Принцип работы счетчика гейгера мюллера

Рассмотрим, что произойдет, если еще больше увеличить напряжение между электродами счетчика. В этом случае при попадании в счетчик заряженной частицы образуется чрезвычайно мощная лавина электронов, которая с большой скоростью обрушивается на положительный электрод и выбивает из него несколько фотонов – квантов ультрафиолетового излучения.

Регистрация ионизирующих излучений приборами основана на преобразовании излучений детектором и измерительной схемой в электрические сигналы, принятые в практике измерений.

Приборы для измерения ионизирующих излучений могут регистрировать различные физические величины. Наиболее интересны следующие из них: поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы и их мощность, плотность потока частиц, флюенс частиц, объемная, массовая, поверхностная, эффективная активности.

Любой прибор, измеряющий ионизирующие излучения, содержит детектор, измерительную схему (регистратор или анализатор) и вспомогательные элементы.

Детектор преобразует информацию о параметрах излучений в энергию электрического сигнала. По преобразованию энергии излучения в другие виды энергии детекторы можно разделить на следующие группы:

• • ионизационные (газовые счетчики, ионизационные камеры, полупроводниковые счетчики);
• • сцинтилляционные;
• • фотографические;
• • химические.

Измерительная схема выделяет, преобразует, накапливает, хранит и выдает информацию в виде электрических сигналов, удобных для наблюдения, записи, вычисления или управления другими приборами. Вспомогательные элементы обеспечивают заданные режимы работы детектора и измерительной схемы. К ним относятся источники питания, блоки программирования режима работы, контроля исправности и градуировки, регистрирующие устройства (цифропечатающие устройства, самописцы, осциллографы, счетчики импульсов и т.д.).

Функциональные схемы приборов в значительной мере определяются формой сигналов, поступающих от детекторов излучений и с выхода измерительной схемы (в виде импульсов – дискретная форма информации или в виде медленно меняющегося тока (напряжения) – аналоговая форма информации).

Приборы с дискретной формой входной и выходной информации могут включать в себя усилители, стандартизаторы и дискриминаторы импульсов, счетные и анализирующие схемы с суммированием и памятью двоичным, десятичным и другими способами счисления.

Импульсы, несущие информацию о параметрах излучения, могут отличаться по амплитуде, форме и времени появления. Разделением этих импульсов но их параметрам с помощью анализирующих устройств удается измерять не только плотность потока излучения по средней скорости следования импульсов, но и энергию, вид и пространственное распределение излучения.

Анализирующие устройства обычно работают в двух режимах обработки информации. В первом случае анализатором отбираются импульсы с заданными параметрами, во втором – сигналы отбираются по группам в зависимости от заданных параметров отбора.

В приборах с аналоговым видом входной и выходной информации применяются электрометрические и выходные усилители постоянного тока. В схемах с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный используются преобразователи и усилители переменного тока.

Для перекрытия необходимого диапазона измерений с заданной точностью в устройствах с аналоговым видом выходной информации применяются показывающие и самопишущие приборы с линейной и нелинейной шкалами (логарифмической, линейно-логарифмической и т.д.), а также цифровые вольтметры с цифропечатающими устройствами.

Информация на выходе приборов может быть как дискретной, так и аналоговой независимо от формы информации на входе.

Аналоговая информация, поступающая от токовых детекторов излучений (ионизационные камеры), в ряде приборов преобразуется в дискретную путем дозирования – квантования зарядов.

Значительное число приборов с дискретной информацией на входе имеют аналоговую выходную информацию; к ним относятся радиометры, рентгенометры, интенсиметры с измерителями средней скорости следования импульсов.

Результаты измерений могут представляться в виде сигналов, наблюдаемых визуально (показания стрелочных приборов, на экране осциллографа или компьютера и т.д.); зафиксированных регистрирующим устройством (счетчиком импульсов, самописцем, цифропtчатающим устройством и т.д.). Сигналы могут быть звуковыми, генерируемыми телефонами, звонками, сиренами и т.д., подаваться для управления другими приборами.

