Счётчик Гейгера—Мюллера принцип действия, виды, характеристики

Счетчик Гейгера СИ-8Б (СССР) со слюдяным окошком для измерения мягкого β-излучения. Окно прозрачно, под ним можно видеть спиральный проволочный электрод, другим электродом является корпус прибора.

Радиометр, чувствительный элемент — счетчик Гейгера—расположен в выносном блоке на переднем плане.

Современный моноблочный счетчик Гейгера-Мюллера, включая трубку Гейгера-Мюллера тип 70019 (вверху)

Принцип работы

Схема счетчика Гейгера с трубкой с «торцевым окном» для излучения с низким проникновением. Громкоговоритель также используется для индикации

Счетчик Гейгера состоит из трубки Гейгера – Мюллера (чувствительный элемент, который улавливает излучение) и обрабатывающей электроники, которая отображает результат.

Трубка Гейгера – Мюллера заполнена инертным газом, таким как гелий , неон или аргон, под низким давлением, к которому приложено высокое напряжение. Трубка ненадолго проводит электрический заряд, когда частица или фотон падающего излучения делает газ проводящим за счет ионизации. Ионизация внутри трубки значительно усиливается за счет эффекта разряда Таунсенда, что дает легко измеряемый импульс обнаружения, который подается на электронику обработки и отображения. Этот большой импульс от трубки делает счетчик Гейгера относительно дешевым в производстве, поскольку последующая электроника значительно упрощается. Электроника также генерирует высокое напряжение, обычно 400–900 вольт, которое необходимо приложить к лампе Гейгера – Мюллера, чтобы обеспечить ее работу. Чтобы остановить разряд в трубке Гейгера – Мюллера, в газовую смесь добавляют немного газообразного галогена или органического вещества (спирта).

Считывание

Существует два типа считывания обнаруженного излучения: счетчики или доза облучения . Отображение счетчиков является самым простым и представляет собой количество обнаруженных событий ионизации, отображаемое либо в виде скорости счета, например, «количество в минуту» или «количество в секунду», либо в виде общего количества импульсов за заданный период времени (интегрированный Всего). Считывание количества обычно используется при обнаружении альфа- или бета-частиц. Более сложным является отображение мощности дозы излучения, отображаемое в таких единицах, как зиверт, которые обычно используются для измерения мощности дозы гамма- или рентгеновского излучения. Трубка Гейгера – Мюллера может обнаруживать присутствие излучения, но не его энергию., влияющий на ионизирующий эффект излучения. Следовательно, приборы, измеряющие мощность дозы, требуют использования трубки Гейгера – Мюллера с компенсацией энергии , чтобы отображаемая доза соответствовала зарегистрированным счетчикам. Электроника будет применять известные факторы для выполнения этого преобразования, которое является специфическим для каждого прибора и определяется конструкцией и калибровкой.

Показания могут быть аналоговыми или цифровыми, а современные приборы предлагают последовательную связь с главным компьютером или сетью.

Обычно есть возможность производить звуковые щелчки, отображающие количество обнаруженных событий ионизации. Это характерный звук, который обычно ассоциируется с портативными или портативными счетчиками Гейгера. Это позволяет пользователю сконцентрироваться на манипуляциях с инструментом, сохраняя при этом слуховую обратную связь по интенсивности излучения.

Принцип работы счетчиков Гейгера основан на эффекте ударной ионизации газовой среды под действием радиоактивных частиц или квантов электромагнитных колебаний в межэлектродном пространстве при высоком ускоряющем напряжении.

Устройство состоит из герметичного металлического или стеклянного баллона, наполненного инертным газом (неон, аргон) или газовой смесью. Внутри баллона имеются электроды – катод и анод. Для облегчения возникновения электрического разряда в газовом баллоне создается пониженное давление. Электроды подключаются к источнику высокого напряжения постоянного тока через нагрузочный резистор, на котором формируются электрические импульсы при регистрации радиоактивных частиц.

Рис.3. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Устройство и схема включения счетчика Гейгера.

