Давно не проблема купить прибор под условным названием «бытовой дозиметр» (были б деньги - в этом смысле, Фукусима радиофобам и радиофилам (TM) подгадила), но думаю, что этот прибор было бы интересно сделать своими руками.
Сердцем нашего прибора будет счетчик Гейгера. Мы знаем, конечно, что у этого детектора есть куча недостатков и вообще «прибор должен быть сцинтилляционным», но сцинтилляционный радиометр существенно сложнее и у меня под него задуман следующий пост. Тем более, у счетчика Гейгера-Мюллера есть и ряд неоспоримых достоинств.
Итак, начнем.
Рис. 1. Счетчик Гейгера-Мюллера. 1 - анод, 2 - катод, 3 - баллон, 4 - вывод катода, 5, 6 - пружины, натягивающие нить катода.
По сути счетчик работает, как тиратрон с холодным катодом, только разряд в нем зажигается от ионизации, вызванной не импульсом с сетки, а пролетевшей через газ заряженной частицей. После того, как разряд загорелся, его нужно погасить либо снятием с анода напряжения, либо… Либо он погаснет сам. Но для этого в газовую среду счетчика надо ввести что-то, что под действием разряда перейдет в форму, которая сделает газ непрозрачным для ультрафиолетового излучения и из-за этого исчезнет один из факторов поддержания самостоятельного разряда - фотоэлектронная эмиссия. Таких добавок две: спирт и галогены (хлор, бром и йод). Первый в разряде разлагается, превращаясь, грубо говоря, в сажу, и потом обратно в спирт не превращается, и через несколько десятков тысяч импульсов кончится и счетчику конец. А галогены становятся из молекулярных атомарными, причем процесс обратим. Они тоже кончаются - из-за того, что атомарные галогены с легкостью реагируют со всем попало, включая стенки счетчика, но чаще они успевают рекомбинировать друг с другом, поэтому галогенные счетчики гораздо более долговечны, выдерживая миллиарды импульсов. Нас интересуют в первую очередь галогенные счетчики, потому что:
А) они долговечнее,
б) они работают при 400-500 В, а не при полутора тысячах, как спиртовые,
в) они просто наиболее распространены.
В таблице 1 я привел несколько распространенных счетчиков Гейгера и их основные параметры.
Таблица 1.
Основные параметры некоторых счетчиков Гейгера-Мюллера.
Примечания: 1 - чувствительность к альфа-излучению не регламентирована; 2 - мелкосерийный счетчик, данные по нему скудны.
Что нам дает чувствительность счетчика? Точность и скорость реакции. Дело в том, что частицы радиоактивных излучений прилетают к нам не по расписанию, а как придется, да и счетчик какую-то из них пропустит, а от какой-то сработает (от фотонов гамма-излучения - примерно от одного из нескольких сотен). Так что импульсы от счетчика Гейгера (да и от любого счетного
детектора радиации) идут в абсолютно случайные моменты времени с непредсказуемыми интервалами между ними. И посчитав количество импульсов в одну минуту, другую, третью - мы получим различные значения. И среднеквадратичное отклонение этих значений, то есть погрешность определения скорости счета, будет пропорционален квадратному корню из числа зарегистрированных импульсов. Чем больше будет импульсов, тем меньше будет относительная (в процентах от измеряемой величины) погрешность их счета: .
Когда у нас детектор - упомянутый «эталонный» СБМ-20, а время счета - 40 секунд (так делали в простых бытовых дозиметрах, непосредственно показывая число сосчитанных импульсов в качестве уровня мощности дозы в мкР/ч), на естественном фоне количество импульсов - ~10 штук. А это значит, что среднеквадратическое отклонение - около трех. А погрешность при 95% доверительной вероятности - вдвое больше, то есть 6 импульсов. Таким образом, мы имеем грустную картинку: показания дозиметра 10 мкР/ч означают, что мощность дозы составляет где-то от 4 до 16 мкР/ч. А об обнаружении аномалии мы сможем говорить только когда дозиметр покажет отклонение в три сигмы, то есть больше 20 мкР/ч…
Чтобы точность увеличить, можно увеличить время счета. Если мы сделаем его три минуты, то есть в четыре раза больше, мы учетверим и число импульсов, а значит, удвоим точность. Но тогда мы потеряем реакцию прибора на короткие всплески излучения, например, на прошедшего мимо вас «вашего сиятельства» после сцинтиграфии или радиойодтерапии или наоборот, когда вы проходите на радиобазаре мимо часов с СПД. А взяв вчетверо более чувствительный детектор (4 параллельно соединенных СБМ-20, один СБМ-19, СБТ-10 или СИ-8Б) и оставив то же время измерения, мы и точность повысим, и скорость реакции сохраним.
