.
Tomēr, neskatoties uz to, tuvojoties raksta uzbūvei, mūsu uzdevums ir izgatavot pēc iespējas vienkāršāko, dabiski pārnēsājamo Geigera skaitītāju vai drīzāk dozimetru. Šīs ierīces ražošanai man izdevās iegūt tikai SBM-20. Šis Geigera skaitītājs ir paredzēts cietā beta un gamma starojuma reģistrēšanai. Tāpat kā lielākā daļa citu skaitītāju, SBM-20 darbojas ar 400 voltu spriegumu.
Geiger-Muller SBM-20 skaitītāja galvenie raksturlielumi (tabula no atsauces grāmatas):
Šim skaitītājam ir salīdzinoši zemas precizitātes rādītāji jonizējošā starojuma mērīšanai, taču pietiekami, lai noteiktu cilvēkam pieļaujamās starojuma devas pārsniegumu. SBM-20 pašlaik izmanto daudzos mājsaimniecības dozimetros. Lai uzlabotu veiktspēju, bieži tiek izmantotas vairākas caurules vienlaikus. Un, lai palielinātu gamma starojuma mērīšanas precizitāti, dozimetri ir aprīkoti ar beta starojuma filtriem, šajā gadījumā dozimetrs reģistrē tikai gamma starojumu, bet diezgan precīzi.
Mērot starojuma devu, jāņem vērā vairāki faktori, kas var būt svarīgi. Pat tad, ja nav jonizējošā starojuma avotu, Geigera skaitītājs radīs noteiktu impulsu skaitu. Tas ir tā sauktais pašu letes fons. Tas ietver arī vairākus faktorus: paša skaitītāja materiālu radioaktīvo piesārņojumu, spontānu elektronu emisiju no skaitītāja katoda un kosmisko starojumu. Tas viss dod noteiktu daudzumu "papildu" impulsu laika vienībā.
Tātad, vienkārša dozimetra shēma, kuras pamatā ir Geigera skaitītājs SBM-20:
Es salieku ķēdi uz maizes dēļa:
Shēma nesatur trūcīgas detaļas (izņemot, protams, pašu skaitītāju) un nesatur programmējamus elementus (mikrokontrolleri), kas ļaus īsā laikā bez lielām grūtībām salikt ķēdi. Taču šāds dozimetrs nesatur skalu, un ir nepieciešams noteikt starojuma devu pēc auss pēc klikšķu skaita. Tāda ir klasiskā versija. Ķēde sastāv no 9 voltu - 400 voltu sprieguma pārveidotāja.
Uz NE555 mikroshēmas ir izgatavots multivibrators, kura darbības frekvence ir aptuveni 14 kHz. Lai palielinātu darbības frekvenci, varat samazināt rezistora R1 vērtību līdz aptuveni 2,7 kOhm. Tas noderēs, ja jūsu izvēlētais (un varbūt arī izgatavotais) droseļvārsts izdos čīkstēšanu – palielinoties darbības biežumam, čīkstēšana pazudīs. Drosele L1 ir nepieciešama ar nominālvērtību 1000 - 4000 μH. Visātrāk piemērotu droseli var atrast izdegušajā ekonomiskajā spuldzē. Šāds droselis tiek izmantots ķēdē, augstāk esošajā fotoattēlā tas ir uztīts uz serdes, ko parasti izmanto impulsu transformatoru ražošanai. Tranzistoru T1 var izmantot ar jebkuru citu lauka efekta n-kanālu, kura iztukšošanas avota spriegums ir vismaz 400 volti un vēlams vairāk. Šāds pārveidotājs pie 400 voltu sprieguma dos tikai dažus miliampērus, taču ar to pietiks, lai Geigera skaitītājs darbotos vairākas reizes. Pēc strāvas atvienošanas no ķēdes uz uzlādēta kondensatora C3, ķēde darbosies apmēram 20-30 sekundes, ņemot vērā tās nelielo jaudu. VD2 slāpētājs ierobežo spriegumu līdz 400 voltiem. Kondensators C3 jāizmanto vismaz 400 - 450 voltu spriegumam.
Jebkurš pjezo skaļrunis vai skaļrunis var tikt izmantots kā Ls1. Ja nav jonizējošā starojuma, strāva neplūst caur rezistoriem R2 - R4 (fotoattēlā uz maizes dēļa ir pieci rezistori, bet to kopējā pretestība atbilst ķēdei). Tiklīdz atbilstošā daļiņa nokļūst Geigera skaitītājā sensora iekšpusē, gāze tiek jonizēta un tās pretestība strauji samazinās, kā rezultātā rodas strāvas impulss. Kondensators C4 nogriež pastāvīgo daļu un skaļrunim nodod tikai strāvas impulsu. Mēs dzirdam klikšķi.
Manā gadījumā kā barošanas avots tiek izmantotas divas uzlādējamas baterijas no veciem tālruņiem (divi, jo nepieciešamajai jaudai jābūt lielākai par 5,5 voltiem, lai sāktu ķēdi izmantotā elementa bāzes dēļ).
Tātad ķēde darbojas, laiku pa laikam noklikšķina. Tagad, kā to izmantot. Vienkāršākais variants - nedaudz noklikšķina - viss ir labi, klikšķina bieži vai vispār nepārtraukti - slikti. Vēl viena iespēja ir aptuveni saskaitīt impulsu skaitu minūtē un konvertēt klikšķu skaitu uz μR / h. Lai to izdarītu, no atsauces grāmatas ir jāņem Geigera skaitītāja jutīguma vērtība. Tomēr dažādos avotos vienmēr ir nedaudz atšķirīgi skaitļi. Ideālā gadījumā laboratorijas mērījumi būtu jāveic izvēlētajam Geigera skaitītājam ar atsauces starojuma avotiem. Tātad SBM-20 jutīguma vērtība svārstās no 60 līdz 78 imp / μR atkarībā no dažādiem avotiem un atsauces grāmatām. Tātad, mēs saskaitījām impulsu skaitu vienā minūtē, pēc tam reizinim šo skaitli ar 60, lai aptuveni aprēķinātu impulsu skaitu vienā stundā, un visu to sadalām ar sensora jutīgumu, tas ir, ar 60 vai 78, vai ar ko citu. tuvināties realitātei, un rezultātā mēs iegūstam vērtību mikroR / h. Lai iegūtu ticamāku vērtību, ir jāveic vairāki mērījumi un starp tiem jāaprēķina vidējais aritmētiskais. Drošā starojuma līmeņa augšējā robeža ir aptuveni 20 - 25 μR / h. Pieļaujamais līmenis ir līdz aptuveni 50 μR / h. Skaitļi dažādās valstīs var atšķirties.
P.S. Apsvērt šo tēmu mani pamudināja raksts par radona gāzes koncentrāciju, kas iekļūst telpās, ūdenī utt. dažādos valsts reģionos un tās avotos.
Radioelementu saraksts
| Apzīmējums | Veids | Denominācija | Daudzums | Piezīme | Rezultāts | Mana piezīmju grāmatiņa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IC1 | Programmējams taimeris un oscilators | NE555 | 1 | Piezīmju grāmatiņā | ||
| T1 | MOSFET tranzistors | IRF710 | 1 | Piezīmju grāmatiņā | ||
| VD1 | Taisngrieža diode | 1N4007 | 1 | Piezīmju grāmatiņā | ||
| VD2 | Aizsardzības diode | 1V5KE400CA | 1 | Piezīmju grāmatiņā | ||
| C1, C2 | Kondensators | 10 nF | 2 | Piezīmju grāmatiņā | ||
| C3 | Elektrolītiskais kondensators | 2,7 uF | 1 | Piezīmju grāmatiņā | ||
| C4 | Kondensators | 100 nF | 1 | 400V |
Neatkarīgi no tā, vai mēs to vēlamies vai nē, jēdziens "starojums" jau ilgu laiku ir ieķīlējies mūsu apziņā un esamībā, un neviens nevar noslēpties no tā klātbūtnes fakta. Cilvēkiem ir jāiemācās sadzīvot ar šo nedaudz negatīvo parādību. Radiācijas fenomens var izpausties ar neredzama un nemanāma starojuma palīdzību, un bez īpašas iekārtas to atklāt praktiski nav iespējams.
No radiācijas izpētes vēstures
1895. gadā tika atklāti rentgena stari. Gadu vēlāk tika atklāta urāna radioaktivitātes parādība, kas saistīta arī ar rentgenstaru atklāšanu un izmantošanu. Pētniekiem nācās saskarties ar pilnīgi jaunu, līdz šim nebijušu dabas parādību.
Jāpiebilst, ka ar radiācijas fenomenu bija sastapta jau vairākus gadus iepriekš, taču parādība netika pievērsta pienācīgai uzmanībai. Un tas neskatoties uz to, ka pat slavenā Nikola Tesla, kā arī Edisona laboratorijas darbinieki tika sadedzināti ar rentgena stariem. Veselības pasliktināšanos skaidroja ar visu, ko varēja, bet ne ar radiāciju.
Vēlāk, 20. gadsimta sākumā, parādījās raksts par starojuma kaitīgo ietekmi uz izmēģinājumu dzīvniekiem. Tas arī pagāja nemanot līdz vienam sensacionālam incidentam, kurā cieta "radija meitenes" - rūpnīcas, kas ražoja gaismas pulksteņus, strādnieces.
Rūpnīcas vadība meitenēm stāstīja par rādija nekaitīgumu, un viņas lietoja nāvējošas starojuma devas: laizīja otu galus ar rādija krāsu, jautrības pēc ar spīdīgu vielu nokrāsoja nagus un pat zobus. Piecām meitenēm, kuras cieta no šāda darba, izdevās vērsties tiesā pret rūpnīcu. Rezultātā tika radīts precedents attiecībā uz dažu darba ņēmēju tiesībām, kuri saslima ar arodslimībām un iesūdzēja tiesā savus darba devējus.
