Войти
Полный счетчик Гейгера с трубкой Гейгера-Мюллера, установленной в цилиндрическом корпусе, соединенном кабелем с прибором. трубка Гейгера – Мюллера или трубка G – M - это чувствительный элемент счетчика Гейгера, используемого для обнаружения ионизирующего излучения. Он был назван в честь Ганса Гейгера, который изобрел этот принцип в 1908 году, и Вальтера Мюллера, который сотрудничал с Гейгером в дальнейшей разработке метода в 1928 году для создания практической трубки, которая могла бы обнаруживать количество различных типов излучения.
Это газовый ионизационный детектор, в котором используется явление лавины Таунсенда для создания легко обнаруживаемого электронного импульса от всего лишь одной ионизирующей событие из-за радиационной частицы. Он используется для обнаружения гамма излучения, рентгеновских лучей и альфа и бета частиц. Его также можно приспособить для обнаружения нейтронов. Трубка работает в «гейгеровской» области генерации ионных пар. Это показано на прилагаемом графике для газовых детекторов, показывающем ионный ток в зависимости от приложенного напряжения.
Несмотря на то, что это надежный и недорогой детектор, G – M не может эффективно измерять высокие уровни излучения, имеет ограниченный срок службы в областях с высоким уровнем излучения и не может измерять падающее излучение энергию, поэтому не может быть получена спектральная информация и нет различения между типами излучения; например, между альфа- и бета-частицами.
График ионной пары ток против напряжения для цилиндрического газового детектора излучения с центральным проволочным анодом. 
Визуализация распространения лавины Таунсенда с помощью УФ-фотонов. Этот механизм позволяет однократным ионизирующим действием ионизировать весь газ, окружающий анод, вызывая множественные лавины. 
Обнаружение гамма-излучения в трубке G-M с толстостенным катодом из нержавеющей стали. Вторичные электроны, генерируемые в стенке, могут достигать заполняющего газа и вызывать лавины. Этот эффект значительно ослабляется при низких энергиях ниже примерно 20 кэВ . Трубка G-M состоит из камеры, заполненной газовой смесью при низком давлении примерно 0,1 атмосфера. Камера содержит два электрода, между которыми имеется разность потенциалов в несколько сотен вольт. Стенки трубки либо металлические, либо их внутренняя поверхность покрыта проводящим материалом или спиральной проволокой для формирования катода, в то время как анод представляет собой проволоку <21.>установлен аксиально в центре камеры.
Когда ионизирующее излучение попадает на трубку, некоторые молекулы наполняющего газа ионизируются непосредственно падающим излучением, и если катод трубки является электрическим проводником, например из нержавеющей стали, косвенно посредством вторичных электронов, образующихся в стенках трубки, которые мигрируют в газ. Это создает в газе положительно заряженные ионы и свободные электроны, известные как ионные пары. Сильное электрическое поле, создаваемое напряжением на электродах трубки, ускоряет положительные ионы по направлению к катоду, а электроны по направлению к аноду. Вблизи анода в «лавинообразной области», где напряженность электрического поля экспоненциально возрастает по мере приближения к аноду, свободные электроны получают достаточную энергию, чтобы ионизировать дополнительные молекулы газа за счет столкновения и создавать большое количество электронных лавин. Они распространяются вдоль анода и эффективно по всей зоне схода лавины. Это эффект «умножения газа», который придает трубке ее ключевую характеристику, заключающуюся в способности производить значительный выходной импульс от единственного исходного события ионизации.
Если бы была только одна лавина на исходное событие ионизации, тогда количество возбужденных молекул будет порядка от 10 до 10. Однако образование множества лавин приводит к увеличению коэффициента размножения, который может производить от 10 до 10 ионных пар. Создание множества лавин происходит из-за образования УФ-фотонов в исходной лавине, на которые не влияет электрическое поле, и которые перемещаются вбок к оси анода, чтобы спровоцировать дальнейшие ионизирующие события за счет столкновения с молекулами газа. Эти столкновения вызывают новые лавины, которые, в свою очередь, производят больше фотонов и, следовательно, больше лавин в цепной реакции, которая распространяется в поперечном направлении через заполняющий газ и охватывает анодный провод. На прилагаемой диаграмме это показано графически. Скорость распространения лавины обычно составляет 2–4 см в микросекунду, так что для труб обычного размера полная ионизация газа вокруг анода занимает всего несколько микросекунд. Этот короткий, интенсивный импульс тока можно измерить как счетное событие в виде импульса напряжения, возникающего на внешнем электрическом резисторе. Оно может быть порядка вольт, что упрощает дальнейшую электронную обработку.