Счетчик типа СБМ-20 (и его старший брат СБМ-19 и младшие СБМ-10 и СБМ-21) имеют металлический корпус, в котором нет никаких специальных входных окон. Из этого вытекает, что ни о какой чувствительности к альфа-излучению речи не идет. Бета-лучи он чувствует достаточно неплохо, но только если они достаточно жесткие, чтобы проникнуть внутрь. Это где-то от 300 кэВ. А вот гамма-излучение он чувствует, начиная с пары десятков кэВ.
А счетчики СБТ-10 и СИ-8Б (а также новомодные и малодоступные из-за ломовых цен Бета-1,2 и 5) вместо сплошной стальной оболочки имеют обширное окно из тонкой слюды. Через это окно способны проникнуть бета-частицы с энергией свыше 100-150 кэВ, что позволяет увидеть загрязнение углеродом-14, которое абсолютно невидимо для стальных счетчиков. Также окно из слюды позволяет счетчику чувствовать альфа-частицы. Правда, в отношении последних надо смотреть на толщину слюды конкретных счетчиков. Так, СБТ-10 с его толстой слюдой его практически не видит, а у Беты-1 и 2 слюда тоньше, что дает эффективность регистрации альфа-частиц плутония-239 около 20%. СИ-8Б - где-то посередине между ними.
А вот теперь что касается пролета насквозь. Дело в том, что альфа- и бета-частицы счетчик Гейгера регистрирует практически все, что смогли проникнуть внутрь. А вот с гамма-квантами все печально. Чтобы гамма-квант вызвал импульс в счетчике, он должен выбить из его стенки электрон. Этот электрон должен преодолеть толщу металла от точки, где произошло взаимодействие, до внутренней поверхности, и поэтому «рабочий объем» детектора, где происходит его взаимодействие с фотонами гамма-излучения - это тончайший, в несколько микрон, слой металла. Отсюда ясно, что эффективность счетчика для гамма-излучения очень мала - в сто и более раз меньше, чем для бета-излучения.
При увеличении напряжения от нуля счетчик Гейгера сначала работает, как обыкновенная ионизационная камера, а затем, как пропорциональный счетчик: каждая из пар ионов, которые образовались при пролете частицы, порождает небольшую ионов, увеличивая ионный ток в сотни и тысячи раз. При этом на нагрузочном сопротивлении в цепи счетчика уже можно обнаружить очень слабые, измеряемые милливольтами, импульсы. С ростом напряжения лавины становятся все больше, и в какой-то момент самые сильные из них начинают поддерживать сами себя, зажигая самостоятельный разряд. В этот момент вместо слабых, милливольтовых импульсов от лавин, проходящих через межэлектродное пространство и исчезающих на электродах, появляются гигантские, амплитудой в несколько десятков вольт! И их частота с ростом напряжения быстро растет, пока вспышку разряда не начнет вызывать каждая лавина Очевидно, что при дальнейшем росте напряжения скорость счета должна перестать расти. Так оно и происходит: на зависимости чувствительности от напряжения наблюдается плато .
Все же рост напряжения не оставляет скорость счета неизменной: разряд может возникнуть и просто так, от спонтанной эмиссии. И с ростом напряжения вероятность такого разряда только увеличивается. Поэтому плато получается наклонным, а начиная с некоторого напряжения скорость счета начинает быстро расти, а затем разряд переходит в непрерывный. В таком режиме, понятное дело, счетчик не только не выполняет своей функции, но и быстро выходит из строя.
Рис. 2. Зависимость скорости счета счетчика Гейгера от напряжения питания.
Наличие плато существенно облегчает питание счетчика Гейгера - ему не требуются высокостабильные источники высокого напряжения, какие требуются для сцинтилляционных счетчиков. Длина этого плато для низковольтных счетчиков - 80-100 В. Во многих советских бытовых дозиметрах кооперативного происхождения и практически во всех любительских конструкциях того времени питание счетчика было сделано от преобразователя напряжения на основе блокинг-генератора без всякого намека на стабилизацию. Расчет был таким: при свежей батарейке напряжение на аноде счетчика соответствовало верхней границе плато, так что нижней границы плато высокое напряжение достигало уже при изрядно разряженной батарейке.
