Каждый раз, когда дозиметр издаёт щелчок, в его трубке разворачивается лавина из миллионов электронов за несколько микросекунд. Счётчик Гейгера-Мюллера — один из старейших электронных детекторов ионизирующего излучения, изобретённый более ста лет назад и до сих пор незаменимый в дозиметрии. Разберём, как он работает, какие типы существуют и чем советские СБМ-20 отличаются от современных трубок.
История создания
В 1908 году немецкий физик Ганс Гейгер работал в лаборатории Эрнеста Резерфорда в Манчестере. Перед ним стояла задача: научиться считать отдельные альфа-частицы, испускаемые радиоактивными образцами. До этого исследователи наблюдали вспышки на сцинтилляционных экранах — утомительная и ненадёжная работа в темноте. Гейгер предложил использовать ионизацию газа в электрическом поле: частица, пролетая через трубку под высоким напряжением, вызывала кратковременный разряд, фиксируемый гальванометром.
Первый прибор 1908 года регистрировал только альфа-частицы и был громоздким. Следующие двадцать лет Гейгер совершенствовал конструкцию. В 1928 году его аспирант Вальтер Мюллер кардинально переработал трубку: добавил тонкую проволоку в качестве анода вместо игольчатого электрода и подобрал состав газовой смеси. Новый прибор стал регистрировать не только альфа, но и бета и гамма-излучение. Так появился счётчик Гейгера-Мюллера в том виде, который используется до сих пор.
Ключевое улучшение 1947 года — переход от спиртового гашения к галогенному. В трубку стали добавлять пары хлора или брома вместо паров органического спирта. Спиртовые счётчики вырабатывали ресурс примерно после 10⁸ срабатываний; галогенные — восстанавливаются самостоятельно и служат в 10–100 раз дольше. Практически все современные счётчики галогенные.
Принцип работы
Конструкция
Счётчик Гейгера-Мюллера — герметичная трубка, внутри которой создано электрическое поле высокой напряжённости.
- Катод — металлический цилиндр (корпус трубки) или металлизированная стеклянная колба
- Анод — тонкая проволока диаметром 0,1–0,2 мм, натянутая по оси цилиндра
- Газовое наполнение — инертный газ (аргон или неон) при давлении 50–200 мм рт. ст., плюс гасящая добавка (пары хлора, брома или органического спирта)
- Рабочее напряжение — 300–900 В (у большинства советских трубок ~400 В)
Лавинный разряд
Когда заряженная частица (или фотон гамма-излучения, выбивший электрон из стенки) пролетает через газ, она ионизирует несколько десятков атомов. Свободные электроны начинают ускоряться к аноду. Вблизи тонкой проволоки напряжённость поля резко возрастает — электроны разгоняются до энергий, достаточных для ионизации новых атомов. Возникает лавина: каждое столкновение порождает ещё несколько электронов, те — следующие, и за ~10⁻⁷ секунды через трубку проходит ток в тысячи раз больший, чем вызвала исходная частица. На выходе — одиночный электрический импульс, не зависящий от энергии исходного излучения.
В этом и состоит главное отличие режима Гейгера-Мюллера от пропорционального режима: высота импульса не несёт информации об энергии частицы. Счётчик умеет только считать события, но не измерять энергию.
Гашение разряда
После лавины в трубке остаётся облако положительных ионов газа, медленно дрейфующих к катоду. Когда ионы достигают стенки, они могут выбить вторичные электроны и вызвать повторный разряд — «ложное срабатывание». Для предотвращения этого в газ добавляют гасящее вещество:
- Галогены (Cl₂, Br₂, I₂) — атомарный галоген нейтрализует ионы инертного газа и одновременно поглощает ультрафиолетовые фотоны, порождаемые при разряде. Реакция обратима: молекулы галогена восстанавливаются. Ресурс — свыше 10⁹ импульсов.
- Органические пары (этиловый спирт) — поглощают энергию ионов, разлагаясь необратимо. Ресурс — около 10⁸ импульсов, после чего трубка теряет чувствительность.
Плато Гейгера
При увеличении напряжения скорость счёта сначала быстро растёт, затем выходит на плато — область протяжённостью 80–150 В, где скорость счёта почти не зависит от напряжения. Именно на плато работает трубка. Это важное преимущество: небольшие нестабильности источника питания не влияют на показания прибора.
Мёртвое время
После каждого срабатывания трубка нечувствительна на период 150–200 мкс — пока облако положительных ионов не рассеется. Это «мёртвое время» ограничивает максимальную скорость счёта: при >10 000 имп/с показания начинают занижаться. При высоких уровнях радиации в прибор вводят поправку:
n = m / (1 − m × τ)
где m — измеренная скорость (имп/с), n — истинная, τ — мёртвое время.
