Строение и принцип работы счетчика Гейгера – Мюллера
В последнее время, внимание к радиационной безопасности со стороны обычных граждан в нашей стране все в большей степени возрастает. И это связано не только с трагическими событиями на чернобыльской АЭС и дальнейшими ее последствиями, но и с различного рода происшествиями, которые периодически случаются в том или ином месте планеты. В связи с этим, в конце прошлого века стали появляться приборы дозиметрического контроля радиации бытового назначения . И такие приборы очень многим людям спасли не только здоровье, но иногда и жизнь, и это касается не только прилежащих к зоне отчуждения территориях. Поэтому вопросы радиационной безопасности актуальны в любом месте нашей страны и по сегодняшний день.
В се бытовые и практически все профессиональные современные дозиметры оснащаются . По-другому его можно назвать чувствительным элементом дозиметра. Данный прибор был изобретен в 1908 году немецким физиком Гансом Гейгером, а спустя двадцать лет, данную разработку усовершенствовал еще один физик Вальтер Мюллер, и именно принцип этого устройства и применяется в и по настоящий момент.
Н екоторые современные дозиметры имеют сразу по четыре счетчика, что позволяет повысить точность измерений и чувствительность прибора, а также уменьшить время проведения замера. Большинство счетчиков Гейгера – Мюллера способны регистрировать гамма-излучение, высокоэнергетическое бета-излучение и рентгеновские лучи. Однако есть специальные разработки для определения альфа-частиц высоких энергий. Для настройки дозиметра на определение только гамма-излучения, самого опасного из трех видов радиации, чувствительную камеру укрывают специальным кожухом из свинца или другой стали, что позволяет отсечь проникновение в счетчик бета-частиц.
В современных дозиметрах бытового и профессионального назначения широко применяются датчики типа СБМ-20, СБМ-20-1, СБМ-20У, СБМ-21, СБМ-21-1. Они отличаются габаритными размерами камеры и другими параметрами, для линейки 20-х датчиков характерны следующие габариты, длина 110 мм, диаметр 11 мм, а для 21-й модели, длина 20-22 мм при диаметре 6мм. Важно понимать, что чем больше размеры камеры, тем большее количество радиоактивных элементов будет через нее пролетать, и тем большей чувствительностью и точностью она обладает. Так, для 20-х серий датчика характерны размеры в 8-10 раз большие, чем для 21-й, примерно в таких же пропорциях мы будем иметь разницу в чувствительности.
К онструкцию счетчика Гейгера можно схематически описать так. Датчик, состоящий из цилиндрического контейнера, в который закачан инертный газ (к примеру, аргон, неон или их смеси) под минимальным давлением, это делается для облегчения возникновения электрического разряда между катодом и анодом. Катод, чаще всего, представляет собой весь металлический корпус чувствительного датчика, а анод небольшую проволочку, размещенную на изоляторах. Иногда катод дополнительно оборачивают защитным кожухом из нержавейки или свинца, это делается для настройки счетчика на определение только гамма-квантов.
Д ля бытового применения, в настоящее время, чаще всего используются датчики торцевого исполнения (к примеру, Бета-1, Бета-2). Такие счетчики устроены таким образом, что способны обнаруживать и регистрировать даже альфа-частицы. Такой счетчик представляет собой плоский цилиндр с расположенными внутри электродами, и входным (рабочим) окном, выполненным из слюдяной пленки толщиной всего 12 мкм. Такая конструкция позволяет определить (с близкого расстояния) высокоэнергетические альфа-частицы и слабоэнергетические бета-частицы. При этом площадь рабочего окна счетчиков Бета-1 и Бета 1-1 составляет 7 кв.см. Площадь слюдяного рабочего окна для прибора Бета-2 в 2 раза больше, чем у Бета-1, его вполне можно использовать для определения , и т.д.
Е сли говорить о принципе работы камеры счетчика Гейгера, то вкратце ее можно описать следующим образом. При активации , на катод и анод подается высокое напряжение (порядка 350 – 475 вольт), через нагрузочный резистор, однако между ними не происходит разряда из-за инертного газа, служащего диэлектриком. При попадании в камеру , ее энергии оказывается достаточно, чтобы выбить свободный электрон из материала корпуса камеры или катода, этот электрон лавинообразно начинает выбивать свободные электроны из окружающего инертного газа и происходит его ионизация, которая в итоге приводит к разряду между электродами. Цепь замыкается, и данный факт можно зарегистрировать при помощи микросхемы прибора, что является фактом обнаружения или кванта гамма или рентгеновского излучения. Затем камера приходит в исходное состояние, что позволяет обнаружить следующую частицу.
Ч тобы процесс разряда в камере прекратить и подготовить камеру для регистрации следующей частицы, существует два способа, один из них основан на том, что на очень короткий промежуток времени прекращается подача напряжения на электроды, что прекращает процесс ионизации газа. Второй способ основан на добавлении в инертный газ еще одного вещества, к примеру, йода, спирта и других веществ, при этом они приводят к уменьшению напряжения на электродах, что также прекращает процесс дальнейшей ионизации и камера становится способной обнаружить следующий радиоактивный элемент. При данном методе используется нагрузочный резистор большой емкости.
П о количеству разрядов в камере счетчика и можно судить об уровне радиации на измеряемой местности или от конкретного предмета.
Хотим мы или нет, но радиация прочно вошла в нашу жизнь и уходить не собирается. Нам нужно научиться жить с этим, одновременно полезным и опасным, явлением. Радиация проявляет себя невидимыми и неощутимыми излучениями, и без специальных приборов обнаружить их невозможно.
Немного из истории радиации
В 1895 году были открыты рентгеновские лучи. Год спустя была открыта радиоактивность урана, тоже в связи с рентгеновскими лучами. Ученые поняли, что они столкнулись с совершенно новыми, невиданными до сих пор явлениями природы. Интересно, что феномен радиации замечался несколькими годами раньше, но ему не придали значение, хотя ожоги от рентгеновских лучей получал еще Никола Тесла и другие работники эдисоновской лаборатории. Вред здоровью приписывали чему угодно, но не лучам, с которыми живое никогда не сталкивалось в таких дозах. В самом начале XX века стали появляться статьи о вредном действии радиации на животных. Этому тоже не придавали значения до нашумевшей истории с «радиевыми девушками» - работницами фабрики, выпускавшей светящиеся часы. Они всего лишь смачивали кисточки кончиком языка. Ужасная участь некоторых из них даже не публиковалась, по этическим соображениям, и осталась испытанием только для крепких нервов врачей.
В 1939 году физик Лиза Мейтнер, которая вместе с Отто Ганом и Фрицем Штрассманом относится людям, впервые в мире поделившим ядро урана, неосторожно сболтнула о возможности цепной реакции, и с этого момента началась цепная реакция идей о создании бомбы, именно бомбы, а вовсе не «мирного атома», на который кровожадные политики XX века, понятно, не дали бы ни гроша. Те, кто был «в теме», уже знали, к чему это приведет и началась гонка атомных вооружений.
Как появился счетчик Гейгера - Мюллера
Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в лаборатории Эрнста Резерфорда, в 1908 году предложил принцип работы счетчика «заряженных частиц» как дальнейшее развитие уже известной ионизационной камеры, которая представляла собой электрический конденсатор, наполненный газом при небольшом давлении. Она применялась еще Пьером Кюри с 1895 года для изучения электрических свойств газов. У Гейгера возникла идея использовать ее для обнаружения ионизирующих излучений как раз потому, что эти излучения оказывали прямое воздействие на степень ионизации газа.