Скорость счета от собственного фона достигает у счетчиков Гейгера уровня, соответствующего 3-10 мкР/ч, то есть составляет заметную долю скорости счета при нормальной радиационной обстановке. Особенно велик фон у слюдяных датчиков - СБТ-10, СИ-8Б, «Бета». Так что его обязательно нужно вычитать из результатов измерения. Но для этого его нужно знать. Справочник тут не поможет: там приведены лишь максимальные значения. Чтобы собственный фон измерить, нужен свинцовый «домик» толщиной не менее 5 см, при этом внутреннюю поверхность нужно покрыть листами меди толщиной 2-3 мм и 5 мм оргстеклом. Дело в том, что «домик» будет находиться под обстрелом космических лучей, которые делают сам домик источником рентгеновского излучения, главным образом в характеристических линиях свинца. И если сделать защиту только из свинца, это флюоресцентное «свечение» и «увидит» счетчик - вместо полной «темноты». А оргстекло нужно от выбиваемых той же космикой из свинца и меди электронов, энергия которых тоже достаточна для обнаружения счетчиком Гейгера.
При измерении фона следует учитывать, что свинцовый «домик» не оказывает никакого препятствия для космических мюонов. Их поток составляет ~0,015 . Например, через счетчик СБМ-20 эффективной площадью ~8 пройдет 0,12 или 7,2 . Из-за большой энергии эффективность регистрации космических мюонов практически любым счетчиком Гейгера можно принимать за 100%, и эту величину следует вычесть из темнового фона.
Если собственный фон - источник погрешностей при низких уровнях, то мертвое время сказывается при больших уровнях радиации. Сущность явления состоит в том, что сразу после импульса емкость счетчика еще не зарядилась до первоначального напряжения через нагрузочное сопротивление. Кроме того, в счетчике только погас разряд - но гасящая присадка еще не успела вернуться в первоначальное состояние. Поэтому у счетчика на 150-200 мкс возникает состояние, когда он оказывается нечувствителен к следующей частице, после чего он постепенно восстанавливает чувствительность. (рис. 3)
Рис. 3. Мертвое время счетчика Гейгера
Поправка на мертвое время находится по формуле:
где m и n, соответственно, измеренная и скорректированная скорости счета, а - мертвое время.
При очень больших уровнях радиации у многих счетчиков Гейгера (тут еще зависит и от остальной схемы) наступает неприятный и опасный эффект: постоянная ионизация мешает формироваться отдельным импульсам. Счетчик начинает непрерывно «гореть» постоянным разрядом и скорость счета резко падает до очень малой величины. Вместо того, чтобы зашкалить, дозиметр показывает какие-то умеренно-повышенные, а то и почти нормальные цифры. А тем временем вокруг светят десятки и сотни рентген в час и надо бы бежать, но вы успокоены показаниями дозиметра. Именно поэтому в армейских дозиметрах почти всегда есть помимо основного чувствительного - счетчик «судного дня», очень малочувствительный, но зато способный переварить тысячи Р/ч.
Как уже я говорил, бета-излучение счетчик Гейгера регистрирует с эффективностью в десятки процентов. А гамма-гамма-кванты - только доли процента. И все это напоминает складывание метров с килограммами, да еще и с произвольно взятыми коэффициентами. Вдобавок, чувствительность счетчика к гамма-излучению неодинакова при разных энергиях (рис.4). Дозовая чувствительность к излучению разных энергий может отличаться почти на порядок. Природа этого явления понятна: гамма-излучение низкой энергии имеет гораздо больший шанс поглотиться тонким слоем вещества, поэтому чем энергия ниже, тем выше эффективность (пока не начнет сказываться поглощение в стенках счетчика). В области же высоких энергий наоборот: с ростом энергии эффективность регистрации растет, что является среди детекторов ионизирующего излучения достаточно необычным явлением.
Рис. 4. Энергетическая зависимость дозовой чувствительности счетчика Гейгера-Мюллера (слева) и результат ее компенсации с помощью фильтра.
К счастью, при высоких энергиях (выше 0,5-1 МэВ) эффективность счетчика Гейгера к гамма-излучению почти пропорциональна энергии. А значит, энергетическая зависимость дозовой чувствительности там невелика. А горб при малых энергиях легко убрать с помощью фильтра из свинца толщиной около 0,5 мм. Толщина фильтра подбирается таким образом, чтобы при энергии, соответствующей максимальной чувствительности детектора (это 50-100 кэВ в зависимости от толщины входного окна детектора) кратность поглощения составляла бы величину этого пика. Чем энергия больше, тем меньше поглощения в свинце, и при 500-1000 кэВ, где чувствительность детектора выравнивается сама, оно уже практически незаметно.
Более точной коррекции можно добиться, используя многослойный фильтр из разных металлов, который нужно подбирать к конкретному счетчику.
Такой фильтр сокращает «ход с жесткостью» до величины в 15-20% во всем диапазоне 50-3000 кэВ и превращает показометр (ну ладно, поисковый радиометр-индикатор) в дозиметр.
