Depuis un compteur Geiger, des allumettes et des arduins. Première partie - Théorie

Cela n'a pas été un problème depuis longtemps d'acheter un appareil sous le nom de code «dosimètre domestique» (il y aurait de l'argent - en ce sens, la radio phobie et le radiophile de Fukushima ont fait une erreur), mais je pense qu'il serait intéressant de fabriquer cet appareil de vos propres mains.


Le cœur de notre appareil sera un compteur Geiger. Nous savons, bien sûr, que ce détecteur a beaucoup de défauts et en général «l'appareil doit être à scintillation», mais le radiomètre à scintillation est beaucoup plus compliqué et j'ai le post suivant pour cela. De plus, le compteur Geiger-Muller présente un certain nombre d'avantages incontestables.

Commençons donc.

Détecteur

Donc, le compteur Geiger-Muller. (Fig.1) Le dispositif le plus simple, composé de deux électrodes placées dans un milieu gazeux à basse pression, est une cathode de grande surface et une anode en forme de fil plus ou moins mince, ce qui crée un champ local de haute tension. dans lequel se développe le processus de multiplication ionique, grâce auquel une seule paire d'ions peut provoquer une avalanche puissante d'ionisation et d'allumage d'une décharge indépendante.


Fig. 1. Compteur Geiger-Muller. 1 - anode, 2 - cathode, 3 - ballon, 4 - fil de cathode, 5, 6 - ressorts, tendant le fil de la cathode.

En fait, le compteur fonctionne comme un thyratron avec une cathode froide, seule la décharge qui s'y trouve est allumée par ionisation, causée non pas par une impulsion de la grille, mais par une particule chargée volant à travers le gaz. Une fois la décharge allumée, elle doit être éteinte soit en supprimant la tension de l'anode, soit ... soit elle s'éteindra d'elle-même. Mais pour cela, quelque chose doit être introduit dans le milieu gazeux du compteur, qui, sous l'action de la décharge, se transformera en une forme qui rendra le gaz opaque aux rayons ultraviolets et, de ce fait, l'un des facteurs favorisant le maintien d'une décharge indépendante, l'émission de photoélectrons, disparaîtra. Il existe deux de ces additifs: l'alcool et les halogènes (chlore, brome et iode). Le premier de la décharge se décompose, se transformant, en gros, en suie, puis ne redevient pas alcool, et après plusieurs dizaines de milliers d'impulsions, le compteur se terminera. Et les halogènes deviennent atomiques à partir des molécules moléculaires, et le processus est réversible. Ils se terminent également - en raison du fait que les halogènes atomiques réagissent facilement avec tout ce qui est horrible, y compris les contre-parois, mais le plus souvent, ils parviennent à se recombiner les uns avec les autres, de sorte que les compteurs d'halogène sont beaucoup plus durables, résistant à des milliards d'impulsions. Nous nous intéressons principalement aux compteurs halogènes, car:

a) ils sont plus durables,
b) ils travaillent à 400-500 V, et non à mille et demi, comme l'alcool,
c) ils sont tout simplement les plus courants.
Dans le tableau 1, j'ai répertorié plusieurs compteurs Geiger courants et leurs principaux paramètres.

Tableau 1.
Les principaux paramètres de certains compteurs Geiger-Muller.


Remarques: 1 - la sensibilité au rayonnement alpha n'est pas réglementée; 2 - petit compteur de lots, les données y sont rares.

Sensibilité

En choisissant un compteur Geiger pour notre dosimètre, vous devez d'abord regarder sa sensibilité. Après tout, il est peu probable que vous vouliez un appareil qui ne montrera quelque chose que là où il y a quelques heures la mère Kuzkina a explosé. Mais il y a beaucoup de tels compteurs, et pour leur inutilité presque complète pour la personne moyenne, ils sont très bon marché. Ce sont toutes sortes de SI-3BG, SI-13G et autres "compteurs apocalyptiques", placés dans des dosimètres de l'armée pour travailler sur la limite supérieure des mesures. Plus le compteur est sensible, plus il donnera d'impulsions par seconde au même niveau de rayonnement. Le compteur classique SBM-20 (également appelé STS-5 des versions précédentes), qui était traditionnellement placé dans tous les «cliquetis» Perestroïka-Tchernobyl, avec un fond naturel de 12 μR / h, donne environ 18 impulsions par minute. À partir de cette figure, il est pratique de danser, compte tenu de la sensibilité du compteur du SBM-20.

