Как работает счётчик Гейгера

Как работает счётчик Гейгера?

Вы, наверное слышали о том, что при поиске металлов геологам сегодня помогает счётчик Гейгера. Или, возможно, вы слышали об этом приборе, когда речь шла о Чернобыле или Фокусиме. В обоих случаях речь шла о радиации, или радиационном излучении. Некоторые радиоактивные элементы таблицы Менделеева способны «излучать лучи», которые легко определяются и измеряются с помощью счётчика Гейгера. Этот счётчик был изобретён Хансом Вильгельмом Гейгером в 1908 году, а потом в 1928-ом усовершенствован его последователем, учёным с фамилией Вальтером Мюллером. Отсюда это устройство в научно-технических кругах часто ещё называют и счётчиком Гейгера-Мюллера.

В эпоху разработки ядерного оружия и в процессе «холодной войны» в Советском Союзе была необходимость в разработке устройств для измерения и фиксации интенсивности процессов распада радиоактивных материалов. Было создано много счётчиков, которые отличались между собой габаритами, надёжностью, точностью. Маркировались они как: СТС-5, ДП-5А, ДП-5В. И лишь в начале 70-х годов прошлого столетия начали массово выпускаться счётчики Гейгера типа СБМ-20. Счётчик получился достаточно удачным и его можно встретить во множестве современных дозиметров от Есоtest, СОЭКС, Радэкс.

Принцип работы газоразрядного счетчика Гейгера

Счётчик представляет собой вакуумную трубку, которая может быть изготовлена из металла или стекла. Она устроена достаточно просто: внутри тонкой стеклянной пробирки находятся две пластины и небольшое количество газа, например аргона или неона. Трубки, наполненные газом, аналогично как неоновые трубки рекламы, что горят на рекламных вывесках. Газ в неоновой трубке или лампе дневного света начинает гореть, если её контакты присоединить к достаточно высокому напряжению. Большое напряжение осаждает газ и даёт возможность огромному потоку электронов двигаться между двумя пластинами, катодом и анодом. Когда возникает движение потока электронов, то газ внутри трубки начинает гореть ярким цветом.

А в счётчике Гейгера всё происходит наоборот. Напряжение должно быть маленьким, чтобы газ не начал гореть в естественных условиях. Теперь давайте представим, что произойдёт, если рядом поместить радиоактивное вещество. Её излучение проникает в трубку и начинает взаимодействовать с молекулами газа. От этого они получают энергию и принуждают газ загораться. Чтобы электрические разряды в трубке могли возникать при минимальных возмущениях — в счётчике Гейгера специально создаётся пониженное давление. Таким образом в момент столкновения заряженной частицы с высокой энергией с элементами конструкции счётчика Гейгера-Мюллера, то выбивается некоторое количество электронов, которые находятся между электродами, и под действием ускоряющего напряжения электроны, находящиеся в инертном газе начинают двигаться к аноду. Происходит лавинообразная ионизация газа, что приводит к появлению коронного разряда между анодом и катодом, возникает скачкообразный электрический ток. Если его пропустить через счётчик импульсов, то можно определить количество радиации, что попала в трубку. А ещё можно заставить этот ток издавать своеобразное цоканье, которое у нас обычно ассоциируется со счётчиком Гейгера.

Типы счётчиков Гейгера.

Для фиксации радиоактивных конструктивно можно выделить два типа счётчиков Гейгера: цилиндрические (СБМ-20 и аналоги) и торцевые (Бета 1-1 и другие). Первый счётчик способен фиксировать бета и гамма излучения, а второй, благодаря своей конструкции и возможности применения тонкой слюдяной пластины в качестве поверхности счётчика кроме упомянутых бета и гамма «видит» и альфа излучение. Счётчик Гейгера Бета 1-1 по стоимости намного дороже СБМ-20 и обычно используется в профессиональных средствах дозиметрического контроля. Кроме гамма-частиц они способны регистрировать мягкое бета излучение и альфа-частицы.

Для того, чтобы остановить процесс разряда в газовую среду счётчика обычно вводят добавки некоторых других добавок таких, как: бром, йод, хлор, спирт. Счётчики с внесёнными добавками называются » самогасящими«. Нагрузочный резистор, с которого снимаются импульсы обычно имеет огромное сопротивление, которое может достигать десятком мегаОм. Из за такого сопротивления происходит большое падение напряжения между анодом и катодом., что позволяет оборвать лавинообразность процесса. Но есть и » несамогасящиеся» счётчики Гейгера-Мюллера. Для того, чтобы прекратить лавинообразный поток электронов в них просто отключается питание через короткий промежуток времени, после возникновения разряда ионизирующих частиц. Счётчик Гейгера обычно подключают по схеме, которая приведена ниже.