Geigera-Mullera skaitītāja rašanās vēsture
Vācu fiziķis Hanss Geigers, kurš strādāja vienā no Rezerforda laboratorijām, 1908. gadā izstrādāja un ierosināja principiālu shēmu "lādētu daļiņu" skaitītāja darbībai. Tā bija tolaik pazīstamās jonizācijas kameras modifikācija, kas tika pasniegta elektriskā kondensatora formā, kas piepildīta ar gāzi zemā spiedienā. Kameru izmantoja Pjērs Kirī, kad viņš pētīja gāzu elektriskās īpašības. Ģēģers nāca klajā ar ideju izmantot to jonizējošā starojuma noteikšanai tieši tāpēc, ka šim starojumam bija tieša ietekme uz gāzu jonizācijas līmeni.
20. gadu beigās Valters Millers Ģēģera vadībā izveidoja dažu veidu radiācijas skaitītājus, ar kuriem bija iespējams reģistrēt visdažādākās jonizējošās daļiņas. Darbs pie skaitītāju izveides bija ļoti nepieciešams, jo bez tiem radioaktīvos materiālus izmeklēt nebija iespējams. Geigeram un Milleram bija mērķtiecīgi jāstrādā pie tādu skaitītāju izveides, kas būtu jutīgi pret jebkuru no tajā laikā identificētajiem starojuma veidiem, piemēram, α, β un γ.
Geigera-Mullera skaitītāji ir izrādījušies vienkārši, uzticami, lēti un praktiski starojuma detektori. Tas neskatoties uz to, ka tie nebija visprecīzākie instrumenti starojuma vai noteiktu daļiņu pētīšanai. Bet tie bija ļoti piemēroti kā instrumenti vispārējiem jonizējošā starojuma piesātinājuma mērījumiem. Kombinācijā ar citām ierīcēm tās joprojām izmanto praktizējoši fiziķi precīzākiem mērījumiem eksperimentu procesā.
Kas ir jonizējošais starojums?
Lai labāk izprastu Geigera-Mullera skaitītāju darbību, nenāktu par ļaunu iepazīties ar jonizējošo starojumu kā tādu. Tas var ietvert visu, kas izraisa vielu jonizāciju dabiskā stāvoklī. Tam būs nepieciešama kāda veida enerģijas klātbūtne. Jo īpaši ultravioletā gaisma vai radioviļņi netiek uzskatīti par jonizējošo starojumu. Norobežošanu var sākt ar tā saukto "cieto ultravioleto staru", ko sauc arī par "mīksto rentgenstaru". Šo plūsmas veidu sauc par fotonu starojumu. Augstas enerģijas fotonu plūsma ir gamma kvanti.
Pirmo reizi jonizējošā starojuma sadalījumu trīs veidos veica Ernsts Raterfords. Viss tika darīts uz pētniecības iekārtām, kas izmantoja magnētisko lauku tukšā telpā. Nākotnē to visu sauca:
- α - hēlija atomu kodoli;
- β - augstas enerģijas elektroni;
- γ - pēc gamma kvantiem (fotoniem).
Vēlāk tika atklāti neitroni. Tātad izrādījās, ka alfa daļiņas var viegli noturēt pat ar parastu papīru, beta daļiņām ir nedaudz lielāka iespiešanās spēja, un gamma stari ir visaugstākie. Neitroni tiek uzskatīti par visbīstamākajiem, īpaši daudzu desmitu metru attālumā gaisa telpā. Sakarā ar to elektrisko vienaldzību tie nesadarbojas ar nevienu vielu molekulu elektronu apvalku.
Taču, trāpot atomu kodoliem ar augstu potenciālu, tie noved pie to nestabilitātes un sabrukšanas, pēc tam veidojas radioaktīvie izotopi. Un tie tālāk sabrukšanas procesā paši veido visu jonizējošā starojuma pilnību.
Geigera-Muller skaitītāja ierīces un darbības principi
Gāzes izlādes Geiger-Müller skaitītāji galvenokārt ir izgatavoti kā hermētiskas caurules, stikla vai metāla, no kurām tiek izsūknēts viss gaiss. To aizstāj ar pievienotu inertu gāzi (neonu vai argonu vai to maisījumu) zemā spiedienā ar halogēna vai spirta piemaisījumiem. Pa cauruļu asīm ir izstieptas plānas stieples, un metāla cilindri atrodas koaksiāli ar tiem. Gan caurules, gan vadi ir elektrodi: caurules ir katodi, bet vadi ir anodi.
Mīnusi no pastāvīga sprieguma avotiem ir savienoti ar katodiem, un plusi no pastāvīga sprieguma avotiem ir savienoti ar anodiem, izmantojot lielu pastāvīgu pretestību. No elektriskā viedokļa iznāk sprieguma dalītājs. un tā vidū sprieguma līmenis ir gandrīz tāds pats kā spriegums pie avota. Parasti tas var sasniegt vairākus simtus voltu.
Jonizējošo daļiņu lidojuma laikā caur caurulēm inertās gāzes atomi, kas jau atrodas augstas intensitātes elektriskajā laukā, saduras ar šīm daļiņām. Enerģija, ko daļiņas izdalīja sadursmes laikā, ir ievērojama, ar to pietiek, lai atdalītu elektronus no gāzes atomiem. Iegūtie sekundārās kārtas elektroni paši spēj veidot turpmākas sadursmes, pēc kurām veidojas vesela elektronu un jonu kaskāde.
Iedarbojoties ar elektrisko lauku, elektroni tiek paātrināti pret anodiem, bet pozitīvi lādēti gāzes joni - pret cauruļu katodiem. Rezultātā tiek ģenerēta elektriskā strāva. Tā kā daļiņu enerģija jau bija pilnībā vai daļēji izlietota sadursmēm (daļiņas lidoja cauri caurulei), jonizētās gāzes atomi sāka izsīkt.
Tiklīdz uzlādētās daļiņas ietriecās Geigera-Mullera skaitītājā, caurules pretestība nokritās ar sākumposmu, un tajā pašā laikā mainās spriegums pie separatora centrālās atzīmes, kas tika minēts iepriekš. Pēc tam pretestība caurulē tās augšanas rezultātā atjaunojas, un sprieguma līmenis atkal atgriežas iepriekšējā stāvoklī. Rezultātā tiek radīti negatīvi sprieguma impulsi. Skaitot impulsus, varat iestatīt lidojošo daļiņu skaitu. Vislielākā elektriskā lauka intensitāte tiek novērota pie anoda, tā mazā izmēra dēļ, kā rezultātā skaitītāji kļūst jutīgāki.
Geigera-Mullera skaitītāju dizaini
Visiem mūsdienu Geiger-Müller skaitītājiem ir divas galvenās šķirnes: "klasiskā" un plakana. Klasiskie skaitītāji ir izgatavoti no plānsienu gofrētām metāla caurulēm. Skaitītāju gofrētās virsmas padara caurules stingras, tās izturēs ārējo atmosfēras spiedienu un neļaus tām saburzīt nekādas ietekmes. Cauruļu galos ir stikla vai plastmasas hermētiski izolatori. Ir arī krāni-vāciņi, lai izveidotu savienojumu ar ķēdi. Caurules ir marķētas un pārklātas ar izturīgu izolācijas laku, kas norāda krānu polaritāti. Kopumā tie ir universāli skaitītāji jebkura veida jonizējošam starojumam, īpaši beta gamma starojumam.
Skaitītāji, kas var būt jutīgi pret vieglu β-starojumu, tiek ražoti atšķirīgi. Sakarā ar nelielo β-daļiņu diapazonu, tie ir plakani. Vizlas logi vāji aiztur beta starojumu. Viens no šādiem skaitītājiem ir BETA-2 sensors. Visos citos skaitītājos to īpašību noteikšana attiecas uz to izgatavošanas materiāliem.
Visiem skaitītājiem, kas reģistrē gamma starojumu, ir katodi, kas izgatavoti no metāliem ar augstu lādiņa numuru. Gāzes ārkārtīgi neapmierinoši jonizē gamma fotoni. Tomēr gamma fotoni var izsist no katodiem daudzus sekundāros elektronus, ja tie ir pareizi izvēlēti. Lielākā daļa Geiger-Müller beta skaitītāju tiek ražoti ar plāniem logiem. Tas tiek darīts, lai uzlabotu daļiņu caurlaidību, jo tie ir tikai parasti elektroni, kas ir saņēmuši vairāk enerģijas. Tie ļoti labi un ātri mijiedarbojas ar vielām, kā rezultātā tiek zaudēta enerģija.
Ar alfa daļiņām lietas ir daudz sliktākas. Piemēram, neskatoties uz diezgan pieklājīgu enerģiju, vairākām MeV, alfa daļiņām ir ļoti spēcīga mijiedarbība ar molekulām, kas pārvietojas pa ceļu un drīz zaudē savu enerģijas potenciālu. Parastie skaitītāji labi reaģē uz α starojumu, taču tikai dažu centimetru attālumā.
Lai objektīvi novērtētu jonizējošā starojuma līmeni, vispārējas lietošanas skaitītāju dozimetri bieži ir aprīkoti ar diviem secīgi strādājošiem skaitītājiem. Viens var būt jutīgāks pret α-β starojumu, bet otrs pret γ starojumu. Dažreiz starp skaitītājiem tiek novietoti stieņi vai plāksnes, kas izgatavotas no sakausējumiem, kas satur kadmija piemaisījumus. Kad neitroni skar šādus stieņus, rodas γ-starojums, kas tiek reģistrēts. Tas tiek darīts iespējamai neitronu starojuma noteikšanai, un vienkāršiem Geigera skaitītājiem praktiski nav jutīguma pret to.
Kā Geigera skaitītāji tiek izmantoti praksē
Padomju un tagad Krievijas rūpniecība ražo daudzas Geigera-Muller skaitītāju šķirnes. Šādas ierīces galvenokārt izmanto cilvēki, kuriem ir kāds sakars ar kodoliekārtām, zinātnes vai izglītības iestādēm, civilo aizsardzību un medicīnisko diagnostiku.
Pēc Černobiļas katastrofas mājsaimniecības dozimetri, kas mūsu valsts iedzīvotājiem iepriekš nebija pazīstami pat pēc nosaukuma, sāka iegūt patiesi valsts mēroga popularitāti. Sāka parādīties daudzi mājsaimniecības modeļi. Visi no tiem izmanto faktiskos Geigera-Müller skaitītājus kā starojuma sensorus. Parasti mājsaimniecības dozimetriem ir viena vai divas caurules vai gala skaitītāji.