Именно так действует ионизационная камера. Она представляет из себя герметичный объем, наполненный газом, в котором расположены два металлических электрода (рис. 7.1). К электродам приложено электрическое напряжение. При прохождении электрона, образовавшегося при взаимодействии γ-кванта с веществом, свободные заряды – ионы и электроны – дрейфуют к электродам, и в цепи возникает импульс тока, пропорциональный заряду, образованному электроном.

Рис. 7.1. Принцип действия ионизационной камеры

К сожалению, импульсы тока от электронов, образованных частицами малых энергий и γ-квантами, очень малы. Их трудно точно измерить, поэтому ионизационные камеры используются для регистрации тяжелых частиц, например, α-частиц, которые образуют при прохождении через ионизационную камеру значительно бо́льшие импульсы тока.

Рис. 7.2. Пропорциональный счетчик

Пропорциональные счетчики получили широкое распространение благодаря своей простоте и большим импульсам тока при прохождении заряженных частиц. Сейчас пропорциональные счетчики используют главным образом для регистрации β-излучения, мягкого γ-излучения, α-частиц и нейтронов. На рис. 7.3 представлены основные тины пропорциональных счетчиков.

Рис. 7.3. Типы пропорциональных счетчиков

Чтобы избежать появления пробоев и выровнять электрическое поле, счетчик приходится делать очень тщательно, зачищая и полируя его электроды. Отполировать же нить, диаметр которой измеряется сотыми долями миллиметра, очень сложно. Если электрическое поле в счетчике будет неоднородным вдоль нити, то импульс будет зависеть не только от энергии частицы, но и от места ее попадания в счетчик, что, естественно, нежелательно.

Поэтому конструкцию пропорционального счетчика часто приходится усложнять, вводя в него дополнительные электроды для выравнивания поля. В результате всех этих усложнений удается изготовить счетчики с газовыми усилениями в десятки, сотни, а иногда даже в тысячи раз, но и этого зачастую оказывается слишком мало, чтобы с получаемыми от них импульсами можно было работать без последующего усиления.

Рассмотрим, что произойдет, если еще больше увеличить напряжение между электродами счетчика. В этом случае при попадании в счетчик заряженной частицы образуется чрезвычайно мощная лавина электронов, которая с большой скоростью обрушивается на положительный электрод и выбивает из него несколько фотонов – квантов ультрафиолетового излучения.

Эти фотоны, попадая на отрицательный электрод, могут вырвать новые электроны, последние опять устремятся к положительному электроду и т.д. В результате в счетчике возникает так называемый самостоятельный разряд, который будет гореть с постоянной силой независимо от того, попадают в счетчик новые частицы или нет. (Точно так горит разряд в неоновых трубках световых реклам.)

Счетчик же должен реагировать на каждую попадающую в него частицу, поэтому такой режим работы никому не нужен. Однако, применяя специальные схемы включения или добавляя в атмосферу счетчика некоторые тяжелые газы, можно создать условия, при которых возникший при попадании в счетчик частицы самостоятельный разряд сам по себе будет гаснуть через очень короткое время. Таким образом, попадание в счетчик каждой новой частицы будет вызывать появление кратковременного, но довольно сильного тока.

Рис. 7.4. Схема включения счетчика Гейгера

Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения – альфа, бета, гамма, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции.

Амплитуда импульса от счетчика Гейгера – Мюллера может достигать нескольких десятков или даже сот вольт. С такими импульсами можно работать без всякого усиления. Но эта победа была завоевана дорогой ценой. Дело в том, что амплитуда импульса в счетчике Гейгера – Мюллера определяется только свойствами самого счетчика и параметрами электрической цепи и совершенно не зависит ни от вида, ни от энергии первичной частицы.

Импульсы от медленного электрона, создавшего всего лишь несколько пар ионов, и от α-частицы, создавшей несколько тысяч ионов, оказываются одинаковыми. Поэтому счетчики Гейгера – Мюллера можно использовать только для подсчета числа пролетевших частиц в однородных полях излучений, но не для определения их типа и энергии.

Это и есть радиация (Р) или радиоактивное ионизирующее излучение. Почему ионизирующее? Потому что взаимодействие продуктов распада с окружающей средой приводит к массовому образованию ионов ―положительно или отрицательно заряженных частиц.

