Licznik Geigera - Geiger counter
 Licznik stołowy typu „dwuczęściowy” Geigera-Müllera z detektorem okienka końcowego
| |
| Inne nazwy | Geiger |
|---|---|
| Wynalazca |
Hans Geiger Walther Müller |
| Powiązane przedmioty | Rura Geigera-Müllera |
Licznik Geigera to instrument stosowany do wykrywania i pomiaru promieniowania jonizującego . Znany również jako licznik Geigera-Müllera lub licznik Geigera-Mullera , jest szeroko stosowany w zastosowaniach takich jak dozymetria promieniowania , ochrona radiologiczna , fizyka eksperymentalna i przemysł jądrowy .
Wykryje promieniowanie jonizujące, takie jak cząstki alfa , promieniowanie beta i promieniowanie gamma, z wykorzystaniem efektu jonizacji wytwarzanego w rurze Geigera-Muller , który daje nazwę urządzenia. W szerokim i widocznym zastosowaniu jako ręczny instrument do badania promieniowania , jest prawdopodobnie jednym z najbardziej znanych na świecie instrumentów do wykrywania promieniowania .
Pierwotna zasada wykrywania została zrealizowana w 1908 roku na Uniwersytecie w Manchesterze , ale dopiero w 1928 roku, gdy opracowano rurkę Geigera-Müllera, licznik Geigera mógł być wyprodukowany jako praktyczny instrument. Od tego czasu jest bardzo popularny ze względu na solidny element pomiarowy i stosunkowo niski koszt. Istnieją jednak ograniczenia w pomiarach wysokich szybkości promieniowania i energii promieniowania padającego.
Zasada działania
Licznik Geigera składa się z rurki Geigera-Müllera (element pomiarowy wykrywający promieniowanie) oraz elektroniki przetwarzającej, która wyświetla wynik.
Rurka Geigera-Müllera jest wypełniona gazem obojętnym, takim jak hel , neon lub argon pod niskim ciśnieniem, do którego przykładane jest wysokie napięcie. Rurka przez krótki czas przewodzi ładunek elektryczny, gdy cząstka lub foton padającego promieniowania sprawia, że gaz przewodzi przez jonizację. Jonizacja jest znacznie wzmacniana w rurze przez efekt wyładowania Townsenda , aby wytworzyć łatwy do zmierzenia impuls detekcyjny, który jest podawany do elektroniki przetwarzającej i wyświetlającej. Ten duży impuls z lampy sprawia, że licznik Geigera jest stosunkowo tani w produkcji, ponieważ późniejsza elektronika jest znacznie uproszczona. Elektronika generuje również wysokie napięcie, zwykle 400–900 woltów, które należy przyłożyć do lampy Geigera-Müllera, aby umożliwić jej działanie. Aby zatrzymać wyładowanie w rurce Geigera-Müllera, do mieszaniny gazów dodaje się trochę gazu halogenowego lub materiału organicznego (alkohol).
Odczytać
Istnieją dwa rodzaje odczytów wykrytego promieniowania: zliczenia lub dawka promieniowania . Wyświetlanie zliczeń jest najprostsze i jest to liczba wykrytych zdarzeń jonizujących wyświetlana jako szybkość zliczania, taka jak „liczba zliczeń na minutę” lub „liczba zliczeń na sekundę” lub jako całkowita liczba zliczeń w ustawionym okresie czasu (zintegrowany całkowity). Odczyt zliczeń jest zwykle używany, gdy wykrywane są cząstki alfa lub beta. Bardziej złożone do osiągnięcia jest wyświetlanie mocy dawki promieniowania, wyświetlanej w jednostce takiej jak siwert, która jest zwykle używana do pomiaru mocy dawki promieniowania gamma lub promieniowania rentgenowskiego. Rurka Geigera-Müllera może wykryć obecność promieniowania, ale nie jego energię , co wpływa na efekt jonizacji promieniowania. W konsekwencji przyrządy mierzące moc dawki wymagają użycia rurki Geigera-Müllera z kompensacją energii , tak aby wyświetlana dawka odpowiadała wykrytym zliczeniom. Elektronika zastosuje znane czynniki, aby dokonać tej konwersji, która jest specyficzna dla każdego przyrządu i jest określona przez projekt i kalibrację.
Odczyt może być analogowy lub cyfrowy, a nowoczesne przyrządy oferują komunikację szeregową z komputerem hosta lub siecią.
Zwykle istnieje opcja generowania słyszalnych kliknięć reprezentujących liczbę wykrytych zdarzeń jonizacji. Jest to charakterystyczny dźwięk zwykle kojarzony z ręcznymi lub przenośnymi licznikami Geigera. Ma to na celu umożliwienie użytkownikowi skoncentrowania się na manipulowaniu instrumentem przy jednoczesnym zachowaniu słuchowej informacji zwrotnej na temat częstotliwości promieniowania.