Gāzes izlādes skaitītājs Geiger-Muller (G-M). 1. attēlā ir stikla cilindrs (cilindrs), kas pildīts ar inertu gāzi (ar
halogēnu piemaisījumi) zem spiediena, kas ir nedaudz zemāks par atmosfēras spiedienu. Plāns metāla cilindrs balona iekšpusē kalpo kā katods K; anods A ir plāns vadītājs, kas iet caur cilindra centru. Starp anodu un katodu tiek pielikts spriegums U V = 200-1000 V. Anods un katods ir savienoti ar radiometriskās ierīces elektronisko shēmu.
1. att. Cilindrisks Geigera-Mullera skaitītājs.
1 - anoda vītne 2 - cauruļveida katods
U v - augstsprieguma avots
R n - slodzes pretestība
AR V - atdalīšanas un uzglabāšanas tvertne
R - skalieris ar indikāciju
ξ - starojuma avots.
Ar skaitītāja Г-М palīdzību iespējams reģistrēt visas starojuma daļiņas (izņemot viegli absorbējamās α-daļiņas); lai β-daļiņas netiktu absorbētas skaitītāja korpusā, tajā ir spraugas, pārklātas ar plānu plēvi.
Paskaidrosim GM skaitītāja funkcijas.
β-daļiņas tieši mijiedarbojas ar skaitītāja gāzes molekulām, savukārt neitroni un γ-fotoni (neuzlādētas daļiņas) mijiedarbojas vāji ar gāzes molekulām. Šajā gadījumā jonu veidošanās mehānisms ir atšķirīgs.
veiksim vides dozimetrisko mērījumu pie punktiem K un A, iegūtie dati tiks ievadīti tabulā. viens.
Lai veiktu mērījumus, jums ir nepieciešams:
1. Pievienojiet dozimetru barošanas avotam (9v).
2. Aizveriet detektora logu ar slaidu (ekrānu) dozimetra aizmugurē.
3. Iestatiet slēdziREŽĪMS(režīms) uz pozīciju γ ("Р").
4. Uzstādiet slēdziRANGE(diapazons) uz pozīcijux1 (P n = 0,1-50 μSv / stundā).
5. Iestatiet dozimetra strāvas slēdzi pozīcijāIESL(Ieslēgts).
6. Ja pozīcijā х1 atskan skaņas signāls un displeja ciparu rindas ir pilnībā aizpildītas, tad nepieciešams pārslēgties uz diapazonu х10 (Р n = 50-500 μSv / stundā).
7. Pēc impulsu summēšanas beigām dozimetra displejā tiks parādīta jaudai ekvivalenta devaP Sveiki μSv / stundā; pēc 4-5 sek. rādījumi tiks atiestatīti.
8. Dozimetrs atkal ir gatavs radiācijas mērījumiem. Automātiski sākas jauns paraugu ņemšanas cikls.
1. tabula.
Iegūto vērtību darbvietā (AB) nosaka pēc formulas
=
, μSv / stundā (6)
- dozimetra rādījumi uzrāda fona starojuma vērtības punktā;
Starojuma daudzums katrā mērīšanas punktā pakļaujas svārstību likumiem. Tāpēc, lai iegūtu visticamāko izmērītā daudzuma vērtību, ir jāveic mērījumu sērija;
- β - starojuma dozimetrijai mērījumi jāveic pētāmo ķermeņu virsmas tuvumā.
4. Mērījumu veikšana. A.1. Dabiskā fona starojuma ekvivalentās dozas jaudas noteikšana.
Lai noteiktu vides γ-fonu, mēs izvēlamies (attiecībā pret jebkuriem objektiem (ķermeņiem)) divus punktus A, K, kas atrodas ~ 1 metra attālumā viens no otra, un, nepieskaroties ķermeņiem,
Neitroni, mijiedarbojoties ar katoda atomiem, rada uzlādētas mikrodaļiņas (kodolfragmentus). Gamma starojums
mijiedarbojas galvenokārt ar katoda vielu (atomiem), radot fotonu starojumu, kas tālāk jonizē gāzes molekulas.
Tiklīdz skaitītāja tilpumā parādās joni, anoda-katodiskā elektriskā lauka iedarbībā sāksies lādiņu kustība.
Blakus anodam elektriskā lauka intensitātes līnijas strauji sabiezē (anoda kvēldiega mazā diametra sekas), lauka stiprums strauji palielinās. Elektroni, tuvojoties kvēldiegam, iegūst lielu paātrinājumu neitrālu gāzu molekulu triecienjonizācija , gar kvēldiegu izplatās autonoma korona izlāde.
Šīs izlādes enerģijas dēļ daļiņu sākotnējā impulsa enerģija strauji palielinās (līdz 10 8 vienreiz). Izplatoties korona izlādei, daži lādiņi lēnām iztukšojas caur lielu pretestību R n ~10 6 Ohm (1. att.). Detektora ķēdē uz pretestībasR n būs strāvas impulsi, kas ir proporcionāli sākotnējai daļiņu plūsmai. Iegūtais strāvas impulss tiek pārsūtīts uz uzglabāšanas tvertni C V (C ~ 10 3 pikofarads), pēc tam pastiprināja un ierakstīja R.
Ar lielu pretestībuR n detektora ķēdē noved pie negatīvu lādiņu uzkrāšanās pie anoda. Anoda elektriskā lauka stiprums samazināsies un kādā brīdī triecienjonizācija tiks pārtraukta, un izlāde samazināsies.
Halogēniem skaitītāja gāzē ir svarīga loma radušās gāzes izlādes dzēšanā. Halogēnu jonizācijas potenciāls ir zemāks nekā inerto gāzu, tāpēc halogēna atomi aktīvāk "absorbē" fotonus, kas izraisa pašpietiekamu izlādi, pārvēršot šo enerģiju izkliedes enerģijā, tādējādi dzēšot neatkarīgu izlādi.
Pēc triecienjonizācijas (un koronaizlādes) pārtraukšanas sākas gāzes atjaunošanas process sākotnējā (darba) stāvoklī. Šajā laikā skaitītājs nedarbojas, t.i. nereģistrē garāmejošās daļiņas. Šī plaisa
laiku sauc par "mirušo laiku" (atveseļošanās laiku). Par skaitītāju Г-Мmiris laiks = Δt~10 -4 sekundes.
GM skaitītājs reaģē uz katras uzlādētās daļiņas sitienu, neatšķirot tās enerģijā, bet ja jauda samazinās
starojums ir nemainīgs, impulsu skaitīšanas ātrums izrādās proporcionāls starojuma jaudai, un skaitītāju var kalibrēt starojuma devu vienībās.
Gāzizlādes pašizdziestošā detektora kvalitāti nosaka vidējā impulsa frekvences atkarībaNlaika vienībā no spriegumaU uz tā elektrodiem ar nemainīgu starojuma intensitāti. Šo funkcionālo atkarību sauc par detektora skaitīšanas raksturlielumu (2. att.).
Kā izriet no 2. attēla, parU < U 1 pieliktais spriegums ir nepietiekams gāzizlādes rašanās brīdī, kad detektorā iekļūst lādēta daļiņa vai gamma kvants. Sākot ar spriegumu U V > U 2 skaitītājā notiek triecienjonizācija, korona izlāde izplatās gar katodu, un skaitītājs reģistrē gandrīz katras daļiņas lidojumu. Ar izaugsmi U V pirms tamU 3 (skat. 2. att.) reģistrēto impulsu skaits nedaudz palielinās, kas ir saistīts ar nelielu pretgāzes jonizācijas pakāpes pieaugumu. Labam GM skaitītājam ir diagrammas diagramma no U 2 pirms tamU R gandrīz neatkarīgi noU V , t.i. iet paralēli asijU V , vidējā impulsa frekvence ir gandrīz neatkarīgaU V .
Rīsi. 2. Gāzizlādes pašizdziestoša detektora skaitīšanas raksturlielums.
3. Instrumentu relatīvā kļūda, mērot P n : δР n = ± 30%.
Paskaidrosim, kā skaitītāja impulsu pārvērš starojuma devas jaudas rādījumos.
Ir pierādīts, ka pie nemainīgas starojuma jaudas impulsu skaitīšanas ātrums ir proporcionāls starojuma jaudai (izmērītajai dozai). Radiācijas dozas jaudas mērīšana ir balstīta uz šo principu.
Tiklīdz skaitītājā parādās impulss, šis signāls tiek pārraidīts uz pārrēķina vienību, kur tas tiek filtrēts pēc ilguma, amplitūdas, summēts un rezultāts tiek pārraidīts uz skaitītāja displeju devas jaudas vienībās.
Atbilstība starp skaitīšanas ātrumu un izmērīto jaudu, t.i. dozimetrs ir kalibrēts (rūpnīcā) pēc zināma starojuma avota C s 137 .
Gribam vai nē, starojums ir stingri ienācis mūsu dzīvē un nepazudīs. Mums jāiemācās sadzīvot ar šo gan noderīgo, gan bīstamo parādību. Radiācija izpaužas kā neredzams un nemanāms starojums, un bez īpašām ierīcēm to noteikt nav iespējams.
Mazliet par radiācijas vēsturi
Rentgenstari tika atklāti 1895. gadā. Gadu vēlāk tika atklāta urāna radioaktivitāte, arī saistībā ar rentgena stariem. Zinātnieki saprata, ka viņus gaida pilnīgi jaunas, līdz šim neredzētas dabas parādības. Interesanti, ka radiācijas fenomens tika pamanīts vairākus gadus agrāk, taču viņi tam nepiešķīra nozīmi, lai gan Nikola Tesla un citi Edisonas laboratorijas darbinieki saņēma rentgena apdegumus. Kaitējums veselībai tika piedēvēts jebkam, bet ne stariem, ar kuriem dzīvais tādās devās nav saskāries. 20. gadsimta pašā sākumā sāka parādīties raksti par radiācijas kaitīgo ietekmi uz dzīvniekiem. Arī tas nepiešķīra nozīmi sensacionālajam stāstam ar "rādija meitenēm" - rūpnīcas strādniekiem, kas ražoja gaismas pulksteņus. Viņi vienkārši samitrināja otas ar mēles galu. Dažu briesmīgais liktenis ētisku apsvērumu dēļ pat netika publicēts un palika par pārbaudījumu tikai ārstu stiprajiem nerviem.
