Гейгера — Мюллера счётчик

Гейгера — Мюллера счётчик

Счётчик Ге́йгера, счётчик Ге́йгера — Мю́ллера — газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц.

Принцип предложен в 1908 году Хансом Гейгером; в 1928 Вальтер Мюллер, работая под руководством Гейгера, реализовал на практике несколько версий прибора, конструктивно отличавшихся в зависимости от типа излучения, которое регистрировал счётчик.

Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. Дополнительная электронная схема обеспечивает счётчик питанием (как правило, не менее 300 В ). При необходимости обеспечивает гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.

Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).

В бытовых дозиметрах и радиометрах производства СССР и России обычно применяются счётчики с рабочим напряжением 390 В :

• «СБМ-20» (по размерам — чуть толще карандаша), «СБМ-21» (как сигаретный фильтр, оба со стальным корпусом, пригодный для жёсткого β — и γ -излучений);
• «СИ-8Б» (со слюдяным окном в корпусе, пригоден для измерения мягкого β -излучения).

Широкое применение счётчика Гейгера — Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать разного рода излучения, сравнительной простотой и дешевизной установки.

Цилиндрический счётчик Гейгера — Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка — катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы — аргон и неон. Между катодом и анодом создаётся напряжение от сотен до тысяч вольт в зависимости от геометрических размеров, материала электродов и газовой среды внутри счётчика. В большинстве случаев широко распространённые отечественные счётчики Гейгера, требуют напряжения 400 В .

Работа счётчика основана на ударной ионизации. Гамма-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счётчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, приводящая к размножению первичных носителей. При достаточно большой напряжённости поля энергии этих ионов становится достаточной, чтобы порождать вторичные лавины, способные поддерживать самостоятельный разряд, в результате чего ток через счётчик резко возрастает. Этим счётчик Гейгера отличается от пропорционального счётчика, где напряжённость поля недостаточна для возникновения вторичных лавин, и разряд прекращается после пролёта первичной лавины. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подаётся в регистрирующее устройство. Чтобы счётчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается — настолько, что разряд прекращается, и счётчик снова готов к работе. Для ускорения гашения могут использоваться специальные схемы, принудительно снижающие напряжение на счётчике, что позволяет также уменьшить анодное сопротивление и увеличить уровень сигнала. Однако чаще в газовую смесь в счётчике добавляют немного галогена (брома или иода) или органического соединения с относительно большой молекулярной массой (обычно какого-либо спирта) — эти молекулы взаимодействуют с положительными ионами, давая в результате ионы с большей массой и меньшей подвижностью. Кроме того, они интенсивно поглощают ультрафиолетовое излучение разряда — эти два фактора приводят к быстрому и самопроизвольному гашению разряда даже с небольшим анодным сопротивлением. Такие счётчики называются самогасящимися. В случае применения в качестве гасящей добавки спирта при каждом импульсе некоторое его количество разрушается, поэтому гасящая добавка расходуется и счётчик имеет определённый (хоть и достаточно большой) ресурс по количеству зарегистрированных частиц. При его исчерпании счётчик начинает «гореть» — начинает самопроизвольно возрастать скорость счёта даже в отсутствии облучения, а затем в счётчике возникает непрерывный разряд. В галогенных счётчиках распавшиеся молекулы галогена вновь соединяются, поэтому их ресурс значительно больше ( 10 10 импульсов и выше).

Счётная характеристика (зависимость скорости счёта от напряжения на счётчике) имеет хорошо выраженное плато, в пределах которого скорость счёта очень слабо зависит от напряжения на счётчике. Протяжённость такого плато достигает для низковольтных счётчиков 80—100 В , а для высоковольтных — нескольких сотен вольт.

Длительность сигнала со счётчика Гейгера сравнительно велика ( ≈10 −4 с ). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду и восстановилась чувствительность детектора.

Важной характеристикой счётчика является его эффективность. Не все γ -фотоны, попавшие на счётчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия γ -лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объёма.