Что такое радиация

Материя состоит из атомов. Атомы ― из ядра и электронов. Отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг положительного ядра как планеты вокруг солнца. Стабильность системы зависит от баланса зарядов и масс элементарных частиц.

Ядро — это связка протонов и нейтронов. Протоны создают массу и положительный заряд, нейтроны ― только массу. Легкие ядра устойчивы, тяжелые с течением времени самопроизвольно распадаются. Процесс идет с выделением энергии, которая выбрасывает потоки частиц―

• ядер (альфа излучение),

• электронов (бета излучение),

• нейтронов (нейтронное излучение)

• электромагнитные поля (гамма и рентгеновское излучение).

Это и есть радиация (Р) или радиоактивное ионизирующее излучение. Почему ионизирующее? Потому что взаимодействие продуктов распада с окружающей средой приводит к массовому образованию ионов ―положительно или отрицательно заряженных частиц.

Посмотреть все товары категории: Дозиметры радиации

* — в повседневной жизни гораздо важнее контролировать присутствие и мощность именно α- и β- излучений, как намного более опасных для здоровья человека по сравнению с фоновым гамма-излучением. Именно α- и β- излучения (и, в частности, радон — их основной источник) являются одной из основных причин онкологических заболеваний человечества ( ВОЗ про опасность газа радон ).

Устройство и принцип работы счетчиков Гейгера. Типы счетчиков и их сравнение между собой.

Специально для тех, кому некогда или нет желания читать технический текст, мы подготовили информацию этой статьи в сжатом обобщенном табличном виде – с привязкой к ассортименту нашего интернет-магазина.

типы счетчика Гейгера

цилиндрический датчик

Учитывая важность контроля присутствия (или появления) в атмосфере и в быту
опасных* радионуклидов, излучающих альфа- и/или бета-частицы
(скрытые и явные выбросы этих веществ в атмосферу, а также газ радон), то
СТАНДАРТОМ полноценного бытового дозиметра
на сегодняшний день мы видим
модели на базе
мульти-чувствительных слюдяных датчиков

* — в повседневной жизни гораздо важнее контролировать присутствие и мощность именно α- и β- излучений, как намного более опасных для здоровья человека по сравнению с фоновым гамма-излучением. Именно α- и β- излучения (и, в частности, радон — их основной источник) являются одной из основных причин онкологических заболеваний человечества ( ВОЗ про опасность газа радон ).

Итак, теперь переходим непосредственно к статье.

Во всех бытовых и во многих профессиональных приборах дозиметрического контроля в качестве датчика радиоактивного излучения используется счетчик Гейгера. Этот компонент стал важной частью дозиметра по причине простоты, надежности и эффективности применения.

Счетчик Гейгера был изобретен в 1908 году немецким физиком-экспериментатором Хансом Вильгельмом Гейгером. В 1928 году, совместно с Вальтером Мюллером, счетчик был усовершенствован. Поэтому изобретение часто называют счетчиком Гейгера-Мюллера.

В период зарождения ядерной физики, атомной энергетики и создания ядерного оружия нужны были простые приборы для регистрации и измерения интенсивности процессов распада радиоактивных материалов. Одним из первых счетчиков Гейгера в СССР стал применяться СТС-5, который устанавливался в армейских дозиметрических приборах ДП-5А. Массовое производство таких счетчиков радиации освоил Московский электроламповый завод.

Рис.1. Газоразрядный счетчик СТС-5.

Более совершенный измеритель мощности дозы ДП-5В использовался не только в вооруженных силах и на атомных электростанциях, но и в группах дозиметрического контроля формирований гражданской обороны. Он включал в свой состав счетчик Гейгера типа СБМ-20, производство которого началось в 70-х годах прошлого столетия на одном из предприятий города Саранска.

Рис.2. Газоразрядный счетчик СБМ-20.

Конструкция и характеристики счетчиков СТС-5 и СБМ-20 практически идентичны, а последний вариант до сих пор широко применяется в современных средствах контроля радиоактивного излучения. Данный тип счетчиков используется в дозиметрах Соэкс, SMG, Радэкс.