1939. gadā fiziķe Liza Meitnere, kura kopā ar Otto Hānu un Fricu Štrasmanu atsaucas uz cilvēkiem, kuri pirmo reizi pasaulē sadalīja urāna kodolu, netīšām izpļāpājās par ķēdes reakcijas iespējamību, un no šī brīža ideju ķēdes reakcija par bumbas radīšanu, proti, bumbu, nevis "mierīgo atomu", kam XX gadsimta asinskārie politiķi, protams, nedotu ne santīma. Tie, kas bija "zinoši", jau zināja, pie kā tas novedīs, un sākās atomu bruņošanās sacensības.
Kā parādījās Geigera-Mullera skaitītājs
Vācu fiziķis Hanss Geigers, kurš strādāja Ernsta Rezerforda laboratorijā, 1908. gadā ierosināja "uzlādēto daļiņu" skaitītāja principu kā jau zināmās jonizācijas kameras tālāku attīstību, kas bija elektrisks kondensators, kas piepildīts ar gāzi zemā spiedienā. . Kopš 1895. gada to izmantoja Pjērs Kirī, lai pētītu gāzu elektriskās īpašības. Ģēģerim radās ideja to izmantot jonizējošā starojuma noteikšanai tieši tāpēc, ka šim starojumam bija tieša ietekme uz gāzes jonizācijas pakāpi.
1928. gadā Valters Millers Geigera vadībā izveido vairāku veidu starojuma skaitītājus, kas paredzēti dažādu jonizējošo daļiņu reģistrēšanai. Skaitītāju izveide bija ļoti steidzama nepieciešamība, bez kuras nebija iespējams turpināt radioaktīvo materiālu izpēti, jo fizika kā eksperimentāla zinātne nav iedomājama bez mērinstrumentiem. Geigers un Millers mērķtiecīgi strādāja pie skaitītāju izveides, kas ir jutīgi pret katru no tam atvērtajiem starojuma veidiem: α, β un γ (neitroni tika atklāti tikai 1932. gadā).
Geiger-Muller skaitītājs ir izrādījies vienkāršs, uzticams, lēts un praktisks radiācijas detektors. Lai gan tas nav visprecīzākais instruments noteiktu daļiņu vai starojuma veidu pētīšanai, tas ir ļoti piemērots kā ierīce vispārējai jonizējošā starojuma intensitātes mērīšanai. Un kombinācijā ar citiem detektoriem fiziķi to izmanto visprecīzākajiem mērījumiem eksperimentos.
Jonizējošā radiācija
Lai labāk izprastu Geigera-Müllera skaitītāja darbību, ir lietderīgi izprast jonizējošo starojumu kopumā. Pēc definīcijas tie ietver to, kas var izraisīt vielas jonizāciju tās normālā stāvoklī. Tas prasa noteiktu enerģijas daudzumu. Piemēram, radioviļņi vai pat ultravioletā gaisma netiek uzskatīta par jonizējošo starojumu. Robeža sākas ar "cieto ultravioleto gaismu", jeb "mīksto rentgenstaru". Šis starojuma veids ir fotoniskais starojuma veids. Augstas enerģijas fotonus parasti sauc par gamma kvantiem.
Pirmo reizi Ernsts Rezerfords jonizējošo starojumu sadalīja trīs veidos. Tas tika veikts eksperimentālā iestatījumā, izmantojot magnētisko lauku vakuumā. Vēlāk izrādījās, ka tas ir:
α - hēlija atomu kodoli
β - augstas enerģijas elektroni
γ — gamma kvanti (fotoni)
Vēlāk tika atklāti neitroni. Alfa daļiņas viegli notver pat parasts papīrs, beta daļiņām ir nedaudz lielāka iespiešanās spēja, bet gamma stariem ir vislielākā. Visbīstamākie ir neitroni (gaisā līdz pat daudziem desmitiem metru attālumā!). Elektriskās neitralitātes dēļ tie nesadarbojas ar vielas molekulu elektronu apvalkiem. Bet, nonākot atoma kodolā, kura varbūtība ir pietiekami augsta, tas noved pie tā nestabilitātes un sabrukšanas, kā likums, veidojot radioaktīvos izotopus. Un jau tie, savukārt, bojājas, paši veido visu jonizējošā starojuma "buķeti". Pats ļaunākais, ka apstarots objekts vai dzīvs organisms pats kļūst par starojuma avotu daudzām stundām un dienām.
Geigera-Mullera skaitītāja ierīce un tās darbības princips
Gāzeizlādes Geigera-Mullera skaitītājs, kā likums, ir izgatavots noslēgtas caurules, stikla vai metāla veidā, no kuras tiek izvadīts gaiss, un tā vietā tiek pievienota inerta gāze (neons vai argons vai to maisījums). zemā spiedienā, ar halogēnu vai spirta piejaukumu. Gar caurules asi ir izstiepts plāns vads, un ar to koaksiāli atrodas metāla cilindrs. Gan caurule, gan vads ir elektrodi: caurule ir katods un vads ir anods. Mīnuss no pastāvīga sprieguma avota ir savienots ar katodu, un plus no pastāvīga sprieguma avota ir savienots ar anodu caur lielu pastāvīgu pretestību. Elektriski tiek iegūts sprieguma dalītājs, kura viduspunktā (pretestības un skaitītāja anoda krustpunktā) spriegums praktiski ir vienāds ar spriegumu pie avota. Parasti tas ir daži simti voltu.
Jonizējošajai daļiņai lidojot cauri caurulei, sadursmes ar šo daļiņu piedzīvo inertās gāzes atomi, kas jau atrodas liela spēka elektriskajā laukā. Enerģija, ko daļiņa izdala sadursmes laikā, ir pietiekama, lai atdalītu elektronus no gāzes atomiem. Iegūtie sekundārie elektroni paši spēj veidot jaunas sadursmes un līdz ar to tiek iegūta vesela elektronu un jonu lavīna. Elektriskā lauka iedarbībā elektroni tiek paātrināti pret anodu, bet pozitīvi lādēti gāzes joni - pret caurules katodu. Tādējādi tiek ģenerēta elektriskā strāva. Bet tā kā daļiņas enerģija jau ir pilnībā vai daļēji iztērēta sadursmēm (daļiņa izlidoja cauri caurulei), beidzas arī jonizēto gāzes atomu padeve, kas ir vēlama un tiek nodrošināta ar dažiem papildu pasākumiem, kurus mēs par to runāsim, analizējot skaitītāju parametrus.
Kad uzlādēta daļiņa nonāk Geigera-Mullera skaitītājā, iegūtās strāvas dēļ caurules pretestība samazinās, un līdz ar to arī spriegums sprieguma dalītāja viduspunktā, kas tika apspriests iepriekš. Pēc tam caurules pretestība tiek atjaunota, palielinoties tās pretestībai, un spriegums atkal kļūst tāds pats. Tādējādi mēs iegūstam negatīvu sprieguma impulsu. Saskaitot momentus, mēs varam novērtēt garām ejošo daļiņu skaitu. Elektriskā lauka stiprums ir īpaši augsts anoda tuvumā tā mazā izmēra dēļ, kas padara skaitītāju jutīgāku.
Geigera-Mullera skaitītāju dizaini
Mūsdienu Geiger-Müller skaitītāji ir pieejami divās pamata versijās: "klasiskā" un plakana. Klasiskā lete ir izgatavota no plānsienu metāla caurules ar rievojumu. Metra gofrētā virsma padara cauruli stingru, izturīgu pret ārējo atmosfēras spiedienu un neļauj tai saburzīt tās ietekmē. Caurules galos ir blīvējoši izolatori, kas izgatavoti no stikla vai termoreaktīvas plastmasas. Tajos ir arī secinājumi-vāciņi savienošanai ar instrumenta ķēdi. Caurule ir marķēta un pārklāta ar izturīgu izolācijas laku, neskaitot, protams, tās izvadus. Ir norādīta arī spaiļu polaritāte. Tas ir daudzpusīgs skaitītājs visu veidu jonizējošajam starojumam, īpaši beta un gamma starojumam.
Skaitītāji, kas ir jutīgi pret mīkstu β-starojumu, tiek izgatavoti atšķirīgi. Tā kā β-daļiņu diapazons ir mazs, tās jāveido plakanas, ar vizlas logu, kas vāji aizkavē beta starojumu, viens no šāda skaitītāja variantiem ir radiācijas sensors BETA-2... Visas pārējās skaitītāju īpašības nosaka materiāli, no kuriem tie izgatavoti.
Skaitītāji, kas paredzēti gamma starojuma reģistrēšanai, satur katodu, kas izgatavots no metāliem ar augstu lādiņu skaitu vai ir pārklāts ar šādiem metāliem. Gāzi ārkārtīgi vāji jonizē gamma fotoni. Bet, no otras puses, gamma fotoni spēj izsist no katoda daudzus sekundāros elektronus, ja tas ir izvēlēts piemērotā veidā. Geigera-Müller beta daļiņu skaitītāji ir izgatavoti ar plāniem logiem, lai nodrošinātu labāku daļiņu caurlaidību, jo tie ir parastie elektroni, kas tikko saņēma daudz enerģijas. Viņi ļoti labi mijiedarbojas ar matēriju un ātri zaudē šo enerģiju.
Alfa daļiņu gadījumā situācija ir vēl sliktāka. Tātad, neskatoties uz ļoti pieklājīgo enerģiju, kas ir vairāku MeV, alfa daļiņas ļoti spēcīgi mijiedarbojas ar molekulām ceļā un ātri zaudē enerģiju. Ja vielu salīdzina ar mežu un elektronu ar lodi, tad alfa daļiņas būs jāsalīdzina ar tanku, kas izlaužas cauri mežam. Tomēr parasts skaitītājs labi reaģē uz α-starojumu, bet tikai attālumā līdz vairākiem centimetriem.