В 1928 году Вальтер Мюллер, под началом Гейгера, создает несколько типов счетчиков радиации, предназначенных для регистрации различных ионизирующих частиц. Создание счетчиков было очень острой необходимостью, без которой невозможно было продолжать исследование радиоактивных материалов, поскольку физика, как экспериментальная наука, немыслима без измерительных приборов. Гейгер и Мюллер целенаправленно работали над созданием счетчиков, чувствительных к каждому из открытых к тому видов излучений: α, β и γ (нейтроны открыли только в 1932 году).
Счетчик Гейгера-Мюллера оказался простым, надежным, дешевым и практичным датчиком радиации. Хотя он не является самым точным инструментом для исследования отдельных видов частиц или излучений, однако на редкость подходит в качестве прибора для общего измерения интенсивности ионизирующих излучений. А в сочетании с другими детекторами используется физиками и для точнейших измерений при экспериментах.
Ионизирующие излучения
Чтобы лучше понять работу счетчика Гейгера-Мюллера, полезно иметь представление об ионизирующих излучениях вообще. По определению, к ним относится то, что может вызвать ионизацию вещества, находящегося в нормальном состоянии. Для этого необходима определенная энергия. Например, радиоволны или даже ультрафиолетовый свет не относятся к ионизирующим излучениям. Граница начинается с «жесткого ультрафиолета», он же «мягкий рентген». Этот вид является фотонным видом излучения. Фотоны большой энергии принято называть гамма-квантами.
Впервые разделил ионизирующие излучения на три вида Эрнст Резерфорд. Это было сделано на экспериментальной установке при помощи магнитного поля в вакууме. Впоследствии выяснилось, что это:
α - ядра атомов гелия
β - электроны с высокой энергией
γ - гамма-кванты (фотоны)
Позже были открыты нейтроны. Альфа-частицы легко задерживаются даже обычной бумагой, бета-частицы имеют немного большую проникающую способность, а гамма-лучи - самую высокую. Наиболее опасны нейтроны (на расстоянии до многих десятков метров в воздухе!). Из-за их электрической нейтральности они не взаимодействуют с электронными оболочками молекул вещества. Но попав в атомное ядро, вероятность чего достаточно высока, приводят к его нестабильности и распаду, с образованием, как правило, радиоактивных изотопов. А уже те, в свою очередь, распадаясь, сами образуют весь «букет» ионизирующих излучений. Хуже всего то, что облученный предмет или живой организм сам становится источником радиации на протяжении многих часов и суток.
Устройство счетчика Гейгера-Мюллера и принцип его работы
Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, как правило, выполняется в виде герметичной трубки, стеклянной или металлической, из которой откачан воздух, а вместо него добавлен инертный газ (неон или аргон или их смесь) под небольшим давлением, с примесью галогенов или спирта. По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. И трубка и проволока являются электродами: трубка - катод, а проволока - анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду - через большое постоянное сопротивление - плюс от источника постоянного напряжения. Электрически получается делитель напряжения, в средней точке которого (место соединения сопротивления и анода счетчика) напряжение практически равно напряжению на источнике. Обычно это несколько сотен вольт.
Когда сквозь трубку пролетает ионизирующая частица, атомы инертного газа, и так находящиеся в электрическом поле большой напряженности, испытывают столкновения с этой частицей. Энергии, отданной частицей при столкновении, хватает для отрыва электронов от атомов газа. Образующиеся вторичные электроны сами способны образовать новые столкновения и, таким образом, получается целая лавина электронов и ионов. Под действием электрического поля, электроны ускоряются в направлении анода, а положительно заряженные ионы газа - к катоду трубки. Таким образом, возникает электрический ток. Но так как энергия частицы уже израсходована на столкновения, полностью или частично (частица пролетела сквозь трубку), то кончается и запас ионизированных атомов газа, что является желательным и обеспечивается кое-какими дополнительными мерами, о которых мы поговорим при разборе параметров счетчиков.
При попадании в счетчик Гейгера-Мюллера заряженной частицы, за счет возникающего тока падает сопротивление трубки, а вместе с ним и напряжение в средней точке делителя напряжения, о которой шла речь выше. Затем сопротивление трубки вследствие возрастания ее сопротивления восстанавливается, и напряжение опять становится прежним. Таким образом, мы получаем отрицательный импульс напряжения. Считая импульсы, мы можем оценить число пролетевших частиц. Особенно велика напряженность электрического поля вблизи анода из-за его малых размеров, что делает счетчик более чувствительным.
Конструкции счетчиков Гейгера-Мюллера
Современные счетчики Гейгера-Мюллера выпускаются в двух основных вариантах: «классическом» и плоском. Классический счетчик выполняют из тонкостенной металлической трубки с гофрированием. Гофрированная поверхность счетчика делает трубку жесткой, устойчивой к внешнему атмосферному давлению и не дает ей сминаться под его действием. На торцах трубки расположены герметизирующие изоляторы из стекла или термореактивной пластмассы. В них же находятся выводы-колпачки для подключения к схеме приборов. Трубка снабжена маркировкой и покрыта прочным изолирующим лаком, не считая, конечно, ее выводов. Полярность выводов также обозначена. Это универсальный счетчик для любых видов ионизирующих излучений, особенно для бета и гамма.
Счетчики, чувствительные к мягкому β-излучению, делаются иначе. Из-за малого пробега β-частиц, их приходится делать плоскими, со слюдяным окошком, которое слабо задерживает бета-излучение, одним из вариантов такого счетчика, является датчик радиации БЕТА-2
. Все остальные свойства счетчиков определяются материалами, из которых их изготавливают.
Счетчики, предназначенные для регистрации гамма-излучения, содержат катод, изготовленный из металлов с большим зарядовым числом, или покрывают такими металлами. Газ крайне плохо ионизируется гамма-фотонами. Но зато гамма-фотоны способны выбить много вторичных электронов из катода, если его выбрать подходящим образом. Счетчики Гейгера-Мюллера для бета-частиц делают с тонкими окнами для лучшей проницаемости частиц, поскольку они являются обычными электронами, всего лишь получившими большую энергию. С веществом они взаимодействуют весьма хорошо и быстро эту энергию теряют.
В случае альфа-частиц дело обстоит еще хуже. Так, несмотря на весьма приличную энергию, порядка нескольких МэВ, альфа-частицы очень сильно взаимодействуют с молекулами, находящимися на пути, и быстро теряют энергию. Если вещество сравнить с лесом, а электрон с пулей, то тогда альфа-частицы придется сравнивать с танком, ломящимся через лес. Впрочем, обычный счетчик хорошо реагирует на α-излучение, но только на расстоянии до нескольких сантиметров.
Для объективной оценки уровня ионизирующих излучений дозиметры на счетчиках общего применения часто снабжают двумя параллельно работающими счетчиками. Один более чувствителен к α и β излучениям, а второй к γ-лучам. Такая схема применения двух счетчиков реализована в дозиметре RADEX RD1008 и в дозиметре-радиометре РАДЭКС МКС-1009 , в котором установлены счетчик БЕТА-2 и БЕТА-2М . Иногда между счетчиками помещают брусок или пластину из сплава, в котором есть примесь кадмия. При попадании нейтронов в такой брусок возникает γ-излучение, которое и регистрируется. Это делается для получения возможности определять нейтронное излучение, к которому простые счетчики Гейгера практически нечувствительны. Еще один способ - покрытие корпуса (катода) примесями, способными придавать чувствительность к нейтронам.