Принцип работы счетчиков Гейгера основан на эффекте ударной ионизации газовой среды под действием радиоактивных частиц или квантов электромагнитных колебаний в межэлектродном пространстве при высоком ускоряющем напряжении.

Устройство состоит из герметичного металлического или стеклянного баллона, наполненного инертным газом (неон, аргон) или газовой смесью. Внутри баллона имеются электроды – катод и анод. Для облегчения возникновения электрического разряда в газовом баллоне создается пониженное давление. Электроды подключаются к источнику высокого напряжения постоянного тока через нагрузочный резистор, на котором формируются электрические импульсы при регистрации радиоактивных частиц.

Рис.3. Устройство и схема включения счетчика Гейгера.

Газоразрядные счетчики предназначены только для регистрации частиц или квантов и не могут определить ни энергетические их характеристики, ни тип радиоактивного излучения, если это не предусмотрено специальной методикой измерения. Однако, сравнивая между собой различные счетчики Гейгера-Мюллера, важно понимать и правильно трактовать возможности этих устройств.

Рис.4. Кванты рентгеновского и гамма-излучения.

Рис.5. Радиоактивные частицы альфа и бета типа.

Остановимся на наиболее важных характеристиках газоразрядных счетчиков Гейгера, по которым можно сравнивать и выявлять лучшие образцы из них.

Площадь входного окна или рабочей зоны. Это площадь пространства, через которое пролетают детектируемые частицы или кванты. Она напрямую связана с размерами счетчика. Чем больше эта площадь, тем больше частиц сможет уловить счетчик Гейгера в единицу времени и тем больше будет его чувствительность к радиации. Указывается в квадратных сантиметрах.

Собственный фон. Это излучение деталей самого счетчика или иные причины самопроизвольного срабатывания при максимальном изолировании изделия от радиационного воздействия внешней среды (например, в свинцовой камере). Минимальный фон позволяет увеличить чувствительность счетчика при малых значениях радиоактивного излучения. Если собственный фон детектора будет значительным, то часть полезной информации закроется шумом. Приводится в импульсах в секунду (имп/с).

Сегодня промышленность выпускает широкий ассортимент счетчиков Гейгера-Мюллера для нужд приборостроительной отрасли. Рассмотрим наиболее типичные из них, которые нашли применение в современных дозиметрических приборах.

Регистрация гамма-фотонов и жесткого бета-излучения. На это способны практически все классические счетчики Гейгера, выпускаемые как в прошлом столетии, так и в настоящее время. Оба вида излучения несут высокую энергию и обладают большой проникающей способностью. Такие кванты и частицы легко проникают в тонкостенный стеклянный или металлический баллон детектора и обнаруживаются электронной схемой.

Рис.6. Устройство счетчика Гейгера СБМ-20.

Существующие модификации счетчика СБМ-20-1, СБМ-20У имеют такие же параметры и отличаются лишь конструкцией контактных элементов для подключения к измерительной схеме. Аналогичные счетчики Гейгера цилиндрического типа разных производителей (СБМ-10, СБМ-19, СБМ-21, СИ24БГ, СИ29БГ) имеют похожую конструкцию и характеристики, некоторые из них встречаются в бытовых дозиметрах.

Торцевой счетчик Бета-2М имеет круглую форму и значительную площадь рабочей зоны, составляющую приблизительно 14 кв. см. Радиационная чувствительность к кобальту-60 – 240 имп/мкР. Максимальный собственный фон в толстостенной свинцовой камере не превышает 1 имп/с. Датчик позволяет регистрировать ионизирующее фотонное излучение в диапазоне от 0,05 МэВ до 3 МэВ.

Рис.7. Торцевой гамма-счетчик Бета-2М.

В качестве гамма-счетчиков могут применяться гамма-бета-счетчики, предназначенные для регистрации гамма-лучей и жесткого бета-излучения (например, СБМ-20). Если поверх такого датчика установить свинцовый либо стальной экран определенной толщины, то это исключит возможность регистрации счетчиком бета-частиц. Так и поступают во многих случаях разработчики, создающие гамма-дозиметры для измерения мощности дозы фотонов рентгеновского или гамма-излучения.

