من عداد جيجر ، أعواد الثقاب واردوين. الجزء الأول - النظرية

لم يكن هناك مشكلة منذ فترة طويلة لشراء جهاز تحت الاسم الرمزي "مقياس الجرعات المنزلية" (سيكون هناك أموال - وبهذا المعنى ، ارتكبت رهاب راديو فوكوشيما ومحبوب الإشعاع (TM) خطأ) ، ولكن أعتقد أنه سيكون من المثير للاهتمام جعل هذا الجهاز بيديك.


قلب الجهاز سيكون عداد جيجر. نحن نعلم ، بالطبع ، أن هذا الكاشف لديه الكثير من العيوب وبشكل عام "يجب أن يكون الجهاز التلألؤ" ، ولكن مقياس إشعاع التلألؤ أكثر تعقيدًا ولدي المنشور التالي لذلك. علاوة على ذلك ، فإن عداد Geiger-Muller لديه عدد من المزايا التي لا جدال فيها.

لذلك دعونا نبدأ.

كاشف

لذا ، عداد جيجر-مولر. (الشكل 1) أبسط جهاز ، يتكون من قطبين يوضعان في وسط غازي بضغط منخفض ، هو كاثود بمساحة كبيرة وأنود على شكل سلك رفيع أو أكثر ، مما يخلق مجالًا محليًا عالي التوتر. التي تتطور فيها عملية تكاثر الأيونات ، والتي يمكن أن يتسبب زوج أيون واحد في حدوثها انهيار جليدي قوي من التأين واشتعال تصريف مستقل.


التين. 1. عداد جيجر-مولر. 1 - أنود ، 2 - كاثود ، 3 - بالون ، 4 - رصاص كاثود ، 5 ، 6 - نوابض ، شد خيط الكاثود.

في الواقع ، يعمل العداد مثل الثاثرون مع كاثود بارد ، فقط التفريغ فيه يتم إشعاله بواسطة التأين ، وليس بسبب نبض من الشبكة ، ولكن بسبب جسيم مشحون يطير عبر الغاز. بعد إشعال التفريغ ، يجب إخماده إما عن طريق إزالة الجهد من الأنود ، أو ... إما أن يخرج من تلقاء نفسه. ولكن لهذا ، يجب إدخال شيء ما في وسط الغاز للمتر ، والذي ، تحت تأثير التفريغ ، سيتحول إلى شكل يجعل الغاز معتمًا للأشعة فوق البنفسجية ، ونتيجة لذلك ، سيختفي أحد العوامل التي تدعم الحفاظ على تفريغ مستقل ، انبعاث إلكترون ضوئي. هناك نوعان من الإضافات: الكحول والهالوجينات (الكلور والبروم واليود). يتحلل الأول في التفريغ ، ويتحول ، تقريبًا ، إلى سخام ، ثم لا يتحول مرة أخرى إلى كحول ، وبعد عدة عشرات الآلاف من البقول سينتهي العداد. وتصبح الهالوجينات ذرية من الجزيئات ، وتكون العملية قابلة للعكس. تنتهي أيضًا - نظرًا لحقيقة أن الهالوجينات الذرية تتفاعل بسهولة مع أي شيء فظيع ، بما في ذلك الجدران المضادة ، ولكن في كثير من الأحيان يتمكنون من إعادة التوليف مع بعضهم البعض ، لذا فإن عدادات الهالوجين أكثر متانة ، تتحمل مليارات النبضات. نحن مهتمون بشكل أساسي بعدادات الهالوجين ، لأن:

أ) هم أكثر دواما ،
ب) يعملون عند 400-500 فولت ، وليس عند ألف ونصف ، مثل الكحول ،
ج) هم ببساطة الأكثر شيوعًا.
في الجدول 1 ، أدرجت العديد من عدادات جيجر المشتركة ومعلماتها الرئيسية.

الجدول 1.
المعلمات الرئيسية لبعض عدادات Geiger-Muller.


ملاحظات: 1 - لا ينظم الحساسية لأشعة ألفا. 2 - عداد دفعي صغير ، بياناته شحيحة.