Галогены (хлор, бром) к газу подмешивают для быстрого самогашения разряда. Той же цели служат и пары спирта, хотя спирт в таком случае недолговечен (это вообще особенность спирта) и «протрезвевший» счетчик постоянно начинает «звенеть», то есть, не может работать в предусмотренном режиме. Это происходит где-то после регистрации 1e9 импульсов (миллиарда) что не так уж и много. Счетчики с галогенами намного долговечнее.
Параметры и режимы работы счетчиков Гейгера
Чувствительность счетчиков Гейгера.
Чувствительность счетчика оценивается отношением числа микрорентген от образцового источника к числу вызываемых этим излучением импульсов. Поскольку счетчики Гейгера не предназначены для измерения энергии частиц, точная оценка затруднительна. Счетчики калибруют по образцовым изотопным источникам. Необходимо отметить, что данный параметр у разных типов счетчиков может сильно отличаться, ниже приведены параметры самых распространённых счетчиков Гейгера-Мюллера:
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 - 160 ÷ 240 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 - 96 ÷ 144 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-20 - 60 ÷ 75 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-21 - 6,5 ÷ 9,5 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-10 - 9,6 ÷ 10,8 имп / мкР
Площадь входного окна или рабочая зона
Площадь датчика радиации, через которую пролетают радиоактивные частицы. Данная характеристика напрямо связана с габаритами датчика. Чем больше площадь, тем больше частиц уловит счетчик Гейгера-Мюллера. Обычно данный параметр указывается в квадратных сантиметрах.
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 - 13,8 см 2
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 - 7 см 2
Это напряжение соответствует приблизительно середине рабочей характеристики. Рабочая характеристика составляет плоскую часть зависимости числа регистрируемых импульсов от напряжения, поэтому ее еще называют «плато». В этой точке достигается наибольшая скорость работы (верхний предел измерений). Типичное значение 400 В.
Ширина рабочей характеристики счетчика.
Это разность между напряжением искрового пробоя и напряжением выхода на плоскую часть характеристики. Типичное значение 100 В.
Наклон рабочей характеристики счетчика.
Наклон измеряется в процентах от числа импульсов на вольт. Он характеризует статистическую погрешность измерений (подсчета числа импульсов). Типичное значение 0.15%.
Допустимая температура эксплуатации счетчика.
Для счетчиков общего применения -50 … +70 градусов Цельсия. Это весьма важный параметр, если счетчик работает в камерах, каналах, и других местах сложного оборудования: ускорителей, реакторов и т.п.
Рабочий ресурс счетчика.
Общее число импульсов, которое счетчик регистрирует до того момента, когда его показания начнут становиться неверными. Для приборов с органическими добавками самогашения, как правило, составляет число 1e9 (десять в девятой степени, или один миллиард). Ресурс считается только в том случае, если к счетчику приложено рабочее напряжение. Если счетчик просто хранится, этот ресурс не расходуется.
Мертвое время счетчика.
Это время (время восстановления), в течение которого счетчик проводит ток после срабатывания от пролетевшей частицы. Существование такого времени означает, что для частоты импульсов есть верхний предел, и это ограничивает диапазон измерений. Типичное значение 1e-4 с, то есть десять микросекунд.
Нужно отметить, что благодаря мертвому времени, датчик может оказаться «зашкаленным» и молчать в самый опасный момент (например, самопроизвольной цепной реакции на производстве). Такие случаи бывали, и для борьбы с ними применяют свинцовые экраны, закрывающие часть датчиков аварийных систем сигнализации.
Собственный фон счетчика.
Измеряется в свинцовых камерах с толстыми стенками для оценки качества счетчиков. Типичное значение 1 … 2 импульса в минуту.
Практическое применение счетчиков Гейгера
Советская и теперь российская промышленность выпускает много типов счетчиков Гейгера-Мюллера. Вот несколько распространенных марок: СТС-6, СБМ-20, СИ-1Г, СИ21Г, СИ22Г, СИ34Г, счетчики серии «Гамма», торцевые счетчики серии «Бета » и есть еще множество других. Все они применяются для контроля и измерений радиации: на объектах ядерной промышленности, в научных и учебных учреждениях, в гражданской обороне, медицине, и даже быту. После чернобыльской аварии, бытовые дозиметры , ранее неизвестные населению даже по названию, стали очень популярными. Появилось много марок бытовых дозиметров. Все они используют именно счетчик Гейгера-Мюллера в качестве датчика радиации. В бытовых дозиметрах устанавливают от одного до двух трубок или торцевых счетчиков.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ВЕЛИЧИН
Долгое время была распространена единица измерения Р (рентген). Однако, при переходе к системе СИ появляются другие единицы. Рентген - это единица экспозиционной дозы, «количество радиации», которое выражается числом образовавшихся ионов в сухом воздухе. При дозе в 1 Р в 1 см3 воздуха образуется 2.082e9 пар ионов (что соответствует 1 единице заряда СГСЭ). В системе СИ экспозиционную дозу выражают в кулонах на килограмм, а с рентгеном это связано уравнением:
1 Кл/кг = 3876 Р
Поглощенная доза излучения измеряется в джоулях на килограмм и называется Грей. Это взамен устаревшей единицы рад. Мощность поглощенной дозы измеряется в греях в секунду. Мощность экспозиционной дозы (МЭД) раньше измерявшаяся в рентгенах в секунду, теперь измеряется в амперах на килограмм. Эквивалентная доза излучения, при которой поглощенная доза составляет 1 Гр (грей) и коэффициент качества излучения 1, называется Зиверт. Бэр (биологический эквивалент рентгена) - это сотая часть зиверта, в настоящее время уже считается устаревшей. Тем не менее, и сегодня очень активно применяются все устаревшие единицы.
Главными понятиями в радиационных измерениях считаются доза и мощность. Доза - это число элементарных зарядов в процессе ионизации вещества, а мощность - это скорость образования дозы за единицу времени. А уж в каких единицах это выражается, это дело вкуса и удобства.
Даже минимальная доза опасна в смысле отдаленных последствий для организма. Расчет опасности достаточно прост. Например, ваш дозиметр показывает 300 миллирентген в час. Если вы останетесь в этом месте на сутки, вы получите дозу 24*0.3 = 7.2 рентген. Это опасно и нужно как можно скорее уходить отсюда. Вообще, обнаружив даже слабую радиацию надо уходить от нее и проверять ее даже на расстоянии. Если она «идет за вами», вас можно «поздравить», вы попали под нейтроны. А не каждый дозиметр может на них отреагировать.
Для источников радиации используют величину, характеризующую число распадов за единицу времени, ее называют активностью и измеряют также множеством различных единиц: кюри, беккерель, резерфорд и некоторыми другими. Величина активности, замеренная дважды с достаточным разносом по времени, если она убывает, позволяет рассчитать время, по закону радиоактивного распада, когда источник станет достаточно безопасным.