Objektīvam jonizējošā starojuma līmeņa novērtējumam dozimetri vispārējas lietošanas skaitītājos tie bieži ir aprīkoti ar diviem paralēliem skaitītājiem. Viens ir jutīgāks pret α un β starojumu, bet otrs pret γ-stariem. Šāda divu skaitītāju izmantošanas shēma ir ieviesta dozimetrā RADEX RD1008 un dozimetra-radiometrā RADEX MKS-1009 kurā ir uzstādīts skaitītājs BETA-2 un BETA-2M... Dažreiz starp skaitītājiem novieto sakausējuma stieni vai plāksni, kas satur kadmija piejaukumu. Kad neitroni ietriecas šādā blokā, rodas γ-starojums, kas tiek reģistrēts. Tas tiek darīts, lai varētu noteikt neitronu starojumu, pret kuru vienkāršie Geigera skaitītāji ir praktiski nejutīgi. Vēl viens veids ir pārklāt korpusu (katodu) ar piemaisījumiem, kas spēj radīt jutību pret neitroniem.
Halogēni (hlors, broms) tiek sajaukti ar gāzi, lai ātri pašapdzēstu izlādi. Spirta tvaiki kalpo tam pašam mērķim, lai gan alkohols šajā gadījumā ir īslaicīgs (tā parasti ir alkohola iezīme) un "prātīgais" skaitītājs nemitīgi sāk "zvanīt", tas ir, tas nevar darboties, kā paredzēts. Tas notiek kaut kad pēc 1e9 impulsu reģistrācijas (miljards), kas nav tik daudz. Halogēna skaitītāji ir daudz izturīgāki.
Ģēģera skaitītāju parametri un darbības režīmi
Geigera skaitītāju jutība.
Skaitītāja jutību aprēķina pēc mikrorentgena skaita no atsauces avota un šī starojuma izraisīto impulsu skaita attiecības. Tā kā Geigera skaitītāji nav paredzēti daļiņu enerģijas mērīšanai, ir grūti precīzi novērtēt. Skaitītāji ir kalibrēti pret izciliem izotopu avotiem. Jāņem vērā, ka šis parametrs dažādiem skaitītāju veidiem var ievērojami atšķirties, tālāk ir norādīti visizplatītāko Geigera-Mullera skaitītāju parametri:
Ģēģera-Mullera skaitītājs Beta 2- 160 ÷ 240 imp/mkR
Ģēģera-Mullera skaitītājs Beta 1- 96 ÷ 144 imp/mikroR
Ģēģera-Mullera skaitītājs SBM-20- 60 ÷ 75 imp/mkR
Ģēģera-Mullera skaitītājs SBM-21- 6,5 ÷ 9,5 imp/mikroR
Ģēģera-Mullera skaitītājs SBM-10- 9,6 ÷ 10,8 imp/mikroR
Ieejas logu zona vai darba zona
Radiācijas sensora laukums, caur kuru lido radioaktīvās daļiņas. Šis raksturlielums ir tieši saistīts ar sensora izmēriem. Jo lielāks laukums, jo vairāk daļiņu uztvers Geigera-Mullera skaitītājs. Parasti šo parametru norāda kvadrātcentimetros.
Ģēģera-Mullera skaitītājs Beta 2- 13,8 cm2
Ģēģera-Mullera skaitītājs Beta 1- 7 cm2
Šis spriegums atbilst aptuveni darbības raksturlieluma vidum. Darbības raksturlielums ir reģistrēto impulsu skaita sprieguma atkarības plakanā daļa, tāpēc to sauc arī par "plato". Šajā brīdī tiek sasniegts lielākais darbības ātrums (augšējā mērījumu robeža). Tipiskā vērtība 400 V.
Skaitītāja darba raksturlieluma platums.
Šī ir atšķirība starp dzirksteles sabrukšanas spriegumu un spriegumu raksturlieluma plakanajā galā. Tipiskā vērtība 100 V.
Pretslīpums.
Slīpumu mēra kā impulsu procentuālo daudzumu uz voltu. Tas raksturo statistisko mērījumu kļūdu (impulsu skaita skaitīšana). Tipiskā vērtība ir 0,15%.
Pieļaujamā skaitītāja darba temperatūra.
Vispārējas lietošanas skaitītājiem -50 ... +70 grādi pēc Celsija. Tas ir ļoti svarīgs parametrs, ja skaitītājs darbojas kamerās, kanālos un citās sarežģītas iekārtas vietās: akseleratoros, reaktoros utt.
Counter darba resurss.
Kopējais impulsu skaits, ko skaitītājs reģistrē līdz brīdim, kad tā rādījumi sāk kļūt nepareizi. Ierīcēm ar organiskām piedevām pašizdziestība parasti ir 1e9 (desmit līdz devītajai jaudai jeb viens miljards). Resurss tiek skaitīts tikai tad, ja skaitītājam tiek pievienots darba spriegums. Ja skaitītājs tiek vienkārši saglabāts, šis resurss netiek patērēts.
Mirušā laika skaitītājs.
Šis ir laiks (atkopšanas laiks), kurā skaitītājs vada strāvu pēc tam, kad to iedarbina garāmejoša daļiņa. Šāda laika esamība nozīmē, ka impulsa frekvencei ir augšējā robeža, un tas ierobežo mērījumu diapazonu. Tipiskā vērtība ir 1e-4 s, kas ir desmit mikrosekundes.
Jāņem vērā, ka nāves laika dēļ sensors var izrādīties "no skalas" un klusēt visbīstamākajā brīdī (piemēram, spontāna ķēdes reakcija ražošanā). Tādi gadījumi ir bijuši, un to apkarošanai tiek izmantoti svina aizslietņi, kas aizsedz dažus signalizācijas sistēmu sensorus.
Pašu letes fons.
Mērīts svina kamerās ar biezām sienām, lai novērtētu skaitītāja kvalitāti. Tipiskā vērtība ir 1…2 impulsi minūtē.
Geigera skaitītāju praktiskā pielietošana
Padomju un tagad Krievijas rūpniecība ražo daudzu veidu Geigera-Muller skaitītājus. Šeit ir daži izplatīti zīmoli: STS-6, SBM-20, SI-1G, SI21G, SI22G, SI34G, "Gamma" sērijas skaitītāji, gala virsmas skaitītāji " Beta"Un ir vēl daudzi citi. Tos visus izmanto starojuma uzraudzībai un mērīšanai: kodolobjektos, zinātnes un izglītības iestādēs, civilajā aizsardzībā, medicīnā un pat ikdienā. Pēc Černobiļas avārijas, mājsaimniecības dozimetri, kas iedzīvotājiem iepriekš nebija zināms pat pēc nosaukuma, kļuva ļoti populārs. Ir parādījušies daudzu zīmolu mājsaimniecības dozimetri. Viņi visi izmanto Geigera-Muller skaitītāju kā starojuma sensoru. Mājsaimniecības dozimetros ir uzstādīta viena līdz divas caurules vai gala skaitītāji.
STAROJUMA VĒRTĪBU MĒRĪŠANAS VIENĪBAS
Ilgu laiku mērvienība P (rentgens) bija plaši izplatīta. Taču, pārejot uz SI sistēmu, parādās citas mērvienības. Rentgens ir ekspozīcijas devas vienība, "starojuma daudzums", ko izsaka ar izveidoto jonu skaitu sausā gaisā. Pie 1 R devas 1 cm3 gaisa veidojas 2,082e9 jonu pāri (kas atbilst 1 CGSE lādiņa vienībai). SI sistēmā ekspozīcijas devu izsaka kulonos uz kilogramu, un ar rentgena stariem tas ir saistīts ar vienādojumu:
1 C/kg = 3876 R
Absorbēto starojuma devu mēra džoulos uz kilogramu, un to sauc par pelēko. Tas ir apmaiņā pret novecojušo vienību priecājas. Absorbētās devas jauda tiek mērīta pelēkās krāsās sekundē. Ekspozīcijas devas jauda (DER), kas iepriekš tika mērīta rentgenogēnos sekundē, tagad tiek mērīta ampēros uz kilogramu. Ekvivalentu starojuma devu, pie kuras absorbētā doza ir 1 Gy (pelēks) un starojuma kvalitātes koeficients ir 1, sauc par Zīvertu. Rem (rentgenstaru bioloģiskais ekvivalents) ir viena zīverta simtā daļa, un tagad to uzskata par novecojušu. Tomēr pat šodien visas novecojušās vienības tiek ļoti aktīvi izmantotas.
Doza un jauda tiek uzskatīti par galvenajiem jēdzieniem radiācijas mērījumos. Deva ir elementāro lādiņu skaits vielas jonizācijas procesā, un jauda ir devas veidošanās ātrums laika vienībā. Un kādās vienībās tas izteikts, tas ir gaumes un ērtības jautājums.
Pat mazākā deva ir bīstama ilgtermiņa seku izpratnē organismam. Bīstamības aprēķins ir diezgan vienkāršs. Piemēram, jūsu dozimetrs rāda 300 milirentgēnus stundā. Ja jūs paliksit šajā vietā vienu dienu, jūs saņemsiet devu 24 * 0,3 = 7,2 rentgena. Tas ir bīstami, un jums pēc iespējas ātrāk jātiek prom. Kopumā, konstatējot pat vāju starojumu, ir jāatkāpjas no tā un jāpārbauda pat no attāluma. Ja viņa tev “seko”, tevi var “apsveikt”, tevi ir skāruši neitroni. Un ne katrs dozimetrs var uz tiem reaģēt.
Starojuma avotiem izmanto vērtību, kas raksturo sabrukšanas skaitu laika vienībā, to sauc par aktivitāti un mēra arī daudzās dažādās vienībās: kirī, bekerels, Rezerfords un dažas citas. Divreiz ar pietiekamu laika atstarpi mērīts aktivitātes apjoms, ja tas samazinās, ļauj aprēķināt laiku, pēc radioaktīvās sabrukšanas likuma, kad avots kļūst pietiekami drošs.
