Geigerjev števec s praznjenjem v plinu na kratko. Princip delovanja Geigerjevega števca in sodobni dozimetri. Dovoljena delovna temperatura števca

1.4 Geiger-Mullerjev števec

IN V proporcionalnem števcu se plinska razelektritev razvije le v delu prostornine plina. Najprej se v njem oblikuje primarna ionizacija, nato pa plaz elektronov. Preostala prostornina ni pokrita z izpustom plina. Ko se napetost poveča, se kritično območje razširi. V njem se poveča koncentracija vzbujenih molekul in s tem število izsevanih fotonov. Pod vplivom fotonov plin uhaja iz katode in molekul.

vedno več fotoelektronov. Slednji pa sprožijo nove plazove elektronov v volumnu števca, ki ga plinska razelektritev iz primarne ionizacije ne zasede. Tako povečanje napetosti U vodi do širjenja plinskega praznjenja po celotnem volumnu števca. Pri določeni napetosti U p. Imenuje se prag, izpust plina pokriva celotno prostornino števca. Pri napetosti U p se začne Geiger-Mullerjeva regija.

Geigerjev števec (ali Geiger-Mullerjev števec) je s plinom napolnjen števec nabitih osnovnih delcev, katerega električni signal je ojačan zaradi sekundarne ionizacije volumna plina števca in ni odvisen od energije, ki jo pusti delca v tej prostornini. Izumil sta ga leta 1908 H. Geiger in E. Rutherford, kasneje sta ga izboljšala Geiger in W. Muller. Števci Geiger-Muller - najpogostejši detektorji (senzorji) ionizirajočega sevanja.

Geiger - Mullerjev števec - plinskoelektrična naprava za detekcijo in proučevanje različnih vrst radioaktivnih in drugih ionizirajočih sevanj: α- in β-delcev, γ-kvantov, svetlobnih in rentgenskih kvantov, visokoenergijskih delcev v kozmičnih žarkih in pospeševalnikov. Kvante gama zapiše Geiger–Mullerjev števec z uporabo sekundarnih ionizirajočih delcev - fotoelektronov, Comptonovih elektronov, parov elektron-pozitron; nevtrone registrirajo povratna jedra in produkti jedrske reakcije, ki nastanejo v nasprotnem plinu. Merilnik deluje pri napetostih, ki ustrezajo neodvisni

koronska razelektritev (odsek V, slika 21).

riž. 21. Povezovalno vezje Geigerjevega števca

Potencialna razlika (V) se uporablja med stenami in osrednjo elektrodo skozi upor R, ki ga preusmeri kondenzator

C1.

Ta števec ima skoraj stoodstotno verjetnost registracije nabitega delca, saj za

En sam elektron-ionski par zadošča, da pride do razelektritve.

Strukturno je Geigerjev števec zasnovan na enak način kot proporcionalni števec, tj. je kondenzator (običajno cilindričen) z zelo nehomogenim električnim poljem. Na notranjo elektrodo (tanko kovinsko nit) se napaja pozitivni potencial (anoda), na zunanjo elektrodo pa negativni potencial (katoda). Elektrode so zaprte v hermetično zaprtem rezervoarju, napolnjenem z nekaj plina do tlaka 13-26 kN/m2 (100-200 mm pm. Art.). Na elektrode merilnika se napaja napetost nekaj sto V. Znak + je pritrjen na navoj skozi upor R.

Funkcionalno tudi Geigerjev števec ponavlja proporcionalni števec, vendar se od slednjega razlikuje po tem, da zaradi večje potencialne razlike na elektrodah deluje v načinu, ko za močan plaz zadostuje pojav enega elektrona v prostornini detektorja. -podoben proces, ki se razvije zaradi sekundarne ionizacije (ojačitev plina), ki lahko ionizira celotno območje v bližini anodne nitke. V tem primeru tokovni impulz doseže mejno vrednost (nasiči) in ni odvisen od primarne ionizacije. Ta proces se razvija kot plaz in se konča s tvorbo elektronsko-ionskega oblaka v medelektrodnem prostoru, kar močno poveča njegovo prevodnost. V bistvu, ko delec zadene Geigerjev števec, v njem utripne (vžge) neodvisna plinska razelektritev, vidna (če je posoda prozorna) tudi pri navadnem plinu. V tem primeru lahko koeficient povečanja plina doseže 1010, vrednost impulza pa je lahko več deset voltov.

Koronska razelektritev utripa in tok teče skozi merilnik.

Porazdelitev električnega polja v števcu je takšna, da se razelektritev razvije le v bližini anode števca na razdalji več premerov žarilne nitke. Elektroni se hitro kopičijo na filamentu (ne več kot 10-6 s), okoli katerega se oblikuje "ohišje" pozitivnih ionov. Pozitivni prostorski naboj poveča efektivni premer anode in s tem zmanjša poljsko jakost, zato je razelektritev prekinjena. Ko se plast pozitivnih ionov odmika od žarilne nitke, njen zaščitni učinek oslabi in poljska jakost v bližini anode postane zadostna za nastanek novega praznjenja. Pozitivni ioni, ki se približajo katodi, izločijo elektrone iz slednje, kar povzroči nastanek nevtralnih atomov inertnega plina v vzbujenem stanju. Vzbujeni atomi pri

dovolj blizu katode se z njene površine izbijejo elektroni, ki postanejo začetniki novih plazov. Brez zunanjega vpliva bi bil tak števec v dolgi prekinitveni razelektritvi.

Tako se pri dovolj velikem R (108 -1010 ohm) na niti nabere negativni naboj

in potencialna razlika med filamentom in katodo hitro pade, zaradi česar se razelektritev prekine. Po tem se ponovno vzpostavi občutljivost števca 10-1 -10-3 s (čas praznjenja kapacitete C skozi upor R). Točno toliko časa je potrebno, da počasni pozitivni ioni, ki so po prehodu delca in prehodu elektronskega plazu zapolnili prostor v bližini anodnega filamenta, pridejo do katode,

in Občutljivost detektorja je bila obnovljena. Tako dolg mrtvi čas je neprimeren za številne aplikacije.

Za praktično uporabo nesamougasljivega Geigerjevega števca se uporabljajo različne metode za zaustavitev praznjenja:

a) Uporaba elektronskih vezij za gašenje razelektritve v plinu. Temu prirejeno elektronsko vezje, v pravi čas generira "protisignal" števcu, ki ustavi neodvisno praznjenje in "zadrži" števec nekaj časa, dokler se nabiti delci popolnoma nevtralizirajo. Značilnosti takega števca z vezjem za preprečevanje praznjenja so blizu značilnostim samougasnih števcev in jih včasih presegajo.

b) Kaljenje zaradi izbire vrednosti upora obremenitve in ekvivalentne kapacitivnosti ter vrednosti napetosti na števcu.

IN Glede na mehanizem gašenja praznjenja ločimo dve skupini števcev: nesamougasljive in samougasljive. Pri števcih, ki niso samougasni, je "mrtvi" čas predolg(10-2 sek), zanj

veljajo znižanja elektronska vezja kaljenje razelektritve, ki zmanjša čas ločljivosti na čas zbiranja pozitivnih ionov na katodi (10-4 sek).

Dandanes nesamougasne merilnike, pri katerih je gašenje razelektritve zagotovljeno z uporom R, zamenjujejo samougasljivi merilniki, ki so tudi bolj stabilni. Zahvaljujoč posebnemu plinskemu polnjenju (inertni plin, pomešan s kompleksnimi molekulami, kot so alkoholne pare, in majhen

primesi halogenov - klor, brom, jod) se razelektritev prekine sama že pri nizkih uporih R. Mrtvi čas samougasljivega števca je ~10-4 sek.

IN 1937 Trost je opozoril na dejstvo, da če je merilnik napolnjen z argonom

dodajte majhno količino (nekaj odstotkov) hlapov etilnega alkohola (C2 H5 OH), potem bo razelektritev, ki jo v števcu povzroči ionizirajoči delec, ugasnila sama. Kasneje se je izkazalo, da do spontanega ugasnitve razelektritve v števcu pride tudi, ko argonu dodamo hlape drugih organskih spojin s kompleksnimi poliatomskimi spojinami. Te snovi običajno imenujemo kaljenje, Geiger-Mullerjevi števci, v katerih se te snovi uporabljajo, pa se imenujejo samogasilni števci. Samougasljivi merilnik je napolnjen z mešanico dveh (ali več) plinov. En plin, glavni, predstavlja približno 90 % mešanice, drugi, plin za gašenje, pa približno 10 %. Sestavine delovne mešanice morajo izpolnjevati obvezni pogoj, da mora biti ionizacijski potencial plina za gašenje nižji od prvega vzbujalnega potenciala glavnega plina.

Komentiraj. Žični ksenonski detektorji se pogosto uporabljajo za zaznavanje rentgenskega sevanja. Primer je prvi domači skenirni digitalni medicinski fluorograf SIBERIA ICRU. Druga uporaba rentgenskih števcev je rentgenski fluorescenčni valovno disperzivni spektrometer (na primer Venus 200), namenjen določanju različnih elementov v snoveh in materialih. Glede na element, ki ga določamo, je mogoče uporabiti naslednje detektorje: - pretočni proporcionalni detektor z okenci debeline 1, 2, 6 mikronov, nepretočni neonski detektor z okenci debeline 25 in 50 mikronov, - nepretočni kriptonski. detektor z oknom debeline 100 mikronov, - ksenonski detektor z oknom 200 mikronov in scintilacijski detektor z oknom 300 mikronov.

Samougasljivi merilniki omogočajo večje hitrosti štetja brez posebnih elektronskih vezij

dušenje praznjenja, zato se pogosto uporabljajo. Samogasilni merilniki z organskimi dušilnimi nečistočami imajo omejeno življenjsko dobo (108 -1010 impulzov). Pri uporabi enega od halogenov kot primesi za gašenje (najpogosteje se uporablja manj aktivni Br2) postane življenjska doba praktično neomejena zaradi dejstva, da se po disociaciji na atome (med postopkom praznjenja) ponovno oblikujejo dvoatomne molekule halogenov. Pomanjkljivosti halogenskih števcev vključujejo zapletenost tehnologije njihove izdelave zaradi kemijske aktivnosti halogenov in dolg čas vzpona sprednjega roba impulzov zaradi vezave primarnih elektronov na molekulo halogena. Zaradi "povleka" vodilnega roba impulza v halogenskih števcih niso uporabni v naključnih vezjih.

Glavne značilnosti števca so: štetna karakteristika - odvisnost hitrosti štetja od delovne napetosti; učinkovitost števca – izražena v odstotkih, razmerje med številom preštetih delcev in številom vseh delcev, ki vstopajo v delovno prostornino števca; čas reševanja –

najmanjši časovni interval med impulzi, pri katerem se le-ti beležijo ločeno, in življenjska doba števcev.

riž. 22. Shema za pojav mrtvega časa v števcuGeiger-Muller.(Oblika impulza med razelektritvijo v Geiger-Mullerjevem števcu).

Dolžina časa, ki je potreben za obnovitev občutljivosti na sevanje Geigerjevega števca in dejansko določa njegovo delovanje - "mrtev" čas - je njegova pomembna značilnost.

Če se v Geiger-Mullerjevem števcu ob času t 0 začne razelektritev, ki jo povzroči jedrski delec, napetost na števcu močno pade. Števec ne more uravnavati drugih delcev določen čas, ki ga imenujemo mrtvi čas τ m. Od trenutka t 1, tj. Po preteku mrtvega časa se lahko v števcu ponovno pojavi samostojna razelektritev. Vendar je sprva amplituda impulza še vedno majhna. Šele ko prostorski naboj doseže površino katode, se v števcu oblikujejo impulzi normalne amplitude. Časovno obdobje τ s med trenutkom t 0, ko je v števcu prišlo do neodvisne razelektritve, in trenutkom, ko se delovna napetost ponovno vzpostavi t 3, se imenuje čas obnovitve. Da snemalna naprava šteje impulz, mora njegova amplituda presegati določeno vrednost U p. Časovni interval med trenutkom pojava samozadostne razelektritve t 0 in trenutkom nastanka amplitude U p impulza t 2 se imenuje čas ločljivosti τ p Geiger-Mullerjevega števca. Čas razrešitve τ p je nekoliko daljši od mrtvega časa.