С помощью современного счетчика Гейгера можно измерить уровень радиации строительных материалов, земельного участка или квартиры, а также продуктов питания. Он демонстрирует практически стопроцентную вероятность заряженной частицы, ведь для ее фиксирования достаточно всего одной пары электрон-ион.
Технология, на основе которой создан современный дозиметр на базе счетчика Гейгера-Мюллера, позволяет получать результаты высокой точности за очень короткий промежуток времени. На измерение требуется не больше 60 секунд, а вся информация выводится в графическом и числовом виде на экране дозиметра.
Настройка прибора
У прибора есть возможность настройки порогового значения, когда он превышен, издается звуковой сигнал, предупреждающий вас об опасности. Выберите одно из заданных значений порога в соответствующем разделе настроек. Звуковой сигнал также можно отключить. Перед проведением измерений рекомендуют провести индивидуальную настройку прибора, выбрать яркость дисплея, параметры звукового сигнала и элементов питания.
Порядок выполнения измерений
Выберите режим «Измерение», при этом прибор начинает оценку радиоактивной обстановки. Примерно через 60 секунд на его дисплее появляется результат измерений, после чего начинается следующий цикл анализа. Для того чтобы получить точный результат, рекомендуют провести не менее 5 циклов измерений. Увеличение числа наблюдений дает более достоверные показания.
Чтобы измерить радиационный фон предметов, например стройматериалов или пищевых продуктов, нужно включить режим «Измерение» на расстоянии нескольких метров от объекта, затем поднести прибор к предмету и измерить фон максимально близко к нему. Сравните показания прибора с данными, полученными на расстоянии нескольких метров от предмета. Разница между этими показаниями - это дополнительный радиационный фон исследуемого объекта.
Если результаты измерений превышают естественный фон, характерный для той местности, в которой вы находитесь, это свидетельствует о радиационном загрязнении исследуемого объекта. Для оценки загрязнения жидкости рекомендуют проводить измерения над ее открытой поверхностью. Чтобы защитить прибор от влаги, его нужно обернуть полиэтиленовой пленкой, но не более чем в один слой. Если дозиметр длительное время находился при температуре ниже 0оС, перед проведением измерений его необходимо выдержать при комнатной температуре в течение 2 часов.
В связи с экологическими последствиями деятельности человека, связанной с атомной энергетикой, а также промышленностью (в том числе военной), использующую радиоактивные вещества как компонент или основу своей продукции изучение основ радиационной безопасности и радиационной дозиметрии становится сегодня достаточно актуальной темой. Помимо природных источников ионизирующего излучения с каждым годом все больше и больше появляется мест, загрязненных радиацией впоследствии человеческой деятельности. Таким образом, чтобы сохранить свое здоровье и здоровье своих близких необходимо знать степень зараженности той или иной местности или предметов и пищи. В этом может помочь дозиметр – прибор для измерения эффективной дозы или мощности ионизирующего излучения за некоторый промежуток времени.
Прежде чем приступать к изготовлению (или же покупке) данного устройства необходимо иметь представление о природе измеряемого параметра. Ионизирующее излучение (радиация) – это потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество. Разделяется на несколько видов. Альфа-излучение представляет собой поток альфа частиц – ядер гелия-4, альфа-частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде, могут быть легко остановлены листом бумаги, поэтому опасность представляет в основном при попадании внутрь организма. Бета-излучение – это поток электронов, возникающих при бета-распаде, для защиты от бета-частиц энергией до 1 МэВ достаточно алюминиевой пластины толщиной в несколько миллиметров. Гамма-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, поскольку состоит из высокоэнергичных фотонов, не обладающих зарядом, для защиты эффективны тяжелые элементы (свинец и т.п.) слоем в несколько сантиметров. Проникающая способность всех видов ионизирующего излучения зависит от энергии.
Для регистрации ионизирующего излучения в основном используются счетчики Гейгера-Мюллера. Это простое и эффективное устройство обычно представляет собой цилиндр металлический или стеклянный металлизированный изнутри и тонкой металлической нити, натянутой по оси этого цилиндра, сам цилиндр наполняется разреженным газом. Принцип работы основан на ударной ионизации. При попадании на стенки счетчика ионизирующего излучения выбивают из него электроны, электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, приводящая к размножению первичных носителей. При достаточно большой напряженности поля энергии этих ионов становится достаточной, чтобы порождать вторичные лавины, способные поддерживать самостоятельный разряд, в результате чего ток через счетчик резко возрастает.
Не все счетчики Гейгера могут регистрировать все виды ионизирующего излучения. В основном они чувствительны к одному излучению – альфа, бета или гамма-излучению, но часто так же в некоторой степени могут регистрировать и другое излучение. Так, например, счетчик Гейгера СИ-8Б предназначен для регистрации мягкого бета-излучения (да, в зависимости от энергии частиц излучение может разделяться на мягкое и жесткое), однако данный датчик так же в некоторой степени чувствителен к альфа-излучению и к гамма-излучению.
Однако, приближаясь все-таки к конструкции статьи, наша задача сделать максимально простой, естественно портативный, счетчик Гейгера или вернее сказать дозиметр. Для изготовления этого устройства мне удалось раздобыть только СБМ-20. Этот счетчик Гейгера предназначен для регистрации жесткого бета- и гамма излучения. Как и большинство других счетчиков, СБМ-20 работает при напряжении 400 вольт.
Основные характеристики счетчика Гейгера-Мюллера СБМ-20 (таблица из справочника):
Данный счетчик обладает относительно невысокими показателями точности измерения ионизирующего излучения, но достаточными для определения превышения допустимой для человека дозы излучения. СБМ-20 применяется во многих бытовых дозиметрах в настоящее время. Для улучшения показателей часто используется сразу несколько трубок. А для увеличения точности измерения гамма-излучения дозиметры оснащаются фильтрами бета-излучения, в этом случае дозиметр регистрирует только гамма-излучение, но зато достаточно точно.
При измерении дозы радиации необходимо учитывать некоторые факторы, которые могут быть важны. Даже при полном отсутствии источников ионизирующего излучения счетчик Гейгера будет давать некоторое количество импульсов. Это так называемый собственный фон счетчика. Сюда так же относится несколько факторов: радиоактивное загрязнение материалов самого счетчика, спонтанная эмиссия электронов из катода счетчика и космическое излучение. Все это дает некоторое количество «лишних» импульсов в единицу времени.
Итак, схема простого дозиметра на основе счетчика Гейгера СБМ-20:
Схему собираю на макетной плате:
Схема не содержит дефицитных деталей (кроме, естественно, самого счетчика) и не содержит программируемых элементов (микроконтроллеров), что позволит собрать схему в течении короткого времени без особого труда. Однако такой дозиметр не содержит шкалы, и определять дозу радиации необходимо на слух по количеству щелчков. Такой вот классический вариант. Схема состоит из преобразователя напряжения 9 вольт – 400 вольт.