Рис.8. Устройство торцевого счетчика Гейгера.

Рис.9. Торцевой бета-гамма-счетчик Бета-5.

Рис.10. Торцевой альфа-бета-гамма-счетчик Бета-1.

Какой бытовой дозиметр выбрать?

Позвоните прямо сейчас по телефонам: 8 (800) 333-09-18
и получите качественную консультацию по выбору прибора!

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

Счётчик Гейгера — газоразрядный прибор для счета числа прошедших через него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, пробивающийся при появлении ионизирующей частицы в объёме газа. Счетчики Гейгера — достаточно популярные 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.

Конструкция счетчика Гейгера достаточно проста. В герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая из легко ионизируемых неона и аргона. Материал баллона может быть различным — стеклянным, металлическим и др.

Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно». Повсеместное применение счетчика Гейгера-Мюллера в схемах дозиметров объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать различное излучение, сравнительной простотой и дешевизной установки.

Схема подключения счетчика Гейгера

Такие счетчики обозначаются как галогеновые самогасящиеся. Отличаясь очень низким напряжением питания, хорошими параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались востребованными в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.

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.

Зависимость скорости счета от степени радиационного облучения счетчика — основная его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому зачастую радиационную чувствительность счетчика показывают 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, определять о радиационной чувствительности счетчика приходится по другому его тоже крайне важному параметру — собственному фону. Так называют скорость счета, фактором которой являются две составляющие: внешняя — естественный радиационный фон, и внутренняя — излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода.

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

Еще одной существенной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц. В какой мере эта зависимость существенна, представляет график на рисунке. «Ход с жесткостью» будет сказываться, очевидно, на точность осуществляемых измерений.

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, ничем не отличаются. Сами частицы, их энергии полностью исчезают в порождаемых ими лавинах-близнецах.

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

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.

Как появился счетчик Гейгера — Мюллера

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

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)

Устройство счетчика Гейгера-Мюллера и принцип его работы

На сегодняшний день, как в бытовых, так и в профессиональных дозиметрах радиации, которые вы можете приобрести, широко используется принцип счетчика Гейгера-Мюллера. Последний был изобретен в 1908 году немецким физиком Хансом Гейгером. Позже, в 1928 году, устройство было усовершенствовано другим немецким ученым Вальтером Мюллером, вследствие чего принцип действия и носит названия Гейгера-Мюллера.

На сегодняшний день, как в бытовых, так и в профессиональных дозиметрах радиации, которые вы можете приобрести, широко используется принцип счетчика Гейгера-Мюллера. Последний был изобретен в 1908 году немецким физиком Хансом Гейгером. Позже, в 1928 году, устройство было усовершенствовано другим немецким ученым Вальтером Мюллером, вследствие чего принцип действия и носит названия Гейгера-Мюллера.

Основанный на эффекте ударной ионизации газовой среды, как радиоактивных частиц, так и ускоренных в межэлектродном пространстве квантов электромагнитных колебаний, принцип действия прибора очень прост.

Берется герметический сосуд (металлический или стеклянный) и наполняется инертным газом. В качестве последнего может быть использован неон, аргон или же смесь газов.

Внутри сосуда располагаются положительный и отрицательный электроды – анод и катод. С целью облегчения получения электрического заряда, в баллоне создается низкое давление. К источнику высокого напряжения постоянного тока электроды подключены через резистор, на отводах которого и формируются электрические импульсы во время регистрации радиоактивных частиц.

Между электродами в исходном состоянии газовый промежуток характеризуется высоким сопротивлением.

В цепи тока нет. Когда имеющая высокую энергию заряженная частица, сталкивается с элементами устройства (баллон, корпус, катод), она, тем самым, выбивает определенное количество электронов. Последние оказываются в пространстве между электродами.

При помощи ускоряющего высокого напряжения, электроны, которые находятся в инертном газе, начинают свое движение. В это время они с легкостью выбивают вторичные электроны с инертного газа, тем самым происходит ионизация среды.