Če vsako sekundo v števec vstopi veliko število delcev (več tisoč ali več), bo čas ločljivosti τ p po vrednosti primerljiv s povprečnim časovnim intervalom med impulzi, zato se znatno število impulzov ne šteje. Naj bo m opazovana hitrost štetja števca. Takrat je delež časa, v katerem je števna naprava neobčutljiva, enak m τ. Posledično je število izgubljenih impulzov na časovno enoto enako nm τ p, kjer je n hitrost štetja, ki bi jo opazili, če bi imel razrešitveni čas zanemarljivo vrednost. Zato

Popravek hitrosti štetja, ki ga poda ta enačba, se imenuje popravek mrtvega časa usedanja.

Za halogenske samougasne merilnike je značilna najnižja napajalna napetost, odlični parametri izhodnega signala in dokaj visoka hitrost, posebej primerni so se izkazali za uporabo kot senzorji ionizirajočega sevanja v napravah za nadzor sevanja v gospodinjstvih.

Vsak delec, ki ga zazna števec, povzroči, da se v njegovem izhodnem vezju pojavi kratek impulz. Število impulzov, ki se pojavijo na časovno enoto - hitrost štetja Geigerjevega števca - je odvisno od ravni ionizirajočega sevanja in napetosti na njegovih elektrodah. Tipičen graf hitrosti štetja glede na napajalno napetost V je prikazan na sl. 23. Tukaj je V sponka napetost na začetku štetja; V 1 in V 2 sta spodnja in zgornja meja delovnega odseka, tako imenovani plato, na katerem je hitrost štetja skoraj neodvisna od nasprotne napajalne napetosti. Delovna napetost V slave je običajno izbrana na sredini tega razdelka. Ustreza N p - hitrosti štetja v tem načinu.

riž. 23. Odvisnost hitrosti štetja od napajalne napetosti v Geigerjevem števcu (karakteristika štetja)

Odvisnost hitrosti štetja od stopnje izpostavljenosti sevanju števca je njegova najpomembnejša značilnost. Graf te odvisnosti je po naravi skoraj linearen, zato je občutljivost števca na sevanje pogosto izražena z impulzi/μR (impulzi na mikrorentgen; ta dimenzija izhaja iz razmerja med hitrostjo štetja - impulz/s - in sevanjem raven - μR/s). IN

v primerih, ko to ni indicirano (žal ni redko), ocenite občutljivost na sevanje

Števec upošteva še en zelo pomemben parameter - lastno ozadje. Tako se imenuje hitrost štetja, ki jo povzročata dve komponenti: zunanja - naravno sevanje ozadja in notranja - sevanje radionuklidov, ki se nahajajo v sami strukturi števca, ter spontana emisija elektronov njegove katode. (»ozadje« v dozimetriji ima skoraj enak pomen kot »šum« v radijski elektroniki; v obeh primerih govorimo o načeloma neodstranljivih učinkih na opremo.)

Druga pomembna značilnost Geigerjevega števca je odvisnost njegove občutljivosti na sevanje od energije (»trdote«) ionizirajočih delcev. V strokovnem žargonu se graf tega razmerja imenuje »premik moči«. V kolikšni meri je ta odvisnost pomembna, prikazuje graf na sliki. "Vožnja s togostjo" bo očitno vplivala na natančnost opravljenih meritev.

V svojem bistvu je Geigerjev števec zelo preprost. Plinska zmes, sestavljena predvsem iz lahko ioniziranega neona in argona, se vnese v dobro izpraznjen zaprti valj z dvema elektrodama. Valj je lahko steklen, kovinski itd. Običajno števci zaznavajo sevanje po celotni površini, obstajajo pa tudi takšni, ki imajo v ta namen v valju posebno »okno«.

Geigerjevi števci se lahko odzivajo na različne vrste ionizirajočega sevanja - α, β, γ, ultravijolično, rentgenske žarke, nevtrone. Toda dejanska spektralna občutljivost števca je v veliki meri odvisna od njegove zasnove. Tako mora biti vhodno okno števca, občutljivega na α- in mehko β-sevanje, zelo tanko; V ta namen se običajno uporablja sljuda z debelino 3 ... 10 mikronov. Valj števca, ki reagira na trdo β- in γ-sevanje, ima običajno obliko valja z debelino stene 0,05...0,06 mm (služi tudi kot katoda števca). Okence števca rentgenskih žarkov je izdelano iz berilija, okence števca ultravijoličnih žarkov pa iz kremenčevega stekla.

riž. 24. Odvisnost hitrosti štetja od energije kvantov gama ("hod s togostjo") v Geigerjevem števcu

V števec nevtronov se vnese bor, ob interakciji s katerim se nevtronski tok pretvori v enostavno registrirane α - delce. Fotonsko sevanje - ultravijolično, rentgensko, γ - sevanje - Geigerjevi števci zaznavajo posredno - preko fotoelektričnega učinka, Comptonovega učinka, učinka ustvarjanja parov; v vsakem primeru se sevanje, ki medsebojno deluje s katodno snovjo, pretvori v tok elektronov.

riž. 25. Radiometrična naprava na osnovi Geiger-Mullerjevega števca.

Dejstvo, da je Geigerjev števec lavinska naprava, ima tudi svoje slabosti – po reakciji takšne naprave ni mogoče presojati vzroka za njeno vzbujanje. Izhodni impulzi, ki jih generira Geigerjev števec pod vplivom α-delcev, elektronov, γ-kvantov (v števcu, ki reagira na vse te vrste sevanja), niso nič drugačni. Sami

delcev, njihova energija popolnoma izgine v dvojnih plazovih, ki jih ustvarijo.

Kakovost Geiger-Mullerjevega števca se običajno ocenjuje po vrsti njegovih števskih značilnosti. Za "dobre" števce je dolžina števca 100-300 V z naklonom platoja največ 3 - 5% na 100 V. Delovna napetost merilnika V podrejenega je običajno izbrana sredi njegovega štetja območje.

Ker se hitrost štetja delcev na platoju spreminja sorazmerno z intenzivnostjo obsevanja jedrskih delcev, se Geiger-Mullerjevi števci uspešno uporabljajo za relativne meritve aktivnosti radioaktivnih virov. Absolutne meritve so težavne zaradi velikega števila upoštevanih dodatnih popravkov. Pri delu z viri nizke intenzivnosti je treba upoštevati nasprotno ozadje, ki ga povzročajo kozmično sevanje, radioaktivnost okolja in radioaktivna kontaminacija nasprotnega materiala. Sprva so se kot polnilni plini števca najpogosteje uporabljali žlahtni plini, predvsem argon in neon. Večina merilnikov ima tlak v razponu od 7 do 20 cmHg, včasih pa delujejo tudi pri višjih tlakih, do 1 atm. V merilnikih te vrste je treba uporabiti posebna elektronska vezja za gašenje izpusta plina, ki nastane, ko ionizirajoče sevanje vstopi v števec. Zato se takšni števci imenujejo nesamougasljivi Geiger-Mullerjevi števci. Imajo zelo slabo ločljivost. Uporaba vezij za prisilno gašenje praznjenja, izboljšanje

ločljivost bistveno oteži eksperimentalno postavitev, zlasti če se hkrati uporablja veliko število števcev.

Tipičen stekleni Geiger-Mullerjev števec je prikazan na sl. 25.

riž. 25. Stekleni Geiger-Mullerjev števec: 1 –

geometrijsko zaprta steklena cev; 2 – katoda (tanka plast bakra na cevi iz iz nerjavečega jekla); 3 – katodni izhod; 4 – anoda (tanka raztegnjena nit).

V tabeli. 1 podaja informacije o samougasljivih halogenskih Geigerjevih števcih

Ruske izdelave, najbolj primerne za gospodinjske naprave za nadzor sevanja.

Oznake: 1 - delovna napetost, V; 2 - plato - območje nizke odvisnosti hitrosti štetja od napajalne napetosti, V; 3 - lastno ozadje števca, imp/s, nič več; 4 - sevalna občutljivost števca, impulz / μR (* - za kobalt-60); 5 - amplituda izhodnega impulza, V, ne manj; 6 - mere, mm - premer x dolžina (dolžina x širina x

višina); 7.1 - trdo β - in γ - sevanje; 7.2 - enako in mehko β - sevanje; 7,3 - enako in α - sevanje; 7.4 - γ - sevanje.

Slika 26. Ura z vgrajenim Geiger-Mullerjevim števcem.

Geiger-Mullerjev števec, tip STS-6, šteje delce β in γ in je samougasljivi števec. Je valj iz nerjavečega jekla z debelino stene 50 mg/(cm2) z ojačitvemi za trdnost. Števec je napolnjen z mešanico neonskih in bromovih hlapov. Brom ugasne izcedek.

Izvedbe števcev so zelo raznolike in odvisne od vrste sevanja in njegove energije ter od merilne tehnike).

Radiometrična naprava, ki temelji na števcu Geiger-Müller, je prikazana na sl. 27. Napetost se napaja v števec iz visokonapetostnega vira energije. Impulzi iz števca se dovajajo v ojačevalni blok, kjer se ojačajo in nato zabeležijo s števno napravo.

Geiger-Mullerjevi števci se uporabljajo za beleženje vseh vrst sevanja. Uporabljajo se lahko za absolutne in relativne meritve radioaktivnih emisij.

riž. 27. Zasnova Geiger-Mullerjevih števcev: a – cilindrični; b

– notranje polnjenje; d – pretok za tekočine. 1 – anoda (zbiralna elektroda); 2 – katoda; 3 – steklenica; 4 – elektrodni vodi; 5 – steklena cev; 6 – izolator; 7 – okence iz sljude; 8 – ventil za dovod plina.

Geiger-Mullerjev (G-M) števec s praznjenjem v plinu. Slika 1 je stekleni valj (balon), napolnjen z inertnim plinom (s

halogenske nečistoče) pod tlakom nekoliko pod atmosferskim. Tanek kovinski valj znotraj balona služi kot katoda K; Anoda A je tanek prevodnik, ki teče skozi sredino valja. Med anodo in katodo se uporablja napetost U IN =200-1000 V. Anoda in katoda sta povezani z elektronskim vezjem radiometrične naprave.

Slika 1 Cilindrični Geiger-Mullerjev števec.

1 – anodna nit 2 – cevasta katoda

U V – vir visoke napetosti

R n – odpornost na obremenitev

Z V – ločevalni in skladiščni rezervoar

R – pretvornik z indikacijo

ξ – vir sevanja.

S števcem G-M lahko registrirate vse delce sevanja (razen zlahka absorbiranih α-delcev); Da prepreči, da bi β-delci absorbirali nasprotno telo, ima reže, prekrite s tankim filmom.

Razložimo značilnosti števca G-M.

β-delci neposredno komunicirajo z molekulami plina števca, medtem ko nevtroni in γ-fotoni (nenabiti delci) delujejo šibko z molekulami plina. V tem primeru je mehanizem za nastanek ionov drugačen.

Izvedli bomo dozimetrične meritve okolja v bližini točk K in A ter dobljene podatke vnesli v tabelo. 1.

Za meritve potrebujete:

1. Priključite dozimeter na vir napajanja (9V).

2. Na hrbtni strani dozimetra zaprite okno detektorja z zapiralom (zaslon).

3. Nastavite stikaloNAČIN(način) v položaj γ (»P«).

4. Nastavite stikaloRANGE(razpon) na položajx1 (str n =0,1-50 μSv/uro).

5. Nastavite stikalo za vklop dozimetra v položajVKLOP(Vklopljeno).

6. Če se v položaju x1 zasliši zvočni signal in so številske vrstice zaslona popolnoma zapolnjene, morate preklopiti na obseg x10 (P n =50-500 μSv/uro).