Такой фильтр обычно делают съемным, поскольку он делает датчик нечувствительным к альфа- и бета-излучению.
Несмотря на то, желаем мы того или нет, но термин «радиация» надолго вклинился в наше сознание и бытие, и никому не скрыться от факта ее присутствия. Людям приходится учиться жить с этим в какой-то мере негативным феноменом. Явление радиации может проявлять себя при помощи невидимых и неощутимых излучений, и без специальной аппаратуры выявить его практически нереально.
В 1895 году произошло открытие рентгеновских лучей. Уже через год был открыт феномен радиоактивности урана, также связанный с открытием и применением рентгеновских лучей. Исследователям пришлось столкнуться с абсолютно новым, невиданным до той поры природным явлением.
Следует отметить, что с феноменом радиации уже сталкивались за несколько лет до этого, однако явлению не было уделено должного внимания. И это при том, что обжигались рентгеновскими лучами даже знаменитый Никола Тесла, а также рабочий персонал в лаборатории Эдисона. Ухудшение здоровья объясняли всем, чем только могли, но не излучением.
Позднее с началом XX столетия произошло появление статьей о вредоносном воздействии радиации на подопытных животных. Это также прошло без внимания до одного нашумевшего происшествия, в котором пострадали «радиевые девушки» – работницы фабрики, выпускавшей светящиеся часы.
Руководство фабрики рассказало девушкам о безвредности радия, и они принимали смертельные дозы радиации: облизывали кончики кисточек с радиевой краской, ради развлечения красили ногти и даже зубы светящейся субстанцией. Пяти девушкам, которые пострадали от такой работы, удалось подать на фабрику судебный иск. В результате чего был создан прецедент по отношению к правам некоторых рабочих, которые получали профессиональные заболевания и подавали в суд на своих работодателей.
Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в одной из лабораторий Резерфорда, в 1908 году разработал и предложил принципиальную схему действия счетчика «заряженных частиц». Он представлял собой модификацию уже знакомой тогда ионизационной камеры, которая была представлена в виде электрического конденсатора, наполненного газом с небольшим давлением. Камеру применял еще Пьер Кюри, когда изучал электрические свойства газов. Гейгер придумал ее употребить для выявления ионизирующего излучения именно оттого, что это излучение оказывало непосредственное воздействие на уровень ионизации газов.
В конце 20-х годов Вальтер Мюллер под руководством Гейгера создал некоторые типы счетчиков радиации, при помощи которых можно было регистрировать самые разнообразные ионизирующие частицы. Работа над созданием счетчиков была весьма необходимой, потому что без них нельзя было исследовать радиоактивные материалы. Гейгеру с Мюллером пришлось целеустремленно поработать над сотворением таких счетчиков, которые были бы чувствительны к любой из выявленных на то время разновидностей излучений типа α, β и γ.
Счетчики Гейгера-Мюллера оказались простыми, надежными, дешевыми, а также практичными датчиками радиации. Это при том, что они не являлись самыми точными инструментами для изучения излучения или некоторых частиц. Зато очень хорошо подходили в качестве приборов для общих измерений насыщенности ионизирующего излучения. В сочетании с другими приборами они и сейчас употребляются физиками-практиками для более точных замеров в процессе экспериментирования.
Для лучшего понимания работы счетчиков Гейгера-Мюллера не мешало бы ознакомиться с ионизирующим излучением как таковым. К нему может относиться все то, что вызывает ионизацию веществ, находящихся в естественном состоянии. Для этого потребуется присутствие какой-то энергии. В частности, ультрафиолетовый свет либо радиоволны не причисляются к ионизирующему излучению. Разграничение может начинаться так называемым «жестким ультрафиолетом», еще именуемым «мягким рентгеном». Такая разновидность потока называется фотонное излучение. Поток фотонов высокой энергии — это гамма-кванты.
В первый раз разделение ионизирующего излучения по трем видам было проделано Эрнстом Резерфордом. Все производилось на исследовательском оборудовании, в котором было задействовано магнитное поле в пустом пространстве. В дальнейшем все это было названо:
Позднее произошло открытие нейтронов. Так, выяснилось, что альфа-частицы могут с легкостью задерживаться даже с помощью обыкновенной бумаги, бета-частицы обладают несколько большей проникающей способностью, а гамма-лучи – самой высокой. Самыми опасными считаются нейтроны, особенно на дистанции во много десятков метров в воздушном пространстве. Вследствие их электрической индифферентности, они не вступают во взаимодействие ни с какой электронной оболочкой молекул в веществе.