Эффективность регистрации частиц счётчиком Гейгера различна в зависимости от их природы. Заряженные частицы (например, альфа- и бета-лучи) вызывают разряд в счётчике почти всегда, однако часть их теряется в материале стенок счётчика. Особенно это актуально для альфа-частиц и мягкого бета-излучения. Для их регистрации в счётчике делают тонкое ( 2—7 мкм для регистрации альфа-излучения и 10—15 мкм для мягкого бета-излучения) окно из слюды, алюминиевой или бериллиевой фольги или полимерной плёнки. Эффективность счётчика для рентгеновского и гамма-излучения зависит от толщины стенок счётчика, их материала и энергии излучения. Так как γ -излучение слабо взаимодействует с веществом, то обычно эффективность γ -счётчиков мала и составляет всего 1—2 % . Наибольшей эффективностью обладают счётчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z , так как при этом увеличивается образование вторичных электронов. Кроме того, стенки счётчика должны быть достаточно толстыми. Толщина стенки счётчика выбирается из условия её равенства длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объём счётчика, и возникновения импульса тока не произойдёт. Это приводит к характерной зависимости скорости счёта от энергии гамма-кванта (так называемый «ход с жёсткостью») с явно выраженным максимумом, который у большинства счётчиков Гейгера расположен в области мягкого гамма-излучения. При использовании счётчиков Гейгера в дозиметрической аппаратуре «ход с жёсткостью» частично исправляют с помощью дополнительного экрана (например, стального или свинцового), который поглощает мягкое гамма-излучение вблизи максимума чувствительности и вместе с тем несколько повышает эффективность регистрации жёстких гамма-квантов из-за генерации вторичных электронов и комптоновского излучения в материале экрана. В результате этого зависимость скорости счёта от мощности дозы в значительной степени выравнивается. Этот экран часто делают съёмным для возможности раздельного определения бета- и гамма-излучения. Напротив, для регистрации рентгеновского излучения применяют счётчики с тонким окном, наподобие используемого в детекторах для альфа- и мягкого бета-излучения.

Нейтроны напрямую газоразрядными счётчиками не детектируются. Использование в качестве газовой среды гелия-3 или трифторида бора либо введение бора в состав материала стенок позволяет регистрировать нейтроны по заряженным продуктам ядерных реакций.

Помимо низкой и сильно зависящей от энергии эффективности, недостатком счётчика Гейгера — Мюллера является то, что он не даёт возможность идентифицировать частицы и определять их энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счётчиках.

При измерении слабых потоков ионизирующего излучения счётчиком Гейгера необходимо учитывать его собственный фон. Даже в толстой свинцовой защите скорость счёта никогда не становится равной нулю. Одной из причин этой спонтанной активности счётчика является жёсткая компонента космического излучения, проникающая без существенного ослабления даже через десятки сантиметров свинца и состоящая в основном из мюонов. Через каждый квадратный сантиметр у поверхности Земли пролетает в среднем около 1 мюона в минуту, при этом эффективность регистрации их счётчиком Гейгера практически равна 100 %. Другой источник фона — это радиоактивное «загрязнение» материалов самого счётчика. Кроме того, значительный вклад в собственный фон даёт спонтанная эмиссия электронов из катода счётчика.

Следует отметить, что по историческим причинам сложилось несоответствие между русским и английским вариантами этого и последующих терминов:

Ганс Гейгер

Ганс Гейгер

Сегодня про изобретение ученого – счетчик частиц радиоактивного излучения (счетчик Гейгера) знает каждый школьник. В настоящее время это самый распространенный детектор ионизирующего излучения – измеритель радиации, который используется во многих областях.

Ганс Гейгер (нем. Hans Geiger, полное имя — Ганс (Ханс) Вильгельм Гейгер) родился 30 сентября 1882 года в Нейштадте (Германия), в семье преподавателя филологии. По окончанию гимназии он поступил в Эрлангенский университет и одновременно посещал лекции по физике в университетах Мюнхена и Тюбингена.

Успешно окончив Эрлангенский университет со степенью доктора наук в 1906 году, Гейгер был направлен работать в Манчестерский университет, где находилась одна из самых престижных и развитых кафедр физики в Европе тех лет. Там он стал ближайшим помощником и коллегой выдающегося физика Э.Резерфорда.

В 1908 году Ганс определил заряд электрона и вместе с Резерфордом изобрел прибор для счета отдельных заряженных частиц – счетчик Гейгера, регистрирующий интенсивность радиоактивного излучения. Позже в 1928 году он усовершенствовал свое изобретение совместно с немецким физиком В.Мюллером (счетчик Гейгера–Мюллера). Разновидность этого счетчика применялась в экспериментах по определению строения атома.

В последующие годы Гейгер провел множество экспериментов по прохождению альфа-частиц через тонкие пленки разных металлов, установив, что некоторое, очень небольшое, количество частиц рассеивается на значительные углы. Результаты этих опытов сыграли решающую роль в открытии Резерфордом атомного ядра и создания им полноценной модели атома.

Также в этот период Гейгер, совместно с английским физиком Д.Нэттолом, сформулировал эмпирическую формулу, связывающую постоянную радиоактивного распада с энергией альфа-частиц (закон Гейгера-Нэттола).