7. Po končanem seštevanju impulzov se na zaslonu dozimetra izpiše doza, ki ustreza moči.p Hγ µSv/uro; v 4-5 sekundah. odčitki bodo ponastavljeni.

8. Dozimeter je ponovno pripravljen za meritve sevanja. Nov merilni cikel se začne samodejno.

Tabela 1.

Nastala vrednost v delovnem prostoru (AB) je določena s formulo

=
, μSv/uro (6)

- odčitki dozimetra dajejo vrednosti sevanja ozadja v točki;

Količina sevanja na vsaki merilni točki je podrejena zakonom nihanja. Zato je za pridobitev najverjetnejše vrednosti izmerjene vrednosti potrebno opraviti vrsto meritev;

- pri dozimetriji β-sevanja je treba meritve izvajati blizu površine proučevanih teles.

4. Izvajanje meritev. P.1. Določanje hitrosti ekvivalentne doze sevanja naravnega ozadja.

Za določitev γ-ozadje okolja izberemo (glede na katere koli predmete (telesa)) dve točki A, K, ki se nahajata drug od drugega na razdalji ~ 1 metra, in brez dotika teles

Nevtroni, ki medsebojno delujejo z atomi katode, ustvarjajo nabite mikrodelce (jedrske fragmente). Gama sevanje

interagira predvsem s snovjo (atomi) katode in ustvarja fotonsko sevanje, ki dodatno ionizira molekule plina.

Takoj, ko se ioni pojavijo v prostornini števca, se začne gibanje nabojev pod delovanjem električnega polja anode-katode.

V bližini anode se črte električne poljske jakosti močno zgostijo (posledica majhnega premera anodne nitke) in poljska jakost močno naraste. Elektroni, ki se približujejo niti, prejmejo velik pospešek in a udarna ionizacija nevtralnih plinskih molekul , se neodvisna koronska razelektritev širi vzdolž žarilne nitke.

Zaradi energije te razelektritve se energija začetnega impulza delcev močno poveča (do 10 8 enkrat). Ko se koronska razelektritev širi, bodo nekateri naboji počasi pretekli skozi velik upor R n ~10 6 Ohm (slika 1). V vezju detektorja na uporR n tokovni impulzi bodo videti sorazmerni z začetnim tokom delcev. Nastali tokovni impulz se prenese v pomnilniško kapacitivnost C V (S~10 3 picofarad), se nadalje ojača in posname s pretvorbenim vezjem R.

Imeti velik odporR n v detektorskem vezju vodi do kopičenja negativnih nabojev na anodi. Električna poljska jakost anode se bo zmanjšala in na neki točki bo udarna ionizacija prekinjena in razelektritev bo zamrla.

Pomembno vlogo pri gašenju nastale plinske razelektritve imajo halogeni, ki so prisotni v merilnem plinu. Ionizacijski potencial halogenov je nižji kot pri inertnih plinih, zato atomi halogenov bolj aktivno "absorbirajo" fotone, ki povzročajo samopraznjenje, to energijo pretvorijo v disipacijsko energijo in s tem ugasnejo samopraznjenje.

Po prekinitvi udarne ionizacije (in koronske razelektritve) se začne proces vračanja plina v prvotno (delovno) stanje. V tem času števec ne deluje, t.j. ne registrira mimoidočih delcev. Ta interval

se imenuje "mrtvi čas" (čas okrevanja). Za G-M števecmrtvi čas = Δt~10 -4 sekund.

Števec G-M reagira na udarec vsakega nabitega delca, ne da bi jih ločil po energiji, če pa moč pade

celotnega sevanja nespremenjen, se izkaže, da je hitrost štetja impulzov sorazmerna z močjo sevanja, števec pa je mogoče umeriti v enotah doz sevanja.

Kakovost samogasilnega detektorja s praznjenjem v plinu je določena z odvisnostjo povprečne frekvence impulzanna časovno enoto napetostiU na svojih elektrodah pri konstantni jakosti sevanja. To funkcionalno odvisnost imenujemo števna karakteristika detektorja (slika 2).

Kot izhaja iz slike 2, koU < U 1 uporabljena napetost ni dovolj, da bi povzročila plinsko razelektritev, ko nabit delec ali kvant gama zadene detektor. Začenši z napetostjo U IN > U 2 V števcu pride do udarne ionizacije, vzdolž katode se širi koronska razelektritev, števec pa zabeleži prehod skoraj vsakega delca. Z rastjo U IN prejU 3 (glej sliko 2) se število zabeleženih impulzov rahlo poveča, kar je povezano z rahlim povečanjem stopnje ionizacije nasprotnega plina. Dober števec G-M ima del grafa iz U 2 prejU R skoraj neodvisno odU IN , tj. poteka vzporedno z osjoU IN , je povprečna frekvenca impulza skoraj neodvisnaU IN .

riž. 2. Števna karakteristika samogasilnega detektorja s praznjenjem v plinu.

3. Relativna napaka instrumentov pri merjenju P n : δР n = ±30 %.

Razložimo, kako se števec impulzov pretvori v odčitke doze sevanja.

Dokazano je, da je pri konstantni moči sevanja hitrost štetja impulzov sorazmerna moči sevanja (izmerjeni dozi). Na tem principu temelji merjenje hitrosti doze sevanja.

Takoj, ko se v števcu pojavi impulz, se ta signal prenese v enoto za preračunavanje, kjer se filtrira po trajanju, amplitudi, sešteje in rezultat prenese na prikazovalnik števca v enotah odmerka moči.

Ujemanje med hitrostjo štetja in izmerjeno močjo, tj. Dozimeter je (tovarniško) umerjen glede na znani vir sevanja C s 137 .

Uvod

1. Namen števcev

2. Zasnova in princip delovanja števca

3. Osnovni fizikalni zakoni

3.1 Obnovitev funkcionalnosti po registraciji delcev

3.2 Dozimetrične značilnosti

3.3 Značilnost štetja senzorja

Zaključek

Bibliografija

Uvod

Geiger-Mullerjevi števci so najpogostejši detektorji (senzorji) ionizirajočega sevanja. Do zdaj, izumljen na samem začetku našega stoletja za potrebe porajajoče se jedrske fizike, nenavadno ni nobene polnopravne zamenjave. V svojem bistvu je Geigerjev števec zelo preprost. Plinska zmes, sestavljena predvsem iz lahko ioniziranega neona in argona, se vnese v dobro izpraznjen zaprti valj z dvema elektrodama. Valj je lahko steklen, kovinski itd. Običajno števci zaznavajo sevanje po celotni površini, obstajajo pa tudi takšni, ki imajo v ta namen v valju posebno »okno«.

Na elektrode se napaja visoka napetost U (glej sliko), ki sama po sebi ne povzroča nobenih pojavov razelektritve. Števec bo ostal v tem stanju, dokler se v njegovem plinastem mediju ne pojavi ionizacijski center - sled ionov in elektronov, ki jih ustvari ionizirajoči delec, ki prihaja od zunaj. Primarni elektroni, ki pospešujejo v električnem polju, ionizirajo "na poti" druge molekule plinastega medija in ustvarjajo vedno več novih elektronov in ionov. Ta proces se razvija kot plaz in se konča s tvorbo elektronsko-ionskega oblaka v medelektrodnem prostoru, kar močno poveča njegovo prevodnost. V plinskem okolju števca se pojavi razelektritev, vidna (če je posoda prozorna) tudi s prostim očesom.

Obratni proces - vrnitev plinastega medija v prvotno stanje v tako imenovanih halogenskih merilnikih - se zgodi sam od sebe. Ukrep pride v poštev s halogeni (običajno klor ali brom), ki so v majhnih količinah v plinskem okolju, kar prispeva k intenzivni rekombinaciji naboja. Toda ta proces je veliko počasnejši. Dolžina časa, ki je potreben za obnovitev občutljivosti na sevanje Geigerjevega števca in dejansko določa njegovo delovanje - "mrtev" čas - je njegova pomembna značilnost. Takšni števci se imenujejo halogenski samougasni števci. Zaznamovani z najnižjo napajalno napetostjo, odličnimi parametri izhodnega signala in dokaj visoko hitrostjo, so se izkazali za posebej priročne za uporabo kot senzorji ionizirajočega sevanja v gospodinjskih napravah za nadzor sevanja.

Geigerjevi števci se lahko odzivajo na različne vrste ionizirajočega sevanja - a, b, g, ultravijolično, rentgenske žarke, nevtrone. Toda dejanska spektralna občutljivost števca je v veliki meri odvisna od njegove zasnove. Tako mora biti vhodno okno števca, občutljivega na a- in mehko b-sevanje, zelo tanko; V ta namen se običajno uporablja sljuda z debelino 3 ... 10 mikronov. Števec valj, ki reagira na trdo b- in g-sevanje, ima običajno obliko valja z debelino stene 0,05...0,06 mm (služi tudi kot katoda števca). Okence števca rentgenskih žarkov je izdelano iz berilija, okence števca ultravijoličnih žarkov pa iz kremenčevega stekla.

Geiger Müller števec dozimetričnega sevanja

1. Namen števcev

Geiger-Mullerjev števec je naprava z dvema elektrodama, namenjena določanju jakosti ionizirajočega sevanja ali z drugimi besedami štetju ionizirajočih delcev, ki nastanejo med jedrskimi reakcijami: helijevih ionov (- delcev), elektronov (- delcev), rentgenskih žarkov. kvanti (- delci) in nevtroni. Delci se širijo z zelo velikimi hitrostmi [do 2. 10 7 m/s za ione (energija do 10 MeV) in približno svetlobna hitrost za elektrone (energija 0,2 - 2 MeV)], zaradi česar ti prodrejo v notranjost števca. Vloga števca je ustvariti kratek (delčki milisekunde) napetostni impulz (enote - desetine voltov), ​​ko delec vstopi v prostornino naprave.

V primerjavi z drugimi detektorji (senzorji) ionizirajočega sevanja (ionizacijska komora, proporcionalni števec) ima Geiger-Mullerjev števec visoko mejno občutljivost - omogoča nadzor naravnega radioaktivnega ozadja zemlje (1 delec na cm 2 v 10 - 100 sekund). Zgornja meja merjenja je razmeroma nizka - do 10 4 delcev na cm 2 na sekundo oziroma do 10 sivertov na uro (Sv/h). Posebnost števca je zmožnost generiranja enakih impulzov izhodne napetosti ne glede na vrsto delcev, njihovo energijo in število ionizacij, ki jih delec proizvede v prostornini senzorja.

2. Zasnova in princip delovanja števca

Delovanje Geigerjevega števca temelji na nesamovzdržni impulzni plinski razelektritvi med kovinskimi elektrodami, ki jo sproži eden ali več elektronov, ki so posledica ionizacije plina -, - ali - delca. Merilniki običajno uporabljajo cilindrično zasnovo elektrode, premer notranjega valja (anode) pa je veliko manjši (2 ali več velikosti) od zunanjega (katoda), kar je temeljnega pomena. Karakteristični premer anode je 0,1 mm.

Delci vstopajo v števec skozi vakuumsko lupino in katodo v "cilindrični" izvedbi (slika 2, A) ali skozi posebno ravno tanko okno v "končni" izvedbi (sl. 2 ,b). Slednja možnost se uporablja za registracijo delcev, ki imajo nizko prodorno sposobnost (zadrži jih npr. list papirja), vendar so biološko zelo nevarni, če vir delcev pride v telo. Detektorji s sljudno okencem se uporabljajo tudi za štetje delcev relativno nizke energije (»mehko« beta sevanje).

riž. 2. Shematske zasnove cilindričnega ( A) in konec ( b) Geigerjevi števci. Oznake: 1 - vakuumska lupina (steklo); 2 - anoda; 3 - katoda; 4 - okno (sljuda, celofan)

V cilindrični različici števca, ki je namenjen registraciji visokoenergijskih delcev ali mehkih rentgenskih žarkov, se uporablja tankostenska vakuumska lupina, katoda pa je izdelana iz tanke folije ali v obliki tankega filma kovine (bakra). , aluminij), odložen na notranjo površino lupine. V številnih izvedbah je kovinska katoda s tankimi stenami (z ojačitvami) element vakuumske lupine. Trdo rentgensko sevanje (delci) ima povečano prodorno moč. Zato ga beležijo detektorji z dokaj debelimi stenami vakuumske lupine in masivno katodo. Pri števcih nevtronov je katoda prevlečena s tanko plastjo kadmija ali bora, v kateri se nevtronsko sevanje z jedrskimi reakcijami pretvori v radioaktivno sevanje.