Однако при попадании в атомные ядра с высоким потенциалом приводят к их неустойчивости и распаду, после чего образуются радиоактивные изотопы. А те, далее в процессе распада, сами образуют всю полноту ионизирующего излучения.
Газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера, главным образом, выполняются как герметичные трубки, стеклянные или металлические, из которых выкачан весь воздух. Его заменяют добавленным инертным газом (неоном или аргоном или их смесью) при невысоком давлении, с галогеновым или спиртовыми примесями. По осям трубок натянуты тонкие проволоки, а соосно с ними расположены металлические цилиндры. И трубки и проволоки — это электроды: трубки – катоды, а проволоки – аноды.
К катодам подключаются минусы от источников постоянного напряжения, а к анодам – с использованием большого постоянного сопротивления – плюсы от источников с постоянным напряжением. С электрической точки зрения выходит делитель напряжения. а в середине него уровень напряжения почти такой же, как напряжение на источнике. Как правило, он может доходить до нескольких сот вольт.
В процессе пролета ионизирующих частиц через трубки, атомы в инертном газе, которые уже находятся в электрополе высокой интенсивности, сталкиваются с этими частицами. Та энергия, которая была отдана частицами в процессе столкновения немалая, ее хватит для того, чтобы оторвались электроны от атомов газа. Образовавшиеся электроны вторичного порядка сами в состоянии формировать дальнейшие столкновения, после чего выходит целый электронный и ионный каскад.
При воздействии электрополя происходит ускорение электронов по направлению к анодам, а положительно заряженных ионов газа – к катодам трубок. Вследствие этого зарождается электроток. Поскольку энергию частиц уже израсходовали для столкновений, целиком или отчасти (частицы пролетели через трубку), ионизированные атомы газа стали заканчиваться.
Как только заряженные частицы попали в счетчик Гейгера-Мюллера, путем зарождающегося тока произошло падение сопротивления трубки, одновременно с этим изменяется напряжение в центральной отметке разделителя, о чем было указано ранее. После этого сопротивление в трубке в результате его роста возобновляется, а уровень напряжения снова приходит в прежнее состояние. В результате, получаются отрицательные импульсы напряжения. Произведя отсчет импульсов, можно установить количество частиц, которые пролетели. Самая большая интенсивность электрополя наблюдается рядом с анодом, благодаря его малым размерам, вследствие этого счетчики становятся более чувствительными.
У всех современных счетчиков Гейгера-Мюллера имеются две основные разновидности: «классическая» и плоская. Классические счетчики выполняются из тонкостенных гофрированных металлических трубок. Гофрированные поверхности счетчиков делают трубки жесткими, они устоят перед внешним атмосферным давлением, и не дадут им мяться под любыми воздействиями. С торцов трубок имеются стеклянные или пластмассовые гермоизоляторы. Там же находятся отводы-колпачки, чтобы подключаться к схеме. Трубки маркированы и покрыты с помощью прочного изолирующего лака с указанием полярности отводов. Вообще это универсальные счетчики для любой разновидности ионизирующего излучения, особенно для бета-гамма-излучений.
Счетчики, которые могут быть чувствительными к мягким β-излучениям, производятся по-иному. Вследствие малых пробегов β-частиц, их делают плоскими. Слюдяные окошки слабо задерживают бета-излучения. Одним таким счетчиком можно назвать датчик БЕТА-2. Во всех остальных счетчиках определение их свойств относят к материалам их изготовления.
Все счетчики, которые регистрируют гамма-излучение, обладают катодами, изготовленными из таких металлов, в которых присутствует большое зарядовое число. Газы чрезвычайно неудовлетворительно ионизируются с помощью гамма-фотонов. Тем не менее, гамма-фотоны могут выбивать множество электронов вторичного происхождения из катодов, если выбирать их надлежащим образом. Большинство счетчиков Гейгера-Мюллера для бета-частиц изготавливаются так, чтобы у них были тонкие окна. Это делается, чтобы улучшить проницаемость частиц, потому что это всего лишь обычные электроны, получившие больше энергии. С веществами у них происходит взаимодействие очень хорошее и быстрое, вследствие этого энергия теряется.
С альфа-частицами дела обстоят куда сквернее. Например, невзирая на довольно-таки порядочную энергию, несколько МэВ, у альфа-частиц происходит весьма сильное взаимодействие с молекулами, движущимися в пути и скоро теряющими энергетический потенциал. Обычные счетчики неплохо реагируют на α-излучения, но исключительно на удалении в несколько сантиметров.