В исходном состоянии газовый промежуток между электродами имеет высокое сопротивление и тока в цепи нет. Когда заряженная частица, имеющая высокую энергию, сталкивается с элементами конструкции датчика (корпус, баллон, катод), она выбивает некоторое количество электронов, которые оказываются в промежутке между электродами. Под действием ускоряющего напряжения в несколько сотен вольт электроны, находящиеся в инертном газе, начинают устремляться к аноду. На этом пути они легко ионизируют молекулы газа, выбивая вторичные электроны. Процесс многократно повторяется и количество электронов лавинообразно увеличивается, что приводит к возникновению разряда между катодом и анодом. В состоянии разряда газовый промежуток в межэлектродном пространстве становится токопроводящим, что обуславливает скачок тока в нагрузочном резисторе.

В несамогасящихся счетчиках прекращение разряда достигается отключением источника питания, что приводит счетчик Гейгера в исходное состояние. В самогасящихся галогенных счетчиках, широко применяемых в настоящее время, это достигается за счет введения в газовую среду специальных добавок (хлор, бром, йод, спирт), которые способствуют быстрому прекращению разряда. Также в качестве нагрузочного резистора используют высокоомное сопротивление – несколько единиц или десятков мегаом. Это позволяет за счет падения напряжения на резисторе (во время разряда) резко уменьшить разность потенциалов на электродах счетчика. Как правило, напряжение менее 300 вольт делает невозможным поддержание разряда, и он автоматически прекращается.

Ограничения

Есть два основных ограничения счетчика Гейгера. Поскольку выходной импульс трубки Гейгера – Мюллера всегда имеет одинаковую величину (независимо от энергии падающего излучения), трубка не может различать типы излучения. Во-вторых, трубка не может измерять высокие уровни излучения, потому что за каждым событием ионизации следует «мертвое время», нечувствительный период, в течение которого любое дальнейшее падающее излучение не приводит к подсчету. Обычно мертвое время снижает указанные скорости счета от примерно 10 ⁴ до 10 ⁵ отсчетов в секунду, в зависимости от характеристики используемой трубки. Хотя некоторые счетчики имеют схемы, которые могут это компенсировать, для точных измерений ионная камера инструменты предпочтительнее для высоких уровней излучения.

Дополнительная электронная схема обеспечивает счетчик питанием (как правило, не менее 300 В), обеспечивает, при необходимости, гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счетчик.

Счетчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).

В бытовых дозиметрах и радиометрах производства СССР и России обычно применяются счетчики с рабочим напряжением 390 В:

• «СБМ-20» (по размерам — чуть толще карандаша), СБМ-21 (как сигаретный фильтр, оба со стальным корпусом, пригодный для жесткого β- и γ-излучений)
• «СИ-8Б» (со слюдяным окном в корпусе, пригоден для измерения мягкого β-излучения)

Широкое применение счетчика Гейгера—Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать разного рода излучения, сравнительной простотой и дешевизной установки. Счетчик был изобретен в 1908 году Гейгером и усовершенствован Мюллером.

Цилиндрический счетчик Гейгера—Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки, и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка — катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы — аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение от сотен до тысяч вольт в зависимости от геометрических размеров материала электродов и газовой среды внутри счетчика. В большинстве случаев широкораспространенные отечественные счетчики Гейгера требуют напряжения 400 В.

Работа счетчика основана на ударной ионизации. γ-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, приводящая к размножению первичных носителей. При достаточно большой напряженности поля энергии этих ионов становится достаточной, чтобы порождать вторичные лавины, способные поддерживать самостоятельный разряд, в результате чего ток через счетчик резко возрастает. Этим счетчик Гейгера отличается от пропорционального счетчика, где напряженность поля недостаточна для возникновения вторичных лавин, и разряд прекращается после пролета первичной лавины. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается — настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе. Для ускорения гашения могут использоваться специальные схемы, принудительно снижающие напряжение на счетчике, что позволяет также уменьшить анодное сопротивление и увеличить уровень сигнала. Однако чаще в газовую смесь в счетчике добавляют немного галогена (брома или йода) или органического соединения с относительно большой молекулярной массой (обычно какого-либо спирта) -- эти молекулы взаимодействуют с положительными ионами, давая в результате ионы с большей массой и меньшей подвижностью. Кроме того, они интенсивно поглощают ультрафиолетовое излучение разряда -- эти два фактора приводят к быстрому и самопроизвольному гашению разряда даже с небольшим анодным сопротивлением. Такие счетчики называются самогасящимися. В случае применения в качестве гасящей добавки спирта при каждом импульсе некоторое его количество разрушается, поэтому гасящая добавка расходуется и счетчик имеет определенный (хоть и достаточно большой) ресурс по количеству зарегистрированных частиц. При его исчерпании счетчик начинает "гореть" -- начинает самопроизвольно возрастать скорость счета даже в отсутствии облучения, а затем в счетчике возникает непрерывный разряд. В галогенных счетчиках распавшиеся молекулы галогена вновь соединяются, поэтому их ресурс значительно выше (10¹⁰ импульсов и выше).