Prostornina naprave je običajno napolnjena z argonom ali neonom z majhno (do 1%) primesi argona pri tlaku blizu atmosferskega (10 -50 kPa). Za odpravo nezaželenih pojavov po praznjenju se v plinsko polnjenje vnese mešanica broma ali alkoholnih hlapov (do 1%).

Sposobnost Geigerjevega števca, da registrira delce ne glede na njihovo vrsto in energijo (generira en napetostni impulz ne glede na število elektronov, ki jih ustvari delec), je določena z dejstvom, da zaradi zelo majhnega premera anode skoraj vsa napetost, ki se uporablja za elektrode, je koncentrirana v ozki plasti blizu anode. Zunaj plasti je "območje lovljenja delcev", v katerem ionizirajo molekule plina. Elektrone, ki jih delec odtrga od molekul, pospešimo proti anodi, vendar je plin zaradi nizke električne poljske jakosti šibko ioniziran. Ionizacija se močno poveča, ko elektroni vstopijo v bližnjo anodno plast z visoko poljsko jakostjo, kjer se razvijejo elektronski plazovi (eden ali več) z zelo visoko stopnjo razmnoževanja elektronov (do 10 7). Vendar tok, ki izhaja iz tega, še ne doseže vrednosti, ki ustreza tvorbi signala senzorja.

Nadaljnje povečanje toka na delovno vrednost je posledica dejstva, da se v plazovih hkrati z ionizacijo ustvarijo ultravijolični fotoni z energijo približno 15 eV, ki zadoščajo za ionizacijo molekul nečistoč v plinskem polnilu (na primer ionizacija potencial bromovih molekul je 12,8 V). Elektroni, ki so posledica fotoionizacije molekul izven plasti, se pospešijo proti anodi, vendar se tu zaradi nizke poljske jakosti ne razvijejo plazovi in ​​proces malo vpliva na razvoj razelektritve. V plasti je situacija drugačna: nastali fotoelektroni zaradi visoke napetosti sprožijo intenzivne plazove, v katerih nastajajo novi fotoni. Njihovo število presega začetno in proces v plasti po shemi "fotoni - elektronski plazovi - fotoni" se hitro (nekaj mikrosekund) poveča (vstopi v "sprožilni način"). V tem primeru se razelektritev iz mesta prvih plazov, ki jih sproži delec, širi vzdolž anode ("prečni vžig"), anodni tok se močno poveča in nastane sprednji rob signala senzorja.

Zadnji rob signala (zmanjšanje toka) je posledica dveh razlogov: zmanjšanje anodnega potenciala zaradi padca napetosti toka na uporu (na sprednjem robu se potencial vzdržuje z medelektrodno kapacitivnostjo) in zmanjšanje v jakosti električnega polja v plasti pod vplivom prostorskega naboja ionov, potem ko elektroni zapustijo anodo (naboj poveča potenciale točk, zaradi česar se zmanjša padec napetosti na plasti, v območju lovljenja delcev pa poveča). Oba razloga zmanjšata intenzivnost razvoja plazov in proces po shemi "plaz - fotoni - plaz" zbledi, tok skozi senzor pa se zmanjša. Po koncu tokovnega impulza se anodni potencial poveča na začetno raven (z nekaj zamika zaradi polnjenja medelektrodne kapacitivnosti skozi anodni upor), porazdelitev potenciala v reži med elektrodama se vrne v prvotno obliko kot posledica odhoda ionov na katodo in števec obnovi sposobnost registracije prihoda novih delcev.

Proizvaja se na desetine vrst detektorjev ionizirajočega sevanja. Za njihovo označevanje se uporablja več sistemov. Na primer, STS-2, STS-4 - samougasljivi končni števci ali MS-4 - števec z bakreno katodo (B - z volframom, G - z grafitom) ali SAT-7 - končni števec delcev, SBM- 10 - števec - kovinskih delcev, SNM-42 - števec kovinskih nevtronov, SRM-1 - števec rentgenskih žarkov itd.

3. Osnovni fizikalni zakoni

3.1 Obnovitev funkcionalnosti po registraciji delcev

Čas, potreben, da ioni zapustijo vrzel po zaznavi delca, se izkaže za razmeroma dolg - nekaj milisekund, kar omejuje zgornjo mejo za merjenje hitrosti doze sevanja. Pri visoki intenzivnosti sevanja pridejo delci v intervalih, ki so krajši od časa odhoda ionov, nekaterih delcev pa senzor ne zazna. Proces je ponazorjen z oscilogramom napetosti na anodi senzorja med ponovno vzpostavitvijo njegove funkcionalnosti (slika 3).

riž. 3. Oscilogrami napetosti na anodi Geigerjevega števca. U o- amplituda signala v normalnem načinu (na stotine voltov). 1 - 5 - številke delcev

Vstop prvega delca (1 na sliki 3) v prostornino senzorja sproži impulzno plinsko razelektritev, kar povzroči zmanjšanje napetosti za znesek U o(normalna amplituda signala). Nadalje se napetost poveča zaradi počasnega zmanjševanja toka skozi režo, ko ioni zapustijo katodo in zaradi polnjenja medelektrodne kapacitivnosti iz napetostnega vira skozi omejevalni upor. Če drug delec vstopi v senzor v kratkem časovnem intervalu po prihodu prvega (2 na sliki 3), se procesi praznjenja razvijejo šibko zaradi zmanjšane napetosti in nizke poljske jakosti na anodi v pogojih delovanja prostora naboj ionov. V tem primeru se signal senzorja izkaže za nesprejemljivo majhen. Prihod drugega delca po daljšem časovnem intervalu za prvim (delci 3 - 5 na sliki 3) daje signal večje amplitude, saj se napetost poveča in prostorski naboj zmanjša.

Če drugi delec vstopi v senzor za prvim v intervalu, krajšem od časovnega intervala med delci 1 in 2 na sl. 3, potem zaradi zgoraj navedenih razlogov senzor sploh ne ustvari signala ("ne šteje" delca). V zvezi s tem se časovni interval med delci 1 in 2 imenuje "mrtvi čas števca" (amplituda signala delca 2 je 10% normalne). Časovni interval med delci 2 in 5 na sl. 3 se imenuje "obnovitveni čas senzorja" (signal delca 5 je 90 % normalen). V tem času se amplituda senzorskih signalov zmanjša in jih števec električnih impulzov morda ne bo zaznal.

Mrtvi čas (0,01 - 1 ms) in čas sproščanja (0,1 - 1 ms) sta pomembna parametra Geigerjevega števca. Nižje kot so vrednosti teh parametrov, višja je največja zabeležena hitrost doze. Glavni dejavniki, ki določajo parametre, so tlak plina in vrednost omejevalnega upora. Z zmanjšanjem tlaka in vrednosti upora se zmanjšata mrtvi čas in čas obnovitve, saj se hitrost odmika ionov iz reže poveča in časovna konstanta procesa polnjenja medelektrodne kapacitivnosti se zmanjša.

3.2 Dozimetrične značilnosti

Občutljivost Geigerjevega števca je razmerje med frekvenco impulzov, ki jih ustvari senzor, in hitrostjo doze sevanja, merjeno v mikrosivertih na uro (μSv/h; možnosti: Sv/s, mSv/s, μSv/s). Tipične vrednosti občutljivosti: 0,1 - 1 impulz na mikrosivert. V območju delovanja je občutljivost sorazmerni koeficient med odčitki merilnika (število impulzov na sekundo) in hitrostjo doze. Zunaj območja je sorazmernost kršena, kar se odraža v dozimetrični karakteristiki detektorja - odvisnosti odčitkov od hitrosti doze (slika 4).

riž. Odvisnost hitrosti štetja od hitrosti doze radioaktivnega sevanja (dozimetrične karakteristike) za dva števca z različnimi tlaki plinov (1 - 5 kPa, 2 - 30 kPa)

Iz fizikalnih razmislekov sledi, da odčitki senzorja z naraščanjem hitrosti doze ne morejo preseči vrednosti (1/), kjer je mrtvi čas senzorja (delci, ki prispejo po krajšem časovnem intervalu, se ne štejejo). Zato delovni linearni odsek dozimetrične karakteristike gladko prehaja v območju intenzivnega sevanja v vodoravno ravno črto na ravni (1/).

Z zmanjševanjem mrtvega časa postane dozimetrična karakteristika senzorja horizontalna na višjem nivoju pri večji moči sevanja in zgornja meja merjenja se poveča. To stanje opazimo, ko se tlak plina zmanjša (slika 4). Vendar pa se hkrati zmanjša občutljivost senzorja (poveča se število delcev, ki prečkajo režo praznjenja plina brez trkov z molekulami). Zato, ko se tlak zmanjša, se dozimetrična karakteristika zmanjša. Matematično je značilnost opisana z naslednjim razmerjem:

Kje n- hitrost štetja (odčitki senzorja - število impulzov na sekundo); - občutljivost števca (impulzi na sekundo na mikrosivert); R- hitrost doze sevanja; - mrtvi čas senzorja (v sekundah).

3.3 Značilnost štetja senzorja

Merjenje doze sevanja je največkrat potrebno izvajati na prostem ali na terenu, kjer se senzor napaja iz baterij ali drugih galvanskih virov. Njihova napetost med delovanjem pada. Hkrati so procesi praznjenja plina v senzorju v zelo veliki meri odvisni od napetosti. Zato je odvisnost odčitkov Geigerjevega števca od napetosti pri konstantni hitrosti doze sevanja ena najpomembnejših značilnosti senzorja. Odvisnost se imenuje števna karakteristika senzorja (slika 5).

Na eni od prikazanih odvisnosti (krivulja 2) so označene karakteristične točke A - D. Pri nizki napetosti (levo od točke A) elektroni, ki nastanejo v senzorju, ko ionizirajoči delec zadene vanje, sprožijo elektronske plazove, vendar njihova intenzivnost ni zadostna za oblikovanje tokovnega impulza zahtevane amplitude, odčitki števca pa so nič. Pika A ustreza "napetosti začetnega štetja". Z naraščajočo napetostjo v območju A - B Odčitki števca se povečajo, ker se poveča verjetnost vstopa elektronov iz območja lovljenja delcev v bližnjo anodno plast z visoko poljsko jakostjo. Pri nizki napetosti se elektroni rekombinirajo z ioni med premikanjem do plasti (lahko se najprej »prilepijo« na molekule nečistoč broma in tvorijo negativne ione). Na točki IN napetost zadostuje za hitro premikanje skoraj vseh elektronov v plast, intenzivnost rekombinacije pa je blizu nič. Senzor proizvaja signale normalne amplitude.

Na delovnem območju značilnosti štetja B - C("karakteristični plato") se odčitki števca nekoliko povečajo z naraščajočo napetostjo, kar je velikega praktičnega pomena in je prednost Geigerjevega števca. Njegova kakovost je tem večja, čim daljši je plato (100-400 V) in čim manjša je strmina vodoravnega odseka števne karakteristike.

riž. 5. Odvisnost hitrosti štetja od napetosti (karakteristika štetja) pri različne pomene tlak plina in vsebnost nečistoč broma: 1 - 8 kPa, 0,5 %; 2 - 16 kPa, 0,5 %; 3 - 16 kPa, 0,1 % za hitrost doze sevanja 5 μSv/h. A, B, C, D- značilne točke krivulje 2

Strmina (ali naklon) planote S za katero je značilna odstotna sprememba odčitkov števca na enoto napetosti:

Kje n B in n C - odčitki števca na začetku in koncu planote; U B in U C- vrednosti napetosti na začetku in koncu platoja. Tipične vrednosti naklona so 0,01 - 0,05%/V.