Разряд прекращается за счет коллективного действия положительных ионов, создаваемых лавинами. Эти ионы имеют более низкую подвижность, чем свободные электроны, из-за их большей массы и медленно перемещаются вблизи анодной проволоки. Это создает «объемный заряд», который противодействует электрическому полю, необходимому для продолжающегося образования лавины. Для конкретной геометрии трубки и рабочего напряжения это прекращение всегда происходит при образовании определенного количества лавин, поэтому импульсы от трубки всегда имеют одинаковую величину независимо от энергии инициирующей частицы. Следовательно, в импульсах отсутствует информация об энергии излучения, что означает, что трубка Гейгера – Мюллера не может использоваться для генерации спектральной информации о падающем излучении. На практике прекращение схода лавины улучшается за счет использования методов «гашения» (см. Ниже).
Давление наполняющего газа играет важную роль в возникновении лавин. Слишком низкое давление снижает эффективность взаимодействия с падающим излучением. Слишком высокое давление, и «длина свободного пробега» для столкновений между ускоренными электронами и заполняющим газом слишком мала, и электроны не могут собрать достаточно энергии между каждым столкновением, чтобы вызвать ионизацию газа. Энергия, получаемая электронами, пропорциональна отношению «e / p», где «e» - напряженность электрического поля в этой точке газа, а «p» - давление газа.
В целом, существует два основных типа конструкции трубки Гейгера.
Схема счетчика Гейгера с трубкой "торцевого окна" для излучения с низкой проницаемостью. Громкоговоритель также используется для индикации Для альфа-частиц, бета-частиц с низкой энергией и рентгеновского излучения с низкой энергией обычной формой является цилиндрическая трубка с торцевым окном . Этот тип имеет окно на одном конце, покрытое тонким материалом, через которое может легко проходить слабопроникающее излучение. Слюда - широко используемый материал из-за ее малой массы на единицу площади. На другом конце находится электрическое соединение с анодом.
Блинная трубка G – M, отчетливо виден круглый концентрический анод. Блинная трубка является вариантом трубки с торцевым окном, но которая является разработан для использования для мониторинга бета- и гамма-загрязнения. Он имеет примерно такую же чувствительность к частицам, как и тип оконного окна, но имеет плоскую кольцевую форму, поэтому можно использовать самую большую площадь окна с минимальным газовым пространством. Как и цилиндрическая оконная трубка, слюда является широко используемым оконным материалом из-за ее малой массы на единицу площади. Анод обычно состоит из нескольких проводов, образующих концентрические круги, поэтому он полностью проходит через газовое пространство.
Этот общий тип отличается от типа выделенного оконечного окна, но имеет два основных подтипа, которые используют различные механизмы взаимодействия излучения для получения подсчета.
Набор толстостенных трубок G – M из нержавеющей стали для обнаружения гамма-излучения. Самый большой имеет кольцо компенсации энергии; другие не компенсируются по энергии Используемый для обнаружения гамма-излучения с энергиями выше примерно 25 кэВ, этот тип обычно имеет общую толщину стенки примерно 1-2 мм из хромистой стали . Поскольку большинство гамма-фотонов с высокой энергией будут проходить через заполняющий газ с низкой плотностью без взаимодействия, трубка использует взаимодействие фотонов с молекулами материала стенки для образования вторичных электронов высокой энергии внутри стенки. Некоторые из этих электронов образуются достаточно близко к внутренней стенке трубки, чтобы уйти в заполняющий газ. Как только это происходит, электрон дрейфует к аноду, и возникает электронная лавина, как если бы свободный электрон был создан внутри газа. Лавина - это вторичный эффект процесса, который начинается в стенке трубы с образованием электронов, которые мигрируют на внутреннюю поверхность стенки трубы, а затем попадают в заполняющий газ. Этот эффект значительно ослабляется при низких энергиях ниже примерно 20 кэВ
Тонкостенные трубки используются для:
Трубки G – M не обнаруживают нейтроны, поскольку они не ионизируйте газ. Однако могут быть изготовлены нейтронно-чувствительные трубки, у которых либо внутренняя часть трубки покрыта бором, либо трубка содержит трифторид бора или гелий-3 в качестве заполняющий газ. Нейтроны взаимодействуют с ядрами бора, образуя альфа-частицы, или непосредственно с ядрами гелия-3, производя ионы и электроны водорода и трития. Эти заряженные частицы затем запускают обычный лавинообразный процесс.