Счетная характеристика (зависимость скорости счета от напряжения на счетчике) имеет хорошо выраженное плато, в пределах которого скорость счета очень слабо зависит от напряжения на счетчике. Протяженность такого плато достигает для низковольтных счетчиков 80-100 В, а для высоковольтных -- нескольких сотен вольт.

Длительность сигнала со счетчика Гейгера сравнительно велика (≈ 10^-4 с). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролета частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду и восстановилась чувствительность детектора.

Важной характеристикой счетчика является его эффективность. Не все γ-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия γ-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема.

Эффективность регистрации частиц счетчиком Гейгера различна в зависимости от их природы. Заряженные частицы (например, альфа- и бета-лучи) вызывают разряд в счетчике почти всегда, однако часть их теряется в материале стенок счетчика. Особенно это актуально для альфа-частиц и мягкого бета-излучения. Для их регистрации в счетчике делают тонкое (2-7 мкм для регистрации альфа-излучения и 10-15 для мягкого бета-излучения) окно из слюды, алюминиевой или бериллиевой фольги или полимерной пленки. Эффективность счетчика для рентгеновского и гамма-излучения зависит от толщины стенок счетчика, их материала и энергии γ-излучения.Так как γ-излучение слабо взаимодействует с веществом, то обычно эффективность γ-счетчиков мала и составляет всего 1-2 %. Наибольшей эффективностью обладают счетчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z, так как при этом увеличивается образование вторичных электронов. Кроме того, стенки счетчика должны быть достаточно толстыми. Толщина стенки счетчика выбирается из условия ее равенства длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объем счетчика, и возникновения импульса тока не произойдет. Это приводит к характерной зависимости скорости счета от энергии гамма-кванта (так называемый "ход с жесткостью") с явно выраженным максимумом, который у большинства счетчиков Гейгера расположен в области мягкого гамма-излучения. При использовании счетчиков Гейгера в дозиметрической аппаратуре "ход с жесткостью" частично исправляют с помощью дополнительного экрана (например, стального или свинцового), который поглощает мягкое гамма-излучение вблизи максимума чувствительности и вместе с тем несколько повышает эффективность регистрации жестких гамма-квантов из-за генерации вторичных электронов и комптоновского излучения в материале экрана. В результате этого зависимость скорости счета от мощности дозы в значительной степени выравнивается. Этот экран часто делают съемным для возможности раздельного определения бета- и гамма-излучения. Напротив, для регистрации рентгеновского излучения применяют счетчики с тонким окном, наподобие используемого в детекторах для альфа- и мягкого бета-излучения.

Нейтроны напрямую газоразрядными счетчиками не детектируются. Использование в качестве газовой среды гелия-3 или бора в составе материала стенок позволяет регистрировать нейтроны по заряженным продуктам ядерных реакций. Помимо низкой и сильно зависящей от энергии эффективности, недостатком счетчика Гейгера—Мюллера является то, что он не дает возможность идентифицировать частицы и определять их энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счетчиках.

При измерении слабых потоков ионизирующего излучения счетчиком Гейгера необходимо учитывать его собственный фон. Даже в толстой свинцовой защите скорость счета никогда не становится равной нулю. Одной из причин этой спонтанной активности счетчика является жесткая компонента космического излучения, проникающая без существенного ослабления даже через десятки сантиметров свинца и состоящая в основном из мюонов. Через каждый квадратный сантиметр у поверхности Земли пролетает в среднем около 1 мюона в минуту, при этом эффективность регистрации их счетчиком Гейгера практически равна 100%. Другой источник фона -- это радиоактивное "загрязнение" материалов самого счетчика. Кроме того, значительный вклад в собственный фон дает спонтанная эмиссия электронов из катода счетчика.