Для чего нужен счётчик Гейгера-Мюллера

• Обнаружение жесткого бета-излучения и гамма-фотонов
• Регистрация фотонов рентгеновского и гамма-излучения.
• Регистрация гамма и мягкого бета-излучения.
• Регистрация альфа-частиц

Для регистрации гамма-фотонов, рентгеновского и жесткого бета-излучения вполне подойдёт счётчик СБМ-20 или другой трубчатый счётчик из этой серии. Счётчик выполнен из метала и имеет рабочую зону 8 см. кв. Он может регистрировать гамма-кванты с энергией от 0,05 МэВ до 3 МэВ. А также бета-частицы, которые имеют энергию с нижним пределом 0,3 МэВ. Для более точного измерения гамма-квантов при использовании счётчика Гейгера СБМ-20 необходимо применение свинцовой пластины для отсекания бета излучения. Этот принцип используется в дозиметрах украинского производства Терра МКС-05, Терра-П, Терра-П+ в которых конструктивно предусмотрен фильтр (крышечка) со свинцовой пластиной.

В случае необходимости измерить альфа-частички следует помнить, что они обладают слишком маленькой энергией и в некоторых случаях их можно регистрировать на расстоянии всего лишь 2мм. Для увеличения вероятности обнаружения и расстояния на котором можно зафиксировать альфа частицы правильно будет прибегнуть к использованию торцовых счётчиков Гейгера, у которых обычно площадь фиксации побольше, чем у трубчатых счётчиков. Одним из них есть Бета-1.

Таким образом мы видим, что счётчики Гейгера могут выполнять роль приёмного элемента для фиксации радиоактивных частиц в дозиметрах для рентген кабинета, атомной станции, досмотра автотранспорта и грузов на таможне, проверки металлолома, охранных фирм, банков а также для бытовых целей. Например для проверки продуктов питания или жилища. Для разных целей нужно выбирать дозиметр с подходящими параметрами счётчика Гейгера. Ведь только счетчики с подходящими параметрами смогут уберечь вас от воздействия губительных лучей радиации.

Чтобы подобрать дозиметр конкретно для ваших целей обращайтесь к консультантам нашего магазина.

Дозиметр SMG-1 и его преимущества

1. Дозиметр «SMG-1» — это уникальный прибор, который объединяет в себе достоинства бытового дозиметра (компактность, универсальность, невысокая стоимость) с высокой точностью измерения, присущей приборам профессионального класса. Такая точность достигается использованием одного из самых быстрых и точных счетчиков Гейгера-Мюллера профессионального класса — СБМ 20-1.
2. Прибор по дизайну и габаритам схож с сотовым телефоном, дозиметр идеально вписывается в облик современного человека, который следит за своим здоровьем и безопасностью.
3. Удобство и простота в эксплуатации: русскоязычное меню, большой цветной ЖК-дисплей по диагонали 2″ с разрешением 240х320 точек, удобный джойстик.
4. На экране дозиметра высвечивается полная информация: фактическая доза радиации, средняя доза за день/час, график поступления частиц, интервал времени измерения, уровень завершения цикла измерения, а также заряд батарей, температура окружающего воздуха, текущее время и пункты меню. Имеется 3 режима яркости.
5. Прибор позволяет точнее определить радиационную опасность окружающей обстановки, что обеспечивается функцией измерения накопленной дозы облучения.
6. Сохраняет историю колебаний радиационного фона от одного часа до двух лет и отображает в виде графика или числовых значений на дисплее прибора.
7. Просмотр накопленных данных на компьютере, на который их можно выгрузить с дозиметра через порт USB.
8. Звуковая и визуальная сигнализация при превышении заданного уровня радиационного фона.
9. Дополнительные функции: измерение температуры окружающего воздуха, встроенные часы и календарь.
10. Функция экономичного энергопотребления увеличивает время автономной работы: при выключенной подсветке дозиметр продолжает измерять радиационный фон и отсчитывать время.