Qu'est-ce qui nous donne la sensibilité du compteur? La précision et la vitesse de la réaction. Le fait est que les particules de rayonnement radioactif nous parviennent non pas selon le calendrier, mais comme vous le devez, et certaines d'entre elles seront manquées par le compteur, mais certaines fonctionneront (à partir de photons gamma - d'environ une sur plusieurs centaines). Ainsi, les impulsions du compteur Geiger (et de tout détecteur de rayonnement dénombrable ) vont à des moments absolument aléatoires avec des intervalles imprévisibles entre eux. Et en comptant le nombre d'impulsions en une minute, une autre, une troisième, nous obtenons des valeurs différentes. Et l'écart type de ces valeurs, c'est-à-dire l'erreur dans la détermination du taux de comptage, sera proportionnel à la racine carrée du nombre d'impulsions enregistrées. Plus il y a d'impulsions, moins sera l'erreur relative (en pourcentage de la valeur mesurée) de leur calcul:

$$

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

.
Lorsque nous avons un détecteur - la SBM-20 «référence» mentionnée et le temps de comptage - 40 secondes (cela a été fait dans des dosimètres domestiques simples, montrant directement le nombre d'impulsions comptées comme niveau de débit de dose en μR / h), sur un fond naturel, le nombre d'impulsions est ~ 10 pièces Et cela signifie que l'écart type est d'environ trois. Et l'erreur à un niveau de confiance de 95% est deux fois plus élevée, soit 6 impulsions. Ainsi, nous avons une image triste: les lectures du dosimètre de 10 μR / h signifient que le débit de dose se situe entre 4 et 16 μR / h. Et on ne peut parler de détection d'une anomalie que lorsque le dosimètre montre une déviation de trois sigma, soit plus de 20 μR / h ...

Pour augmenter la précision, vous pouvez augmenter le temps de comptage. Si nous le faisons pendant trois minutes, c'est-à-dire quatre fois plus, nous quadruplerons le nombre d'impulsions, ce qui signifie que nous doublerons la précision. Mais nous perdrons alors la réponse de l'appareil à de courtes rafales de rayonnement, par exemple, à votre «excellence» passant par vous après une scintigraphie ou une thérapie à l'iode radioactif, ou vice versa, lorsque vous passez par l'horloge avec le SPD sur la base radio. Et en prenant un détecteur quatre fois plus sensible (4 SBM-20 connectés en parallèle, un SBM-19, SBT-10 ou SI-8B) et en laissant le même temps de mesure, nous augmenterons la précision et maintiendrons la vitesse de réaction.

Conception alpha, bêta, gamma et compteur

Le rayonnement alpha est retardé par un morceau de papier. Le rayonnement bêta peut être protégé par une feuille de plexiglas. Et à partir d'un rayonnement gamma dur, vous devez construire un mur de briques de plomb. Peut-être que tout le monde le sait. Et tout cela est directement lié aux compteurs Geiger: pour qu'il puisse sentir le rayonnement, il faut qu'au moins il pénètre à l'intérieur. Et pourtant, il ne devrait pas voler à travers, comme un neutrino à travers la Terre.

Le compteur de type SBM-20 (et son frère aîné SBM-19 et les plus jeunes SBM-10 et SBM-21) ont un boîtier métallique dans lequel il n'y a pas de fenêtres d'entrée spéciales. Il en résulte qu'il n'est pas question de sensibilité au rayonnement alpha. Les rayons bêta, il se sent assez bien, mais seulement s'ils sont suffisamment rigides pour pénétrer à l'intérieur. Cela se situe entre 300 keV. Mais il ressent un rayonnement gamma, à commencer par quelques dizaines de keV.