Компоненты газовой смеси жизненно важны для работы и применения трубки G-M. Смесь состоит из инертного газа, такого как гелий, аргон или неон, который ионизируется падающим излучением, и «гасящего» газа 5-10 % органического пара или газообразного галогена, чтобы предотвратить ложные импульсы за счет гашения электронных лавин. Эта комбинация газов известна как смесь Пеннинга и использует эффект ионизации Пеннинга.
Современная трубка G – M, заполненная галогеном, была изобретена Сидни Х. Либсон в 1947 году и имеет ряд преимуществ перед более старыми трубками с органическими смесями. Разряд галогенной трубки использует преимущество метастабильного состояния атома инертного газа для более легкой ионизации молекулы галогена, чем органический пар, что позволяет трубке работать при гораздо более низких напряжениях, обычно 400-600 вольт. от 900–1200 вольт. В то время как трубки с галогенной закалкой имеют большую крутизну напряжения плато по сравнению с трубками с закалкой органическими веществами (нежелательное качество), они имеют значительно более длительный срок службы, чем трубы, закаленные органическими соединениями. Это связано с тем, что органический пар постепенно разрушается в процессе разряда, что дает трубкам с органической закалкой срок службы около 10 раз. Тем не менее, ионы галогена могут со временем рекомбинировать, что дает трубкам с галогенной закалкой практически неограниченный срок службы для большинства применений, хотя в конечном итоге они все равно выходят из строя из-за других инициируемых ионизацией процессов, которые ограничивают срок службы всех трубок Гейгера. По этим причинам в настоящее время наиболее распространены трубки с галогенной закалкой.
Неон является наиболее распространенным газом-наполнителем. Хлор - самый распространенный тушитель, хотя иногда также используется бром. Галогены чаще всего используются с неоном, аргоном или криптоном, органическими гасителями с гелием.
Примером газовой смеси, используемой в основном в пропорциональных детекторах, является P10 (90% аргона, 10% метана). Другой используется в трубках с гашением брома, обычно 0,1% аргона, 1-2% брома и остальное неон.
Галогеновые гасители обладают высокой химической реакционной способностью и разрушают материалы электродов, особенно при повышенных температурах, что со временем приводит к ухудшению характеристик трубки. Катодные материалы могут быть выбраны, например, из хром, платина или сплав никель-медь, или покрытый коллоидным графитом и соответствующим образом пассивированный. Обработка кислородной плазмой может обеспечить пассивирующий слой на нержавеющей стали. Плотное непористое покрытие слоем платины или вольфрама или вкладыш из вольфрамовой фольги может обеспечить здесь защиту.
Чистые благородные газы демонстрируют пороговые напряжения, возрастающие с увеличением атомной массы. Добавление многоатомных органических гасителей увеличивает пороговое напряжение из-за рассеивания большого процента энергии столкновений в молекулярных колебаниях. Аргон с парами спирта был одним из самых распространенных наполнителей ранних трубок. Всего лишь 1 ppm примесей (аргон, ртуть и криптон в неоне) может значительно снизить пороговое напряжение. Смесь хлора или брома обеспечивает закалку и стабильность низковольтных смесей неона и аргона в широком диапазоне температур. Более низкие рабочие напряжения приводят к увеличению времени нарастания импульсов без существенного изменения мертвых времен.