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:

• SBM-20 GM трубка (ищите на eBay).
• Высоковольтный трансформатор (AliExpress).
• Трансформатор для 4,2В (AliExpress).
• Плата NodeMCU esp8266 (Amazon).
• 2.8″ SPI сенсорный экран (Amazon).
• 18650 батарейка (Amazon) или любая LiPo батарейка на 3,7 В (500+ mAh).
• 18650 держатель для батарейки (Amazon). Этот держатель оказался великоват для платы, и мне пришлось загнуть контакты внутрь. Рекомендую взять батарейку LiPo поменьше, и припаять провода от разъёма JST к контактам для питания на плате.

• Резисторы на 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1,8M, 3M Ом. Для создания делителя напряжения также потребуются резисторы на 10 МОм.
• Конденсаторы: 220 пФ.
• Транзисторы: 2N3904.
• Светодиод 3 мм.
• Пищалка: любой пьезоэлемент на 12-17 мм.
• Держатель для предохранителя 6,5 х 32 (для надёжного крепления трубки).
• Выключатель 12 мм.

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.

Устройства счетчика Гейгера-Мюллера и принципы работы

Газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера, главным образом, выполняются как герметичные трубки, стеклянные или металлические, из которых выкачан весь воздух. Его заменяют добавленным инертным газом (неоном или аргоном или их смесью) при невысоком давлении, с галогеновым или спиртовыми примесями. По осям трубок натянуты тонкие проволоки, а соосно с ними расположены металлические цилиндры. И трубки и проволоки – это электроды: трубки – катоды, а проволоки – аноды.

К катодам подключаются минусы от источников постоянного напряжения, а к анодам – с использованием большого постоянного сопротивления – плюсы от источников с постоянным напряжением. С электрической точки зрения выходит делитель напряжения. а в середине него уровень напряжения почти такой же, как напряжение на источнике. Как правило, он может доходить до нескольких сот вольт.

В процессе пролета ионизирующих частиц через трубки, атомы в инертном газе, которые уже находятся в электрополе высокой интенсивности, сталкиваются с этими частицами. Та энергия, которая была отдана частицами в процессе столкновения немалая, ее хватит для того, чтобы оторвались электроны от атомов газа. Образовавшиеся электроны вторичного порядка сами в состоянии формировать дальнейшие столкновения, после чего выходит целый электронный и ионный каскад.

При воздействии электрополя происходит ускорение электронов по направлению к анодам, а положительно заряженных ионов газа – к катодам трубок. Вследствие этого зарождается электроток. Поскольку энергию частиц уже израсходовали для столкновений, целиком или отчасти (частицы пролетели через трубку), ионизированные атомы газа стали заканчиваться.

Как только заряженные частицы попали в счетчик Гейгера-Мюллера, путем зарождающегося тока произошло падение сопротивления трубки, одновременно с этим изменяется напряжение в центральной отметке разделителя, о чем было указано ранее. После этого сопротивление в трубке в результате его роста возобновляется, а уровень напряжения снова приходит в прежнее состояние. В результате, получаются отрицательные импульсы напряжения. Произведя отсчет импульсов, можно установить количество частиц, которые пролетели. Самая большая интенсивность электрополя наблюдается рядом с анодом, благодаря его малым размерам, вследствие этого счетчики становятся более чувствительными.

История создания счетчика Гейгера

Бесспорно самый известный, востребованный и в буквально смысле жизненно необходимый инструмент для обнаружения излучений в самых разных отраслях промышленности и в быту.
Родоначальник ядерной физики Эрнст Резерфорд (Англия) в начале XX века разработал концепцию, смысл которой в том, что атом состоит из ядра (занимает небольшой объем в центре). Ядро в свою очередь состоит из более мелких элементов. При этом при определенных условиях ядро может распадаться с выделением этих частиц.
Чтобы исследовать структуру атома, подтвердить или опровергнуть свою гипотезу, Резерфорд проводил эксперименты по измерению электрического заряда потока альфа-частиц, попадающих в цель.
Сколько этих частиц будет выделяться ? Этот вопрос и представлял прежде всего чисто научный интерес, поскольку до ядерной бомбы было еще несколько десятилетий, как и до атомных станций.
Вместе с Резерфордом работал Гейгер (вот и встретилась нам эта фамилия) над задачей создания регистрирующего устройства для измерения радиации.