Чтобы произвести объективную оценку уровня ионизирующего излучения дозиметры на счетчиках с общим применением нередко снабжаются двумя последовательно функционирующими счетчиками. Один может быть более чувствительным к α-β-излучениям, а другой к γ-излучению. Порой среди счетчиков помещаются бруски или пластины из сплавов, в которых имеются примеси кадмия. При попадании нейтронов в такие бруски возникает γ-излучение, которое и регистрируется. Это делается для возможного определения нейтронного излучения, а к нему у простых счетчиков Гейгера практически отсутствует чувствительность.
Советской, а сейчас уже и российской промышленностью выпускается множество разновидностей счетчиков Гейгера-Мюллера. Такими приборами главным образом пользуются люди, которые имеют какое-то отношение к объектам ядерной индустрии, к научным или учебным учреждениям, к гражданской обороне, к медицинской диагностике.
После того, как произошла чернобыльская катастрофа, бытовые дозиметры, раньше абсолютно незнакомые населению нашей страны даже по наименованию, начали приобретать поистине всенародную популярность. Начало появляться множество моделей бытового назначения. Во всех них используются собственно счетчики Гейгера-Мюллера в качестве датчиков радиации. Обычно в бытовых дозиметрах устанавливаются одна-две трубки или торцевые счетчики.
Счетчик Гейгера (Гейгера-Мюллера) -- газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. Изобретён счетчик был в 1908 году Гансом Гейгером и усовершенствован Мюллером. Является самым распространенным детектором (датчиком) ионизирующего излучения. До сих пор ему, изобретенному в самом начале прошлого века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены.
Дополнительная электронная схема обеспечивает счётчик питанием (как правило, не менее 300 В), обеспечивает, при необходимости, гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.
Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).
Чувствительность счётчика определяется составом газа, его объёмом, а также материалом и толщиной его стенок.
Наиболее часто в приборах применяются счетчики с рабочим напряжением порядка 400 В, такие как:
1. «СБМ-20» (по размерам Ї чуть толще карандаша).
2. «СБМ-21» (оба со стальными корпусами, пригодные для измерения бета- и гамма-излучения).
3. «СИ-8Б» (со слюдяным окном в корпусе, пригоден для измерения бета-излучения).
Цилиндрический счётчик 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 порядка 400 В. Для большинства счетчиков существует так называемое плато, которое лежит приблизительно от 360 до 460 В, в этом диапазоне небольшие колебания напряжения не влияют на скорость счета.
Работа счетчика основана на ударной ионизации. Гамма-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, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счётчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается -- настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.
Важной характеристикой счётчика является его эффективность. Не все Гама-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия гамма-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема.
Эффективность счётчика зависит от толщины стенок счётчика, их материала и энергии гамма-излучения. Наибольшей эффективностью обладают счётчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z, так как при этом увеличивается образование вторичных электронов.
Примечание. Атомный номер, Z Ї это порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Атомный номер равен числу протонов в атомном ядре, которое, в свою очередь, равно числу электронов в электронной оболочке соответствующего нейтрального атома. Заряд ядра равен Ze, где е -- положительный элементарный электрический заряд, равный по абсолютному значению заряду электрона.
Кроме того, стенки счётчика должны быть достаточно толстыми. Толщина стенки счётчика выбирается из условия её равенства длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объем счётчика и возникновения импульса тока не произойдет. СГ имеет свои минусы Ї по реакции такого прибора нельзя судить о первопричине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые СГ под действием альфа-частиц, электронов, гамма-квантов ничем не различаются.
Приведем некоторые паспортные данные, на примере счетчика СБМ 20.
· Номинальное рабочее напряжение Ї 400 В.
· Протяжность плато счетной характеристики Ї не менее 100 В.
· Изменение чувствительности счетчика в течение всего ресурса не превышает.
· Собственный фон Ї не более 1 имп/сек.
· Амплитуда импульса Ї не менее 50 В.
· Диапазон регистрируемых мощностей Ї (0,001…10) мкр/сек.
· Чувствительность к излучению Ї 460 имп/сек.
Рис. 1.1 Ї Зависимость скорости счета от напряжения питания
Рис. 1.2 Ї Зависимость скорости счета от уровня радиации
Счетчик Гейгера - прототип современных дозиметров или, как их еще называют, радиометров. С помощью малогабаритного и простого прибора можно узнать уровень радиации еще до того, как он повлияет на здоровье человека.
Что измеряет счетчик Гейгера?
С помощью прибора определяется уровень радиационного излучения предметов и объектов:
Как использовать дозиметр?
Средние показатели радиоактивности, признанные безопасными: 20-30мкР/час. Обычный радиационный фон - 0.22 МкЗв/час. Чтобы измерить уровень радиации, необходимо для начала включить прибор и обнулить показания дисплея. Само исследование занимает не более 60 секунд. При обследовании необходимо тщательно следить за чистотой самого устройства, так как мельчайшая пыль или влага могут повлиять на достоверность показаний. Поэтому прибор рекомендуют использовать в защитном чехле.