Паразитные импульсы вызываются в основном вторичными электронами, испускаемыми катодом в результате бомбардировки положительными ионами. Результирующие паразитные импульсы имеют характер релаксационного генератора и имеют одинаковый интервал, зависящий от газа, заполняющего трубку, и перенапряжения. При достаточно высоких перенапряжениях, но все еще ниже начала непрерывных коронных разрядов, могут создаваться последовательности из тысяч импульсов. Такие ложные подсчеты можно подавить путем покрытия катода материалами с более высокой работой выхода, химической пассивацией, лаковым покрытием и т. Д.
Органические гасители могут разлагаться на более мелкие молекулы (этиловый спирт и этилацетат.) или полимеризуются в твердые отложения (типично для метана). Продукты разложения органических молекул могут иметь или не обладать тушащими свойствами. Более крупные молекулы разлагаются с образованием большего количества продуктов тушения, чем мелкие; трубки, закаленные амилацетатом, как правило, имеют в десять раз больший срок службы, чем этанольные. Трубки, закаленные углеводородами, часто выходят из строя из-за покрытия электродов продуктами полимеризации до того, как сам газ может быть исчерпан; простая заправка газа не поможет, необходимо промыть электроды для удаления отложений. Иногда намеренно стремятся к низкой эффективности ионизации; смеси водорода или гелия низкого давления с органическими гасителями используются в некоторых экспериментах с космическими лучами для обнаружения сильно ионизирующих мюонов и электронов.
Аргон, криптон и ксенон используются для обнаружения мягких рентгеновских лучей с увеличением поглощения фотонов низкой энергии при уменьшении атомной массы из-за прямой ионизации за счет фотоэлектрического эффекта. Выше 60-70 кэВ прямая ионизация газа-наполнителя становится незначительной, и вторичные фотоэлектроны, комптоновские электроны или образование электрон-позитронных пар за счет взаимодействия гамма-фотонов с материалом катода становятся доминирующими механизмами инициирования ионизации. Окна пробирки можно устранить, поместив образцы непосредственно внутрь пробирки или, если они газообразные, смешав их с наполняющим газом. Требование герметичности может быть устранено путем использования непрерывного потока газа при атмосферном давлении.
Характеристическая кривая отклика трубки Гейгера-Мюллера при постоянном излучении и изменяющемся напряжении трубки. Плато Гейгера - это диапазон напряжений, в котором трубка GM работает в правильном режиме, когда ионизация происходит по длине анода. Если на трубку G-M воздействовать постоянным источником излучения и приложенное напряжение увеличивают от нуля, это следует за графиком тока, показанным в «области Гейгера», где градиент выравнивается; это плато Гейгера.
Это показано более подробно на прилагаемой диаграмме кривой плато Гейгера. Если напряжение трубки постепенно увеличивается от нуля, эффективность обнаружения будет расти до тех пор, пока наиболее энергичное излучение не начнет производить импульсы, которые могут быть обнаружены электроникой. Это «стартовое напряжение». Дальнейшее повышение напряжения приводит к быстрому увеличению счетчиков до тех пор, пока не будет достигнуто «колено» или пороговое значение плато, где скорость увеличения счета падает. Здесь напряжения на трубке достаточно, чтобы обеспечить полный разряд вдоль анода для каждого зарегистрированного счета излучения, и влияние различных энергий излучения одинаково. Однако плато имеет небольшой наклон, в основном из-за более низких электрических полей на концах анода из-за геометрии трубки. По мере увеличения напряжения на трубке эти поля усиливаются, вызывая лавины. В конце плато скорость счета снова начинает быстро увеличиваться, пока не начнется непрерывный разряд, когда трубка не может обнаруживать излучение и может быть повреждена.
В зависимости от характеристик конкретной трубки (производитель, размер, тип газа и т. д.) диапазон напряжения плато будет изменяться. Наклон обычно выражается в виде процентного изменения отсчетов на 100 В. Для предотвращения общего изменения эффективности из-за изменения напряжения лампы используется регулируемый источник напряжения, и нормальная практика заключается в работе в середине плато для уменьшения эффекта. от любых колебаний напряжения.