Студентом Ганс Гейгер изучал физику в Мюнхенском университете и служил в немецких вооруженных силах, прежде чем продолжить учебу, получил докторскую степень в 1906 году и защитил диссертацию по прохождению электрического тока через газ. Обращаем внимание, что последний факт, как оказалось впоследствии, имеет прямое отношение к принципу действия счетчика, названного его именем. Как и во многих изобретениях и открытиях, "пазл" складывается тогда, когда встречаются нужные люди, знания, в одном месте и в одно время.
Затем он переехал в Англию, чтобы стать лаборантом в лаборатории Резерфорда в Манчестерском университете.
Работая с одним из студентов, Эрнестом Марсденом, Гейгер разработал новое уникальное устройство, которое запускало альфа-частицы через золотую фольгу на экран, где они могли быть обнаружены как сцинтилляции (мерцание, кратковременные световые вспышки).

Суть опыта, без которого невозможно обсуждать историю атома, а именно существования атомного ядра, состояла в следующем. Источник радиации помещался перед тонкой золотой фольгой. Сам источник альфа-частиц и фольга находились в вакууме, чтобы частицы не сталкивались с молекулами воздуха, не ионизировали их и тогда результаты были бы искажены.

Эти меры позволили обнаруживать вспышки света. Но как подсчитать их количество в единицу времени и таким образом измерить радиацию ?
Сначала попытались установить микроскоп, который вращался вокруг золотой фольги, чтобы вручную подсчитывать количество сцинтилляций в темноте лаборатории. Но это было неудобно, утомительно, влиял человеческий фактор.
Нужны были другие решения для регистрации излучения. И в 1911 году Гейгер предложил как измерить количество вспышек при дневном свете.
Запаянная трубка заполняется инертным газом (аргоном, ксеноном или газовыми смесями) и служит катодом. А нить, проходящая внутри по центру, является анодом.
Приблизительно по такому же принципу были построены усилительные лампы, которые широко использовались в радиотехнике, звуковой технике, до эпохи транзисторов и микросхем.

Как работает счетчик Гейгера

1. Пока в камеру не попадают частицы, газ является диэлектриком. Ток через него отсутствует.
2. При приложении высокого напряжения, попадающее альфа-излучение, вызывало ионизацию газа (происходит столкновение с атомами), тем самым испускался поток электронов – отрицательных заряженных частиц.
3. Из-за того, что электроды "выбиты", атомы газа становятся положительно заряженными.
4. Это лавинообразный процесс, что приводит к возникновению электрического тока в газе. Образуется своеобразная мини-молния.
5. При столкновении с атомами, энергия частиц уменьшается. Это процесс повторяется в виде импульсов – всплесков энергии, что регистрируется, а значит может быть измерено и переведено в удобные для восприятия цифры.

Амплитуда импульсов достаточно велика и может достигать нескольких Вольт, а значит может быть измерена непосредственно, без усиления.

Газоразрядная ионизационная трубка и была прообразом счетчика, который был способен определять альфа-частицы (ядра гелия), представляющие собой комбинацию из пары нейтронов и протонов. Эти частицы излучаются атомом в процессе радиоактивного распада.
Конечно ни о каком точном подсчете отдельных частиц речь не идет. Измеряется общая интенсивность излучения.

Во время первой мировой войны Гейгер служил офицером в немецкой армии, в полевой артиллерии, что на время прервало его карьеру и научные исследования на несколько лет. После этого ученый вернулся как к преподавательской работе, так и к науке.

Объединив свои усилия с Вальтером Мюллером (это был его аспирант в университете), они смогли улучшить детектор излучения (вот откуда составное название "счетчик Гейгера-Мюллера"), его чувствительность, производительность и долговечность, чтобы можно было обнаруживать и другие типы радиоактивного излучения, кроме альфа-частиц, а именно бета-частицы и ионизирующие фотоны.
Впоследствии Гейгер продолжал изучать космические лучи, искусственную радиоактивность и деление атомных ядер.
Кстати, на войне, ученый серьезно подорвал свое здоровье, часто болел и в результате чего ушел из жизни в 62 года. Причем он умер в сентябре 1945-го, таким образом был свидетелем первого и единственного военного применения атомного оружия в Хиросиме и Нагасаки.