На микросхеме NE555 выполнен мультивибратор, частота работы которого составляет примерно 14 кГц. Для увеличения частоты работы можно уменьшить номинал резистора R1 примерно до 2,7 кОм. Это будет полезно, если выбранный вами дроссель (а может и изготовленный) будет издавать писк – при увеличении частоты работы писк исчезнет. Дроссель L1 необходим номиналом 1000 – 4000 мкГн. Быстрее всего можно найти подходящий дроссель в сгоревшей энергосберегающей лампочке. Такой дроссель и применен в схеме, на фото выше он намотан на сердечнике, которые обычно используют для изготовления импульсных трансформаторов. Транзистор T1 можно использовать любой другой полевой n-канальный с напряжением сток-исток не менее 400 вольт, а лучше больше. Такой преобразователь даст всего несколько миллиампер тока при напряжении 400 вольт, но для работы счетчика Гейгера этого хватит с головой несколько раз. После отключения питания от схемы на заряженном конденсаторе C3 схема будет работать еще примерно секунд 20-30, учитывая его небольшую емкость. Супрессор VD2 ограничивает напряжение на уровне 400 вольт. Конденсатор C3 необходимо использовать на напряжение не менее 400 - 450 вольт.
В качестве Ls1 можно использовать любой пьезодинамик или динамик. При отсутствии ионизирующего излучения ток через резисторы R2 – R4 не протекает (на фото на макетной плате пять резисторов, но общее их сопротивление соответствует схеме). Как только на счетчик Гейгера попадет соответствующая частица внутри датчика происходит ионизация газа и его сопротивление резко уменьшается вследствие чего возникает импульс тока. Конденсатор С4 отсекает постоянную часть и пропускает на динамик только импульс тока. Слышим щелчок.
В моем случае в качестве источника питания используется две аккумуляторных батареи от старых телефонов (две, так как необходимое питание должно быть более 5,5 вольт для запуска работы схемы в силу примененной элементной базы).
Итак, схема работает, изредка пощелкивает. Теперь как это использовать. Самый простой вариант – это пощелкивает немного – все хорошо, щелкает часто или вообще непрерывно – плохо. Другой вариант – это примерно подсчитываем количество импульсов за минуту и переводим количество щелчков в мкР/ч. Для этого из справочника необходимо взять значение чувствительности счетчика Гейгера. Однако в разных источника всегда немного разные цифры. В идеальном случае необходимо провести лабораторные замеры для выбранного счетчика Гейгера с эталонными источниками излучения. Так для СБМ-20 значение чувствительности варьируется в пределах от 60 до 78 имп/мкР по разным источникам и справочникам. Так вот, подсчитали количество импульсов за одну минуту, далее это число умножаем на 60 для аппроксимации числа импульсов за один час и все это разделить на чувствительность датчика, то есть на 60 или 78 или что у вас ближе к действительности получается и в итоге получаем значение в мкР/ч. Для более достоверного значения необходимо сделать несколько замеров и посчитать между ними среднеарифметическое значение. Верхний предел безопасного уровня радиации составляет примерно 20 - 25 мкР/ч. Допустимый уровень составляет примерно до 50 мкР/ч. В разных странах цифры могут отличаться.
P.S. На рассмотрение этой темы меня подтолкнула статья о концентрации газа радон, проникающего в помещения, воду и т.д. в различных регионах страны и его источниках.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IC1 | Программируемый таймер и осциллятор | NE555 | 1 | В блокнот | ||
| T1 | MOSFET-транзистор | IRF710 | 1 | В блокнот | ||
| VD1 | Выпрямительный диод | 1N4007 | 1 | В блокнот | ||
| VD2 | Защитный диод | 1V5KE400CA | 1 | В блокнот | ||
| C1, C2 | Конденсатор | 10 нФ | 2 | В блокнот | ||
| C3 | Электролитический конденсатор | 2.7 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| C4 | Конденсатор | 100 нФ | 1 | 400В |
Счетчик Гейгера - Мюллера
Д ля определения уровня радиации применяется специальный прибор – . И для таких приборов бытового и большинства профессиональных устройств дозиметрического контроля, в качестве чувствительного элемента используется счетчик Гейгера . Это часть радиометра позволяет достаточно точно определить уровень радиации.
История появления счетчика Гейгера
В первые, устройство для определения интенсивности распада радиоактивных материалов появилось на свет в 1908 году, его изобрел немецкий физик Ганс Гейгер . Спустя двадцать лет, совместно с еще одним физиком Вальтером Мюллером прибор был усовершенствован, и в честь этих двух ученых и был назван.
В период развития и становления ядерной физики в бывшем советском союзе, также были созданы соответствующие устройства, которые широко применялись в вооруженных силах, на атомных электростанциях, и в специальных группах радиационного контроля гражданской обороны. В состав таких дозиметров, начиная с семидесятых годов прошлого века, входил счетчик, основанный на принципах Гейгера, а именно СБМ-20 . Данный счетчик, ровно, как и еще один его аналог СТС-5 , широко применяется и по настоящий момент, а также входит в состав современных средств дозиметрического контроля .
Рис.1. Газоразрядный счетчик СТС-5.
Рис.2. Газоразрядный счетчик СБМ-20.
Принцип работы счетчика Гейгера – Мюллера
И дея регистрации радиоактивных частиц предложенной Гейгером относительно проста. Она основана на принципе появления электрических импульсов в среде инертного газа под действием высокозаряженной радиоактивной частицы или кванта электромагнитных колебаний. Чтобы подробней остановиться на механизме действия счетчика, остановимся немного на его конструкции и процессах происходящих в нем, при прохождении радиоактивной частицы через чувствительный элемент прибора.
Р егистрирующее устройство представляет собой герметичный баллон или контейнер, который наполняется инертным газом, это может быть неон, аргон и т.д. Такой контейнер может быть изготовлен из металла или стекла, причем газ в нем находиться под низким давлением, это делается специально, чтобы упростить процесс регистрации заряженной частицы. Внутри контейнера расположены два электрода (катод и анод) на которые подается высокое напряжение постоянного тока через специальный нагрузочный резистор.
Рис.3. Устройство и схема включения счетчика Гейгера.
П ри активации счетчика в среде инертного газа на электродах не возникает разряда за счет высокого сопротивления среды, однако ситуация меняется если в камеру чувствительного элемента прибора попадает радиоактивная частица или квант электромагнитных колебаний. В этом случае частица, имеющая заряд достаточно высокой энергии, выбивает некоторое количество электронов из ближайшего окружения, т.е. из элементов корпуса или физически самих электродов. Такие электроны, оказавшись в среде инертного газа, под действием высокого напряжения между катодом и анодом, начинают двигаться в сторону анода, по пути ионизируя молекулы этого газа. В результате они выбивают из молекул газа вторичные электроны, и этот процесс растет в геометрических масштабах, пока между электродами не происходит пробой. В состоянии разряда цепь замыкается на очень короткий промежуток времени, а это обуславливает скачок тока в нагрузочном резисторе, и именно этот скачок и позволяет зарегистрировать прохождение частицы или кванта через регистрационную камеру.
Т акой механизм позволяет зарегистрировать одну частицу, однако в среде, где ионизирующее излучение достаточно интенсивно, требуется быстрое возвращение регистрационной камеры в исходное положение, для возможности определения новой радиоактивной частицы . Это достигается двумя различными способами. Первый из них заключается в том, чтобы на короткий промежуток времени прекратить подачу напряжения на электроды, в этом случае ионизация инертного газа резко прекращается, а новое включение испытательной камеры, позволяет начать регистрацию с самого начала. Такой тип счетчиков носит название несамогасящиеся дозиметры . Второй тип устройств, а именно самогасящиеся дозиметры, принцип их действия заключается в добавлении в среду инертного газа специальных добавок на основе различных элементов, к примеру, бром, йод, хлор или спирт. В этом случае их присутствие автоматически приводит к прекращению разряда. При таком строении испытательной камеры в качестве нагрузочного резистора используются сопротивления иногда на несколько десятков мегаом. Это позволяет во время разряда резко уменьшить разность потенциалов на концах катода и анода, что прекращает токопроводящий процесс и камера возвращается в исходное состояние. Стоит отметить, что напряжение на электродах менее 300 вольт автоматически прекращает поддержание разряда.