После многократного повторения процесса, количество электронов скапливается в необходимом для межэлектродного разряда. Во время разряда межэлектродное пространство становится токопроводящим. Это обуславливает скачок тока на концах нагрузочного резистора, по замерам значений которого определяется уровень интенсивности ионизации среды.

Бытовые дозиметры радиации вы можете приобрести, выписав с нашего сайта. Заказы в этом случае осуществляются в круглосутоном режиме. При объемных закупках на партии товара предусмотрены специальные цены.

Когда происходит разряд, нарастающий фронт сигнала инкрементирует счетчик событий и устанавливает Q-выход DFF1, который обозначен меткой txSTART. Когда txSTART принимает высокое значение HIGH, сигнал сброса CNT5 принимает низкое значение LOW через инвертор 2-L1. Это означает, что выход CNT5 начинает генерировать тактовый импульс с периодом 104 мкс, который используется для синхронизации передачи по UART со скоростью в 9600 бод/c.

Перед практической реализацией мы моделировали схему, чтобы обеспечить точную форму сигналов для всех компонентов. Поскольку части схемы работают с высокими напряжениями, убедитесь, что устройство работает как нужно, чтобы избежать проблем с отдельными компонентами или устройством в целом.

Рис. 3. Моделирование используемой схемы

Как вы можете видеть на рис. 4, напряжение на выходе обратноходового преобразователя достигает 450 В, после чего он готов для поляризации ГМ-трубки. Как только это происходит, напряжение на ГМ-трубке падает. Ток в базе транзистора увеличивается, выходной ток следует за базовым током, а выходное напряжение быстро уменьшается.

Рис. 4. Высоковольтный сигнал и импульс разряда в ГМ-трубке (слева). Ток базы транзистора Q1 и выходной импульс напряжения (справа)

При напряжениях, соответствующих области V (ее называют областью Гейгера, а напряжение U_g – порогом этой области), процесс приобретает характер самостоятельного разряда. Первичные ионы лишь создают толчок для его возникновения. Импульс тока в этой области совершенно не зависит от количества первичных ионов, их природы и энергии. Коэффициент газового усиления в этой области достигает величины 10 8 . Счетчик, использующий режим работы, соответствующий области V , называется счетчиком Гейгера-Мюллера.

Лабораторная работа № 411.

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

Цель работы: 1) изучение работы счетчика Гейгера-Мюллера;

2) снятие счетной характеристики счетчика.

Приборы и принадлежности: источник питания, вольтметр, блок газовых счетчиков БГС-3, счетчик Гейгера-Мюллера, пересчетный прибор ПСО-2-4.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Для измерения интенсивности ионизирующего излучения широко применяются ионизационные камеры и газовые счетчики.

Первый газовый счетчик был сконструирован в 1908 г . в Кавендишской лаборатории под руководством Резерфорда. Газоразрядный детектор быстро завоевал популярность, в течение ряда лет он усовершенствовался: менялась конфигурация электродов, искались наиболее приемлемые режимы работы, газы для заполнения счетчиков и т.д.

На рис.1 изображен в двух проекциях (с боку и с торца) газовый счетчик.

Счетчик состоит из полого металлического цилиндра, по оси которого натянута укрепленная на изоляторах нить. Цилиндр заполняется разреженным газом, например, аргоном. Между нитью, которая служит положительным электродом (анодом), и стенками трубки (катодом) батарея элементов ( U ) создает разность потенциалов. Электрическое поле внутри счетчика неоднородное, напряженность поля изменяется в соответствии с уравнением:

(1)

где U – напряжение, приложенное к электродам; r ₁ – радиус центральной проволоки (анода); r ₂ – внутренний радиус цилиндра; r – расстояние от анода. Уравнение (1) показывает, что напряженность электрического поля наиболее велика вблизи анода, т.е. на расстоянии r » r ₁. С увеличением расстояния ( r > r ₁) поле убывает.

Существует несколько видов счетчиков, применяемых для регистрации a , b и g — излучений.

a — излучение представляет собой поток ядер гелия; заряд a — частицы равен +2 е, а масса совпадает с массой изотопа гелия a — частицы отклоняются электрическим и магнитным полями, обладают высокой ионизирующей способностью, но малой проникающей способностью (например, поглощаются слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). Поэтому для регистрации a — частиц торец счетчика закрывают тончайшей фольгой, пропускающей a — частицы.