Мертвое время и время восстановления в трубке Гейгера-Мюллера. Трубка не может производить дальнейшие импульсы в течение мертвого времени, а только генерирует импульсы меньшей высоты, пока не истечет время восстановления. Идеальная трубка G – M должна выдавать один импульс для каждого отдельного события ионизации, вызванного излучением. Он не должен давать паразитных импульсов и должен быстро вернуться в пассивное состояние, готовый к следующему событию излучения. Однако, когда положительные ионы аргона достигают катода и становятся нейтральными атомами, приобретая электроны, атомы могут быть подняты до уровней повышенной энергии. Затем эти атомы возвращаются в свое основное состояние, испуская фотоны, которые, в свою очередь, вызывают дальнейшую ионизацию и тем самым ложные вторичные разряды. Если бы ничего не было сделано, чтобы противодействовать этому, ионизация продлилась бы и даже могла бы усилиться. Продолжительная лавина увеличит «мертвое время», когда новые события не могут быть обнаружены, и может стать непрерывной и повредить трубку. Поэтому для уменьшения мертвого времени и защиты трубки важна некоторая форма гашения ионизации, и используется ряд методов гашения.
Трубки с самогашением или внутренним гашением останавливают разряд без внешней помощи, первоначально путем добавления небольшого количества многоатомного органического пара, такого как бутан или этанол, но для современных трубок - это галоген, такой как бром или хлор.
Если в трубку ввести плохой газовый гаситель, положительные ионы аргона во время своего движения к катоду будут многократно сталкиваться с гасителем. молекулы газа и передают им свой заряд и некоторую энергию. Таким образом, будут образовываться нейтральные атомы аргона, а ионы гасящего газа, в свою очередь, достигнут катода, получат от него электроны и перейдут в возбужденные состояния, которые будут распадаться за счет испускания фотонов, вызывая разряд в трубке. Однако эффективные молекулы-гасители при возбуждении теряют свою энергию не из-за испускания фотонов, а из-за диссоциации на нейтральные молекулы-гасители. Таким образом, не возникает никаких паразитных импульсов.
Даже при химическом гашении в течение короткого времени после разрядного импульса существует период, в течение которого трубка становится нечувствительной и, таким образом, временно не может обнаруживать приход новых ионизирующих частиц. частица (так называемое мертвое время; обычно 50–100 микросекунд). Это вызывает потерю счета при достаточно высоких скоростях счета и ограничивает эффективную (точную) скорость счета трубки G – M примерно 10 счетов в секунду даже при внешнем гашении. Хотя трубка GM технически способна считывать более высокие скорости счета до того, как она действительно насыщается, связанный с этим уровень неопределенности и риск насыщения делают чрезвычайно опасным полагаться на более высокие показания счета при попытке вычислить эквивалентную мощность дозы излучения на основе подсчета. показатель. Следствием этого является то, что приборы с ионной камерой обычно предпочтительны для более высоких скоростей счета, однако современная технология внешнего гашения может значительно расширить этот верхний предел.
Внешнее гашение, иногда называемое "активным гашением" или "электронным гашением", использует упрощенную высокоскоростную управляющую электронику для быстрого удаления и повторного приложения высокого напряжения между электродами в течение фиксированного времени после каждого пика разряда с целью увеличения максимальной скорости счета. и срок службы трубки. Хотя он может использоваться вместо охлаждающего газа, он гораздо чаще используется в сочетании с охлаждающим газом.
«Метод времени до первого счета» - это сложная современная реализация внешнего охлаждения, которая позволяет резко увеличить максимальную скорость счета за счет использования методов статистической обработки сигналов и более сложной управляющей электроники. Из-за неопределенности в скорости счета, вызванной упрощенной реализацией внешнего гашения, скорость счета трубки Гейгера становится крайне ненадежной, превышая приблизительно 10 импульсов в секунду. При использовании метода «время до первого счета» достижима эффективная скорость счета 10 импульсов в секунду, что на два порядка больше, чем нормальный эффективный предел. Метод подсчета времени до первого значительно сложнее в реализации, чем традиционные методы внешнего гашения, и в результате этого он не получил широкого распространения.