Весь описанный механизм позволяет регистрировать огромное количество радиоактивных частиц за короткий промежуток времени.
Виды радиоактивного излучения
Ч тобы понимать, что именно регистрируют счетчики Гейгера – Мюллера , стоит остановиться на том, и какие виды ее существуют. Сразу стоит оговориться, что газоразрядные счетчики, которые входят в состав большинства современных дозиметров, способны только зарегистрировать количество радиоактивных заряженных частиц или квантов, но не могут определить, ни их энергетических характеристик, ни тип излучения. Для этого дозиметры делают более многофункциональными и целевыми, и чтобы правильно их сравнивать следует более точно понимать их возможности.
П о современным представлениям ядерной физики радиационное излучение можно разделить на два типа, первый в виде электромагнитного поля , второй в виде потока частиц (корпускулярное излучение). К первому типу можно отнести поток гамма-частиц или рентгеновское излучение . Главной их особенностью является способность распространяться в виде волны на очень большие расстояния, при этом они достаточно легко проходят через различные предметы и могут без труда проникать в самые различные материалы. Для примера, если человеку нужно спрятаться от потока гамма-лучей, вследствие ядерного взрыва, то укрывшись в подвале дома или бомбоубежища, при условии его относительной герметичности, он сможет обезопасить себя от этого типа излучения только на 50 процентов.
Рис.4. Кванты рентгеновского и гамма-излучения.
Т акой тип излучения носит импульсный характер и характеризуется распространением в окружающей среде в виде фотонов или квантов, т.е. коротких вспышек электромагнитного излучения. Такое излучение может иметь различные энергетические и частотные характеристики, к примеру, рентгеновское излучение имеет в тысячи раз меньшую частоту, чем гамма–лучи. Поэтому гамма-лучи существенно более опасны для человеческого организма и их воздействие носит значительно более разрушительный характер.
И злучение, основанное на корпускулярном принципе, это альфа и бета частицы (корпускулы). Они возникают в результате ядерной реакции, при которой происходит превращение одних радиоактивных изотопов в другие с выделением колоссального количества энергии. При этом бета-частицы представляют собой поток электронов, а альфа-частицы, существенно более крупные и более устойчивые образования, состоящие из двух нейтронов и двух протонов связанных друг с другом. По сути, такое строение имеет ядро атома гелия, поэтому вполне можно утверждать, что поток альфа-частиц это поток ядер гелия.
П ринята следующая классификация , наименьшей проникающей способностью обладают альфа-частицы, чтобы от них защититься, человеку достаточно и плотного картона, большей проникающей способностью обладают бета-частицы, чтобы человек мог обезопасить себя от потока такого излучения ему потребуется уже металлическая защита в несколько миллиметров толщиной (к примеру, алюминиевый лист). От гамма - квантов практически не существует защиты, и они распространяются на значительные расстояния, затухая по мере отдаления от эпицентра или источника, и подчиняясь законам распространения электромагнитных волн.
Рис.5. Радиоактивные частицы альфа и бета типа.
К оличество энергии, которой обладают все эти три типа излучения, также различны, и наибольшей из них обладает поток альфа частиц. Для примера, энергия, которой обладают альфа частицы в семь тысяч раз больше, чем энергия бета-частиц , т.е. проникающая способность различных типов радиации, находится в обратно пропорциональной зависимости от их проникающей способности.
Д ля человеческого организма наиболее опасным типом радиоактивного излучения считаются гамма кванты , за счет высокой проникающей способности, а затем по убывающей, бета-частицы и альфа-частицы. Поэтому, определить альфа-частицы достаточно трудно, если сказать невозможно обычным счетчиком Гейгера - Мюллера , так как для них является препятствием практически любой объект, не говоря уже о стеклянном или металлическом контейнере. Определить бета-частицы таким счетчиком можно, но лишь в том случае, когда их энергии достаточно для прохождения через материал контейнера счетчика.
Для бета-частиц с малыми энергиями обычный счетчик Гейгера – Мюллера неэффективен.
О братная ситуация с гамма-излучением, есть вероятность, что они насквозь пройдут через контейнер, не запустив реакцию ионизации. Для этого в счетчиках устанавливают специальный экран (из плотной стали или свинца), который позволяет снизить энергию гамма-квантов и активировать, таким образом, разряд в камере счетчика.
Базовые характеристики и отличия счетчиков Гейгера – Мюллера
С тоит также осветить некоторые базовые характеристики и отличия различных дозиметров, оборудованных газоразрядными счетчиками Гейгера – Мюллера . Для этого следует сравнить некоторые из них.
Наиболее распространенные счетчики Гейгера – Мюллера оборудованы цилиндрическими или торцевыми датчиками . Цилиндрические похожи на продолговатый цилиндр в виде трубки с небольшим радиусом. Торцевая ионизационная камера имеет округлую или прямоугольную форму небольших размеров, но со значительной торцевой рабочей поверхностью. Иногда встречаются разновидности торцевых камер с удлиненной цилиндрической трубкой с небольшим входным окном с торцевой стороны. Различные конфигурации счетчиков, а именно самих камер, в состоянии регистрировать разные типы излучений, или же их комбинации, (к примеру, комбинации гамма и бета лучей, или всего спектра альфа, бета и гамма). Такое становится возможным благодаря специально разработанной конструкции корпуса счетчика, а также материала, из которого он изготавливается.
Е ще одной важной составляющей для целевого применения счетчиков это площадь входного чувствительного элемента и рабочей зоны . Другими словами это сектор, через который будут попадать, и регистрироваться интересующие нас радиоактивные частицы. Чем больше эта площадь, тем больше счетчик будет в состоянии уловить частиц, и тем сильнее будет его чувствительность к радиации. В паспортных данных к указывается площадь рабочей поверхности, как правило, в квадратных сантиметрах.
Е ще один важный показатель, который указывается в характеристиках к дозиметру, это величина шума (измеряется в импульсах в секунду). Другими словами, этот показатель можно назвать величиной собственного фона. Его можно определить в лабораторных условиях, для этого прибор помещают в хорошо защищенном помещении или камере, как правило, с толстыми стенками из свинца, и регистрируют уровень радиации, который испускает само устройство. Понятно, что если такой уровень будет достаточно существенным, то эти наведенные шумы непосредственно отразятся на погрешности измерений.
Каждый профессиональный и радиации обладает такой характеристикой, как радиационная чувствительность, также измеряется в импульсах в секунду (имп/с), или в импульсах на микрорентген (имп/мкР). Такой параметр, а точнее его использование, напрямую зависит от источника ионизирующего излучения, на который настраивается счетчик, и по которому будет проводиться дальнейшее измерение. Часто настройку производят по источникам, включающим такие радиоактивные материалы как, радий – 226, кобальт – 60, цезий – 137, углерод – 14 и другие.