В 1912 году ему предложили возглавить специально построенную для его исследований радиоактивности лабораторию при Физико-техническом институте в Берлине. Вернувшись в Германию и возглавив лабораторию, Гейгер продолжил свои исследования атомной структуры.

Во время Первой мировой войны в 1914 году ученого призвали на службу в главный штаб немецкой артиллерии. В военных действиях он не участвовал, но частые поездки на фронт подорвали его здоровье, и всю жизнь он страдал от ревматизма. В 1918 году Ганс вернулся к работе в свою лабораторию.

В 1925 году его пригласили на должность профессора и директора Физического института Кильского университета. Вместе с В.Боте Гейгер экспериментально доказал справедливость закона сохранения энергии и импульса в элементарном атомном акте в эффекте Комптона. Позже в 1929-1936 годах он работал в университете в Тюбингене, где продолжал заниматься изучением искусственной радиоактивности и ядерного распада, там же впервые в истории наблюдал за потоком космических лучей в камере Вильсона. С 1936 года Гейгер – профессор Технического университета в Берлине.

Но уже в 1938 году здоровье физика сильно ухудшилось. Из-за развившегося ревматизма он практически не выходил из дома. К окончанию Второй мировой войны, когда войска Красной Армии вели бои под Берлином, он с семьей уехал из города в Потсдам.

Немецкий физик-экспериментатор, член Берлинской Академии наук и Академии «Леопольдина» — Ганс Гейгер был награжден медалью Д.Юза. Он был женат на Элизабет Хеффтер, у них было трое сыновей.

Презентация на тему Создание счетчика Гейгера-Мюллера

Презентация на тему Презентация на тему Создание счетчика Гейгера-Мюллера, предмет презентации: Физика. Этот материал содержит 26 слайдов. Красочные слайды и илюстрации помогут Вам заинтересовать свою аудиторию. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас — поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций ThePresentation.ru в закладки!

• Главная
• Физика
• Создание счетчика Гейгера-Мюллера

Слайды и текст этой презентации

СОЗДАНИЕ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛИ УЧЕНИКИ 10 «А» КЛАССА МАОУ ВНГ

Заинтересовать юных исследователей космоса,

ЧТО ТО СЮДА ЗАБАБАХАТЬ

1) Раскрыть теоретическую часть работы.
2) Установить область применения и перспективы использования устройства.
3) Рассчитать параметры необходимые для работы устройства.
4) Создать схему экспериментальной модели.
5) Экономическая составляющая исследовательской работы.

Широкий атмосферный ливень (ШАЛ) — «ливень» вторичных субатомных частиц (преимущественно электронов), образующийся в результате множественных каскадных реакций в земной атмосфере.

Цилиндрический счётчик Гейгера—Мюллера состоит из металлической или металлизированной изнутри стеклянной трубки и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка- катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы- аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение от сотен до тысяч вольт в зависимости от геометрических размеров материала электродов и газовой среды внутри счетчика. γ-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счётчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, приводящая к размножению первичных носителей.

УЧАСТОК СХЕМЫ С ТРУБКОЙ ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

В первую очередь собранные устройства могут быть использованы как системы мониторинга уровня локального радиационного фона. Также приборы могут применяться при выполнении лабораторных работ.

Данный проект возможно реализовать в кружках 5-8 классов , знания которых позволяют им совместно с помощью старших классов создать рабочую модель детектора частиц. Реализация работы позволит им развить и улучшить навыки работы с электрическими цепями, которые в дальнейшем помогут им при решении физических задач.

Собранные школьниками рабочие модели можно объединить в сеть наблюдательных станций по наблюдению за частицами, входящими в атмосферу нашей планеты. Данная сеть поможет научным исследователям получать новые данные с других территорий.

РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ПРИБОРА

Основным компонентом прибора является трубка Гейгера-Мюллера, регистрирующая попадание заряженной частицы. Для ее нормальной работы необходим постоянный/переменный ток, сила которого равна а напряжение равно 390 В. Кроме того, нужно создать программу, регулирующую напряжение в цепи и позволяющую ардуино принимать информацию, а также программу для записи входящих данных в файл формата .txt

Счётчик Гейгера (Гейгера — Мюллера счётчик)

Гейгера счётчик (Гейгера — Мюллера счётчик) — детектор частиц, действие к-рого основано на возникновении самостоят. электрич. разряда в газе при попадании частицы в его объем. Изобретён X. Гейгером и Э. Резерфордом [1] в 1908, позднее был усовершенствован Гейгером и В. Мюллером [2]. Г. с. предназначен для регистрации заряж. частиц. Он пригоден также для детектирования нейтронов, рентг.- и g-квантов по вторичным заряж. частицам, генерируемым ими (см., напр., Нейтронные детекторы).