Relativna stabilnost odčitkov na platoju števne karakteristike je zagotovljena s posebnim tipom razelektritve, ki se pojavi v senzorju ob prihodu ionizirajočega delca. Povečanje napetosti pospeši razvoj elektronskih plazov, vendar to povzroči le pospešitev širjenja razelektritve vzdolž anode, sposobnost števca, da ustvari en signal na delec, pa skoraj ni zmanjšana.

Rahlo povečanje hitrosti štetja z naraščajočo napetostjo na platoju štetne karakteristike je povezano z emisijo elektronov iz katode pod delovanjem razelektritve. Emisijo povzročajo tako imenovani -procesi, ki pomenijo izbijanje elektronov s strani ionov, vzbujenih atomov in fotonov. Koeficient se običajno šteje za enak številu elektronov na ion (implicirani so vzbujeni atomi in fotoni). Značilne vrednosti koeficienta so 0,1 - 0,01 (10 - 100 ionov izbije elektron, odvisno od vrste plina in katodnega materiala). S takšnimi vrednostmi koeficienta Geigerjev števec ne deluje, saj so elektroni, ki zapustijo katodo, registrirani kot ionizirajoči delci (zabeleženi so "lažni" signali).

Normalno delovanje števca je zagotovljeno z vnosom bromovih ali alkoholnih hlapov v plinsko polnjenje ("nečistoče za gašenje"), kar močno zmanjša koeficient (pod 10 -4). V tem primeru se tudi število lažnih signalov močno zmanjša, vendar ostane opazno (na primer nekaj odstotkov). Z naraščajočo napetostjo se procesi praznjenja intenzivirajo, tj. število ionov, vzbujenih atomov in fotonov se poveča in temu primerno se poveča število lažnih signalov. To pojasnjuje rahlo povečanje odčitkov senzorjev na platoju karakteristike štetja (naraščajoči naklon) in koncu platoja (prehod na strm odsek C - D). Z večanjem vsebnosti primesi se koeficient v večji meri zmanjša, kar zmanjša naklon platoja in poveča njegovo dolžino (krivulji 2 in 3 na sliki 5).

Vendar pa povečanje vsebnosti nečistoče za gašenje nad določeno vrednostjo (1% za brom, 10% za alkohol) poslabša parametre senzorja: napetost štetja začne naraščati (točka A na sliki) se naklon planote poveča in njena dolžina zmanjša. To je razloženo z dejstvom, da se del elektronov, ki jih tvorijo ionizirajoči delci, "prilepi" na molekule broma ali alkohola s tvorbo težkih negativnih ionov, ki vstopijo v bližnjo anodno plast po daljšem časovnem obdobju, ko ima števec že povrnila sposobnost registracije delcev. V plasti se pod vplivom visoke poljske jakosti ion razcepi in nastali elektron sproži lažni senzorski signal.

Fizični mehanizem delovanja nečistoč za gašenje je močno zmanjšanje dobave ionov, vzbujenih atomov in fotonov na katodo, ki lahko povzročijo emisijo elektronov, pa tudi povečanje delovne funkcije elektronov s katode. Ioni glavnega plina (neon ali argon) v procesu premikanja proti katodi postanejo nevtralni atomi zaradi "izmenjave naboja" v trkih z molekulami nečistoč, saj sta ionizacijska potenciala neona in argona večja od ionizacijskega potenciala broma. in alkohol (oziroma: 21,5 V; 15,7 V; 12,8 V; 11,3 V). Energija, ki se pri tem sprosti, se porabi za uničenje molekul ali za tvorbo nizkoenergijskih fotonov, ki niso sposobni povzročiti fotoemisije elektronov. Takšne fotone poleg tega dobro absorbirajo molekule nečistoč.

Ioni nečistoč, ki nastanejo med izmenjavo naboja, vstopijo v katodo, vendar ne povzročijo emisije elektronov. V primeru broma je to razloženo z dejstvom, da potencialna energija iona (12,8 eV) ne zadošča za iztrganje dveh elektronov iz katode (enega za nevtralizacijo iona in drugega za sprožitev elektronskega plazu) , saj se delovna funkcija elektronov, ki zapustijo katodo, v prisotnosti primesi broma poveča na 7 eV. Pri alkoholu se pri nevtralizaciji ionov na katodi sproščena energija običajno porabi za disociacijo kompleksne molekule in ne za izmet elektronov.

Dolgoživi (metastabilni) vzbujeni atomi glavnega plina, ki nastanejo pri razelektritvi, lahko načeloma padejo na katodo in povzročijo emisijo elektronov, saj je njihova potencialna energija precej visoka (na primer 16,6 eV za neon). Vendar se verjetnost procesa izkaže za zelo nizko, saj atomi, ko trčijo z molekulami nečistoč, prenesejo svojo energijo nanje - "pogasijo". Energija se porabi za disociacijo molekul nečistoč ali za oddajanje nizkoenergijskih fotonov, ki ne povzročajo fotoemisije elektronov s katode in jih molekule nečistoč dobro absorbirajo.

Približno na enak način se visokoenergijski fotoni, ki prihajajo iz razelektritve in lahko povzročijo emisijo elektronov iz katode, "ugasnejo": absorbirajo jih molekule nečistoč s kasnejšo porabo energije za disociacijo molekul in emisijo nizkoenergijski fotoni.

Obstojnost števcev z dodatkom broma je veliko večja (10 10 - 10 11 impulzov), saj ni omejena z razpadom molekul gasilne primesi. Zmanjšanje koncentracije broma je posledica njegove relativno visoke kemične aktivnosti, ki otežuje tehnologijo izdelave senzorjev in nalaga omejitve pri izbiri katodnega materiala (uporablja se na primer nerjavno jeklo).

Karakteristika štetja je odvisna od tlaka plina: z njegovim naraščanjem napetost na začetku štetja narašča (točka A na sliki 5 premakne v desno), raven platoja pa se poveča zaradi učinkovitejšega zajemanja ionizirajočih delcev s plinskimi molekulami v senzorju (krivulji 1 in 2 na sliki 5). Povečanje začetne napetosti štetja je razloženo z dejstvom, da pogoji v senzorju ustrezajo desni veji Paschenove krivulje.

Zaključek

Široka uporaba števca Geiger-Muller je razložena z njegovo visoko občutljivostjo, zmožnostjo snemanja različne vrste sevanje, primerjalna enostavnost in nizki stroški namestitve. Števec je leta 1908 izumil Geiger, izboljšal pa ga je Müller.

Cilindrični Geiger-Mullerjev števec je sestavljen iz kovinske cevi ali steklene cevi, metalizirane od znotraj, in tanke kovinske niti, raztegnjene vzdolž osi valja. Nit služi kot anoda, cev kot katoda. Cev je napolnjena z redčenim plinom, v večini primerov se uporabljajo žlahtni plini - argon in neon. Med katodo in anodo se ustvari napetost okoli 400 V. Pri večini merilnikov obstaja tako imenovani plato, ki leži od približno 360 do 460 V, v tem območju majhna nihanja napetosti ne vplivajo na hitrost štetja.

Delovanje števca temelji na udarni ionizaciji.G-kvanti, ki jih oddaja radioaktivni izotop, udarijo ob stene števca in iz njega izbijejo elektrone. Elektroni, ki se premikajo skozi plin in trčijo z atomi plina, izbijejo elektrone iz atomov in ustvarijo pozitivne ione in proste elektrone. Električno polje med katodo in anodo pospeši elektrone do energij, pri katerih se začne udarna ionizacija. Nastane plaz ionov, tok skozi števec pa se močno poveča. V tem primeru se napetostni impulz oblikuje pri uporu R, ki se napaja v snemalno napravo. Da bi števec registriral naslednji delec, ki ga zadene, je treba plazovno razelektritev ugasniti. To se zgodi samodejno. V trenutku, ko se pojavi tokovni impulz, pride do velikega padca napetosti na uporu R, zato se napetost med anodo in katodo močno zmanjša – toliko, da se praznjenje ustavi in ​​je merilnik ponovno pripravljen za uporabo.

Pomembna lastnost števca je njegova učinkovitost. Vsi g-fotoni, ki zadenejo števec, ne bodo dali sekundarnih elektronov in bodo registrirani, saj so dejanja interakcije g-žarkov s snovjo razmeroma redka in nekateri sekundarni elektroni se absorbirajo v stenah naprave, ne da bi dosegli plin. glasnost.

Učinkovitost števca je odvisna od debeline sten števca, njihovega materiala in energije g-sevanja. Najučinkovitejši so števci, katerih stene so izdelane iz materiala z visokim atomskim številom Z, saj se s tem poveča tvorba sekundarnih elektronov. Poleg tega morajo biti stene števca dovolj debele. Debelina nasprotne stene je izbrana pod pogojem, da je enaka srednji prosti poti sekundarnih elektronov v materialu stene. Če je debelina stene velika, sekundarni elektroni ne bodo prešli v delovno prostornino števca in tokovni impulz ne bo nastal. Ker g-sevanje slabo vpliva na snov, je običajno tudi učinkovitost g-števcev nizka in znaša le 1-2%. Druga pomanjkljivost Geiger-Mullerjevega števca je, da ne omogoča identifikacije delcev in določanja njihove energije. Teh pomanjkljivosti pri scintilacijskih števcih ni.

Bibliografija

Acton D.R. Plinske naprave s hladno katodo. M.; L.: Energija, 1965.

Kaganov I.L. Ionske naprave. M.: Energija, 1972.

Katsnelson B.V., Kalugin A.M., Larionov A.S. Elektrovakuumske elektronske in plinskoelektrične naprave: priročnik. M.: Radio in komunikacije, 1985.

Knoll M., Eichmeicher I. Tehnična elektronika T. 2. M.: Energija, 1971.

Sidorenko V.V. Detektorji ionizirajočega sevanja: Priročnik. L.: Ladjedelništvo, 1989

Objavljeno na spletnem mestu

Podobni dokumenti

Pojem in vrste ionizirajočega sevanja. Instrumenti za merjenje sevanja in princip delovanja Geigerjevega števca. Glavne komponente in blokovni diagram naprave. Izbira in utemeljitev elementne baze. Oblikovanje diagrama vezja v CAD OrCAD.

diplomsko delo, dodano 30.4.2014


Analiza in sinteza asinhronega števca s KSCH=11 v kodi 6-3-2-1 in s tipom prožilcev JJJJ, njegov namen, sorte in specifikacije. Primer delovanja seštevalnega števca. Sinteza JK-triggerja (naprava za snemanje in shranjevanje informacij).

tečajna naloga, dodana 25.07.2010


Koncept in namen števca, njegovi parametri. Načelo izdelave števca za seštevanje in odštevanje. Vsestranskost reverzibilnega števca. Števci in delilniki s pretvorbenim faktorjem, ki ni 2n. Prehodni števci (različni sprožilci).

povzetek, dodan 29.11.2010


Implementacija naprave, ki zna šteti do 30 z uporabo razvojnega okolja Electronics Workbench. Načelo delovanja števca je štetje števila impulzov, dobavljenih na vhod. Sestavni deli naprave: generator, sonda, logični elementi, sprožilec.

predmetno delo, dodano 22.12.2010


Načelo delovanja in področje uporabe scintilacijskega števca. Kalibracija scintilacijskih spektrometrov. Pritrditev in montaža trdnih scintilatorjev. Monokristalni scintilatorji iz antracena in stilbena. Analizatorji amplitudnega impulza.

povzetek, dodan 28.09.2009


Koncept in princip delovanja senzorjev, njihov namen in funkcije. Razvrstitev in vrste senzorjev, področja in možnosti njihove uporabe. Bistvo in glavne lastnosti regulatorjev. Značilnosti uporabe in parametri ojačevalnikov in aktuatorjev.

povzetek, dodan 28.3.2010


Mikrooperacije na kodnih besedah, ki jih izvajajo števci v digitalnih vezjih. Blok diagram sprožilca K155TV1, električni parametri. Princip delovanja digitalnega merilnika, izdelava resničnostne tabele, modeliranje v programu Micro-Cap.

tečajna naloga, dodana 03/11/2013


Analiza delovanja binarnega integralnega števca in binarno-decimalnega dekoderja. Priključitev neuporabljenih vhodov na napajalno vodilo, "skupno" žico ali drug uporabljen vhod. Analiza časovnega diagrama dekoderja. Johnsonov števec.

laboratorijske vaje, dodano 18.06.2015


Razvoj funkcijskih delov ene digitalne naprave: logična naprava; števec, monostabilen, sinhronizira pretok informacij do števca; dekoder za prikaz rezultatov delovanja naprave v človeku dostopni obliki.

tečajna naloga, dodana 31.05.2012


Opis in zasnova senzorjev; njihovi principi delovanja, primeri uporabe. Varovanje in osvetlitev stopnic v večnadstropna stavba, pomožni prostori in parkirišče. Razlike v gibalnih napravah. Značilnosti elektronskega infrardečega senzorja.

