Счётчик Гейгера

Счетчики Гейгера-Мюллера - самые  распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения. До сих пор им, изобретенным в самом начале нашего века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены.

В своей основе счетчик Гейгера  очень прост. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона. Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно».

Схема включения счетчика гейгера

К электродам прикладывают высокое напряжение U ( см рис.), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В этом состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации - след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют «по дороге» другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.

Обратный процесс - возвращение  газовой среды в ее исходное состояние  в так называемых галогеновых счетчиках - происходит само собой. В действие вступают галогены (обычно хлор или бром), в небольшом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие - «мертвое» время - является важной его паспортной характеристикой.

Такие счетчики называют галогеновыми самогасящимися. Отличаясь самым низким напряжением питания, превосходными параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались особенно удобными для применения в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.

Счетчики Гейгера способны реагировать  на самые разные виды ионизирующего излучения - a, b, g, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к a- и  
мягкому b-излучению, должно быть очень тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3...10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое b- и g-излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки 0,05....0,06 мм (он служит и катодом счетчика). Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового - из кварцевого стекла.

Зависимость скорости счета  от напряжения питания в счетчике Гейгера

В счетчик нейтронов вводят бор, при взаимодействии с которым  поток нейтронов преобразуется в легко регистрируемые a- частицы. Фотонное излучение - ультрафиолетовое, рентгеновское, g-излучение - счетчики Гейгера воспринимают опосредованно - через фотоэффект, комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом случае происходит преобразование взаимодействующего с веществом катода излучения в поток электронов.

Каждая фиксируемая счетчиком  частица вызывает появление в  его выходной цепи короткого импульса. Число импульсов, возникающих в единицу времени, - скорость счета счетчика Гейгера - зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Типичный график зависимости скорости счета от напряжения питания Uпит показан на рисунке выше. Здесь Uнс - напряжение начала счета; Uнг и Uвг - нижняя и верхняя граница рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение Uр обычно выбирают в середине этого участка. Ему соответствует Nр - скорость счета в этом режиме.

Зависимость скорости счета от уровня радиационного облучения счетчика - важнейшая его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому нередко радиационную чувствительность счетчика выражают через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета - имп/с - к уровню радиации - мкР/с). 

В тех случаях, когда она не указана (нередких, к сожалению), судить о радиационной чувствительности счетчика приходится по другому его тоже очень важному параметру - собственному фону. Так называют скорость счета, причиной которой являются две составляющие: внешняя - естественный радиационный фон, и внутренняя - излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода. («фон» в дозиметрии имеет почти тот же смысл, что и «шум» в радиоэлектронике; в обоих случаях речь идет о принципиально неустранимых воздействиях на аппаратуру.)

Зависимость скорости счета  от энергии гамма-квантов ("ход с жесткостью") в счетчике Гейгера

Еще одной важной характеристикой  счетчика Гейгера является зависимость  его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц. На профессиональном жаргоне график этой зависимости называют «ходом с  
жесткостью». В какой мере эта зависимость важна, показывает график на рисунке. «Ход с жесткостью» будет влиять, очевидно, на точность проводимых измерений.

Не обсуждая вопрос о том, нужна  ли высокая точность измерений бытовому радиометру, заметим, что подобные приборы промышленного изготовления отличаются от любительских только лишь коррекцией счетчика по жесткости. Для этого на счетчик надевают «рубашку» - пассивный фильтр, имеющий приблизительно обратную по отношению к счетчику жесткостную характеристику.

То, что счетчик Гейгера является лавинным прибором, имеет и свои минусы - по реакции такого прибора нельзя судить о первопричине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые счетчиком Гейгера под действием a-частиц, электронов, g-квантов (в счетчике, на все эти виды излучения реагирующем), ничем не различаются.  Сами частицы, их энергии совершенно исчезают в порождаемых ими  лавинах-близнецах. 

 
1 - рабочее напряжение, В;  
2 - плато - область малой зависимости скорости счета от напряжения питания, В; 
3 - собственный фон счетчика, имп/с, не более;  
4 - радиационная чувствительность счетчика, имп/мкР (* - по кобальту-60); 
5 - амплитуда выходного импульса, В, не менее;  
6 - габариты, мм - диаметр х длина (длина х ширина х высота);  
7.1 - жесткое b - и g - излучение;  
7.2 - то же и мягкое b - излучение;  
7.3 - то же и a - излучение;  
7.4 - g - излучение. 

В таблице приведены сведения о  самогасящихся галогеновых счетчиках Гейгера отечественного производства, наиболее подходящих для бытовых приборов радиационного контроля.

Внешний вид и основные размеры  некоторых счетчиков Гейгера  приведены на рисунке.