Газоразрядные счетчики предназначены только для регистрации частиц или квантов и не могут определить ни энергетические их характеристики, ни тип радиоактивного излучения, если это не предусмотрено специальной методикой измерения. Однако, сравнивая между собой различные счетчики Гейгера-Мюллера, важно понимать и правильно трактовать возможности этих устройств.

Согласно современным представлениям о физике микромира радиационное излучение можно разделить на два вида: электромагнитное (в виде поля) и корпускулярное (в виде частиц). К первому виду относятся рентгеновские и гамма-лучи. Они обладают такими же свойствами, как и радиоволны, способны распространяться на большие расстояния и легко проникать сквозь многие материалы. По своей природе они имеют импульсный характер, поэтому физики говорят, что это фотоны или кванты, то есть короткие вспышки электромагнитного излучения. Частота колебаний фотонов рентгеновского диапазона очень высокая, а частота гамма-квантов в тысячи раз большая. Принято говорить, что гамма-радиация более жесткая (по частоте), чем рентгеновские лучи, потому что оказывает на человека более разрушительное действие.

Рис.4. Кванты рентгеновского и гамма-излучения.

Ко второму виду следует отнести альфа-частицы и бета-частицы. Они образуются в результате реакций ядерного превращения одних радиоактивных изотопов в другие. Если бета-частицы представляют собой в основном поток электронов (отрицательно заряженных элементарных частиц), то альфа-частица это гораздо более крупное и устойчивое образование, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, связанных между собой ядерными силами. Именно такой состав имеет ядро химического элемента гелия. Иными словами, альфа-частицы есть обособленные ядра гелия.

Гамма-кванты обладают высокой проникающей способностью, бета-частицы – средней, а альфа-частицы – самой низкой. Энергетические характеристики этих видов излучения имеют обратную зависимость. Альфа-частицы несут в себе самую большую разрушительную силу, так как их масса более чем в 7 тысяч раз больше, чем у бета-частиц. Но в воздухе альфа-частица не может пролететь даже нескольких сантиметров и, сталкиваясь с препятствиями, теряет свою скорость. Бета-частицы несут среднюю энергию и благодаря небольшой массе могут пролететь в воздухе несколько метров. Гамма-излучение распространяется на значительные расстояния, но затухает по мере продвижения, подчиняясь законам природы для любых электромагнитных волн.

Рис.5. Радиоактивные частицы альфа и бета типа.

Считается, что самым опасным для человека является альфа-излучение. Однако его обнаружить труднее всего, так как даже простой лист писчей бумаги для него есть непреодолимая преграда, не говоря о более плотном стеклянном или металлическом баллоне счетчика. Бета-радиоактивность выявить проще, особенно поток частиц высоких энергий, который также называют жестким (по энергии). Мягкое бета-излучение будет соответствовать потоку радиоактивных частиц малых энергий. Не все счетчики Гейгера способны обнаружить мягкое бета-излучение, так как энергии частиц явно не хватает, чтобы пробиться в датчик. Кванты гамма-излучения всегда проникают в газовый объем счетчика, но большинство из них вылетают наружу, так и не запустив ионизационный процесс. Чтобы увеличить вероятность регистрации гамма-квантов, на их пути часто ставят преграду из плотного материала – стальной или свинцовый экран определенной толщины.

Остановимся на наиболее важных характеристиках газоразрядных счетчиков Гейгера, по которым можно сравнивать и выявлять лучшие образцы из них.

• Конструкция и назначение. Основные виды счетчиков – цилиндрические и торцевые. Первые похожи на продолговатую трубку-баллон в виде цилиндра. Ионизационная камера вторых образована круглой или прямоугольной формой тела небольшой высоты и значительной рабочей торцевой поверхностью. Реже встречаются торцевые счетчики в виде удлиненного цилиндра и малого входного окна со стороны торца. Устройства могут регистрировать как отдельный вид радиоактивного излучения (альфа, бета, гамма), так и их комбинацию (например, гамма+бета или альфа+бета+гамма). Это достигается особенностями конструкции корпуса, электродов, а также выбором материала для их изготовления.