Geigerjev števec— naprava za praznjenje plina za štetje števila ionizirajočih delcev, ki gredo skozenj. Je s plinom napolnjen kondenzator, ki se prebije, ko se v prostornini plina pojavi ionizirajoči delec. Geigerjevi števci so zelo priljubljeni detektorji (senzorji) ionizirajočega sevanja. Do zdaj, izumljen na samem začetku našega stoletja za potrebe porajajoče se jedrske fizike, nenavadno ni nobene polnopravne zamenjave.

Zasnova Geigerjevega števca je precej preprosta. Plinska zmes, sestavljena iz lahko ioniziranega neona in argona, se vnese v zaprto posodo z dvema elektrodama. Material cilindra je lahko različen - steklo, kovina itd.

Običajno števci zaznavajo sevanje po celotni površini, vendar obstajajo tudi takšni, ki imajo v ta namen posebno "okno" v cilindru. Široka uporaba števca Geiger-Muller je razložena z njegovo visoko občutljivostjo, zmožnostjo zaznavanja različnih sevanj, primerjalno preprostostjo in nizkimi stroški namestitve.

Diagram povezave Geigerjevega števca

Na elektrode se napaja visoka napetost U (glej sliko), ki sama po sebi ne povzroča nobenih pojavov razelektritve. Števec bo ostal v tem stanju, dokler se v njegovem plinastem mediju ne pojavi ionizacijski center – sled ionov in elektronov, ki jih ustvari ionizirajoči delec, ki pride od zunaj. Primarni elektroni, ki pospešujejo v električnem polju, ionizirajo "na poti" druge molekule plinastega medija in ustvarjajo vedno več novih elektronov in ionov. Ta proces se razvija kot plaz in se konča s tvorbo elektronsko-ionskega oblaka v prostoru med elektrodama, kar bistveno poveča njegovo prevodnost. V plinskem okolju števca se pojavi razelektritev, vidna (če je posoda prozorna) tudi s prostim očesom.

Obratni proces - povrnitev plinskega okolja v prvotno stanje v tako imenovanih halogenskih merilnikih - se zgodi sam od sebe. Halogeni (običajno klor ali brom), ki jih plinsko okolje vsebuje v majhnih količinah, pridejo v poštev in prispevajo k intenzivni rekombinaciji naboja. Toda ta proces je precej počasen. Čas, potreben za obnovitev sevalne občutljivosti Geigerjevega števca in tisto, kar dejansko določa njegovo delovanje - "mrtev" čas - je njegova glavna značilnost potnega lista.

Takšni števci so označeni kot halogenski samougasni števci. Zanje je značilna zelo nizka napajalna napetost, dobri parametri izhodnega signala in dokaj visoka hitrost, zato so se izkazali za povpraševanje kot senzorji ionizirajočega sevanja v gospodinjskih napravah za nadzor sevanja.

Geigerjevi števci so sposobni zaznati različne vrste ionizirajočega sevanja - a, b, g, ultravijolično, rentgenske žarke, nevtrone. Toda dejanska spektralna občutljivost merilnika je zelo odvisna od njegove zasnove. Tako mora biti vhodno okno števca, občutljivega na a- in mehko b-sevanje, precej tanko; V ta namen se običajno uporablja sljuda z debelino 3 ... 10 mikronov. Cilinder števca, ki reagira na trdo b- in g-sevanje, ima navadno obliko valja z debelino stene 0,05....0,06 mm (služi tudi kot katoda števca). Okence števca rentgenskih žarkov je izdelano iz berilija, okence števca ultravijoličnih žarkov pa iz kremenčevega stekla.

Odvisnost hitrosti štetja od napajalne napetosti v Geigerjevem števcu

V števec nevtronov se vnese bor, ob interakciji s katerim se nevtronski tok pretvori v enostavno registrirane a-delce. Fotonsko sevanje - ultravijolično, rentgensko, g-sevanje - Geigerjevi števci zaznavajo posredno - preko fotoelektričnega učinka, Comptonovega učinka, učinka ustvarjanja parov; v vsakem primeru se sevanje, ki medsebojno deluje s katodno snovjo, pretvori v tok elektronov.

Vsak delec, ki ga zazna števec, tvori kratek impulz v svojem izhodnem vezju. Število impulzov, ki se pojavijo na časovno enoto - hitrost štetja Geigerjevega števca - je odvisno od ravni ionizirajočega sevanja in napetosti na njegovih elektrodah. Standardni graf hitrosti štetja v odvisnosti od napajalne napetosti Upit je prikazan na zgornji sliki. Tukaj je Uns začetna napetost štetja; Ung in Uvg sta spodnja in zgornja meja delovnega odseka, tako imenovani plato, pri katerem je hitrost štetja skoraj neodvisna od nasprotne napajalne napetosti. Delovna napetost Uр je običajno izbrana na sredini tega razdelka. Ustreza Np - hitrosti štetja v tem načinu.

Odvisnost hitrosti štetja od stopnje izpostavljenosti sevanju števca je njegova glavna značilnost. Graf te odvisnosti je po naravi skoraj linearen, zato je občutljivost števca na sevanje pogosto prikazana kot impulz/μR (impulzi na mikrorentgen; ta dimenzija izhaja iz razmerja med hitrostjo štetja - impulz/s - in sevanjem raven - μR/s).

V primerih, ko to ni indicirano, je treba sevalno občutljivost števca določiti z njegovim drugim izjemno pomembnim parametrom - lastnim ozadjem. To je ime za hitrost štetja, katere faktor sta dve komponenti: zunanja - naravno sevanje ozadja in notranja - sevanje radionuklidov, ki se nahajajo v sami strukturi števca, kot tudi spontana emisija elektronov njegove katode.

Odvisnost hitrosti štetja od energije kvantov gama ("hod s togostjo") v Geigerjevem števcu

Druga bistvena značilnost Geigerjevega števca je odvisnost njegove občutljivosti na sevanje od energije (»trdote«) ionizirajočih delcev. V kolikšni meri je ta odvisnost pomembna, prikazuje graf na sliki. "Vožnja s togostjo" bo očitno vplivala na natančnost opravljenih meritev.

Dejstvo, da je Geigerjev števec lavinska naprava, ima tudi svoje slabosti – po reakciji takšne naprave ni mogoče presojati vzroka za njeno vzbujanje. Izhodni impulzi, ki jih generira Geigerjev števec pod vplivom a-delcev, elektronov in g-kvantov, niso nič drugačni. Sami delci in njihova energija popolnoma izginejo v dvojnih plazovih, ki jih ustvarijo.

Tabela vsebuje informacije o samougasljivih halogenskih Geigerjevih števcih domače proizvodnje, ki so najprimernejši za naprave za nadzor sevanja v gospodinjstvih.

• 1 - delovna napetost, V;
• 2 — plato — območje majhne odvisnosti hitrosti štetja od napajalne napetosti, V;
• 3 — lastno ozadje števca, imp/s, nič več;
• 4 - sevalna občutljivost števca, imp/μR (* - za kobalt-60);
• 5 - amplituda izhodnega impulza, V, ne manj;
• 6 - mere, mm - premer x dolžina (dolžina x širina x višina);
• 7.1 - trdo b - in g - sevanje;
• 7.2 - enako in mehko b - sevanje;
• 7.3 - enako in a - sevanje;
• 7,4 - g - sevanje.

Geiger-Mullerjev števec

D Za določitev stopnje sevanja se uporablja posebna naprava -. In za takšne gospodinjske naprave in večino profesionalnih naprav za nadzor sevanja se uporablja senzorski element Geigerjev števec . Ta del radiometra vam omogoča natančno določanje ravni sevanja.

Zgodovina Geigerjevega števca

IN Prva, naprava za določanje stopnje razpada radioaktivnih snovi, se je rodila leta 1908, izumil jo je Nemec fizik Hans Geiger . Dvajset let kasneje, skupaj z drugim fizikom Walter Müller naprava je bila izboljšana in je bila poimenovana v čast teh dveh znanstvenikov.

IN V obdobju razvoja in uveljavitve jedrske fizike v nekdanji Sovjetski zvezi so bile ustvarjene tudi ustrezne naprave, ki so bile široko uporabljene v oboroženih silah, v jedrskih elektrarnah in v posebnih skupinah za nadzor sevanja civilne zaščite. Od sedemdesetih let prejšnjega stoletja so tovrstni dozimetri vključevali števec po Geigerjevih principih, tj. SBM-20 . Ta števec je popolnoma enak svojemu drugemu analogu STS-5 , se pogosto uporablja v trenutno, in je tudi del sodobna sredstva za nadzor sevanja .

Slika 1. Plinski števec STS-5.

Slika 2. Merilnik izpusta plina SBM-20.

Princip delovanja Geiger-Müllerjevega števca

IN Zamisel o registraciji radioaktivnih delcev, ki jo je predlagal Geiger, je relativno preprosta. Temelji na principu pojava električnih impulzov v okolju inertnega plina pod vplivom visoko nabitega radioaktivnega delca ali kvanta elektromagnetnih nihanj. Da bi se podrobneje posvetili mehanizmu delovanja števca, se malo posvetimo njegovi zasnovi in ​​procesom, ki se v njem pojavljajo, ko radioaktivni delec prehaja skozi občutljiv element naprave.

R Snemalna naprava je zaprt valj ali posoda, ki je napolnjena z inertnim plinom, lahko je neon, argon itd. Takšna posoda je lahko izdelana iz kovine ali stekla, plin v njej pa je pod nizkim tlakom, kar se naredi posebej za poenostavitev postopka registracije nabitega delca. Znotraj posode sta dve elektrodi (katoda in anoda), na katere se napaja visoka napetost. enosmerni tok preko posebnega bremenskega upora.

Slika 3. Shema naprave in vezja za vklop Geigerjevega števca.

p Ko je števec aktiviran v okolju inertnega plina, zaradi velikega upora medija na elektrodah ne pride do razelektritve, vendar pa se situacija spremeni, če radioaktivni delec ali kvant elektromagnetnih nihanj vstopi v komoro občutljivega elementa elektrode. napravo. V tem primeru delec, ki ima naboj dovolj velike energije, izloči določeno število elektronov iz neposrednega okolja, tj. iz ohišnih elementov ali fizično samih elektrod. Takšni elektroni, ko so enkrat v okolju inertnega plina, se pod vplivom visoke napetosti med katodo in anodo začnejo pomikati proti anodi in na poti ionizirajo molekule tega plina. Posledično izbijejo sekundarne elektrone iz molekul plina in ta proces raste na geometrijski lestvici, dokler med elektrodama ne pride do razpada. V stanju praznjenja se tokokrog za zelo kratek čas sklene, kar povzroči preskok toka v bremenskem uporu, prav ta preskok pa omogoči registracijo prehoda delca ali kvanta skozi snemalno komoro.