Одним из последствий эффекта мертвого времени является возможность непрерывного срабатывания трубки с высокой скоростью счета до истечения времени восстановления. Это может производить импульсы, слишком малые для того, чтобы счетная электроника могла их обнаружить, и привести к очень нежелательной ситуации, когда счетчик G – M в очень сильном поле излучения ложно показывает низкий уровень. Это явление известно как «сворачивание». Промышленное эмпирическое правило состоит в том, что схема дискриминатора, принимающая выходной сигнал от лампы, должна обнаруживать до 1/10 величины нормального импульса, чтобы предотвратить это. Кроме того, схема должна обнаруживать, когда произошло «наложение импульсов», когда кажущееся анодное напряжение перешло на новый уровень постоянного тока из-за комбинации большого количества импульсов и шума. Электронная конструкция счетчиков Гейгера – Мюллера должна быть способна обнаруживать эту ситуацию и подавать сигнал тревоги; Обычно это делается путем установки порога чрезмерного тока трубки.
Эффективность обнаружения трубки G – M зависит от типа падающего излучения. Трубки с тонкими торцевыми окнами имеют очень высокий КПД (может составлять почти 100%) для бета-излучения с высокой энергией, хотя он падает по мере уменьшения бета-энергии из-за ослабления материалом окна. Окно также ослабляет альфа-частицы. Поскольку максимальная дальность действия альфа-частиц в воздухе составляет менее 50 мм, окно обнаружения должно быть как можно ближе к источнику излучения. Ослабление в окне увеличивает ослабление в воздухе, поэтому для обеспечения приемлемого уровня эффективности обнаружения окно должно иметь плотность от 1,5 до 2,0 мг / см. В статье о тормозной способности более подробно описаны диапазоны для типов частиц различных энергий. Эффективность счета фотонного излучения (гамма- и рентгеновское излучение выше 25 кэВ) зависит от эффективности взаимодействия излучения в стенке трубки, которая увеличивается с атомным номером материала стенки. Хромовое железо - широко используемый материал, который дает КПД около 1% в широком диапазоне энергий.
Сравнительные кривые отклика для трубок GM с и без компенсации гамма-энергии 
Тонкостенная стеклянная трубка G – M с катодом из спиральной проволоки. Ленточные ленты предназначены для фиксации компенсирующих колец 
Тонкостенная стеклянная трубка G – M с установленными компенсирующими кольцами. Вся сборка помещается в алюминиевый корпус. Если трубка G – M будет использоваться для гамма- или рентгеновских дозиметрических измерений, энергия падающего излучения, которая влияет на эффект ионизации, должна быть учтено. Однако импульсы от трубки G – M не несут никакой информации об энергии и приписывают одинаковую дозу каждому событию счета. Следовательно, реакция скорости счета «голой» GM-трубки на фотоны с разными уровнями энергии нелинейна с эффектом завышения показаний при низких энергиях. Отклонение от дозы может составлять от 5 до 15 раз в зависимости от конструкции отдельной трубки; очень маленькие трубки, имеющие самые высокие значения.
Чтобы исправить это, применяется метод, известный как «Компенсация энергии», который заключается в добавлении экрана из поглощающего материала вокруг трубки. Этот фильтр преимущественно поглощает фотоны с низкой энергией, и реакция на дозу «сглаживается». Цель состоит в том, чтобы характеристика чувствительности / энергии трубки соответствовала характеристике поглощения / энергии фильтра. Этого нельзя точно достичь, но результатом является более однородный отклик в указанном диапазоне энергий обнаружения для трубки.
Обычно используемые материалы - это свинец и олово, и можно сделать простой фильтр, эффективный при энергии выше 150 кэВ. используя сплошной воротник по длине трубки. Однако при более низких уровнях энергии это ослабление может стать слишком большим, поэтому в воротнике остаются воздушные зазоры, позволяющие излучению с низкой энергией иметь больший эффект. На практике конструкция компенсационного фильтра является эмпирическим компромиссом для получения приемлемо однородного отклика, и для получения необходимой коррекции используется ряд различных материалов и геометрий.