Допустим, что в пространство между электродами влетает быстрая заряженная частица, которая создает N _o вторичных ионов (электронов и положительно заряженных ионов). Возникшие ионы увлекаются полем к электродам, вследствие чего через сопротивление R проходит некоторый заряд q , который называется импульсом тока.

Счетчик включается в специальную схему так, чтобы возникший в нем ток быстро обрывался. После гашения разряда происходит рекомбинация ионов и счетчик вновь готов к действию. Прошедший импульс тока после соответствующего усиления регистрируется специальной пересчетной схемой или электромеханическим счетчиком.

Ионизация в счетчиках и их режим работы зависят от приложенного напряжения. На рис.2 приведена зависимость импульса тока от напряжения между электродами для двух различных количеств первичных ионов N _o . На графике можно выделить шесть областей.

В области I газ, находящийся между электродами, подвергается непрерывному постоянному по интенсивности воздействию какого-либо ионизатора. Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул отщепляются один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. При небольших напряжениях не все образовавшиеся ионы достигают электродов, часть их рекомбинирует, т.е. соединяясь с электронами, вновь образуются нейтральные молекулы.

С увеличением напряжения все бóльшая часть ионов и электронов успевает долететь до электродов. Когда все ионы и электроны достигают электродов, дальнейшее увеличение напряжения не приводит к возрастанию тока. Область II – область тока насыщения ( см. рис.2, где U_i – порог этой области). Прибор, работающий при напряжениях, соответствующих области II , называется ионизационной камерой.

В области IV , называемой областью частичной пропорциональности, коэффициент газового усиления А все сильнее зависит от N ₀, в связи с чем различие в импульсах тока, порожденных различным количеством первичных ионов, все больше сглаживается.

При напряжениях, соответствующих области V (ее называют областью Гейгера, а напряжение U_g – порогом этой области), процесс приобретает характер самостоятельного разряда. Первичные ионы лишь создают толчок для его возникновения. Импульс тока в этой области совершенно не зависит от количества первичных ионов, их природы и энергии. Коэффициент газового усиления в этой области достигает величины 10 8 . Счетчик, использующий режим работы, соответствующий области V , называется счетчиком Гейгера-Мюллера.

Для получения импульсов тока от отдельных частиц, т.е. раздельной их регистрации, необходимо возникающий разряд быстро прервать. Это достигается либо с помощью внешнего сопротивления R ( см. рис.1) в несамогасящихся счетчиках, либо за счет процессов, возникающих в самом счетчике (самогасящиеся счетчики).

Гашение самостоятельного разряда в счетчике с помощью внешнего сопротивления вызывается перераспределением напряжения источника питания между межэлектродным промежутком счетчика и сопротивлением. При возникновении разряда сопротивление счетчика и напряжение на нем резко падают и, протекающий по сопротивлению разрядный ток увеличивает на нем падение напряжения. Из-за снижения напряжения на межэлектродном промежутке его величина становится недостаточной для поддержания разряда.

В области VI напряжение столь велико, что разряд, возникнув, не прекращается. Поэтому ее называют областью непрерывного газового разряда.

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И
МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Для определения области Гейгера необходимо снять счетную характеристику счетчика. Счетной характеристикой называют зависимость числа импульсов, регистрируемых счетчиком в единицу времени, от приложенного к нему напряжения при постоянной интенсивности радиоактивного излучения.

На рис.3 изображена счетная характеристика счетчика Гейгера-Мюллера.

Установка для снятия счетной характеристики счетчика ( см. рис.4) состоит из источника питания 1, вольтметра 2, блока газовых счетчиков 3 (БГС-3), счетчика Гейгера-Мюллера 4, пересчетного устройства 5 (ПСО-2-4). В качестве источника ионизирующего излучения постоянной интенсивности используется естественный фон, определяемый космическими лучами.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. При помощи гибких проводов соединить УИП-1 вольтметром и БГС-3, а ПСО-2-4 соединить с БГС-3 при помощи гибкого кабеля.