الحساسية

عند اختيار عداد Geiger لمقياس الجرعات ، يجب عليك أولاً النظر في حساسيته. بعد كل شيء ، من غير المحتمل أن تريد جهازًا يعرض شيئًا فقط حيث انفجرت أم Kuzkina Mother قبل ساعتين. ولكن هناك الكثير من هذه العدادات ، ولعدم صلاحيتها الكاملة تقريبًا للشخص العادي ، فهي رخيصة جدًا. هذه هي جميع أنواع SI-3BG و SI-13G و "عدادات يوم القيامة" الأخرى ، التي تقف في مقاييس الجرعات العسكرية للعمل على الحد الأعلى للقياسات. كلما كان العداد أكثر حساسية ، كلما زاد النبض في الثانية عند نفس مستوى الإشعاع. العداد الكلاسيكي SBM-20 (كان يطلق عليه أيضًا STS-5 من الإصدارات السابقة) ، والذي تم وضعه تقليديًا في جميع "خشخيشات" البيريسترويكا-تشيرنوبيل ، مع خلفية طبيعية تبلغ 12 ميكروغرام / ساعة ، يعطي حوالي 18 نبضة في الدقيقة. من هذا الشكل ، من الملائم الرقص ، مع مراعاة حساسية العداد في SBM-20.

ما الذي يعطينا حساسية العداد؟ دقة وسرعة رد الفعل. والحقيقة هي أن جزيئات الإشعاع المشع تصل إلينا ليس وفقًا للجدول الزمني ، ولكن كما يجب عليك ، وبعضها سيفقده العداد ، ولكن بعضها سيعمل (من فوتونات أشعة غاما - من حوالي واحد من عدة مئات). لذا فإن النبضات من عداد جيجر (ومن أي كاشف إشعاع معدي ) تذهب في أوقات عشوائية تمامًا بفترات غير متوقعة بينهما. وحساب عدد النبضات في دقيقة واحدة ، وثالثة أخرى ، نحصل على قيم مختلفة. ويكون الانحراف المعياري لهذه القيم ، أي الخطأ في تحديد معدل العد ، متناسبًا مع الجذر التربيعي لعدد النبضات المسجلة. كلما زاد عدد النبضات ، قل الخطأ النسبي (في النسبة المئوية من القيمة المقاسة) لحسابها:

$$

$${{\ \ sigma_N} \ over {N}} = {{\ sqrt N} \ over {N}} = {{1} \ over {\ sqrt N}}$$

.
عندما يكون لدينا كاشف - "المرجع" المذكور SBM-20 ، ووقت العد - 40 ثانية (تم ذلك في أجهزة قياس جرعات منزلية بسيطة ، تظهر مباشرة عدد النبضات المحسوبة على أنها مستوى معدل الجرعة بـ μR / h) ، على خلفية طبيعية يكون عدد النبضات ~ 10 قطع وهذا يعني أن الانحراف المعياري يبلغ حوالي ثلاثة. والخطأ عند مستوى ثقة 95٪ هو ضعف ذلك ، أي 6 نبضات. وبالتالي ، لدينا صورة حزينة: قراءات قياس الجرعات 10 ميكرومتر / ساعة تعني أن معدل الجرعة في مكان ما من 4 إلى 16 ميكرومتر / ساعة. ويمكننا الحديث عن الكشف عن حالة شاذة فقط عندما يظهر مقياس الجرعات انحرافًا لثلاثة سيجما ، أي أكثر من 20 μR / h ...

لزيادة الدقة ، يمكنك زيادة وقت العد. إذا فعلنا ذلك لمدة ثلاث دقائق ، أي أربع مرات أكثر ، فسوف نضاعف عدد النبضات أربع مرات ، مما يعني أننا سنضاعف الدقة. ولكن بعد ذلك ، سنفقد استجابة الجهاز لفترات قصيرة من الإشعاع ، على سبيل المثال ، إلى "امتيازك" الذي تمر به بعد التلألؤ أو العلاج باليود المشع ، أو العكس ، عندما تمر بالساعة مع SPD على قاعدة الراديو. وبأخذ كاشف أكثر حساسية أربع مرات (4 موصلات متوازية SBM-20 ، واحد SBM-19 ، SBT-10 أو SI-8B) وترك وقت القياس كما هو ، سوف نزيد من الدقة ونحافظ على معدل التفاعل.