Et les compteurs SBT-10 et SI-8B (ainsi que les nouveaux modèles et inaccessibles en raison des prix de la ferraille Bêta-1,2 et 5) au lieu d'une coque en acier solide ont une vaste fenêtre de mica mince. Les particules bêta avec des énergies supérieures à 100-150 keV sont capables de pénétrer à travers cette fenêtre, ce qui permet de voir la pollution au carbone 14, qui est absolument invisible pour les compteurs en acier. De plus, une fenêtre en mica permet au compteur de détecter les particules alpha. Certes, par rapport à ce dernier, il faut regarder l'épaisseur du mica de compteurs spécifiques. Ainsi, SBT-10 avec son mica épais ne le voit pratiquement pas, tandis que Beta-1 et 2 ont du mica plus mince, ce qui donne une efficacité de détection des particules alpha de plutonium-239 d'environ 20%. SI-8B - quelque part au milieu entre eux.

Et maintenant pour le passage de part en part. Le fait est que les particules alpha et bêta, un compteur Geiger enregistre presque tout ce qui pourrait y pénétrer. Mais avec les rayons gamma, tout est triste. Pour qu'un quantum gamma provoque une impulsion dans le compteur, il doit faire sortir un électron de sa paroi. Cet électron doit surmonter l'épaisseur du métal du point où l'interaction s'est produite à la surface intérieure, et donc le "volume de travail" du détecteur, où il interagit avec les photons gamma, est la couche métallique la plus mince de quelques microns d'épaisseur. De cela, il est clair que l'efficacité du compteur pour le rayonnement gamma est très faible - cent fois ou plus moins que pour le rayonnement bêta.

La nutrition

Pour fonctionner, un compteur Geiger nécessite une alimentation haute tension. Les appareils halogènes soviéto-russes typiques nécessitent une tension d'environ 400 V, de nombreux compteurs occidentaux sont conçus pour 500 ou 900 V. Certains compteurs nécessitent des tensions allant jusqu'à un kilo et demi - ce sont de vieux compteurs avec trempe à l'alcool tels que MS et BC, compteurs de rayons X pour l'analyse des rayons X, neutrons . Ils ne nous intéresseront pas beaucoup. Le compteur est alimenté par un ballast de plusieurs mégohms - il limite l'impulsion de courant et réduit la tension sur le compteur après le passage de l'impulsion, ce qui facilite la trempe. La valeur de cette résistance est donnée dans les données de référence d'un appareil spécifique - sa valeur trop petite raccourcit la durée de vie du détecteur, et trop grande - augmente le temps mort. Habituellement, cela peut prendre environ 5 mégohms.

Lorsque la tension augmente à partir de zéro, le compteur Geiger fonctionne d'abord comme une chambre d'ionisation ordinaire, puis comme un compteur proportionnel: chacune des paires d'ions qui se sont formées lors du passage d'une particule génère un petit ion, augmentant le courant ionique de centaines et de milliers de fois. En même temps, des impulsions très faibles mesurées en millivolts peuvent déjà être détectées sur la résistance de charge dans le contre-circuit. Avec une tension croissante, les avalanches deviennent de plus en plus, et à un moment donné les plus fortes d'entre elles commencent à se soutenir, déclenchant une décharge indépendante. En ce moment, au lieu d'impulsions millivolt faibles d'avalanches traversant l'espace interélectrode et disparaissant sur les électrodes, des impulsions géantes apparaissent, avec une amplitude de plusieurs dizaines de volts! Et leur fréquence augmente rapidement avec l'augmentation de la tension, jusqu'à ce que chaque avalanche commence à provoquer un éclair de décharge.Evidemment, avec une nouvelle augmentation de la tension, le taux de comptage devrait cesser de croître. Et cela arrive: un plateau est observé sur la dépendance de la sensibilité à la tension.

Néanmoins, l'augmentation de la tension ne laisse pas le taux de comptage inchangé: une décharge peut se produire comme ça, par émission spontanée. Et avec l'augmentation de la tension, la probabilité d'une telle décharge ne fait qu'augmenter. Par conséquent, le plateau se révèle être incliné, et à partir d'une certaine tension, le taux de comptage commence à croître rapidement, puis la décharge devient continue. Dans ce mode, bien sûr, le compteur non seulement ne remplit pas sa fonction, mais échoue également rapidement.


Fig. 2. La dépendance du taux de comptage du compteur Geiger sur la tension d'alimentation.