Г. с. обычно состоит из металлич. цилиндра — катода-и тонкой проволочки, натянутой вдоль его оси,- анода, — заключённых в герметичный объём, к-рый заполнен газовой смесью под давлением, как правило, 100-260 гПа (100-260 мм рт. ст., рис. 1). Между катодом и анодом прикладывается напряжение U порядка 200-1000 В. Заряж. частица, попав в объём счётчика, образует нек-рое кол-во электрон-ионных пар; электроны и ионы начинают двигаться к соответствующим электродам. Если напряжённость электрич. поля достаточно велика, электроны на длине свободного пробега (между соударениями с молекулами газа) приобретают энергию, превосходящую их энергию ионизации, и ионизуют молекулы. В результате в газе развиваются электронно-ионные лавины, к-рые являются основой т. н. газового усиления, обеспечивающего достаточно высокий уровень электрич. сигнала на аноде, к-рый регистрируется.

Ток в цепи Г. с. нарастает экспоненциально до тех пор, пока пространств. заряд положит. ионов не понизит электрич. поле и не прекратит развитие лавин [3, 4]. Амплитуда импульса на выходе Г. с. не зависит от энергии детектируемой частицы. Это отличает его от др. газовых детекторов пропорциональных счётчиков и ионизационных камер.

Различают несамогасящиеся и самогасящиеся Г. с. (предложены Тростом в 1937). Они отличаются составом газовой смеси и быстродействием. Несамогасящиеся Г. с. требуют понижения напряжения между катодом и анодом для того, чтобы надёжно погасить разряд и подготовить детектор к регистрации след. частицы. Это достигается спец. схемой или введением высокоомного сопротивления R в цепь питания счётчика (R

10 9 Ом). На нити скапливается отрицат. заряд, разность потенциалов между катодом и анодом уменьшается, и разряд обрывается. После этого чувствительность Г. с. восстанавливается через 10 -2 с (время разрядки ёмкости С счётчика через сопротивление R). Самогасящиеся счётчики заполняются чистыми газами, напр. Ar, с добавкой (10%) многоатомного газа, в частности спирта. Многоатомные молекулы эффективно поглощают фотоны и блокируют механизм фотоэффекта — генерации электронов с поверхности катода, что обеспечивает самопроизвольное гашение разряда. Время нечувствительности самогасящегося Г. с.

10 -4 с. Оба типа Г. с. способны выдерживать нагрузки до 10 4 -10 5 импульс/с. Самогасящиеся Г. с. из-за диссоциации многоатомных молекул выдерживают лишь 10 8 -10 9 срабатываний. Если вместо многоатомной добавки использовать Cl, Br или I (0,1%), а в качестве осн. газа Ne или Не с примесью Ar, то срок службы Г. с. становится практически неограниченным. Рабочее напряжение для этих счётчиков в пределах 200-400 В, но быстродействие существенно ниже и определяется временем дрейфа ионизованных молекул галогенов к катоду. Зависимость числа N регистрируемых импульсов на выходе амплитудного дискриминатора от приложенного к Г. с. напряжения U при фиксиров. нагрузке наз. счётной характеристикой и имеет вид, показанный на рис. 2. В области AB напряжение недостаточно для развития лавин. В интервале ВС только часть сигналов на выходе счётчика превышает порог регистрации. В рабочей области CD регистрируются все частицы, к-рые дали хотя бы одну электрон-ионную пару в объёме Г. с. При напряжении больше U_D начинаются самопроизвольные пробои. Эффективность Г. с. при регистрации частиц малых энергий обычно несколько меньше 100%. Это связано с тем, что такие частицы могут с заметной вероятностью не создать ни одной электрон-ионной пары в рабочем объёме счётчика. Г. с.- сравнительно медленно действующие приборы, поэтому они были частично вытеснены сцинтилляционными детекторами и пропорц. счётчиками. Однако простота конструкции и дешевизна обеспечили им применение в дозиметрии ,а также в таких областях, где регистрируются редкие события и надо перекрыть детекторами десятки и даже сотни м 2 . В последнем случае Г. с. работают, как правило, в ограниченном стримерном режиме при давлении газовой смеси, близком к атмосферному. Если нужно работать в условиях повыш. нагрузок (

10 3 импульсов в 1 с), то в объём Г. с. вводятся изолирующие перегородки, к-рые ограничивают развитие разряда вдоль трубки. Г. с. продолжают использоваться. В эксперименте по исследованию свойств нейтрино применялось 19 968 Г. с. в виде алюминиевых трубок длиной 4 м, изолированных друг от друга. Установка для поиска распада протона, к-рая размещается в туннеле под Монбланом, содержит 43 000 Г. с.