Ograniczenia
Istnieją dwa główne ograniczenia licznika Geigera. Ponieważ impuls wyjściowy z rury Geigera-Müllera jest zawsze tej samej wielkości (niezależnie od energii padającego promieniowania), rura nie może rozróżnić rodzajów promieniowania. Po drugie, rura nie może mierzyć wysokich szybkości promieniowania, ponieważ po każdym zdarzeniu jonizacyjnym następuje „czas martwy”, okres niewrażliwy, podczas którego dalsze padające promieniowanie nie powoduje zliczenia. Zazwyczaj czas martwy zmniejsza wskazanych częstotliwościach zliczania powyżej około 10 4 10 5 impulsów na sekundę, w zależności od charakterystyki rury są używane. Podczas gdy niektóre liczniki mają obwody, które mogą to skompensować, do dokładnych pomiarów preferowane są instrumenty z komorami jonowymi przy wysokich natężeniach promieniowania.
Rodzaje i zastosowania
Zamierzone zastosowanie licznika Geigera do wykrywania dyktuje zastosowaną konstrukcję rurki. W związku z tym istnieje wiele wzorów, ale można je ogólnie sklasyfikować jako „okienkowe”, „cienkościenne”, „grubościenne”, a czasem hybrydy tego typu.
Wykrywanie cząstek
Pierwsze historyczne zastosowania zasady Geigera dotyczyły wykrywania cząstek alfa i beta, a instrument jest nadal używany w tym celu do dziś. W przypadku cząstek alfa i cząstek beta o niskiej energii należy zastosować rurkę Geigera-Müllera typu „okienka końcowego”, ponieważ cząstki te mają ograniczony zasięg i są łatwo zatrzymywane przez stały materiał. Dlatego rura wymaga okienka, które jest wystarczająco cienkie, aby umożliwić jak największej liczbie tych cząstek przedostanie się do gazu wypełniającego. Okienko jest zwykle wykonane z miki o gęstości około 1,5 - 2,0 mg/cm 2 .
Cząstki alfa mają najkrótszy zasięg i aby je wykryć, okno powinno idealnie znajdować się w odległości 10 mm od źródła promieniowania ze względu na tłumienie cząstek alfa . Jednak rurka Geigera-Müllera wytwarza impuls wyjściowy, który jest tej samej wielkości dla całego wykrytego promieniowania, więc licznik Geigera z rurką z okienkiem końcowym nie może odróżnić cząstek alfa i beta. Doświadczony operator może użyć różnej odległości od źródła promieniowania, aby odróżnić cząstki alfa i beta o wysokiej energii.
Rurka Geigera-Müllera typu „naleśnik” jest odmianą sondy z końcowym oknem, ale zaprojektowano ją z większym obszarem wykrywania, aby przyspieszyć sprawdzanie. Jednak ciśnienie atmosfery w stosunku do niskiego ciśnienia gazu wypełniającego ogranicza rozmiar okienka ze względu na ograniczoną wytrzymałość membrany okiennej.
Niektóre cząstki beta można również wykryć za pomocą cienkościennej „bezokiennej” rurki Geigera-Müllera, która nie ma okienka końcowego, ale umożliwia przechodzenie cząstek beta o wysokiej energii przez ścianki rurki. Chociaż ściany rurki mają większą siłę hamowania niż cienkie okienko końcowe, nadal pozwalają tym bardziej energetycznym cząsteczkom dotrzeć do gazu wypełniającego.
Liczniki Geigera z oknem końcowym są nadal używane jako uniwersalne, przenośne, przyrządy do pomiaru i wykrywania skażeń promieniotwórczych , ze względu na ich stosunkowo niski koszt, solidność i stosunkowo wysoką skuteczność wykrywania; szczególnie z wysokoenergetycznymi cząsteczkami beta. Jednak w celu rozróżnienia cząstek alfa i beta lub dostarczenia informacji o energii cząstek należy stosować liczniki scyntylacyjne lub liczniki proporcjonalne . Te typy przyrządów są produkowane ze znacznie większymi obszarami detektora, co oznacza, że sprawdzanie zanieczyszczenia powierzchni jest szybsze niż w przypadku licznika Geigera.
Wykrywanie promieniowania gamma i rentgenowskiego
Liczniki Geigera są szeroko stosowane do wykrywania promieniowania gamma i promieni rentgenowskich, zwanych łącznie fotonami , a do tego używa się lampy bezokiennej. Jednak skuteczność wykrywania jest niska w porównaniu z cząstkami alfa i beta. Artykuł o rurce Geigera-Müllera zawiera bardziej szczegółowy opis technik stosowanych do wykrywania promieniowania fotonowego. W przypadku fotonów o wysokiej energii rura opiera się na interakcji promieniowania ze ścianą rury, zwykle z materiału o wysokiej Z, takiego jak stal chromowa o grubości 1-2 mm, w celu wytworzenia elektronów w ściance rury. Wchodzą i jonizują gaz wypełniający.