La présence d'un plateau facilite grandement l'alimentation électrique du compteur Geiger - il ne nécessite pas les sources de haute tension très stables, qui sont nécessaires pour les compteurs à scintillation. La longueur de ce plateau pour les compteurs basse tension est de 80 à 100 V. Dans de nombreux dosimètres domestiques soviétiques d'origine coopérative et dans presque toutes les constructions amateurs de cette époque, le compteur était alimenté par un convertisseur de tension basé sur un générateur de blocage sans aucun indice de stabilisation. Le calcul était le suivant: avec une batterie neuve, la tension à l'anode du compteur correspondait à la limite supérieure du plateau, de sorte que la haute tension atteignait la limite inférieure du plateau même avec une batterie assez déchargée.

Contexte et temps mort

Tout détecteur de rayonnement a toujours un signal sombre enregistré quand aucun rayonnement n'est incident sur le détecteur. Le compteur Geiger-Muller ne fait pas exception. L'une des sources du fond sombre est l'émission spontanée mentionnée ci-dessus. La seconde est la radioactivité du compteur lui-même, ce qui est particulièrement important pour les comptoirs à fenêtre en mica, car le mica naturel contient inévitablement des impuretés d'uranium et de thorium. Et si ce dernier ne dépend pratiquement de rien et est une constante pour cet exemple du détecteur, le fond de l'émission spontanée dépend de la magnitude de la haute tension, de la température et de «l'âge» du compteur. Pour cette raison, il devient une mauvaise idée de fournir une tension non stabilisée au compteur, que nous utiliserons principalement lors de la mesure de faibles niveaux de rayonnement: l'arrière-plan du compteur dépend très fortement de la tension d'alimentation.

La vitesse de comptage du fond intrinsèque atteint le niveau des compteurs Geiger correspondant à 3-10 μR / h, c'est-à-dire qu'elle est une fraction notable de la vitesse de comptage dans des conditions de rayonnement normales. L'arrière-plan des capteurs de mica est particulièrement intéressant - SBT-10, SI-8B, Beta. Il faut donc le soustraire des résultats de mesure. Mais pour cela, vous devez savoir. La référence n'aide pas ici: seules les valeurs maximales y sont données. Pour mesurer votre propre arrière-plan, vous avez besoin d'une "maison" en plomb d'une épaisseur d'au moins 5 cm, tandis que la surface intérieure doit être recouverte de feuilles de cuivre de 2-3 mm d'épaisseur et de 5 mm de plexiglas. Le fait est que la "maison" sera sous le feu des rayons cosmiques, qui font de la maison elle-même une source de rayonnement X, principalement dans les lignes caractéristiques du plomb. Et si vous ne vous protégez que contre le plomb, il s'agit d'une «lueur» fluorescente et le «compteur» «verra» - au lieu d'une «obscurité totale». Et le plexiglas est nécessaire pour les électrons sortis du même espace que le plomb et le cuivre, dont l'énergie est également suffisante pour la détection par un compteur Geiger.

Lors de la mesure de l'arrière-plan, il convient de garder à l'esprit que la "maison" de plomb ne pose aucun obstacle aux muons spatiaux. Leur débit est ~ 0,015 $$$fréquent / cm ^ 2 \ cdot avec$ . Par exemple, via un compteur SBM-20 avec une surface effective de ~ 8 $$$cm ^ 2$ 0.12 passera $$$fréquent / s$ ou 7.2 $$$ppm$ . En raison de l'énergie élevée, l'efficacité de l'enregistrement des muons spatiaux par presque tous les compteurs Geiger peut être prise à 100%, et cette valeur doit être soustraite du fond sombre.

Si le fond intrinsèque est une source d'erreurs à de faibles niveaux, alors le temps mort affecte à des niveaux de rayonnement élevés. L'essence du phénomène est que, immédiatement après l'impulsion, la capacité du compteur n'a pas encore été chargée à la tension initiale via la résistance de charge. De plus, la décharge dans le compteur ne s'est éteinte que - mais l'additif de trempe n'avait pas encore eu le temps de revenir à son état d'origine. Par conséquent, un compteur apparaît à 150-200 μs lorsqu'il est insensible à la particule suivante, après quoi il rétablit progressivement la sensibilité. (fig.3)


Fig. 3. Compteur Geiger du temps mort

La correction du temps mort est trouvée par la formule:

$$

$$n = {m \ sur 1 + m \ tau},$$

où m et n, respectivement, les taux de comptage mesurés et ajustés, et $$$\ tau$ - temps mort.