Определяем уровень радиации в продуктах
Фрукты и овощи, принесенные с рынка, лесные грибы и ягоды могут быть не безопасными для здоровья. Дозиметр развеет все сомнения - для этого необходимо поднести включенный прибор к продуктам (без упаковки и весом до 1кг) на расстоянии 1-5см. Так же можно узнать уровень радиации в питьевой воде, молоке, других жидких продуктах. Измерение проводится над открытой емкостью с жидкостью. Показания прибора могут быть несколько выше при измерении радиации в чае или сушеных грибах, так как в них концентрированный состав микроэлементов.
Измерение радиации в жилище
Чтобы проверить уровень радиации в помещении, необходимо пройтись с прибором вдоль стен и как можно ближе к полу. Для жилых помещений нормальным уровнем радиации считается 25мкР\ч. Цифра 30мкР/час - это уже предельно допустимая норма для домов, при строительстве которых использовались бетон, гранит, щебень. Важно производить измерения в разных местах дома, так как скрытым источником опасной радиации могут быть мебель, старинные вещи, раритетная техника. Стоит учесть, что кирпичи может давать показания радиоактивности в 2 раза больше допустимой нормы. Поэтому камин или печь измеряют на расстоянии 40-50см.
Измерение уровня радиации на открытом пространстве
Источником радиации могут быть осадки, ветер со стороны предприятий, растения, камни или обычный песок на детской площадке. Дозиметр позволяет с высокой точностью определить источник радиации. Особенно это важно при выборе места для строительства дома, отдыха или просто прогулки по мегаполису. Оценку уровня радиации проводят на расстоянии 1м от почвы и 0,5м от зданий.
В связи с тем, что после катастрофы Чернобыльской АЭС дозиметры стали очень популярны в нашей стране, на рынках появилось очень много подделок и не качественных приборов. Самым надежным продавцом техники для заботы о здоровье является специализированный «Мед-Магазин».
Семь причин, почему дозиметр необходимо приобретать в Мед-Магазине:
1-й Компания сотрудничает с официальными представителями известных торговых марок
2-й Большой выбор позволяет приобрести простейшую модель или дозиметр для профессиональных исследований
3-й Приемлемые цены - от самых недорогих дозиметров до более усовершенствованных моделей
4-й Вся продукция сертифицирована
5-й Покупка оформляется на сайте «Мед-Магазин», не выходя из дома.
6-й Есть возможность замены или возврата товара.
7-й Работает онлайн-служба технической поддержки.
В этом состоянии счетчик будет пребывать до
тех пор, пока в его газовой среде не возникнет
центр ионизации - след из ионов и электронов,
порождаемый пришедшей извне ионизирующей
частицей.
Первичные электроны, ускоряясь в
электрическом поле, ионизируют «по дороге» другие
молекулы газовой среды, порождая все новые и новые
электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот
процесс завершается образованием в межэлектродном
пространстве электронно-ионного облака, резко
увеличивающего его проводимость. В газовой среде
счетчика возникает разряд, видимый (если баллон
прозрачный) даже простым глазом.
Обратный процесс - возвращение газовой среды в ее исходное состояние - происходит под действием содержащегося в ней галогена, который способствует интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика и фактически определяющий его быстродействие - так называемое «мертвое» время, - является важной паспортной характеристикой счетчика.
Счетчики Гейгера способны реагировать на самые
разные виды ионизирующего излучения - α, β, γ,
ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но
реальная спектральная чувствительность счетчика
зависит от его конструкции.
Чаще встречаются
счетчики с цилиндрическим баллоном, выполненным из
нержавеющей стали толщиной 0,05....0,06 мм. Баллон
в таком счетчике является и его катодом.
Спектральная чувствительность такого тонкостенного
счетчика ограничена γ- и жестким
β-излучением.
Счетчики со стеклянным баллоном чувствительны лишь к γ-излучению (стекло толщиной в 1 мм для β-излучения является почти непреодолимой преградой). Катодом в таких счетчиках служит тонкий проводящий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность стекла. Практически полностью теряет чувствительность к β-излучению и счетчик с толстостенным (более 0,2 мм) металлическим баллоном.
В счетчик нейтронов вводят бор, при
взаимодействии с которым поток нейтронов
преобразуется в легкорегистрируемые α-частицы.