Ievads
1. Skaitītāju mērķis
Skaitītāja ierīce un darbības princips
Fizikālie pamatlikumi
1 Atgūšana pēc daļiņu reģistrācijas
2 Dozimetriskie raksturlielumi
3 Sensora skaitīšanas raksturlielums
Secinājums
Bibliogrāfija
Ievads
Geigera-Mullera skaitītāji ir visizplatītākie jonizējošā starojuma detektori (sensori). Līdz šim, kas tika izgudrots mūsu gadsimta pašā sākumā topošās kodolfizikas vajadzībām, dīvainā kārtā nav pilnīgas aizstāšanas. Ģēģera skaitītājs savā būtībā ir ļoti vienkāršs. Gāzu maisījumu, kas sastāv galvenokārt no viegli jonizējama neona un argona, ievada labi evakuētā noslēgtā cilindrā ar diviem elektrodiem. Balons var būt stikls, metāls utt. Parasti skaitītāji starojumu uztver ar visu virsmu, bet ir tādi, kuriem balonā tam ir paredzēts īpašs "logs".
Uz elektrodiem tiek pielikts augsts spriegums U (sk. att.), kas pats par sevi neizraisa nekādas izlādes parādības. Skaitītājs paliks šādā stāvoklī, līdz tā gāzveida vidē parādīsies jonizācijas centrs - jonu un elektronu pēdas, ko ģenerē jonizējošā daļiņa, kas nāk no ārpuses. Primārie elektroni, paātrinoties elektriskajā laukā, "pa ceļam" jonizē citas gāzveida vides molekulas, radot arvien vairāk elektronu un jonu. Attīstoties kā lavīnai, šis process beidzas ar elektronu jonu mākoņa veidošanos starpelektrodu telpā, kas krasi palielina tā vadītspēju. Skaitītāja gāzes vidē notiek izlāde, kas ir redzama (ja tvertne ir caurspīdīga) pat ar neapbruņotu aci.
Reversais process - gāzveida vides atgriešanās sākotnējā stāvoklī tā sauktajos halogēna skaitītājos - notiek pats par sevi. Sāk darboties halogēni (parasti hlors vai broms), kas nelielā daudzumā atrodas gāzveida vidē, kas veicina intensīvu lādiņu rekombināciju. Bet šis process ir daudz lēnāks. Laika ilgums, kas nepieciešams, lai atjaunotu Geigera skaitītāja radiācijas jutību un faktiski noteiktu tā reakcijas ātrumu - "mirušo" laiku - ir tā svarīga pases īpašība. Šādus skaitītājus sauc par pašizdziestošiem halogēniem. Izceļas ar zemāko barošanas spriegumu, lieliskiem izejas signāla parametriem un pietiekami lielu reakcijas ātrumu, tie ir izrādījušies īpaši ērti lietošanai kā jonizējošā starojuma sensori sadzīves radiācijas monitoringa ierīcēs.
Geigera skaitītāji spēj reaģēt uz dažāda veida jonizējošo starojumu - a, b, g, ultravioleto, rentgenstaru, neitronu. Bet skaitītāja reālā spektrālā jutība lielā mērā ir atkarīga no tā konstrukcijas. Tādējādi pret a un mīkstu b starojumu jutīga skaitītāja ieejas logam jābūt ļoti plānam; šim nolūkam parasti izmanto vizlu ar biezumu 3 ... 10 mikroni. Skaitītāja balonam, kas reaģē uz cieto b un g starojumu, parasti ir cilindra forma ar sieniņu biezumu 0,05 ... 0,06 mm (tas kalpo arī kā skaitītāja katods). Rentgena skaitītāja logs ir izgatavots no berilija, bet ultravioletais skaitītājs ir izgatavots no kvarca stikla.
Geigera skaitītājs Millera dozimetriskais starojums
1. Skaitītāju mērķis
Geigera-Mullera skaitītājs ir divu elektrodu ierīce, kas paredzēta jonizējošā starojuma intensitātes noteikšanai vai, citiem vārdiem sakot, kodolreakciju rezultātā radušos jonizējošo daļiņu skaitīšanai: hēlija jonus (- daļiņas), elektronus (- daļiņas), X- staru kvanti (- daļiņas) un neitroni. Daļiņas izplatās ļoti lielā ātrumā [līdz 2. 10 7 m / s joniem (enerģija līdz 10 MeV) un aptuveni gaismas ātrums elektroniem (enerģija 0,2 - 2 MeV)], kā rezultātā tie iekļūst skaitītājā. Skaitītāja uzdevums ir izveidot īsu (milisekundes daļas) sprieguma impulsu (vienības - desmitiem voltu), kad daļiņa nonāk ierīces tilpumā.
Salīdzinot ar citiem jonizējošā starojuma detektoriem (sensoriem) (jonizācijas kamera, proporcionālais skaitītājs), Geigera-Mullera skaitītājam ir augsta sliekšņa jutība - tas ļauj kontrolēt zemes dabisko radioaktīvo fonu (1 daļiņa uz cm 2 no 10 - 100 sekundes). Mērījumu augšējā robeža ir salīdzinoši zema - līdz 10 4 daļiņām uz cm 2 sekundē vai līdz 10 Zīvertiem stundā (Sv / h). Skaitītāja īpatnība ir iespēja veidot vienādus izejas sprieguma impulsus neatkarīgi no daļiņu veida, to enerģijas un daļiņas radīto jonizāciju skaita sensora tilpumā.
2. Skaitītāja ierīce un darbības princips
Geigera skaitītāja darbība balstās uz nepastāvīgu impulsu gāzes izlādi starp metāla elektrodiem, ko ierosina viens vai vairāki elektroni, kas rodas gāzes -, - vai -daļiņu jonizācijas rezultātā. Skaitītājos parasti tiek izmantots cilindrisks elektrodu dizains, un iekšējā cilindra (anoda) diametrs ir daudz mazāks (2 vai vairāk kārtas) nekā ārējam (katodam), kam ir būtiska nozīme. Anoda raksturīgais diametrs ir 0,1 mm.
Daļiņas iekļūst skaitītājā caur vakuuma apvalku un katodu "cilindriskā" formā (2. att., a) vai caur īpašu plakanu plānu logu dizaina "gala" versijā (2. att.). , b)... Pēdējā iespēja tiek izmantota, lai reģistrētu β-daļiņas, kurām ir zema iespiešanās spēja (tās aiztur, piemēram, papīra loksne), bet ir ļoti bioloģiski bīstamas, ja daļiņu avots nokļūst organismā. Vizlas logu detektorus izmanto arī salīdzinoši zemas enerģijas β-daļiņu (“mīksto” beta starojumu) skaitīšanai.
Rīsi. 2. cilindrisku ( a) un beigas ( b)Ģēģera skaitītāji. Apzīmējumi: 1 - vakuuma apvalks (stikls); 2 - anods; 3 - katods; 4 - logs (vizla, celofāns)
Skaitītāja cilindriskajā versijā, kas paredzēta augstas enerģijas daļiņu vai mīkstu rentgena staru reģistrēšanai, tiek izmantots plānsienu vakuuma apvalks, un katods ir izgatavots no plānas folijas vai plānas metāla plēves (vara) formā. , alumīnija) nogulsnējas uz korpusa iekšējās virsmas. Vairākos dizainos plānsienu metāla katods (ar stingrības ribām) ir vakuuma apvalka elements. Cietajiem rentgena stariem (-daļiņām) ir palielināta iespiešanās spēja. Tāpēc to fiksē detektori ar pietiekami biezām vakuuma apvalka sieniņām un masīvu katodu. Neitronu skaitītājos katods ir pārklāts ar plānu kadmija vai bora slāni, kurā neitronu starojums kodolreakciju rezultātā tiek pārveidots par radioaktīvu starojumu.
Ierīces tilpums parasti ir piepildīts ar argonu vai neonu ar nelielu (līdz 1%) argona piemaisījumu pie atmosfēras spiediena (10 -50 kPa). Lai novērstu nevēlamās pēcizplūdes parādības, gāzes pildījumā ievada broma vai spirta tvaiku piejaukumu (līdz 1%).
Geigera skaitītāja spēju reģistrēt daļiņas neatkarīgi no to veida un enerģijas (ģenerēt vienu sprieguma impulsu neatkarīgi no daļiņas veidoto elektronu skaita) nosaka fakts, ka ļoti mazā anoda diametra dēļ gandrīz viss elektrodiem pievadītais spriegums ir koncentrēts šaurā anoda slānī. Ārpus slāņa ir "daļiņu uztveršanas zona", kurā tās jonizē gāzes molekulas. Elektroni, ko daļiņa atrauj no molekulām, tiek paātrināti pret anodu, bet gāze vāji jonizējas zemā elektriskā lauka intensitātes dēļ. Jonizācija strauji palielinās pēc elektronu iekļūšanas anoda slānī ar lielu lauka intensitāti, kur attīstās elektronu lavīnas (viena vai vairākas) ar ļoti augstu elektronu pavairošanas pakāpi (līdz 10 7). Tomēr iegūtā strāva vēl nav sasniegusi vērtību, kas atbilst sensora signāla ģenerēšanai.
Turpmāka strāvas palielināšanās līdz darba vērtībai ir saistīta ar to, ka lavīnās vienlaikus ar jonizāciju tiek ģenerēti ultravioletie fotoni ar aptuveni 15 eV enerģiju, kas ir pietiekama, lai jonizētu piemaisījumu molekulas gāzes pildījumā (piemēram, jonizācija broma molekulu potenciāls ir 12,8 V). Elektroni, kas parādās ārpus slāņa esošo molekulu fotojonizācijas rezultātā, tiek paātrināti pret anodu, bet lavīnas šeit neattīstās zemā lauka intensitātes dēļ un process maz ietekmē izlādes attīstību. Slānī situācija ir cita: radītie fotoelektroni augstās intensitātes dēļ ierosina intensīvas lavīnas, kurās rodas jauni fotoni. To skaits pārsniedz sākotnējo un process slānī pēc shēmas "fotoni - elektronu lavīnas - fotoni" strauji (vairākas mikrosekundes) palielinās (ieiet "sprūda režīmā"). Šajā gadījumā izlāde no daļiņas izraisīto pirmo lavīnu vietas izplatās pa anodu ("šķērseniskā aizdedze"), strauji palielinās anoda strāva un veidojas sensora signāla priekšējā mala.