ألفا وبيتا وغاما وتصميم العداد

يتأخر إشعاع ألفا بقطعة من الورق. يمكن حماية إشعاع بيتا بواسطة لوح زجاج شبكي. ومن أشعة جاما الصلبة تحتاج إلى بناء جدار من الطوب الرصاص. ربما يعرف الجميع هذا. وكل هذا مرتبط مباشرة بعدادات جيجر: لكي يشعر بالإشعاع ، من الضروري أن يخترق الداخل على الأقل. ومع ذلك ، لا يجب أن تطير من خلال ، مثل النيوترينو عبر الأرض.

يحتوي نوع العداد SBM-20 (وأخيه الأكبر SBM-19 والأصغر SBM-10 و SBM-21) على علبة معدنية لا توجد بها نوافذ مدخل خاصة. ويترتب على ذلك أنه لا يوجد أي حساسية لأي إشعاع ألفا. أشعة بيتا يشعر بشكل جيد ، ولكن فقط إذا كانت قاسية بما يكفي لاختراق الداخل. هذا في مكان ما من 300 كيلو فولت. لكنه يشعر بإشعاع جاما ، بدءًا من بضع عشرات من keV.

وعدادات SBT-10 و SI-8B (بالإضافة إلى عدادات جديدة وغير قابلة للوصول بسبب أسعار الخردة Beta-1،2 و 5) بدلاً من قشرة فولاذية صلبة تحتوي على نافذة واسعة من الميكا الرقيقة. جزيئات بيتا مع طاقات أعلى من 100-150 كيلو فولت قادرة على الاختراق من خلال هذه النافذة ، مما يجعل من الممكن رؤية تلوث الكربون 14 ، غير مرئي تمامًا لعدادات الصلب. كما تسمح نافذة الميكا للعداد باستشعار جسيمات ألفا. صحيح ، فيما يتعلق بالأخيرة ، يجب على المرء أن ينظر إلى سمك الميكا من عدادات محددة. لذلك ، SBT-10 مع الميكا السميكة لا تراها عمليًا ، في حين أن Beta-1 و 2 لديهم ميكا أرق ، مما يعطي كفاءة الكشف عن جزيئات ألفا بلوتونيوم -239 حوالي 20 ٪. SI-8B - في مكان ما في المنتصف بينهما.

والآن للمرور من خلال وعبر. والحقيقة هي أن جزيئات ألفا وبيتا ، عداد جايجر يسجل تقريبًا كل ما يمكن أن يدخل. ولكن مع أشعة غاما ، كل شيء حزين. لكي يتسبب كم غاما في إحداث نبض في العداد ، يجب أن يطرد إلكترونًا من جداره. يجب أن يتغلب هذا الإلكترون على سمك المعدن من النقطة التي حدث فيها التفاعل على السطح الداخلي ، وبالتالي فإن "حجم العمل" للكاشف ، حيث يتفاعل مع فوتونات أشعة غاما ، هو أنحف طبقة معدنية بسماكة قليلة ميكرون. من هذا يتضح أن كفاءة العداد لإشعاع غاما صغيرة جدًا - أقل من مائة مرة أو أكثر من إشعاع بيتا.

التغذية

للتشغيل ، يتطلب عداد جيجر طاقة عالية الجهد. تتطلب أجهزة الهالوجين السوفيتية الروسية النموذجية جهدًا يبلغ حوالي 400 فولت ، والعديد من العدادات الغربية مصممة لـ 500 أو 900 فولت. تتطلب بعض العدادات جهدًا يصل إلى واحد ونصف كيلوفولت - وهي عدادات قديمة مع تبريد الكحول مثل MS و BC ، عدادات الأشعة السينية لتحليل الأشعة السينية ، النيوترون . إنهم لن يهتموا بنا كثيرا. يتم توفير الطاقة للمتر من خلال ثقل عدة ميجاوات - فهو يحد من النبض الحالي ويقلل الجهد على العداد بعد مرور النبض ، مما يسهل إخماده. يتم إعطاء قيمة هذه المقاومة في البيانات المرجعية لجهاز معين - قيمته الصغيرة جدًا تقصر عمر الكاشف ، وكبيرة جدًا - تزيد من الوقت الميت. عادة يمكن أن يستغرق حوالي 5 ميجا.