Фотонное излучение - ультрафиолетовое,
рентгеновское, γ-излучение - счетчики Гейгера
воспринимают опосредованно: через фотоэффект,
комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом
случае происходит преобразование
взаимодействующего с веществом катода излучения в
поток электронов.
Каждая фиксируемая счетчиком Гейгера частица возбуждает в нем короткий (доли миллисекунды) импульс тока. Число импульсов, возникающих в единицу времени - скорость счета счетчика Гейгера, - зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Типичный график зависимости скорости счета от напряжения питания U пит показан на рис. a.
Зависимость скорости счета от уровня
радиационного облучения счетчика - важнейшая его
характеристика.
График этой зависимости имеет
почти линейный характер, и поэтому нередко
радиационную чувствительность счетчика выражают
через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта
размерность следует из отношения скорости счета -
имп/с - к уровню радиации - мкР/с). На рис. 4
приведен график этой зависимости для счетчика
СБМ20.
В тех случаях, когда она не указана
(нередких, к сожалению), судить о радиационной
чувствительности счетчика приходится по другому
его, тоже очень важному параметру - собственному
фону.
Так называют скорость счета, причиной
которой являются две составляющие: внешняя -
естественный радиационный фон, и внутренняя -
излучение радионуклидов, оказавшихся в самой
конструкции счетчика, а также спонтанная
электронная эмиссия его катода.
Еще одной важной характеристикой счетчика
Гейгера является зависимость его радиационной
чувствительности от энергии (жесткости)
ионизирующих частиц.
На профессиональном
жаргоне график этой зависимости называют «ходом с
жесткостью». В какой мере эта зависимость важна,
показывает график на рис. 5
«Ход с жесткостью»
будет влиять, очевидно, на точность проводимых
измерений.
Не обсуждая вопрос о том, нужна ли высокая точность измерений бытовому радиометру, заметим, что подобные приборы промышленного изготовления отличаются от любительских лишь коррекцией счетчика Гейгера по жесткости. Для этого на него надевают «рубашку» - пассивный фильтр. Этот фильтр должен, во-первых, «отрезать» посторонние излучения (прежде всего, (β-излучение), и, во-вторых, своей приблизительно обратной по отношению к счетчику жесткостной характеристикой скомпенсировать «ход с жесткостью» самого счетчика. Некоторые из промышленных дозиметров учитывают также и спонтанную активность счетчика Гейгера.
То, что счетчик Гейгера является лавинным
прибором, имеет и свои минусы - по реакции такого
прибора нельзя судить о первопричине его
возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые
счетчиком Гейгера под действием α-частиц,
электронов, γ-квантов (в счетчике на все эти виды
излучения реагирующем), ничем не
различаются.
Сами частицы, их энергии
совершенно исчезают в порождаемых ими
лавинах-близнецах.
Стабильная регулировка чувствительности возможна лишь в трехэлектродном счетчике Гейгера, в котором от напряжения на управляющем электроде зависят конфигурация и объем пространства, в котором возможны лавинные вспышки. На рис. 6, а показана схема включения такого счетчика, а на рис. 6, б - зависимость его радиационной чувствительности от напряжения на управляющем электроде.
Рис. 8.
Включение трехэлектродного счетчика Гейгера (а);
зависимость его радиационной чувствительности от
напряжения на управляющем электроде
(б)
В бытовых дозиметрических приборах
быстродействие счетчика Гейгера не является
сколько-нибудь лимитирующим фактором (человек
должен обнаружить источник радиации до того, как
это быстродействие ему потребуется). Поэтому нет
необходимости включать многоанодный счетчик
Гейгера так, как это обычно рекомендуют
справочники (рис.).
Постоянная времени при
прямом объединении даже всех десяти анодов
счетчика СБТ10, самого многосекционного из
отечественных, остается еще достаточно малой (R
n Са = 15 10 6 10 5
10 -12 = 0,75 мс), чтобы практически
никак не влиять на результат измерений даже в
полях, тысячекратно превышающих уровень
естественного радиационного фона.
Оценим способность счетчиков, имеющих слюдяные окна (другие можно и не рассматривать), реагировать на α-излучение того же плутония-239 (Еа = 5,16 МэВ). Пробег в воздухе его α-частиц около 3,5 см. Слюда плотностью 2,8 г/см 3 (она плотнее воздуха примерно в 2200 раз) и толщиной 10 мкм (10 -3 см) эквивалентна воздушной «подушке» толщиной 2200 10 -3 = 2,2 см. То есть, счетчик со слюдяным окном 10-микронной толщины сможет обнаружить излучение плутония-239, если сблизится с ним практически вплотную. Во всяком случае, «зазор» между излучателем и счетчиком должен быть меньше 3,5 - 2,2 = 1,3 см.