Signāla beigu malu (strāvas samazināšanos) izraisa divi iemesli: anoda potenciāla samazināšanās sprieguma krituma dēļ no strāvas pāri rezistoram (priekšējā malā potenciālu uztur starpelektrodu kapacitāte) un elektriskā lauka intensitātes samazināšanās slānī jonu telpas lādiņa iedarbībā pēc tam, kad elektroni atstāj anodu (lādiņš palielina punktu potenciālus, kā rezultātā samazinās sprieguma kritums uz slāni, un uz palielinās daļiņu uztveršanas laukums). Abi iemesli samazina lavīnu attīstības intensitāti, un process pēc shēmas "lavīna - fotoni - lavīna" izzūd, un strāva caur sensoru samazinās. Pēc strāvas impulsa beigām anoda potenciāls palielinās līdz sākotnējam līmenim (ar zināmu kavēšanos starpelektrodu kapacitātes uzlādes dēļ caur anoda rezistoru), potenciāla sadalījums spraugā starp elektrodiem atgriežas sākotnējā formā kā jonu aizplūšanas uz katodu rezultāts, un skaitītājs atjauno spēju reģistrēt jaunu daļiņu ierašanos.
Tiek ražoti desmitiem veidu jonizējošā starojuma detektori. To apzīmēšanai tiek izmantotas vairākas sistēmas. Piemēram, STS-2, STS-4 - pašizdziestoši gala skaitītāji vai MS-4 - skaitītājs ar vara katodu (V - ar volframu, G - ar grafītu) vai SAT-7 - gala daļiņu skaitītājs, SBM-10 - skaitītājs - metāla daļiņas, SNM-42 - metāla neitronu skaitītājs, SRM-1 - rentgenstaru skaitītājs utt.
3. Fizikas pamatlikumi
.1 Atgūšana pēc daļiņu reģistrācijas
Laiks, kurā joni atstāj spraugu pēc daļiņas reģistrēšanas, izrādās salīdzinoši ilgs – dažas milisekundes, kas ierobežo starojuma dozas jaudas mērīšanas augšējo robežu. Pie augstas starojuma intensitātes daļiņas ierodas ar intervālu, kas ir īsāks par jonu izplūdes laiku, un sensors nereģistrē dažas daļiņas. Procesu ilustrē sprieguma oscilogramma pie sensora anoda tā darbspējas atjaunošanas laikā (3. att.).
Rīsi. 3. Sprieguma oscilogrammas pie Geigera skaitītāja anoda. U o- signāla amplitūda normālā režīmā (simtiem voltu). 1 - 5 - daļiņu skaitļi
Pirmās daļiņas (3. att. 1) nonākšana sensora tilpumā izraisa impulsu gāzes izlādi, kas noved pie sprieguma samazināšanās par vērtību. U o(normāla signāla amplitūda). Turklāt spriegums palielinās lēnas strāvas samazināšanās rezultātā caur spraugu, joni atstājot katodu, un starpelektrodu kapacitātes uzlādes dēļ no sprieguma avota caur ierobežojošo rezistoru. Ja pēc īsa laika intervāla pēc pirmās atnākšanas sensorā iekļūst cita daļiņa (3. att. 2), tad izlādes procesi attīstās vāji, jo anoda iedarbībā ir zems spriegums un zems lauka stiprums. jonu kosmiskais lādiņš. Šajā gadījumā sensora signāls izrādās nepieļaujami mazs. Otrās daļiņas ienākšana pēc ilgāka laika intervāla pēc pirmās (3. att. daļiņas 3 - 5) dod signālu ar lielāku amplitūdu, jo spriegums palielinās un telpas lādiņš samazinās.
Ja otrā daļiņa nonāk sensorā pēc pirmās ar intervālu, kas ir mazāks par laika intervālu starp daļiņām 1 un 2 attēlā. 3, tad iepriekš minēto iemeslu dēļ sensors vispār neģenerē signālu (daļiņu “neskaita”). Šajā sakarā laika intervāls starp daļiņām 1 un 2 tiek saukts par "skaitītāju mirušo laiku" (2. daļiņas signāla amplitūda ir 10% no normas). Laika intervāls starp daļiņām 2 un 5 attēlā. 3 sauc par “sensora atkopšanas laiku” (5. daļiņas signāls ir par 90% normāls). Šajā laikā sensora signālu amplitūda tiek samazināta, un elektriskais impulsu skaitītājs tos var nereģistrēt.
Nāves laiks (0,01 - 1 ms) un atkopšanas laiks (0,1 - 1 ms) ir svarīgi Geigera skaitītāja parametri. Jo zemākas ir šo parametru vērtības, jo lielāka ir reģistrētā devas jauda. Galvenie faktori, kas nosaka parametrus, ir gāzes spiediens un ierobežojošā rezistora izmērs. Samazinoties spiedienam un rezistora vērtībai, miris laiks un atkopšanas laiks samazinās, jo palielinās jonu izplūdes ātrums no spraugas un samazinās starpelektrodu kapacitātes uzlādes procesa laika konstante.
3.2. Dozimetriskie raksturlielumi
Geigera skaitītāja jutība ir sensora ģenerēto impulsu frekvences attiecība pret starojuma dozas jaudu, kas mērīta mikrozīvertos stundā (μSv / h; opcijas: Sv / s, mSv / s, μSv / s). Tipiskās jutības vērtības: 0,1 - 1 impulss uz mikrozīvertu. Darbības diapazonā jutība ir proporcionalitātes koeficients starp skaitītāja rādījumiem (impulsu skaits sekundē) un devas jaudu. Ārpus diapazona tiek pārkāpta proporcionalitāte, kas atspoguļo detektora dozimetrisko raksturlielumu - rādījumu atkarību no dozas jaudas (4. att.).
Rīsi. Skaitīšanas ātruma atkarības no radioaktīvā starojuma dozas jaudas (dozimetriskiem raksturlielumiem) diviem skaitītājiem ar dažādu gāzes spiedienu (1 - 5 kPa, 2 - 30 kPa)
No fiziskiem apsvērumiem izriet, ka sensora rādījumi, palielinoties devas jaudai, nevar pārsniegt vērtību (1 /), kur ir sensora nāves laiks (daļiņas, kas ierodas ar īsāku laika intervālu, netiek skaitītas). Tāpēc dozimetriskā raksturlieluma darba lineārā daļa intensīva starojuma zonā vienmērīgi pāriet horizontālā taisnā līnijā līmenī (1 /).
Samazinoties mirušajam laikam, sensora dozimetriskais raksturlielums pārvēršas horizontālā taisnā līnijā augstākā līmenī pie lielākas starojuma jaudas, un palielinās augšējā mērījumu robeža. Šī situācija tiek novērota, samazinoties gāzes spiedienam (4. att.). Tomēr tajā pašā laikā sensora jutība samazinās (palielinās to daļiņu skaits, kas šķērso gāzizlādes spraugu bez sadursmēm ar molekulām). Tāpēc, samazinoties spiedienam, dozimetriskais raksturlielums samazinās. Matemātiski raksturlielumu apraksta ar šādu sakarību:
kur N- skaitīšanas ātrums (sensora rādījumi - impulsu skaits sekundē); - pretsensitivitāte (impulsi sekundē uz mikrozīvertu); R- starojuma dozas jauda; - sensora nāves laiks (sekundēs).
3.3 Sensora skaitīšanas raksturlielums
Radiācijas dozas jaudas monitorings visbiežāk jāveic ārpus telpām vai uz lauka, kur sensors tiek darbināts no baterijām vai citiem galvaniskiem avotiem. Strādājot, viņu stress samazinās. Tajā pašā laikā gāzizlādes procesi sensorā ir ļoti atkarīgi no sprieguma. Tāpēc Geigera skaitītāja rādījumu atkarība no sprieguma pie nemainīgas starojuma dozas jaudas ir viens no svarīgākajiem sensora raksturlielumiem. Atkarību sauc par sensora skaitīšanas raksturlielumu (5. att.).
Uz vienas no uzrādītajām atkarībām (2. līkne) ir atzīmēti raksturīgie punkti A–D... Pie zema sprieguma (pa kreisi no punkta A) elektroni, kas rodas sensorā, trāpot jonizējošai daļiņai, ierosina elektronu lavīnas, taču to intensitāte nav pietiekama, lai izveidotu vajadzīgās amplitūdas strāvas impulsu, un skaitītāja rādījumi ir nulle. Punkts A atbilst "skaitīšanas sākuma spriegumam". Ar sprieguma pieaugumu vietnē A–B skaitītāja rādījumi palielinās, jo palielinās varbūtība, ka elektroni no daļiņu uztveršanas zonas nonāks anoda slānī ar lielu lauka intensitāti. Pie zema sprieguma elektroni rekombinējas ar joniem, pārvietojoties uz slāni (tie var sākotnēji “pielipt” pie broma piemaisījumu molekulām, veidojot negatīvus jonus). Punktā V spriegums ir pietiekams gandrīz visu elektronu ātrai kustībai slānī, un rekombinācijas intensitāte ir tuvu nullei. Sensors ģenerē normālas amplitūdas signālus.
Skaitīšanas raksturlieluma darba zonā B–C("Raksturīgais plato") skaitītāja rādījumi nedaudz palielinās, palielinoties spriegumam, kas ir praktiska nozīme un ir Geigera skaitītāja priekšrocība. Jo augstāka ir tā kvalitāte, jo lielāks ir plato garums (100 -400 V) un mazāks skaitīšanas raksturlieluma horizontālās daļas stāvums.
Rīsi. 5. Skaitīšanas ātruma atkarības no sprieguma (skaitīšanas raksturlīknes) pie dažādām gāzes spiediena vērtībām un broma piemaisījumu satura: 1 - 8 kPa, 0,5%; 2 - 16 kPa, 0,5%; 3 - 16 kPa, 0,1% starojuma dozas jaudai 5 μSv / h. A, B, C, D- 2. līknes raksturīgie punkti
Plato stāvums (vai slīpums). S ko raksturo skaitītāja rādījumu procentuālās izmaiņas uz vienu sprieguma vienību:
, (2)
kur N B un N C - skaitītāja rādījums plato sākumā un beigās; U B un U C- sprieguma vērtības plato sākumā un beigās. Tipiskās slīpuma vērtības ir 0,01 - 0,05% / V.