T Ta mehanizem omogoča registracijo enega delca, vendar je v okolju, kjer je ionizirajoče sevanje precej intenzivno, potrebna hitra vrnitev snemalne komore v prvotni položaj, da lahko določimo nov radioaktivni delec . To dosežeta dva različne poti. Prvi od njih je, da za kratek čas prenehate dovajati napetost na elektrode; v tem primeru se ionizacija inertnega plina nenadoma ustavi, ponovni vklop preskusne komore pa vam omogoča, da začnete snemati od samega začetka. Ta vrsta števca se imenuje nesamougasljivi dozimetri . Druga vrsta naprav, in sicer samougasni dozimetri, katerih princip delovanja je dodajanje posebnih dodatkov na osnovi različnih elementov, na primer broma, joda, klora ali alkohola, v okolje inertnega plina. V tem primeru njihova prisotnost samodejno vodi do prenehanja praznjenja. Pri tej zgradbi preskusne komore se kot obremenitveni upor uporabljajo upornosti včasih več deset megaohmov. To omogoča močno zmanjšanje potencialne razlike na koncih katode in anode med razelektritvijo, s čimer se prekine proces prevajanja toka in komora se vrne v prvotno stanje. Omeniti velja, da napetost na elektrodah, nižja od 300 voltov, samodejno preneha vzdrževati praznjenje.

Celoten opisani mehanizem omogoča registracijo ogromnega števila radioaktivnih delcev v kratkem času.

Vrste radioaktivnega sevanja

H razumeti, kaj točno se snema Geiger-Mullerjevi števci , je vredno razmisliti o tem, katere vrste obstajajo. Takoj je treba omeniti, da so števci praznjenja v plinu, ki so del večine sodobnih dozimetrov, sposobni zabeležiti le število radioaktivnih nabitih delcev ali kvantov, ne morejo pa določiti niti njihovih energijskih lastnosti niti vrste sevanja. V ta namen so dozimetri bolj multifunkcionalni in ciljno usmerjeni, zato je za njihovo pravilno primerjavo treba natančneje razumeti njihove zmogljivosti.

p Po sodobnih konceptih jedrske fizike lahko sevanje razdelimo na dve vrsti, prvo po obliki elektromagnetno polje , drugi po obliki tok delcev (korpuskularno sevanje). Prva vrsta vključuje tok delcev gama oz rentgensko sevanje . Njihova glavna značilnost je sposobnost širjenja v obliki valov na zelo velike razdalje, pri tem pa precej zlahka prehajajo skozi različne predmete in zlahka prodrejo v najrazličnejše materiale. Na primer, če se mora oseba zaradi jedrske eksplozije skriti pred tokom žarkov gama, potem se lahko pred tem zaščiti le tako, da se zateče v klet hiše ali zaklonišče proti bombam, pod pogojem, da je relativno hermetično zaprto. vrsto sevanja za 50 odstotkov.

Slika 4. Kvanti rentgenskega in gama sevanja.

T Ta vrsta sevanja je pulzne narave in je značilna širjenje v okolju v obliki fotonov ali kvantov, tj. kratki izbruhi elektromagnetnega sevanja. Takšno sevanje ima lahko različne energijske in frekvenčne značilnosti, na primer rentgensko sevanje ima na tisoče nižjo frekvenco kot gama žarki. Zato Bistveno nevarnejši so žarki gama za človeško telo in je njihov vpliv veliko bolj uničujoč.

IN sevanje, ki temelji na korpuskularnem principu, so alfa in beta delci (korpuskule). Nastanejo kot posledica jedrske reakcije, pri kateri se nekateri radioaktivni izotopi pretvorijo v druge, pri čemer se sprosti ogromna količina energije. V tem primeru beta delci predstavljajo tok elektronov, alfa delci pa so bistveno večje in stabilnejše tvorbe, sestavljene iz dveh med seboj vezanih nevtronov in dveh protonov. Pravzaprav ima jedro atoma helija to strukturo, zato lahko trdimo, da je tok delcev alfa tok helijevih jeder.

Sprejeta je naslednja razvrstitev , alfa delci imajo najmanjšo prodorno sposobnost; da bi se človek zaščitil pred njimi, je za človeka dovolj debel karton; beta delci imajo večjo prodorno sposobnost; da bi se človek zaščitil pred tokom takšnega sevanja, bo potreboval več milimetrov debela kovinska zaščita (na primer aluminijasta pločevina). Zaščite pred kvanti gama praktično ni in se širijo na znatne razdalje, bledijo, ko se odmikajo od epicentra ali vira, in upoštevajo zakone širjenja elektromagnetnih valov.

Slika 5. Radioaktivni delci alfa in beta tipa.

TO Tudi količina energije, ki jo imajo vse tri vrste sevanja, je različna, največji med njimi pa ima tok alfa delcev. na primer Energija, ki jo imajo delci alfa, je sedemtisočkrat večja od energije delcev beta , tj. prodorna sposobnost različnih vrst sevanja je obratna proporcionalna odvisnost na njihovo prodorno sposobnost.

D najbolj za človeško telo nevarna vrsta radioaktivno sevanje gama kvanti , zaradi velike prodorne moči, nato pa v padajočem vrstnem redu delci beta in delci alfa. Zato je precej težko določiti delce alfa, tudi če je to nemogoče ugotoviti z običajnim števcem Geiger-Muller, saj je skoraj vsak predmet za njih ovira, da ne omenjam steklene ali kovinske posode. S takšnim števcem je mogoče zaznati delce beta, vendar le, če njihova energija zadostuje za prehod skozi material posode števca.

Za nizkoenergijske beta delce je običajen Geiger-Müllerjev števec neučinkovit.

O Situacija je podobna kot pri gama sevanju, obstaja možnost, da gredo skozi posodo, ne da bi sprožili ionizacijsko reakcijo. V ta namen je v števce nameščen poseben zaslon (iz gostega jekla ali svinca), ki omogoča zmanjšanje energije gama žarkov in s tem aktiviranje razelektritve v števčni komori.

Osnovne značilnosti in razlike Geiger–Müllerjevih števcev

Z Prav tako je vredno izpostaviti nekaj osnovnih značilnosti in razlik med različnimi opremljenimi dozimetri plinskoelektrični Geiger-Mullerjevi števci. Če želite to narediti, bi morali primerjati nekatere od njih.

Najpogostejši Geiger–Müllerjevi števci so opremljeni z cilindrični oz končni senzorji. Cilindrični so podobni podolgovatemu cilindru v obliki cevi z majhnim polmerom. Končna ionizacijska komora ima okroglo ali pravokotno obliko majhne velikosti, vendar s pomembno končno delovno površino. Včasih obstajajo različice končnih komor s podolgovato cilindrično cevjo z majhnim vhodnim oknom na končni strani. Registrirajo se lahko različne konfiguracije števcev, in sicer same kamere različni tipi sevanje ali njihove kombinacije (na primer kombinacije žarkov gama in beta ali celoten spekter alfa, beta in gama). To postane mogoče zaradi posebej oblikovane zasnove ohišja števca in materiala, iz katerega je izdelan.

E Druga pomembna komponenta za predvideno uporabo števcev je območje vhodnega občutljivega elementa in delovno območje . Z drugimi besedami, to je sektor, skozi katerega bodo radioaktivni delci, ki nas zanimajo, vstopili in bili posneti. Večja kot je ta površina, več delcev bo števec lahko zajel in večja bo njegova občutljivost na sevanje. Podatki o potnem listu označujejo območje delovna površina, običajno v kvadratnih centimetrih.

E Drug pomemben indikator, ki je naveden v značilnostih dozimetra, je velikost hrupa (merjeno v impulzih na sekundo). Z drugimi besedami, ta indikator lahko imenujemo vrednost lastnega ozadja. Določimo ga lahko v laboratoriju tako, da napravo postavimo v dobro zaščiteno sobo ali komoro, običajno z debelimi svinčenimi stenami, in zabeležimo stopnjo sevanja, ki jo sama naprava oddaja. Jasno je, da če je taka raven dovolj pomembna, bodo ti inducirani šumi neposredno vplivali na merilne napake.

Vsak poklic in sevanje ima tako lastnost, kot je občutljivost na sevanje, ki se meri tudi v impulzih na sekundo (imp/s) ali v impulzih na mikrorentgen (imp/μR). Ta parameter oziroma njegova uporaba je neposredno odvisna od vira ionizirajočega sevanja, na katerega je števec nastavljen in glede na katerega se bodo izvajale nadaljnje meritve. Pogosto se uglaševanje izvaja z uporabo virov, ki vključujejo radioaktivne materiale, kot so radij - 226, kobalt - 60, cezij - 137, ogljik - 14 in drugi.

E Drug indikator, po katerem je vredno primerjati dozimetre, je učinkovitost zaznavanja ionskega sevanja ali radioaktivnih delcev. Obstoj tega kriterija je posledica dejstva, da ne bodo registrirani vsi radioaktivni delci, ki gredo skozi občutljiv element dozimetra. To se lahko zgodi v primeru, ko kvant sevanja gama ni povzročil ionizacije v števčni komori ali pa je število delcev, ki so prešli in povzročili ionizacijo in razelektritev, tako veliko, da jih naprava ne šteje ustrezno, in iz kakšnih drugih razlogov. . Za natančno določitev te lastnosti določenega dozimetra se testira z uporabo določenih radioaktivnih virov, na primer plutonija-239 (za delce alfa) ali talija - 204, stroncija - 90, itrija - 90 (beta oddajnik), kot tudi drugi radioaktivni materiali.

Z Naslednje merilo, na katerega se je treba osredotočiti, je razpon zabeleženih energij . Vsak radioaktivni delec ali kvant sevanja ima drugačno energijsko karakteristiko. Zato so dozimetri zasnovani tako, da merijo ne samo določeno vrsto sevanja, ampak tudi njihovo ustrezno energijsko karakteristiko. Ta indikator se meri v megaelektronvoltih ali kiloelektronvoltih (MeV, KeV). Na primer, če delci beta nimajo dovolj energije, potem ne bodo mogli izbiti elektrona v nasprotni komori in zato ne bodo zaznani, ali pa se bodo skozi material lahko prebili samo visokoenergijski delci alfa. ohišja Geiger-Müllerjevega števca in izloči elektron.

IN Na podlagi vsega navedenega sodobni proizvajalci dozimetrov sevanja proizvajajo široko paleto naprav za različne namene in specifične industrije. Zato je vredno razmisliti o posebnih vrstah Geigerjevih števcev.

Različne možnosti Geiger-Mullerjevi števci

p Prva različica dozimetrov so naprave za registracijo in detekcijo fotonov gama in visokofrekvenčnega (trdega) sevanja beta. Skoraj vsi prej proizvedeni in sodobni, tako gospodinjski, na primer: kot profesionalni dozimetri sevanja, na primer: , so zasnovani za to merilno območje. Takšno sevanje ima zadostno energijo in visoko prodorno moč, da jih kamera Geigerjevega števca registrira. Takšni delci in fotoni zlahka prodrejo skozi stene števca in povzročijo proces ionizacije, to pa zlahka zabeleži ustrezno elektronsko polnilo dozimetra.

D Priljubljeni števci, kot je npr SBM-20 , ki ima senzor v obliki cilindrične balonske cevi s koaksialno žično katodo in anodo. Poleg tega stene senzorske cevi služijo tako kot katoda kot ohišje in so izdelane iz nerjavečega jekla. Ta števec ima naslednje lastnosti:

• območje delovnega območja občutljivega elementa je 8 kvadratnih centimetrov;
• sevalna občutljivost na sevanje gama je okoli 280 pulzov/s oziroma 70 pulzov/μR (testiranje je bilo opravljeno na cezij - 137 pri 4 μR/s);
• lastno ozadje dozimetra je približno 1 impulz/s;
• Senzor je zasnovan tako, da registrira sevanje gama z energijo v območju od 0,05 MeV do 3 MeV, na spodnji meji pa delce beta z energijo 0,3 MeV.