• Площадь входного окна или рабочей зоны. Это площадь пространства, через которое пролетают детектируемые частицы или кванты. Она напрямую связана с размерами счетчика. Чем больше эта площадь, тем больше частиц сможет уловить счетчик Гейгера в единицу времени и тем больше будет его чувствительность к радиации. Указывается в квадратных сантиметрах.

• Собственный фон. Это излучение деталей самого счетчика или иные причины самопроизвольного срабатывания при максимальном изолировании изделия от радиационного воздействия внешней среды (например, в свинцовой камере). Минимальный фон позволяет увеличить чувствительность счетчика при малых значениях радиоактивного излучения. Если собственный фон детектора будет значительным, то часть полезной информации закроется шумом. Приводится в импульсах в секунду (имп/с).

• Радиационная чувствительность. Показывает скорость счета при определенном уровне облучения, измеряется в импульсах в секунду (имп/с) либо в импульсах на микрорентген (имп/мкР) в пересчете на уровень 1 мкР/с. Этот параметр сильно зависит от типа стандартного источника ионизирующего излучения, по которому производят измерение. Как правило, для этой цели используют источники, включающие радионуклиды кобальт-60, цезий-137, радий-226, углерод-14 и другие. Если счетчики Гейгера, которые необходимо сравнить, тестировались от разных источников, то сделать это будет затруднительно.

• Эффективность регистрации. По разным причинам счетчики Гейгера не могут зафиксировать все без исключения пролетающие частицы или гамма-кванты. Данная величина указывает процент фактически зарегистрированных радиоактивных частиц от всего их количества, пролетающего через площадь рабочей зоны. Этот параметр проверяют стандартными источниками на основе плутония-239 (альфа-излучатель), таллия-204 (бета-излучатель) и других радиоактивных материалов. В качестве бета-излучателей также используется система радионуклидов: стронция-90 и продукта его распада иттрия-90.

• Диапазон регистрируемых энергий. Это энергетический спектр улавливаемых счетчиком Гейгера фотонов, альфа или бета-частиц. Может указываться как в общем, так и раздельно для каждого вида излучения. Единицы измерения – мегаэлектронвольты (МэВ) либо килоэлектронвольты (кэВ). Радиоактивные частицы, вырывающиеся в окружающее пространство, имеют широкий диапазон энергий. Но только бета-излучение достаточной энергии сможет выбить первичные электроны для начала ионизационного процесса. Только сильные альфа-частицы смогут преодолеть воздушную прослойку и стенку входного окна между источником и камерой счетчика Гейгера.

Сегодня промышленность выпускает широкий ассортимент счетчиков Гейгера-Мюллера для нужд приборостроительной отрасли. Рассмотрим наиболее типичные из них, которые нашли применение в современных дозиметрических приборах.

Регистрация гамма-фотонов и жесткого бета-излучения. На это способны практически все классические счетчики Гейгера, выпускаемые как в прошлом столетии, так и в настоящее время. Оба вида излучения несут высокую энергию и обладают большой проникающей способностью. Такие кванты и частицы легко проникают в тонкостенный стеклянный или металлический баллон детектора и обнаруживаются электронной схемой.

Популярный цилиндрический счетчик СБМ-20 предназначен для подобных целей. Он имеет вид герметичной трубки-баллона с расположенным коаксиально внутри проволочным анодом. Причем трубка одновременно служит корпусом и катодом, изготовленным из тонкой нержавеющей стали. Площадь рабочей зоны датчика составляет примерно 8 кв. см. Радиационная чувствительность к гамма-излучению (по цезию-137 при 4 мкР/с) около 70 имп/мкР или 280 имп/с, собственный фон не более 1 имп/с. Этот счетчик способен регистрировать гамма-кванты с энергией от 0,05 МэВ до 3 МэВ. А также бета-частицы, имеющие энергию с нижним пределом 0,3 МэВ.

Рис.6. Устройство счетчика Гейгера СБМ-20.

Существующие модификации счетчика СБМ-20-1, СБМ-20У имеют такие же параметры и отличаются лишь конструкцией контактных элементов для подключения к измерительной схеме. Аналогичные счетчики Гейгера цилиндрического типа разных производителей (СБМ-10, СБМ-19, СБМ-21, СИ24БГ, СИ29БГ) имеют похожую конструкцию и характеристики, некоторые из них встречаются в бытовых дозиметрах.