2. Включить прибор ПСО-2-4 в сеть: нажать клавишу «сеть», при этом загорается сигнальная лампа.

3. Нажать клавиши « N », «100», все остальные находятся в отжатом состоянии.

4. Нажать клавиши «проверка», «стоп», затем «сброс», «пуск», если на табло высвечивается «10000», то прибор готов к работе. Отжать клавишу «проверка».

5. Изменяя напряжение от 280 В до 600 В через каждые 40-50 В, снять зависимость скорости счета импульсов N от напряжения U , приложенного к счетчику Гейгера-Мюллера. Для этого установить напряжение на счетчике по вольтметру, нажать клавишу «пуск» на ПСО-2-4, снять отсчет N после того, как погаснет лампочка индикации «счет». Результат измерения соответствует количеству импульсов за 100 с. Сделать пересчет количества импульсов за 1 с для каждого измерения.

6. Закончив замеры, нажать клавишу «стоп», «сброс» и отключить прибор нажатием клавиши «сеть». Результаты измерений занести в таблицу.

Плату делать необязательно, но с ней сборка схемы становится проще и аккуратнее. Файлы Gerber для производства платы я также выложил на GitHub. После того, как я получил готовую плату, я сделал несколько исправлений в схеме, поэтому дополнительные джамперы в новой схеме не нужны – хотя я её не проверял.

Шаг 2: запчасти и сборка

В качестве мозга проекта я использовал плату NodeMCU с микроконтроллером ESP8266. Мне хотелось взять то, что можно программировать как Arduino, и что будет достаточно быстрым, чтобы отрисовывать изображение на экране без задержек.

Для подачи высокого напряжения я использовал трансформатор с Aliexpress – он подаёт 400 В на трубку Гейгера-Мюллера. Учитывайте, что при проверке выходного напряжения его не получится измерять мультиметром напрямую – при слишком малом импедансе напряжение будет падать, и показания будут неточными. Сделайте делитель напряжения с сопротивлением не менее 100 МОм последовательно с мультиметром.

Питается устройство от аккумулятора формата 18650, через ещё один трансформатор, подающий стабильные 4,2 В на оставшуюся схему.

Вот список всех необходимых компонентов:

Плату делать необязательно, но с ней сборка схемы становится проще и аккуратнее. Файлы Gerber для производства платы я также выложил на GitHub. После того, как я получил готовую плату, я сделал несколько исправлений в схеме, поэтому дополнительные джамперы в новой схеме не нужны – хотя я её не проверял.

Корпус распечатан на 3D-принтере из пластика PLA, их можно скачать здесь. Я подправил CAD-файлы, добавив отверстия для крепления новой платы. Всё должно работать, хотя я это не проверял.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

• Все категории
• экономические 43,022
• гуманитарные 33,480
• юридические 17,881
• школьный раздел 600,708
• разное 16,736

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Цель учебной установки:
изучить методику измерения счетной характеристики и определения рабочего напряжения счетчика Гейгера:
— получить представление о механизме работы детектора самостоятельным разрядом (счетчика Гейгера-Мюллера);
— освоить методику определения основных характеристик и параметров счетчика Гейгера-Мюллера.

Разрабатываем, производим под заказ учебное оборудование любой сложности, на любом языке.

Учебное лабораторное оборудование «Исследование газоразрядного счетчика» предназначено для проведения учебно лабораторно-практических занятий в учреждениях начального профессионального, среднего профессионального и высшего профессионального образования, для получения базовых и углубленных профессиональных знаний и навыков.

Учебная лабораторная установка предназначена для измерения счетной характеристики и определения рабочего напряжения счетчика Гейгера.

Цель учебной установки:
изучить методику измерения счетной характеристики и определения рабочего напряжения счетчика Гейгера:
— получить представление о механизме работы детектора самостоятельным разрядом (счетчика Гейгера-Мюллера);
— освоить методику определения основных характеристик и параметров счетчика Гейгера-Мюллера.

Диск с мультимедийной методикой

Методические указания (на диске)

Потребляемая мощность, В·А, не более

от однофазной сети переменного тока с рабочим нулевым и защитным проводниками напряжением, В