Е ще один показатель, по которому стоит сравнивать дозиметры, это эффективность регистрации ионного излучения или радиоактивных частиц. Существование этого критерия связано с тем, что не все пройденные через чувствительный элемент дозиметра радиоактивные частицы будут зарегистрированы. Это может происходить в случае, когда квант гамма-излучения не вызвал ионизацию в камере счетчика, или количество прошедших частиц и вызвавших ионизацию и разряд столь велико, что устройство неадекватно их подсчитывает, и по некоторым другим причинам. Чтобы точно определить данную характеристику конкретного дозиметра, его тестируют при помощи некоторых радиоактивных источников, к примеру, плутония- 239 (для альфа-частиц), или таллия – 204, стронция – 90, иттрия - 90 (бета-излучатель), а также других радиоактивных материалов.
С ледующий критерий, на котором необходимо остановиться, это диапазон регистрируемых энергий . Любая радиоактивная частица или квант излучения обладают различной энергетической характеристикой. Поэтому, дозиметры рассчитаны на измерение не только конкретного типа излучения, но и на их соответствующую энергетическую характеристику. Такой показатель измеряется в мегаэлектронвольтах или килоэлектронвольтах, (МэВ, КэВ). К примеру, если бета-частицы не обладают достаточной энергией, то они не смогут выбить электрон в камере счетчика, и поэтому не будут зарегистрированы, или, только высокоэнергетические альфа-частицы смогут пробиться через материал корпуса счетчика Гейгера – Мюллера и выбить электрон.
И сходя из всего вышеизложенного, современные производители дозиметров радиации выпускают широкий ассортимент приборов для различных целевых назначений и конкретных отраслей промышленности. Поэтому стоит рассмотреть конкретные разновидности счетчиков Гейгера.
Различные варианты счетчиков Гейгера – Мюллера
П ервый вариант дозиметров, это устройства, рассчитанные на регистрацию и обнаружение гамма-фотонов и высокочастотного (жесткого) бета-излучения. На данный диапазон измерений рассчитаны практически все из ранее произведенных и современных, как бытовых например: , так и профессиональных дозиметров радиации, например: . Такое излучение обладает достаточной энергией и большой проникающей способностью, чтобы камера счетчика Гейгера смогла их зарегистрировать. Такие частицы и фотоны легко проникают через стенки счетчика и вызывают процесс ионизации, а это легко регистрируется соответствующей электронной начинкой дозиметра.
Д ля регистрации такого типа радиации прекрасно подходят популярные счетчики типа СБМ-20 , имеющие датчик в виде цилиндрической трубки-баллона с расположенными коаксиально проволочными катодом и анодом. Причем, стенки трубки датчика служат одновременно катодом и корпусом, и изготовлены из нержавеющей стали. Данный счетчик имеет следующие характеристики:
- площадь рабочей зоны чувствительного элемента 8 квадратных сантиметров;
- радиационная чувствительность по гамма излучению порядка 280 имп/с, или 70 имп/мкР (тестирование проводилось по цезию – 137 при 4 мкР/с);
- собственный фон дозиметра составляет порядка 1 имп/с;
- датчик рассчитан на регистрацию гамма-излучения с энергией в диапазоне от 0,05МэВ до 3МэВ, и бета-частиц с энергией 0,3МэВ по нижней границе.
Рис.6. Устройство счетчика Гейгера СБМ-20.
У данного счетчика существовали различные модификации, к примеру, СБМ-20- 1 или СБМ-20У , которые имеют похожие характеристики, но отличаются принципиальной конструкцией контактных элементов и измерительной схемой. Другие модификации этого счетчика Гейгера – Мюллера, а это СБМ-10, СИ29БГ, СБМ-19, СБМ-21, СИ24БГ имеют похожие параметры также, многие из них встречаются в бытовых дозиметрах радиации, которые можно найти в магазинах и на сегодняшний день.
С ледующая группа дозиметров радиации рассчитана на регистрацию гамма-фотонов и рентгеновского излучения . Если говорить о точности таких устройств, то следует понимать, что фотонное и гамма излучение представляет собой кванты электромагнитного излучения, которые движутся со скоростью света (порядка 300 000 км/с), поэтому зарегистрировать подобный объект представляется достаточно трудной задачей.
Эффективность работы таких счетчиков Гейгера составляет порядка одного процента.
Ч тобы повысить ее требуется увеличение поверхности катода. По сути, гамма-кванты регистрируются косвенным способом, благодаря выбитым ими электронам, которые участвуют в последствие в ионизации инертного газа. Чтобы максимально эффективно способствовать этому явлению, специально подбираются материал и толщина стенок камеры счетчика, а также размеры, толщина и материал катода. Здесь, большая толщина и плотность материала могут снизить чувствительность регистрационной камеры, а слишком малая позволит легко попадать высокочастотному бета-излучению в камеру, а также увеличит количество естественных для прибора радиационных шумов, что заглушит точность определения гамма-квантов. Естественно, что точные пропорции подбираются производителями. По сути, на данном принципе, изготавливаются дозиметры на основании счетчиков Гейгера – Мюллера для прямого определения гамма излучения на местности, при этом такой прибор исключает возможность определения любых других видов излучения и радиоактивного воздействия, что позволяет точно определить радиационную загрязненность и уровень негативного воздействия на человека только по гамма-излучению.
В отечественных дозиметрах, которые оснащены цилиндрическими датчиками, устанавливаются следующие их типы: СИ22Г, СИ21Г, СИ34Г, Гамма 1-1, Гамма – 4, Гамма – 5, Гамма – 7ц, Гамма – 8, Гамма – 11 и многие другие. Причем в некоторых типах устанавливается специальный фильтр на входном, торцевом, чувствительном окне, который специально служит для отсечения альфа и бета-частиц, и дополнительно увеличивающий площадь катода, для более эффективного определения гамма-квантов. К таким датчикам можно отнести Бета – 1М, Бета – 2М, Бета – 5М, Гамма – 6, Бета – 6М и прочие.
Ч тобы понять более наглядно принцип их действия стоит подробней рассмотреть один из таких счетчиков. К примеру, торцевой счетчик с датчиком Бета – 2М , который имеет округлую форму рабочего окна, составляющего порядка 14 квадратных сантиметров. При этом радиационная чувствительность к кобальту - 60 составляет порядка 240 имп/мкР. Данный тип счетчика имеет очень низкие показатели собственного шума , который составляет не более 1 импульса в секунду. Это возможно за счет толстостенной свинцовой камеры, которая в свою очередь рассчитана на регистрацию фотонного излучения с энергией в диапазоне от 0,05 МэВ до 3 МэВ.
Рис.7. Торцевой гамма-счетчик Бета-2М.
Для определения гамма излучения вполне можно использовать счетчики для гамма-бета импульсов, которые рассчитаны на регистрацию жестких (высокочастотных и высокоэнергетических) бета-частиц и гамма-квантов. К примеру, модель СБМ – 20. Если в этой модели дозиметра вы хотите исключить регистрацию бета-частиц, то для этого достаточно установить свинцовый экран, или щит из любого другого металлического материала (свинцовый экран эффективнее). Это наиболее распространенный способ, каким пользуются большинство разработчиков при создании счетчиков для гамма и рентгеновского излучения.
Регистрация «мягкого» бета-излучения.