Jest to konieczne, ponieważ gaz o niskim ciśnieniu w rurze ma niewielką interakcję z fotonami o wyższej energii. Jednakże, gdy energie fotonów spadają do niskich poziomów, następuje większa interakcja gazowa, a bezpośrednie oddziaływanie gazowe wzrasta. Przy bardzo niskich energiach (poniżej 25 KeV) dominuje bezpośrednia jonizacja gazu, a stalowa rura tłumi padające fotony. W konsekwencji, przy tych energiach, typową konstrukcją rurki jest długa rurka z cienką ścianką, która ma większą objętość gazu, co daje większą szansę na bezpośrednie oddziaływanie cząstki z gazem wypełniającym.
Powyżej tych niskich poziomów energii istnieje znaczna zmienność w odpowiedzi na różne energie fotonów o tym samym natężeniu, a rura ze stalowymi ściankami wykorzystuje tak zwaną „kompensację energii” w postaci pierścieni filtrujących wokół nagiej rurki, która próbuje kompensować te zmiany w dużym zakresie energii. Rura GM ze stali chromowej ma wydajność około 1% w szerokim zakresie energii.
Wykrywanie neutronów
Odmiana rurki Geigera służy do pomiaru neutronów , gdzie używanym gazem jest trifluorek boru lub hel-3, a plastikowy moderator służy do spowolnienia neutronów. Powoduje to powstanie cząstki alfa wewnątrz detektora, dzięki czemu można zliczyć neutrony.
Pomiar gamma — ochrona personelu i kontrola procesu
Termin „licznik Geigera” jest powszechnie używany do oznaczania ręcznego miernika typu pomiarowego, jednak zasada Geigera jest szeroko stosowana w zainstalowanych alarmach „obszarowych gamma” do ochrony personelu oraz w pomiarach procesowych i zastosowaniach blokujących. Rurka Geigera nadal jest urządzeniem wykrywającym, ale elektronika przetwarzająca będzie miała wyższy stopień wyrafinowania i niezawodności niż ta używana w ręcznym mierniku pomiarowym.
Projekt fizyczny
W przypadku jednostek ręcznych istnieją dwie podstawowe konfiguracje fizyczne: jednostka „integralna” z detektorem i elektroniką w tej samej jednostce oraz konstrukcja „dwuczęściowa” z oddzielną sondą detektora i modułem elektronicznym połączonymi krótkim kablem .
W latach 30. do cylindrycznej konstrukcji dodano okienko z miki, które z łatwością przepuszcza promieniowanie o niskiej penetracji.
Zintegrowana jednostka umożliwia obsługę jedną ręką, dzięki czemu operator może używać drugiej ręki do osobistego bezpieczeństwa w trudnych pozycjach monitorowania, ale dwuczęściowa konstrukcja umożliwia łatwiejszą manipulację detektorem i jest powszechnie stosowana do monitorowania zanieczyszczenia powierzchni alfa i beta, gdy jest ostrożny wymagana jest manipulacja sondą, w przeciwnym razie waga modułu elektronicznego uniemożliwiłaby obsługę. Dostępnych jest wiele detektorów o różnych rozmiarach, dostosowanych do konkretnych sytuacji, takich jak umieszczanie sondy w małych otworach lub ograniczonych przestrzeniach.
Detektory gamma i rentgenowskie generalnie wykorzystują „integralną” konstrukcję, dzięki czemu rura Geigera-Müllera jest wygodnie umieszczona w obudowie elektroniki. Można to łatwo osiągnąć, ponieważ obudowa ma zwykle niewielkie tłumienie i jest stosowana w pomiarach gamma otoczenia, gdzie odległość od źródła promieniowania nie jest istotnym czynnikiem. Jednakże, aby ułatwić bardziej zlokalizowane pomiary, takie jak „dawka powierzchniowa”, położenie rurki w obudowie jest czasami wskazywane przez cele na obudowie, dzięki czemu można wykonać dokładny pomiar z rurką w prawidłowej orientacji i w znanej odległości od powierzchnia.
Istnieje szczególny rodzaj instrumentu gamma, znanego jako detektor „gorących punktów”, który ma rurkę detekcyjną na końcu długiego bieguna lub elastycznego przewodu. Służą one do pomiaru miejsc o wysokim promieniowaniu gamma, jednocześnie chroniąc operatora za pomocą ekranowania odległości.