Типы счётчиков Гейгера-Мюллера
По конструкции
Цилиндрические (без входного окна) — металлический или стеклянный цилиндр без отверстий. Регистрируют только гамма-кванты и жёсткое бета-излучение с энергией >1 МэВ, способное пробить стенку. Альфа-частицы и мягкое бета — не регистрируются. Простые, дешёвые, долговечные.
Торцевые с тонким окном — на одном конце трубки расположено окно из тонкой слюды (2–17 мкм) или полимерной плёнки. Сквозь него проходят альфа-частицы и мягкое бета-излучение. Требуют осторожности — окно механически хрупкое.
Специализированные — нейтронные (с гелием-3 или борным покрытием), высокодозовые военные, миниатюрные.
Советские и российские счётчики: основные типы
Таблица наиболее распространённых трубок
| Тип | Корпус | Рабочее U, В | Чувствит., имп/мкР | Что регистрирует | Применение |
|---|---|---|---|---|---|
| СБМ-20 (= СТС-5) | Металл, цилиндр | ~400 | 60–75 | γ, жёсткое β | Большинство бытовых дозиметров |
| СБМ-19 | Металл, длинный цилиндр | ~400 | ~120 | γ, жёсткое β | Профессиональные приборы |
| СБМ-21 | Металл, мини | ~400 | ~20 | γ | Миниатюрные дозиметры |
| СТС-6 | Металл, цилиндр | ~400 | ~70 | γ, жёсткое β | Аналог СБМ-20 |
| БЕТА-1 | Металл, торцевое слюдяное окно | ~400 | 160–240 | α, β, γ | МКС-01СА1М, профприборы |
| БЕТА-2 | Металл, тонкое слюдяное окно | ~400 | 160–240 | α, β, γ | Профессиональные радиометры |
| СИ-8Б | Стекло, тонкое окно ~4 мкм | ~400 | высокая | α, мягкое β, γ | Альфа-радиометрия |
| СБТ-10 | Металл, толстое слюдяное окно | ~400 | средняя | β (от ~0,15 МэВ), γ | Бета-радиометры |
| СИ-3БГ | Металл, толстостенный | ~400 | низкая | γ (до 200 Р/ч) | Военные дозиметры, ДП-5 |
| СИ-13Г | Металл, толстостенный | ~400 | низкая | γ высокие дозы | Армейские приборы |
Маркировка советских счётчиков
- С — счётчик
- Б — бета (чувствителен к бета-излучению) / Т — торцевой / И — ионизационный
- М — металлический корпус / С — стеклянный
- Цифра — порядковый номер разработки
- Г — гамма, Б — бета в конце аббревиатуры — тип регистрируемого излучения
Чувствительность к разным видам излучения
Счётчик Гейгера-Мюллера «видит» разные излучения принципиально по-разному:
Гамма-излучение — взаимодействует с газом слабо. Эффективность регистрации — всего 1–2% для цилиндрических трубок. Основной механизм: фотоны выбивают электроны из металлических стенок (фотоэффект и комптоновское рассеяние), и уже эти электроны ионизируют газ. Толстые стенки или свинцовый фильтр повышают конверсию фотонов в электроны.
Бета-излучение — заряженные частицы непосредственно ионизируют газ. Эффективность для трубок с окном — до 70–80%. Для цилиндрических трубок без окна — зависит от энергии: мягкое бета (<0,3 МэВ) не проникает через стенку, жёсткое (>1 МэВ) — регистрируется.
Альфа-излучение — пробег в воздухе всего несколько сантиметров, в металле — доли миллиметра. Регистрируется только трубками с тонким слюдяным окном ≤5 мкм. Для СБМ-20 и СТС-5 альфа-частицы полностью недоступны.
Космические мюоны — проходят сквозь любую защиту. Для СБМ-20 вклад космических мюонов в собственный фон — около 7 импульсов в минуту, что соответствует ~3–10 мкР/ч в отсутствие других источников.
Ограничения метода
- Нет энергетической информации — прибор считает события, не измеряет их энергию. Для гамма-спектрометрии нужны сцинтилляционные или полупроводниковые детекторы.
- Низкая эффективность для гамма — 1–2% против 99% у сцинтилляторов. Компенсируется большой чувствительной площадью или несколькими трубками.
- Мёртвое время — при мощных источниках счётчик насыщается и занижает показания. Военные версии (СИ-3БГ) специально рассчитаны на высокие потоки.
- Нет чувствительности к нейтронам — только специализированные трубки (с ³He или бором).
Несмотря на эти ограничения, счётчик Гейгера-Мюллера остаётся самым дешёвым, надёжным и простым детектором ионизирующего излучения. Отсутствие движущихся частей, работа при комнатной температуре, устойчивость к механическим воздействиям — именно поэтому трубки, разработанные в 1928 году, до сих пор стоят в каждом бытовом дозиметре.
→ Перевести CPM в мкЗв/ч: онлайн-конвертер по трубке
→ Справочник трубок Гейгера-Мюллера: все типы и характеристики
Комментарии
Загрузка...
Оценить статью