Обнаружение фотонов рентгеновского и гамма-излучения. Так как фотонное излучение представляет собой дискретные порции (кванты) электромагнитной энергии, которые движутся со скоростью света, то есть 300000 км/с, то эффективность регистрации их счетчиками Гейгера довольно низкая и часто не превышает 1 процента. Повышения эффективности добиваются увеличением поверхности катода. Гамма-кванты обнаруживаются косвенно, путем регистрации выбитых ими электронов, участвующих затем в актах ионизации газовой смеси в камере. Для увеличения количества таких электронов подбирают толщину, а также материал корпуса и катода датчика. Слишком большая толщина и плотность материала может уменьшить эффективность регистрации, а слишком малая – откроет доступ для жесткого бета-излучения.

Гамма-счетчики находят применение в дозиметрии для прямого измерения гамма-фона, исключая другие виды радиоактивного воздействия, а также для оценки радиационной обстановки или радиоактивного заражения объектов по гамма-излучению. В дозиметрической аппаратуре применяются цилиндрические датчики типа СИ21Г, СИ22Г, СИ34Г, Гамма-1-1, Гамма-4, Гамма-5, Гамма-7Ц (конструктивный аналог СБМ-20), Гамма-8, Гамма-11 и многие другие. Также существуют варианты, имеющие торцевую конструкцию, во входном окне которой установлен несъемный металлический фильтр, отсекающий альфа-бета-излучение и увеличивающий площадь катода. Например, Гамма-6, Бета-1М, Бета-2М, Бета-5М (прямоугольной формы), Бета-6М и другие. Для примера рассмотрим характеристики одного из них.

Торцевой счетчик Бета-2М имеет круглую форму и значительную площадь рабочей зоны, составляющую приблизительно 14 кв. см. Радиационная чувствительность к кобальту-60 – 240 имп/мкР. Максимальный собственный фон в толстостенной свинцовой камере не превышает 1 имп/с. Датчик позволяет регистрировать ионизирующее фотонное излучение в диапазоне от 0,05 МэВ до 3 МэВ.

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

В качестве гамма-счетчиков могут применяться гамма-бета-счетчики, предназначенные для регистрации гамма-лучей и жесткого бета-излучения (например, СБМ-20). Если поверх такого датчика установить свинцовый либо стальной экран определенной толщины, то это исключит возможность регистрации счетчиком бета-частиц. Так и поступают во многих случаях разработчики, создающие гамма-дозиметры для измерения мощности дозы фотонов рентгеновского или гамма-излучения.

Регистрация гамма и мягкого бета-излучения. Зафиксировать мягкое бета-излучение – непростая задача. Обычно здесь используются торцевые счетчики Гейгера, в которых предусматривается тонкое окно из слюды или полимерной пленки для облегчения проникновения бета-частиц небольших энергий в ионизационную камеру. Если у цилиндрического счетчика катод имеет максимальную поверхность и всегда стоит на пути движения радиоактивных частиц, то у модели торцевого типа преградой является только слюдяная пленка. Катодом может служить металлический корпус, а анод реализуют в виде системы линейных электродов, равномерно уложенных в ионизационной камере на изоляторах. В многосекционных вариантах аноды электрически развязаны. Регистрация гамма-излучения в торцевых счетчиках существует как бесплатное приложение, от которого пытаются избавиться, минимизировав поверхность катода.

Рис.8. Устройство торцевого счетчика Гейгера.

Торцевые счетчики мягкого бета-излучения созданы давно. Такие типы как СБТ10, СИ8Б, имеющие входные слюдяные окна, применялись в дозиметрах разработки конца прошлого века. Современный вариант счетчика Бета-5 имеет форму прямоугольника с площадью слюдяного окна 37 кв. см. При такой большой рабочей зоне датчик способен достичь радиационной чувствительности 500 имп/мкР (к кобальту-60). Собственный фон – не более чем 2,2 имп/с. Эффективность детектирования бета-частиц доходит до 80%. Диапазон энергий фотонного излучения 0,05–3 МэВ. Нижний порог энергий бета-излучения – около 0,1 МэВ.