À des niveaux de rayonnement très élevés, de nombreux compteurs Geiger (cela dépend également du reste du circuit) ont un effet désagréable et dangereux: une ionisation constante empêche la formation d'impulsions individuelles. Le compteur commence à «brûler» en continu avec une décharge constante et le taux de comptage chute brusquement à une très petite valeur. Au lieu de sortir de l'échelle, le dosimètre montre des nombres modérément élevés, voire presque normaux. Pendant ce temps, des dizaines et des centaines de rayons X brillent autour de vous par heure et vous devriez courir, mais vous êtes rassuré par le dosimètre. C'est pourquoi dans les dosimètres de l'armée, il y a presque toujours, en plus du principal sensible, un compteur apocalyptique, très insensible, mais capable de digérer des milliers de R / h.

Du taux de comptage à la dose. Raideur et autres mauvaises choses

De manière générale, un compteur Geiger ne mesure pas le débit de dose. Nous n'obtenons que la vitesse de comptage - combien d'impulsions par minute ou seconde le compteur a donné. À la dose - l'énergie absorbée dans un kilogramme du corps humain (ou autre chose), cela a une relation très éloignée. Tout d'abord - en lien avec le principe d'action: le compteur Geiger ne se soucie absolument pas de la nature de la particule et de son énergie. Les impulsions des photons de toute énergie, particules bêta, muons, positrons, protons - seront les mêmes. Mais l'efficacité de l'enregistrement est différente.

Comme je l'ai déjà dit, le rayonnement bêta est enregistré par un compteur Geiger avec une efficacité de dizaines de pour cent. Et gamma-gamma-quanta - seulement une fraction d'un pour cent. Et tout cela ressemble à des mètres pliants avec des kilogrammes, et même avec des coefficients arbitraires. De plus, la sensibilité du compteur au rayonnement gamma n'est pas la même à différentes énergies (Fig.4). La sensibilité de la dose au rayonnement de différentes énergies peut différer de près d'un ordre de grandeur. La nature de ce phénomène est compréhensible: le rayonnement gamma de faible énergie a beaucoup plus de chances d'être absorbé par une fine couche de matière, donc plus l'énergie est faible, plus l'efficacité est élevée (jusqu'à ce que l'absorption commence à affecter les contre-parois). Dans la région des hautes énergies, au contraire: avec l'augmentation de l'énergie, l'efficacité de détection augmente, ce qui est un phénomène assez inhabituel chez les détecteurs de rayonnements ionisants.


Fig. 4. Dépendance énergétique de la sensibilité à la dose du compteur Geiger-Muller (à gauche) et du résultat de sa compensation à l'aide d'un filtre.

Heureusement, à des énergies élevées (supérieures à 0,5-1 MeV), l'efficacité du compteur Geiger pour le rayonnement gamma est presque proportionnelle à l'énergie. Ainsi, la dépendance énergétique de la sensibilité à la dose est faible. Et la bosse à faible énergie est facile à retirer avec un filtre en plomb d'environ 0,5 mm d'épaisseur.L'épaisseur du filtre est choisie de sorte qu'à une énergie correspondant à la sensibilité maximale du détecteur (c'est-à-dire 50-100 keV, selon l'épaisseur de la fenêtre d'entrée du détecteur), le rapport d'absorption serait la magnitude de ce pic. Plus l'énergie est grande, moins l'absorption de plomb est importante et, à 500-1000 keV, où la sensibilité du détecteur s'aligne, elle est presque imperceptible.

Une correction plus précise peut être obtenue en utilisant un filtre multicouche de différents métaux, qui doit être sélectionné pour un compteur spécifique.

Un tel filtre réduit la «course avec rigidité» à une valeur de 15 à 20% sur toute la plage de 50 à 3 000 keV et transforme l'indicateur (enfin, l'indicateur de radiomètre de recherche) en dosimètre.

Un tel filtre est généralement rendu amovible car il rend le capteur insensible aux rayonnements alpha et bêta.

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En général, c'est tout ce que vous devez savoir sur le compteur Geiger-Muller du concepteur d'instruments basé sur celui-ci. Comme vous pouvez le voir, l'appareil est en effet simple, bien qu'il existe un certain nombre de subtilités. Dans la prochaine série, nous allons construire quelque chose d'utile en fonction de cela.