Slika 6. Geigerjev števec SBM-20.

U Obstajale so različne modifikacije tega števca, npr. SBM-20-1 oz SBM-20U , ki imata podobne lastnosti, vendar se razlikujeta v osnovni zasnovi kontaktnih elementov in merilnega vezja. Druge modifikacije tega Geiger-Mullerjevega števca, in sicer SBM-10, SI29BG, SBM-19, SBM-21, SI24BG, imajo podobne parametre, veliko jih najdemo v gospodinjskih dozimetrih sevanja, ki jih lahko najdete v trgovinah. danes.

Z Naslednja skupina dozimetrov sevanja je namenjena registraciji gama fotoni in rentgenski žarki . Če govorimo o natančnosti takšnih naprav, je treba razumeti, da sta fotonsko in gama sevanje kvanta elektromagnetnega sevanja, ki se gibljejo s svetlobno hitrostjo (približno 300.000 km/s), zato se zdi, da je registracija takega predmeta precej težka. naloga.

Učinkovitost delovanja takih Geigerjevih števcev je približno en odstotek.

H Da bi ga povečali, je potrebno povečati površino katode. Pravzaprav se žarki gama posnamejo posredno, zahvaljujoč elektronom, ki jih izbijejo, ki nato sodelujejo pri ionizaciji inertnega plina. Da bi čim bolj učinkovito spodbujali ta pojav, so material in debelina sten nasprotne komore ter dimenzije, debelina in material katode posebej izbrani. Tukaj lahko velika debelina in gostota materiala zmanjšata občutljivost snemalne komore, premajhna pa bo omogočila, da visokofrekvenčno beta sevanje zlahka vstopi v komoro, prav tako pa bo povečalo količino hrupa sevanja, naravnega za napravo, ki bo zmanjšal natančnost določanja kvantov gama. Seveda natančna razmerja izberejo proizvajalci. Pravzaprav so na tem principu izdelani dozimetri Geiger-Mullerjevi števci za neposredno določanje sevanja gama na tleh, pri čemer takšna naprava izključuje možnost določanja kakršnih koli drugih vrst sevanja in radioaktivne obremenitve, kar omogoča natančno določanje onesnaženosti in stopnje sevanja. negativen vpliv na osebo samo za sevanje gama.

IN V domačih dozimetrih, ki so opremljeni s cilindričnimi senzorji, so nameščeni naslednji tipi: SI22G, SI21G, SI34G, Gama 1-1, Gama - 4, Gama - 5, Gama - 7ts, Gama - 8, Gama - 11 in mnogi drugi . Še več, pri nekaterih tipih je na vhodnem, končnem, občutljivem oknu nameščen poseben filter, ki posebej služi za odrez alfa in beta delcev ter dodatno poveča površino katode za učinkovitejše določanje kvantov gama. Takšni senzorji vključujejo Beta - 1M, Beta - 2M, Beta - 5M, Gamma - 6, Beta - 6M in druge.

H Da bi jasneje razumeli načelo njihovega delovanja, je vredno podrobneje pogledati enega od teh števcev. Na primer končni števec s senzorjem Beta – 2M , ki ima okrog 14 kvadratnih centimetrov veliko zaobljeno delovno okno. V tem primeru je sevalna občutljivost na kobalt-60 približno 240 impulzov/μR. Ta vrsta merilnika ima zelo nizek lastni šum , kar ni več kot 1 impulz na sekundo. To je mogoče zaradi debelostenske svinčene komore, ki je zasnovana za snemanje fotonskega sevanja z energijami v območju od 0,05 MeV do 3 MeV.

Slika 7. Končni števec gama Beta-2M.

Za določanje sevanja gama je povsem mogoče uporabiti števce za impulze gama-beta, ki so namenjeni registraciji trdih (visokofrekvenčnih in visokoenergijskih) delcev beta in kvantov gama. Na primer, model SBM - 20. Če želite v tem modelu dozimetra izključiti registracijo beta delcev, je za to dovolj, da namestite svinčeni zaslon ali ščit iz katerega koli drugega kovinski material(svinčni zaslon je bolj učinkovit). To je najpogostejša metoda, ki jo večina razvijalcev uporablja pri ustvarjanju števcev gama in rentgenskih žarkov.

Registracija "mehkega" beta sevanja.

TO Kot smo že omenili, je registracija mehkega beta sevanja (sevanje z nizkimi energijskimi lastnostmi in relativno nizko frekvenco) precej težka naloga. Za to je treba zagotoviti možnost lažjega prodora v registracijsko zbornico. Za te namene je izdelano posebno tanko delovno okno, običajno iz sljude ali polimernega filma, ki praktično ne ovira prodiranja beta sevanja te vrste v ionizacijsko komoro. V tem primeru lahko samo telo senzorja deluje kot katoda, anoda pa je sistem linearnih elektrod, ki so enakomerno razporejene in nameščene na izolatorje. Registracijsko okence je narejeno v končni različici in v tem primeru le tanek film sljude ovira beta delce. V dozimetrih s takimi števci se sevanje gama beleži kot aplikacija in pravzaprav kot dodatna funkcija. In če se želite znebiti registracije žarkov gama, potem je potrebno zmanjšati površino katode.

Slika 8. Naprava končnega Geigerjevega števca.

Z Omeniti velja, da so bili števci za določanje mehkih beta delcev ustvarjeni precej dolgo nazaj in so bili uspešno uporabljeni v drugi polovici prejšnjega stoletja. Med njimi so bili najpogostejši senzorji, kot je SBT10 in SI8B , ki je imela tankostenska delovna okna iz sljude. Sodobnejša različica te naprave Beta-5 ima delovno površino okna približno 37 m2/cm, pravokotne oblike iz sljude. Pri takšnih velikostih občutljivega elementa je naprava sposobna registrirati približno 500 impulzov/μR, merjeno s kobaltom - 60. Hkrati je učinkovitost detekcije delcev do 80 odstotkov. Drugi indikatorji te naprave so naslednji: lastni šum je 2,2 impulza/s, območje zaznavanja energije je od 0,05 do 3 MeV, medtem ko je spodnji prag za določanje mehkega beta sevanja 0,1 MeV.

Slika 9. Konec beta-gama števca Beta-5.

IN Seveda je vredno omeniti Geiger-Mullerjevi števci, sposoben zaznati alfa delce. Če se zdi registracija mehkega beta sevanja precej težka naloga, je zaznavanje delca alfa, tudi če ima visoko energijsko vrednost, še težje. težka naloga. Ta problem je mogoče rešiti le z ustreznim zmanjšanjem debeline delovnega okna na debelino, ki bo zadostovala za prehod alfa delca v snemalno komoro senzorja, kot tudi s skoraj popolnim približanjem vhodnega okna k vir sevanja delcev alfa. Ta razdalja naj bo 1 mm. Jasno je, da bo taka naprava samodejno zaznala vse druge vrste sevanja in z dokaj visoko učinkovitostjo. To ima tako pozitivno kot negativno stran:

Pozitivno – takšno napravo je mogoče uporabiti za najširši obseg analiz radioaktivnega sevanja

Negativno – zaradi povečane občutljivosti se bo pojavil precejšen šum, ki bo otežil analizo prejetih registracijskih podatkov.

TO Poleg tega pretanko delovno okence iz sljude, čeprav poveča zmogljivosti števca, vendarle škoduje mehanski trdnosti in tesnosti ionizacijske komore, še posebej, ker ima samo okno dovolj velika površina delovna površina. Za primerjavo, pri števcih SBT10 in SI8B, ki smo jih omenili zgoraj, pri površini delovnega okna okoli 30 m²/cm je debelina sloja sljude 13 - 17 mikronov in pri zahtevani debelini za snemanje. alfa delcev 4-5 mikronov, vnos okna je lahko le največ 0,2 sq/cm, govorimo o merilniku SBT9.

O Vendar pa se lahko velika debelina registracijskega delovnega okna kompenzira z bližino radioaktivnega predmeta in obratno, z relativno majhno debelino sljudnega okna postane mogoče registrirati delec alfa na razdalji, večji od 1 - 2 mm. Vredno je navesti primer: pri debelini okna do 15 mikronov mora biti pristop do vira alfa sevanja manjši od 2 mm, medtem ko se kot vir alfa delcev razume oddajnik plutonija-239 s sevanjem. energija 5 MeV. Nadaljujmo, pri debelini vhodnega okna do 10 mikronov je možno registrirati delce alfa na razdalji do 13 mm, če izdelamo sljudno okno debeline do 5 mikronov, se bo alfa sevanje registriralo na razdalja 24 mm itd. Drug pomemben parameter, ki neposredno vpliva na sposobnost zaznavanja alfa delcev, je njihov energijski indikator. Če je energija alfa delca večja od 5 MeV, se bo registracijska razdalja za debelino delovnega okna katere koli vrste ustrezno povečala, in če je energija manjša, je treba razdaljo zmanjšati, do popolne nemogoče registracija mehkega alfa sevanja.

E Druga pomembna točka, ki omogoča povečanje občutljivosti števca alfa, je zmanjšanje zmožnosti registracije sevanja gama. Če želite to narediti, je dovolj, da zmanjšate geometrijske dimenzije katode in gama fotoni bodo šli skozi snemalno komoro, ne da bi povzročili ionizacijo. S tem ukrepom je mogoče za tisoče in celo desettisočkrat zmanjšati vpliv žarkov gama na ionizacijo. Vpliva beta sevanja na snemalno komoro ni več mogoče odpraviti, vendar obstaja dokaj preprost izhod iz te situacije. Najprej se zabeleži alfa in beta sevanje skupnega tipa, nato se namesti filter iz debelega papirja in se opravi druga meritev, ki bo registrirala samo delce beta. Količina alfa sevanja se v tem primeru izračuna kot razlika med skupnim sevanjem in ločenim računskim kazalcem za beta sevanje.

Na primer , je vredno predlagati značilnosti sodobnega števca Beta-1, ki vam omogoča registracijo sevanja alfa, beta in gama. To so kazalniki:

• površina delovnega območja občutljivega elementa je 7 sq / cm;
• debelina plasti sljude je 12 mikronov, (efektivna razdalja zaznavanja delcev alfa za plutonij je 239, približno 9 mm. Za kobalt - 60 je občutljivost na sevanje dosežena v velikosti 144 impulzov/μR);
• učinkovitost merjenja sevanja za alfa delce - 20% (za plutonij - 239), beta delce - 45% (za talij -204) in gama kvante - 60% (za sestavo stroncij - 90, itrij - 90);
• lastno ozadje dozimetra je približno 0,6 impulza/s;
• Senzor je zasnovan tako, da registrira sevanje gama z energijo v območju od 0,05 MeV do 3 MeV ter delce beta z energijo nad 0,1 MeV na spodnji meji in delce alfa z energijo 5 MeV ali več.

Slika 10. Na koncu nameščen alfa-beta-gama števec Beta-1.

TO Seveda pa je na voljo tudi precej širok nabor merilnikov, ki so namenjeni bolj specifični in profesionalni uporabi. Tovrstne naprave imajo številne dodatne nastavitve in možnosti (električne, mehanske, radiometrične, klimatske itd.), ki vključujejo številne posebne pogoje in zmožnosti. Vendar se ne bomo osredotočili nanje. Konec koncev, razumeti osnovna načela delovanja Geiger-Mullerjevi števci , zgoraj opisani modeli povsem zadostujejo.

IN Pomembno je tudi omeniti, da obstajajo posebni podrazredi Geigerjevi števci , ki so izdelani posebej za določanje različne vrste druga sevanja. Na primer, za določitev vrednosti ultravijolično sevanje, za snemanje in določanje počasnih nevtronov, ki delujejo na principu koronske razelektritve ter druge možnosti, ki niso neposredno povezane s to tematiko in jih ne bomo upoštevali.