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

Регистрация гамма-квантов, мягкого бета-излучения и альфа-частиц. Поймать альфа-частицу, даже имеющую высокую энергию, проблема более сложная, чем зарегистрировать мягкое бета-излучение. Она решается уменьшением толщины слюдяной пленки входного окна и максимальным сближением (до 1 мм) источника радиации с датчиком. Возможность регистрации остальных видов излучения, как и в предыдущем случае, будет являться бесплатным приложением или побочным эффектом, хотя и может использоваться разработчиками дозиметрической аппаратуры в своих конструкциях. Перед производителями альфа-счетчиков всегда стояла задача уменьшения толщины слюдяного окна. Но тонкая слюда не может обеспечить механическую прочность и герметичность ионизационной камеры при достаточной площади входного окна, от которой зависит радиационная чувствительность. Например, при толщине слюды 13–17 мкм удается достичь площади окна в 30 кв. см (СБТ10, СИ8Б). А толщина слюды 4–5 мкм позволяет создать счетчик с входным окном всего лишь 0,2 кв. см (СБТ9).

Следует отметить, что расчетная толщина слюдяной пленки, при которой возможна регистрация альфа-частиц с энергией около 5 МэВ (от альфа-излучателя плутония-239) при сближении образца с поверхностью входного окна счетчика Гейгера не далее 2 мм, не должна превышать 15 мкм. При толщине слюды 10 мкм альфа-частицы можно обнаружить на удалении 13 мм, а если слюда на датчике будет иметь толщину в 5 мкм, то дальность повышается до 24 мм. Если частицы будут иметь энергию большую 5 МэВ, это расстояние увеличивается. При меньшей энергии оно сокращается вплоть до потери возможности детектирования альфа-излучения.

Вторым способом увеличения радиационной чувствительности альфа-счетчика Гейгера является снижение влияния сопутствующего гамма-излучения. Его минимизируют путем уменьшения поверхности катода. Эта мера позволяет сократить влияние мешающей гамма-радиации в тысячи раз. Помехи от бета-излучения устраняются методикой измерения. Она заключается в том, что вначале определяется сумма альфа-бета-излучения, затем устанавливается бумажный фильтр и оценивается величина составляющей радиации от бета-частиц. Значение альфа-излучения вычисляется как разность двух промежуточных результатов.

Рассмотрим характеристики современного альфа-бета-гамма-счетчика Гейгера Бета-1. Площадь его входного окна составляет 7 кв. см, толщина слюды – 12 мкм, что позволяет регистрировать альфа-частицы на расстоянии до 9 мм (по плутонию-239). Относительно кобальта-60 радиационная чувствительность достигает 144 имп/мкР. Данные эффективности детектирования производитель приводит по трем источникам: к плутонию-239 – 20%, к таллию-204 – 45%, к комплексу стронций-90 + иттрий-90 – 60%. Максимальный собственный фон – 0,6 имп/с. Счетчик Бета-1 может уверенно обнаруживать альфа частицы, начиная с энергий 5 МэВ, бета-излучение с энергией более 0,1 МэВ. Спектр энергий для гамма-излучения лежит в пределах 0,05–3 МэВ. Данный тип счетчиков используется в дозиметрах Радиаскан и МКС.

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

Кроме приведенных в статье основных характеристик счетчиков Гейгера, есть и другие (радиометрические, электрические, механические, климатические), предназначенные для специалистов. Например, рабочее напряжение, мертвое время, протяженность плато, межэлектродная емкость и так далее. Однако для непрофессионального пользователя, который желает разобраться в принципах действия счетчика Гейгера, незнание этих понятий не станет препятствием. Также имеется подкласс счетчиков Гейгера для детектирования фотонов ультрафиолетового излучения и устройств для регистрации медленных нейтронов, функционирующих по принципу коронного разряда и в пропорциональном режиме, которые здесь не рассмотрены.

Примечание

Следует отметить, что по историческим причинам сложилось несоответствие между русским и английским вариантами этого и последующих терминов:

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Ионизационная камера
• Датчик прямого заряда
• Коронарный счетчик
• Регистрация ионизирующих излучений
• детектор частиц , детектор элементарных частиц , детектор ионизирующего излучения , сцинтилляционный счетчик ,