عندما يزيد الجهد من الصفر ، يعمل عداد جيجر أولاً كغرفة تأين عادية ، ثم كعداد نسبي: كل زوج من الأيونات التي تم تشكيلها أثناء مرور الجسيمات يولد أيونًا صغيرًا ، مما يزيد من تيار الأيون بمئات وآلاف المرات. في الوقت نفسه ، يمكن بالفعل اكتشاف نبضات ضعيفة جدًا تم قياسها بالمللي فولت على مقاومة الحمل في دائرة العداد. مع زيادة الجهد ، تصبح الانهيارات الثلجية أكثر فأكثر ، وفي مرحلة ما يبدأ أقوىها في دعم أنفسهم ، مما يؤدي إلى إشعال إفراز مستقل. في هذه اللحظة ، بدلاً من البقول المليفولت الضعيفة من الانهيارات الثلجية التي تمر عبر الفضاء بين القطب وتختفي على الأقطاب الكهربائية ، تظهر النبضات العملاقة ، بسعة عدة عشرات من الفولت! ويزداد تواترها بسرعة مع زيادة الجهد ، حتى يبدأ كل انهيار جليدي في إحداث وميض تصريف ، ومن الواضح أنه مع زيادة أخرى في الجهد ، يجب أن يتوقف معدل العد عن النمو. وهكذا يحدث: لوحظ هضبة اعتماد على الحساسية للجهد.

ومع ذلك ، فإن الزيادة في الجهد لا تترك معدل الحساب دون تغيير: يمكن أن يحدث تفريغ مثل هذا ، من الانبعاث التلقائي. ومع زيادة الجهد ، يزداد احتمال مثل هذا التفريغ فقط. لذلك ، اتضح أن الهضبة مائلة ، وبدءًا من جهد معين ، يبدأ معدل العد في النمو بسرعة ، ثم يصبح التفريغ مستمرًا. في هذا الوضع ، بالطبع ، لا يقوم العداد بوظيفته فحسب ، بل يفشل أيضًا بسرعة.


التين. 2. اعتماد معدل العد لعداد جيجر على جهد الإمداد.

إن وجود هضبة يسهل بشكل كبير إمدادات الطاقة لعداد جيجر - لا يتطلب مصادر مستقرة للغاية للجهد العالي ، المطلوبة لعدادات التلألؤ. يبلغ طول هذه الهضبة لعدادات الجهد المنخفض 80-100 فولت. في العديد من الجرعات المنزلية السوفياتية ذات الأصل التعاوني وفي جميع منشآت الهواة تقريبًا في ذلك الوقت ، تم تشغيل العداد من محول جهد يعتمد على مولد حجب دون أي تلميح إلى الاستقرار. كان الحساب على النحو التالي: مع بطارية جديدة ، كان الجهد عند أنود العداد يتوافق مع الحد العلوي للهضبة ، بحيث وصل الجهد العالي إلى الحد الأدنى للهضبة حتى مع بطارية مفرغة إلى حد ما.

الخلفية والوقت الميت

أي كاشف لأي إشعاع لديه دائمًا إشارة داكنة مسجلة عندما لا يكون هناك إشعاع على الكاشف. عداد جيجر-مولر ليس استثناء. أحد مصادر الخلفية المظلمة هو الانبعاث التلقائي المذكور أعلاه. والثاني هو النشاط الإشعاعي للعداد نفسه ، وهو مهم بشكل خاص للعدادات ذات نافذة الميكا ، حيث أن الميكا الطبيعية تحتوي حتمًا على شوائب من اليورانيوم والثوريوم. وإذا كان هذا الأخير لا يعتمد عمليًا على أي شيء وكان ثابتًا في هذه الحالة من الكاشف ، فإن الخلفية من الانبعاث التلقائي تعتمد على حجم الجهد العالي ودرجة الحرارة و "عمر" العداد. وبسبب هذا ، يصبح من الصعب تقديم جهد غير مستقر للمقياس ، والذي سنستخدمه بشكل أساسي عند قياس مستويات الإشعاع المنخفضة: تعتمد خلفية العداد على جهد الإمداد بشكل كبير جدًا.