Wykrywanie cząstek alfa i beta może być stosowane zarówno w konstrukcjach integralnych, jak i dwuczęściowych. Sonda naleśnikowa (dla alfa/beta) jest zwykle używana do zwiększenia obszaru wykrywania w przyrządach dwuczęściowych, będąc jednocześnie stosunkowo lekką. W przyrządach integralnych wykorzystujących rurkę z okienkiem końcowym w korpusie obudowy znajduje się okienko zapobiegające ekranowaniu cząstek. Istnieją również instrumenty hybrydowe, które mają oddzielną sondę do wykrywania cząstek i rurkę do wykrywania promieniowania gamma w module elektronicznym. Detektory są przełączane przez operatora, w zależności od rodzaju mierzonego promieniowania.
Wskazówki dotyczące korzystania z aplikacji
W Zjednoczonym Królestwie Krajowa Rada Ochrony Radiologicznej wydała wskazówki użytkownika na wybór najlepszej przenośnej typu instrument do pomiaru promieniowania danej aplikacji. Obejmuje to wszystkie technologie instrumentów ochrony przed promieniowaniem i zawiera przewodnik dotyczący stosowania detektorów GM.
Historia
.jpg)
W 1908 roku Hans Geiger , pod nadzorem Ernesta Rutherforda z Victoria University of Manchester (obecnie University of Manchester ), opracował eksperymentalną technikę wykrywania cząstek alfa, która została później wykorzystana do opracowania tuby Geigera-Müllera w 1928 roku. licznik był w stanie wykryć jedynie cząstki alfa i był częścią większego aparatu eksperymentalnego. Podstawowy mechanizm jonizacji został odkryty przez Johna Sealy'ego Townsenda w latach 1897-1901 i jest znany jako wyładowanie Townsenda , które polega na jonizacji cząsteczek przez uderzenie jonów.
Dopiero w 1928 roku Geiger i Walther Müller (doktorant Geigera) opracowali szczelną rurkę Geigera-Müllera, która wykorzystywała podstawowe zasady jonizacji stosowane wcześniej eksperymentalnie. Mały i wytrzymały, nie tylko mógł wykrywać promieniowanie alfa i beta, tak jak robiły to wcześniejsze modele, ale także promieniowanie gamma. Teraz praktyczny przyrząd do promieniowania można było wyprodukować stosunkowo tanio i tak narodził się licznik Geigera. Ponieważ wyjście lampy wymagało niewielkiego przetwarzania elektronicznego, co było wyraźną zaletą w erze zaworów termionowych ze względu na minimalną liczbę zaworów i niskie zużycie energii, przyrząd zyskał dużą popularność jako przenośny detektor promieniowania.
Nowoczesne wersje licznika Geigera wykorzystują lampę halogenową wynalezioną w 1947 roku przez Sidneya H. Liebsona . Zastąpił on wcześniejszą rurę Geigera-Müllera ze względu na jej znacznie dłuższą żywotność i niższe napięcie robocze, zwykle 400-900 woltów.
Galeria
Zastosowanie detektora „gorących punktów” na długim słupie do badania beczek na odpady.
Detektor naleśników GM zasila mikrokontroler rejestrator danych wysyłający dane do komputera przez bluetooth . Na wierzchu GM umieszczono radioaktywną skałę, co spowodowało wzrost wykresu.
Liczniki GM używane jako monitory badań gamma w poszukiwaniu radioaktywnych szczątków satelitarnych
Zobacz też
- Becquerel , jednostka SI szybkości rozpadu promieniotwórczego pewnej ilości materiału promieniotwórczego
- Liczniki Geigera obrony cywilnej , ręczne monitory promieniowania, komory GM i komory jonowe
- Skuteczność zliczania stosunek zdarzeń radiacyjnych docierających do detektora do liczby, którą zlicza
- Dozymetr , urządzenie używane przez personel do pomiaru otrzymanej dawki promieniowania
- Komora jonizacyjna , najprostszy detektor promieniowania jonizującego
- Detektor jonizacji gazowej , przegląd głównych typów detektorów gazowych
- Rura Geigera-Müllera , zawiera bardziej szczegółowy opis działania i typów rur Geigera-Müllera
- Płaskowyż Geigera , prawidłowy zakres napięcia roboczego dla rury Geigera-Müllera
- Liczenie fotonów
- Rozpad radioaktywny , proces, w którym niestabilne atomy emitują promieniowanie
- Safecast (organizacja) , wykorzystanie technologii licznika Geigera-Müllera w nauce obywatelskiej
- Licznik scyntylacyjny , bezgazowy detektor promieniowania
- Sievert , jednostka SI wpływu niskich poziomów promieniowania na organizm ludzki
Bibliografia
Zewnętrzne linki
Multimedia związane z licznikami Geigera w Wikimedia Commons