К ак мы уже ранее упоминали, регистрация мягкого бета излучения (излучение с низкими энергетическими характеристиками и сравнительно небольшой частоты), достаточно трудная задача. Для этого требуется обеспечить возможность более легкого их проникновения в регистрационную камеру. Для этих целей, изготавливается специальное тонкое рабочее окно, как правило, из слюды или полимерной пленки, которое практически не создает препятствий для проникновения бета-излучения этого типа в ионизационную камеру. При этом катодом может выступать непосредственно сам корпус датчика, а анод представляет собой систему линейных электродов, которые равномерно распределены и смонтированы на изоляторах. Регистрационное окно выполнено в торцевом варианте, и на пути бета-частиц в таком случае оказывается только тонкая слюдяная пленка. В дозиметрах с такими счетчиками регистрация гамма излучения идет, как приложение и по сути, как дополнительная возможность. А если требуется избавиться от регистрации гамма-квантов, то необходимо минимизировать поверхность катода.
Рис.8. Устройство торцевого счетчика Гейгера.
С тоит отметить, что счетчики для определения мягких бета-частиц были созданы уже достаточно давно и с успехом применялись во второй половине прошлого века. Среди них наиболее распространенными были датчики типа СБТ10 и СИ8Б , которые имели тонкостенные слюдяные рабочие окна. Более современный вариант такого прибора Бета-5 имеет площадь рабочего окна порядка 37 кв/см, прямоугольной формы из слюдяного материала. Для таких размеров чувствительного элемента, прибор в состоянии регистрировать около 500 имп/мкР, если измерять по кобальту – 60. При этом эффективность определения частиц составляет до 80 процентов. Прочие показатели этого прибора выглядят следующим образом: собственный шум составляет 2,2 имп/с., диапазон определения энергий от 0,05 до 3 МэВ, при этом нижний порог определения мягкого бета-излучения составляет 0,1 МэВ.
Рис.9. Торцевой бета-гамма-счетчик Бета-5.
И естественно, стоит упомянуть о счетчиках Гейгера – Мюллера , способных регистрировать альфа-частицы. Если регистрация мягкого бета-излучения представляется достаточно сложной задачей, то зафиксировать альфа-частицу, даже имеющую высокие энергетические показатели, еще более сложная задача. Такую проблему можно решить только соответствующим уменьшением толщины рабочего окна до толщины, которой будет достаточно для прохождения альфа-частицы в регистрационную камеру датчика, а также практически полным приближением входного окна к источнику излучения альфа-частиц. Такое расстояние должно равняться 1 мм. Понятно, что такое устройство автоматически будет регистрировать любые другие типы излучения, и, причем с достаточно высокой эффективностью. В этом есть и положительная и отрицательная сторона:
Положительная – такой прибор можно использовать для самого широкого спектра анализа радиоактивного излучения
Отрицательная – за счет повышенной чувствительности, будет возникать значительное количество шумов, которые затруднят анализ полученных регистрационных данных.
К роме того, слишком тонкое слюдяное рабочее окно хотя и повышает возможности счетчика, однако в ущерб механической прочности и герметичности ионизационной камеры, тем более что само окно имеет достаточно большую площадь рабочей поверхности. Для сравнения, в счетчиках СБТ10 и СИ8Б, о которых мы упоминали выше, при площади рабочего окна около 30 кв/см, толщина слюдяного слоя составляет 13 – 17 мкм, а при необходимой толщине для регистрации альфа-частиц в 4-5 мкм, входное окно можно сделать лишь не более 0,2 кв/см., речь идет о счетчике СБТ9.
О днако, большую толщину регистрационного рабочего окна можно компенсировать близостью к радиоактивному объекту, и наоборот при сравнительно небольшой толщине слюдяного окна, появляется возможность зарегистрировать альфа-частицу на уже большем расстоянии, чем 1 -2 мм. Стоит привести пример, при толщине окна до 15 мкм, приближение к источнику альфа-излучения должно составлять менее 2 мм, при этом под источником альфа-частиц понимается излучатель плутоний – 239 с энергией излучения 5 МэВ. Продолжим, при толщине входного окна до 10 мкм, зарегистрировать альфа-частицы возможно уже на расстоянии до 13 мм, если сделать слюдяное окно толщиной до 5 мкм, то альфа-излучение будет регистрироваться на расстоянии 24 мм, и т.д. Еще один важный параметр, который напрямую влияет на возможность обнаружения альфа-частиц, это их энергетический показатель. Если энергия альфа-частицы больше чем 5 МэВ, то соответственно увеличиться расстояние ее регистрации для толщины рабочего окна любого типа, а если энергия меньше, то и расстояние требуется уменьшать, вплоть до полной невозможности зарегистрировать мягкое альфа-излучение.
Е ще одним важным моментом, позволяющим увеличить чувствительность альфа счетчика, это уменьшение регистрационной способности для гамма-излучения. Чтобы сделать это, достаточно минимизировать геометрические размеры катода, и гамма-фотоны будут проходить через регистрационную камеру не вызывая ионизации. Такая мера позволяет уменьшить влияние на ионизацию гамма-квантов в тысячи, и даже десятки тысяч раз. Устранить влияние бета-излучения на регистрационную камеру уже не представляется возможным, однако из этой ситуации есть довольно простой выход. Вначале регистрируется альфа и бета излучение суммарного типа, затем устанавливается фильтр из плотной бумаги, и совершается повторный замер, который зарегистрирует только бета-частицы. Величина альфа-излучения в этом случае рассчитывается как разность общего излучения и отдельного показателя расчета бета-излучения.
Для примера , стоит предложить характеристики современного счетчика Бета-1, который позволяет зарегистрировать альфа, бета, гамма излучения. Вот эти показатели:
- площадь рабочей зоны чувствительного элемента 7 кв/см;
- толщина слюдяного слоя 12 мкм, (расстояние эффективного обнаружения альфа-частиц по плутонию – 239, порядка 9 мм,. По кобальту - 60 радиационная чувствительность достигается порядка 144 имп/мкР);
- эффективность измерения радиации для альфа-частиц - 20% (по плутонию - 239), бета-частиц – 45% (по таллию -204), и гамма-квантов – 60% (по составу стронций – 90, иттрий – 90);
- собственный фон дозиметра составляет порядка 0,6 имп/с;
- датчик рассчитан на регистрацию гамма-излучения с энергией в диапазоне от 0,05МэВ до 3МэВ, и бета-частиц с энергией более 0,1 МэВ по нижней границе, и альфа-частиц с энергией 5МэВ и более.
Рис.10. Торцевой альфа-бета-гамма-счетчик Бета-1.
К онечно, существует еще достаточно широкий ряд счетчиков , которые предназначены для более узкого и профессионального использования. Такие приборы имеют ряд дополнительных настроек и опций (электрические, механические, радиометрические, климатические и пр.), которые включают в себя множество специальных терминов и возможностей. Однако на них мы концентрироваться не будем. Ведь для понимания базовых принципов действия счетчиков Гейгера – Мюллера , описанных выше моделей вполне достаточно.
В ажно также упомянуть, что существуют специальные подклассы счетчиков Гейгера , которые специально сконструированы для определения различных видов другого излучения. К примеру, для определения величины ультрафиолетового излучения, для регистрации и определения медленных нейтронов, которые функционируют по принципу коронного разряда, и другие варианты, которые не относятся к данной теме напрямую, и рассматриваться не будут.