تصل سرعة العد من الخلفية الجوهرية إلى مستوى عدادات جيجر المطابق لـ 3-10 μR / h ، أي أنها جزء ملحوظ من سرعة العد في ظل ظروف الإشعاع العادية. رائعة بشكل خاص هي خلفية مستشعرات الميكا - SBT-10 و SI-8B و Beta. لذلك يجب طرحه من نتائج القياس. ولكن لهذا عليك أن تعرف. لا يساعد المرجع هنا: يتم إعطاء القيم القصوى فقط هناك. لقياس الخلفية الخاصة بك ، تحتاج إلى "منزل" رصاصي بسمك لا يقل عن 5 سم ، في حين يجب تغطية السطح الداخلي بألواح من النحاس بسمك 2-3 مم و 5 مم بليكسي جلاس. والحقيقة هي أن "المنزل" سيكون تحت النيران من الأشعة الكونية ، مما يجعل المنزل نفسه مصدرًا لإشعاع الأشعة السينية ، خاصة في خطوط الرصاص المميزة. وإذا قمت بتوفير الحماية فقط من الرصاص ، فهذا هو "توهج" الفلورسنت و "العداد" سوف "يرى" - بدلاً من "الظلام" الكلي. وهناك حاجة إلى زجاج شبكي من إلكترونات خرجت من نفس المساحة من الرصاص والنحاس ، والتي تكفي طاقتها أيضًا للكشف عن طريق عداد جيجر.

عند قياس الخلفية ، يجب أن يوضع في الاعتبار أن "المنزل" الرئيسي لا يشكل أي عقبة أمام الميونات الفضائية. تدفقها ~ 0.015 $$$متكرر / سم ^ 2 \ cdot مع$ . على سبيل المثال ، من خلال عداد SBM-20 بمساحة فعالة ~ 8 $$$سم ^ 2$ 0.12 سيمر $$$متكرر / s$ أو 7.2 $$$ppm$ . نظرًا للطاقة العالية ، يمكن اعتبار كفاءة تسجيل الميونات الفضائية بواسطة أي عداد جيجر تقريبًا بنسبة 100 ٪ ، ويجب طرح هذه القيمة من الخلفية المظلمة.

إذا كانت الخلفية الجوهرية مصدرًا للأخطاء عند مستويات منخفضة ، فإن الوقت الميت يؤثر على مستويات عالية من الإشعاع. جوهر الظاهرة هو أنه بعد النبض مباشرة ، لم يتم شحن سعة العداد إلى الجهد الأولي من خلال مقاومة الحمل. بالإضافة إلى ذلك ، خرج التفريغ في العداد فقط - ولكن مادة التبريد المضافة لم يكن لديها الوقت الكافي للعودة إلى حالتها الأصلية. لذلك ، يظهر العداد عند 150-200 ميكرومتر عندما يكون غير حساس للجسيم التالي ، وبعد ذلك يعيد الحساسية تدريجيًا. (الشكل 3)


التين. 3. عداد الوقت عداد جيجر

تم العثور على التصحيح للوقت الميت بواسطة الصيغة:

$$

$$n = {m \ over 1 + m \ tau} ،$$

حيث m و n ، على التوالي ، معدلات العد المقاسة والمعدلة ، و $$$\ tau$ - وقت ميت.

عند مستويات الإشعاع العالية جدًا ، فإن العديد من عدادات جيجر (تعتمد أيضًا على بقية الدائرة) لها تأثير مزعج وخطير: التأين المستمر يمنع تكوين نبضات فردية. يبدأ العداد في "الحرق" باستمرار مع تفريغ مستمر وينخفض ​​معدل العد بشكل حاد إلى قيمة صغيرة جدًا. بدلاً من الخروج عن الميزان ، يظهر مقياس الجرعات بعض الأرقام المرتفعة بشكل معتدل ، أو حتى شبه طبيعية. في هذه الأثناء ، تسطع العشرات والمئات من الأشعة السينية من حولك في الساعة ويجب عليك الركض ، ولكنك مطمئن من خلال مقياس الجرعات. هذا هو السبب في وجود مقاييس الجرعات العسكرية دائمًا تقريبًا ، إلى جانب العدسة الرئيسية الحساسة ، عداد يوم القيامة ، غير حساس للغاية ، ولكنه قادر على هضم الآلاف من R / h.