Rādījumu relatīvo stabilitāti uz skaitīšanas raksturlieluma plato nodrošina īpašs izlādes veids, kas rodas sensorā līdz ar jonizējošās daļiņas ierašanos. Sprieguma palielināšanās pastiprina elektronu lavīnu attīstību, bet tas tikai noved pie izlādes izplatīšanās paātrinājuma pa anodu, un skaitītāja spēja ģenerēt vienu signālu uz daļiņu gandrīz netiek traucēta.
Neliels skaitīšanas ātruma pieaugums, palielinoties spriegumam uz skaitīšanas raksturlieluma plato, ir saistīts ar elektronu emisiju no katoda izlādes ietekmē. Emisiju izraisa tā sauktie -procesi, ar kuriem saprot elektronu ekstrakciju ar joniem, ierosinātiem atomiem un fotoniem. Koeficients parasti tiek uzskatīts par vienādu ar elektronu skaitu uz jonu (tiek domāti ierosinātie atomi un fotoni). Koeficienta raksturīgās vērtības ir 0,1 - 0,01 (10 - 100 joni izvelk elektronu atkarībā no gāzes veida un katoda materiāla). Pie šādām koeficienta vērtībām Geigera skaitītājs nedarbojas, jo elektroni, kas iziet no katoda, tiek reģistrēti kā jonizējošas daļiņas (tiek reģistrēti “viltus” signāli).
Normālu skaitītāja darbību nodrošina broma vai spirta tvaiku (“dzesēšanas piemaisījumu”) ievadīšana gāzes pildījumā, kas krasi samazina koeficientu (zem 10 -4). Šajā gadījumā krasi samazinās arī viltus signālu skaits, bet paliek uztverams (piemēram, daži procenti). Palielinoties spriegumam, pastiprinās izlādes procesi, t.i. palielinās jonu, ierosināto atomu un fotonu skaits un attiecīgi palielinās viltus signālu skaits. Tas izskaidro nelielu sensoru rādījumu pieaugumu skaitīšanas raksturlieluma plato (slīpuma palielināšanās) un plato beigās (pāreja uz stāvu posmu C- D). Palielinoties piemaisījumu saturam, koeficients samazinās lielākā mērā, kas samazina plato slīpumu un palielina tās garumu (2. un 3. līkne 5. att.).
Piemaisījumu dzēšanas fiziskais darbības mehānisms ir krasā jonu, ierosināto atomu un fotonu padeves samazināšanās katodam, kas var izraisīt elektronu emisiju, kā arī elektronu darba funkcijas palielināšanās no katoda. . Galvenās gāzes (neona vai argona) joni, virzoties uz katodu, "lādiņa apmaiņas" rezultātā sadursmē ar piemaisījumu molekulām kļūst par neitrāliem atomiem, jo neona un argona jonizācijas potenciāls ir lielāks nekā bromam. un alkohols (attiecīgi: 21,5 V; 15, 7 V; 12,8 V; 11,3 V). Šajā gadījumā atbrīvotā enerģija tiek tērēta molekulu iznīcināšanai vai zemas enerģijas fotonu veidošanai, kas nav spējīgi izraisīt elektronu fotoemisiju. Turklāt šādus fotonus labi absorbē piemaisījumu molekulas.
Piemaisījumu joni, kas veidojas lādiņa apmaiņas laikā, sasniedz katodu, taču tie neizraisa elektronu emisiju. Broma gadījumā tas izskaidrojams ar to, ka jona potenciālā enerģija (12,8 eV) nav pietiekama, lai no katoda izvilktu divus elektronus (vienu jonu neitralizācijai, bet otru elektronu lavīnas ierosināšanai) tā kā elektronu darba funkcija no katoda piemaisījuma broma klātbūtnē palielinās līdz 7 eV. Alkohola gadījumā, kad joni tiek neitralizēti pie katoda, atbrīvotā enerģija parasti tiek tērēta sarežģītas molekulas disociācijai, nevis elektronu ekstrakcijai.
Galvenās gāzes ilgstošie (metastabīli) ierosinātie atomi, kas rodas izlādē, principā var trāpīt katodā un izraisīt elektronu emisiju, jo to potenciālā enerģija ir pietiekami augsta (piemēram, 16,6 eV neonam). Tomēr procesa iespējamība izrādās ļoti maza, jo atomi sadursmēs ar piemaisījumu molekulām nodod viņiem savu enerģiju - tie tiek "dzēsti". Enerģija tiek tērēta piemaisījumu molekulu disociācijai vai zemas enerģijas fotonu emisijai, kas neizraisa elektronu fotoemisiju no katoda un labi absorbē piemaisījumu molekulas.
Apmēram tādā pašā veidā tiek “dzēsti” augstas enerģijas fotoni, kas nāk no izlādes, kas var izraisīt elektronu emisiju no katoda: tos absorbē piemaisījumu molekulas, kam seko enerģijas patēriņš molekulu disociācijai un emisijai. zemas enerģijas fotoniem.
Skaitītāju izturība ar broma pievienošanu ir daudz augstāka (10 10 - 10 11 impulsi), jo to neierobežo rūdīšanas piemaisījumu molekulu sadalīšanās. Broma koncentrācijas samazināšanās ir saistīta ar tā salīdzinoši augsto ķīmisko aktivitāti, kas apgrūtina sensoru izgatavošanas tehnoloģiju un uzliek ierobežojumus katoda materiāla izvēlē (piemēram, tiek izmantots nerūsējošais tērauds).
Skaitīšanas raksturlielums ir atkarīgs no gāzes spiediena: līdz ar tā palielināšanos palielinās skaitīšanas sākuma spriegums (punkts A nobīdās pa labi 5. att.), un plato līmenis palielinās, jo gāzes molekulas sensorā efektīvāk uztver jonizējošās daļiņas (1. un 2. līkne 5. attēlā). Starta sprieguma pieaugums ir izskaidrojams ar to, ka apstākļi sensorā atbilst Paschen līknes labais atzaram.
Secinājums
Geigera-Muller skaitītāja plašā izmantošana ir izskaidrojama ar tā augsto jutību, spēju reģistrēt dažāda veida starojumu, kā arī uzstādīšanas salīdzinošo vienkāršību un zemajām izmaksām. Skaitītāju 1908. gadā izgudroja Geigers un uzlaboja Millers.
Cilindrisks Geigera-Müller skaitītājs sastāv no metāla caurules vai stikla caurules, kas metalizēta no iekšpuses, un plānas metāla vītnes, kas izstieptas gar cilindra asi. Kvēldiegs kalpo kā anods, caurule kā katods. Caurule ir piepildīta ar retu gāzi, vairumā gadījumu tiek izmantotas cēlgāzes - argons un neons. Starp katodu un anodu tiek izveidots aptuveni 400 V spriegums Lielākajai daļai skaitītāju ir tā sauktais plato, kas atrodas aptuveni no 360 līdz 460 V, šajā diapazonā nelielas sprieguma svārstības neietekmē skaitīšanas ātrumu.
Skaitītāja darbības pamatā ir triecienjonizācija.Γ-kvanti, ko izstaro radioaktīvs izotops, atsitoties pret letes sieniņām un izsitot no tā elektronus. Elektroni, pārvietojoties gāzē un saduroties ar gāzes atomiem, izsit elektronus no atomiem un rada pozitīvus jonus un brīvos elektronus. Elektriskais lauks starp katodu un anodu paātrina elektronus līdz enerģijām, pie kurām sākas trieciena jonizācija. Rodas jonu lavīna, un strāva caur skaitītāju strauji palielinās. Šajā gadījumā uz pretestības R tiek izveidots sprieguma impulss, kas tiek ievadīts ierakstīšanas ierīcē. Lai skaitītājs varētu reģistrēt nākamo tajā iekļuvušo daļiņu, lavīnas izlāde ir jānodzēš. Tas notiek automātiski. Brīdī, kad parādās strāvas impulss, uz pretestības R notiek liels sprieguma kritums, tāpēc spriegums starp anodu un katodu strauji samazinās - tik ļoti, ka izlāde apstājas un skaitītājs atkal ir gatavs darbam.
Svarīga skaitītāja īpašība ir tā efektivitāte. Ne visi γ-fotoni, kas trāpīs pret skaitītāju, dos sekundāros elektronus un tiks reģistrēti, jo γ-staru mijiedarbības akti ar vielu notiek salīdzinoši reti, un daži sekundārie elektroni tiek absorbēti ierīces sieniņās, nesasniedzot gāzi. apjoms.
Skaitītāja efektivitāte ir atkarīga no letes sieniņu biezuma, to materiāla un γ-starojuma enerģijas. Visefektīvākie ir skaitītāji, kuru sienas ir izgatavotas no materiāla ar lielu atomskaitli Z, jo tas palielina sekundāro elektronu veidošanos. Turklāt skaitītāja sienām jābūt pietiekami biezām. Skaitītāja sienas biezums tiek izvēlēts no tā vienādības ar sekundāro elektronu vidējo brīvo ceļu sienas materiālā. Ar lielu sienas biezumu sekundārie elektroni neietilps skaitītāja darba tilpumā, un strāvas impulss nenotiks. Tā kā γ-starojums vāji mijiedarbojas ar vielu, arī γ-skaitītāju efektivitāte parasti ir zema un ir tikai 1-2%. Vēl viens Geigera-Müllera skaitītāja trūkums ir tas, ka tas neļauj identificēt daļiņas un noteikt to enerģiju. Šo trūkumu scintilācijas skaitītājos nav.
Bibliogrāfija
1 Acton D.R. Gāzizlādes ierīces ar auksto katodu. M.; L .: Enerģētika, 1965.
2 Kaganovs I.L. Jonu ierīces. Maskava: Enerģētika, 1972.
3 Katsnelson B.V., Kalugins A.M., Larionovs A.S. Elektrovakuuma elektroniskās un gāzizlādes ierīces: Rokasgrāmata. M .: Radio un sakari, 1985.
4 Knol M., Eichmeikher I. Tehniskā elektronika T. 2.M .: Energiya, 1971.
5 Sidorenko V.V. Jonizējošā starojuma detektori: rokasgrāmata. L .: Kuģu būve, 1989