В ранней модели счетчика Гейгера газ низкого давления находится в медном цилиндре, через который проходит электрический ток. Радиоактивная частица, попадающая в цилиндр, вызывает всплеск электрического тока, который регистрируется счетчиком.
В частности именно такой детектор, выглядящий несколько несовременно, использовал Джеймс Чедвик, открывший нейтрон. Интересная деталь из биографии Чедвика. При сдаче вступительных экзаменов в университет в Манчестере, он случайно вместо экзамена по математике попал на физику (вот она судьба, может и нейтрон открыт был бы позже и вообще развитие науки пошло совсем по другому сценарию ?) и сделал серьезный вклад в ядерную физику. За что и был заслуженно награжден Нобелевской премией в 1935 году.

Почему счетчик Гейгера щелкает?

Мы же говорили о "молнии" внутри счетчика. А ведь настоящая молния не просто щелкает, а ее разряды сопровождаются настоящим грохотом. Приблизительна та же картина и здесь. Только в меньшем масштабе. Такая же ситуация наблюдается и с ионизаторами воздуха и другим приборами, которые вызывают электрический разряд в газе. Существует и природная ионизация под действием космических лучей, ультрафиолетового и других излучений, приходящих как от солнца, так и от далеких галактик.

Также дозиметры реагируют щелчками и на другие источники радиации, существующие в природе:

• отвалы угольных шахт;
• некоторые горные породы могут "фонить";
• радиоактивные газы;
• стройматериалы и даже продукты питания с радиацией, чем особенно "грешат" грибы и некоторые лесные ягоды, которые по-прежнему изредка попадают на рынки Украины.

Количество щелчков пропорционально уровню регистрируемого излучения. Измерение производится за период времени. Чем этот период больше, тем выше точность определения радиации.

В каких единицах счетчик Гейгера измеряет радиацию ?

В единицах, называемых микрозивертами, за час воздействия. (Один зиверт равен 1 000 миллизивертов и 1 миллион микрозивертов).
Пример. Если счетчик Гейгера отображает 0,25 микрозиверта в час, это означает, что он обнаружил 0,25 микрозиверта излучения за это время.
Как оценить — много или это или мало ? Имеется в виду с точки вреда для здоровья.
Компьютерная томография одного органа выдает дозу облучения порядка 7000 микрозивертов. Это кстати в десятки раз больше, чем при облучении в процессе рентгеновского снимка. А вот величина в 2000000 микрозивертов указывает на серьезное радиационное поражение.

Существуют и другие технологии измерения радиации, но счетчики Гейгера – простые и относительно недорогие, бесспорно держат пальму первенства.

Обмен данными с LabView по UART

Для связи между GreenPAK и ноутбуком мы использовали мост CP210xUART-USB от Silicon Laboratories, Inc. Вывод TxUSB-моста подключен к выводу PIN8 микросхемы GreenPAK. Выводы 9 и 10 GreenPAK закорочены вместе, а земли микросхем объединены.

Рис. 8. Подключение плат

Как только все оборудование подключено, мы можем запустить LabView и открыть пользовательский интерфейс. После подключения устройств к USB необходимо выбрать правильный COM-порт. В нашем случае это был COM3. При нажатии кнопки START программа будет ждать входящего соединения. Светодиоды отображают побитовые показания счетчика, а элемент Geiger counter events отображает общее количество событий с начала передачи. Кнопка STOP блокирует соединение и закрывает программу.

Рис. 9. Внешний вид программы в LabView

Рис. 10. Графический пользовательский интерфейс, созданный в LabView

При открытии лицевой панели (front panel), вы можете увидеть пользовательский интерфейс с элементами управления LabView. Скорость обмена по UART равна 9600 бод/с. Размер сообщения составляет 8 бит, плюс один старт и 1 стоповый бит. Не требуется никаких символов окончания, битов четности или битов управления потоком. Все биты имеют значения по умолчанию, чтобы избежать ошибочной визуализации после предыдущего использования.

Показания счетчика Гейгера обнулены. Размер буфера VISA составляет один байт, который устройство посылает во время обмена. После установления соединения программа переходит в режим ожидания входящей передачи от GreenPAK. Строковый буфер преобразует данные в одиночные биты и переворачивает порядок их следования, поскольку GreenPAK SPI отправляет данные старшим битом вперед MSB, а нам требуется формат LSB. После этого полученные данные преобразуются в целочисленное значение и выводятся на экран. Когда нажата кнопка останова, программа выходит из цикла ожидания и соединение закрывается.