من معدل العد إلى الجرعة. الصلابة وأشياء سيئة أخرى

بشكل عام ، عداد جايجر لا يقيس معدل الجرعة. نحصل فقط على سرعة العد - عدد النبضات في الدقيقة أو الثانية التي يعطيها العداد. بالنسبة للجرعة - الطاقة الممتصة في كيلوغرام واحد من جسم الإنسان (أو أي شيء آخر) ، فإن هذا له علاقة بعيدة جدًا. بادئ ذي بدء - فيما يتعلق بمبدأ العمل: عداد جيجر لا يهتم على الإطلاق بطبيعة الجسيمات وطاقتها. ستكون النبضات من الفوتونات من أي طاقة ، جزيئات بيتا ، الميونات ، البوزيترونات ، البروتونات - هي نفسها. لكن فعالية التسجيل مختلفة.

كما قلت بالفعل ، يتم تسجيل إشعاع بيتا بواسطة عداد جيجر بكفاءة تصل إلى عشرات بالمائة. و gamma-gamma-Quanta - فقط جزء من النسبة المئوية. وكل هذا يشبه عدادات قابلة للطي بالكيلوغرامات وحتى معاملات عشوائية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن حساسية العداد لأشعة جاما ليست هي نفسها في طاقات مختلفة (الشكل 4). يمكن أن تختلف حساسية الجرعة للإشعاع من طاقات مختلفة تقريبًا من حيث الحجم. إن طبيعة هذه الظاهرة مفهومة: إن أشعة جاما منخفضة الطاقة لديها فرصة أكبر بكثير لامتصاصها بواسطة طبقة رقيقة من المادة ، لذلك كلما انخفضت الطاقة ، زادت الكفاءة (حتى يبدأ الامتصاص بالتأثير على جدران العداد). في المنطقة ذات الطاقة العالية ، على العكس: مع زيادة الطاقة ، تزداد كفاءة الكشف ، وهي ظاهرة غير عادية إلى حد ما بين أجهزة الكشف الإشعاعية المؤينة.


التين. 4. الاعتماد على الطاقة لحساسية الجرعة لعداد جيجر مولر (يسار) ونتيجة تعويضه باستخدام مرشح.

لحسن الحظ ، في الطاقات العالية (فوق 0.5-1 MeV) ، فإن كفاءة عداد جيجر لإشعاع جاما تتناسب تقريبًا مع الطاقة. لذا ، فإن الاعتماد على الطاقة لحساسية الجرعة هناك صغير. ومن السهل إزالة الحدبة عند الطاقات المنخفضة باستخدام مرشح الرصاص الذي يبلغ سمكه حوالي 0.5 مم.يتم اختيار سمك المرشح بحيث تكون طاقة الامتصاص هي حجم هذه الذروة عند طاقة مقابلة لأقصى حساسية للكاشف (هذا هو 50-100 كيلوفولت ، اعتمادًا على سمك نافذة الإدخال للكاشف). كلما زادت الطاقة وأقل امتصاص للرصاص وعند 500-1000 كيلوفولت ، حيث تتم محاذاة حساسية الكاشف ، يكون غير محسوس تقريبًا.

يمكن تحقيق تصحيح أكثر دقة باستخدام مرشح متعدد الطبقات للمعادن المختلفة ، والتي يجب اختيارها لمقياس محدد.

يقلل مثل هذا المرشح "السكتة الدماغية مع الصلابة" إلى قيمة 15-20 ٪ على مدى 50-3000 كيلوفولت بالكامل ويحول المؤشر (حسنًا ، مؤشر مقياس الإشعاع للبحث) إلى مقياس الجرعات.

عادة ما يكون هذا المرشح قابلاً للإزالة لأنه يجعل المستشعر غير حساس لإشعاع ألفا وبيتا.

***

بشكل عام ، هذا هو كل ما تحتاج إلى معرفته حول عداد Geiger-Muller لمصمم الأدوات بناءً على ذلك. كما ترون ، الجهاز غير معقد بالفعل ، على الرغم من وجود عدد من التفاصيل الدقيقة. في السلسلة التالية ، سننشئ شيئًا مفيدًا بناءً عليه.