从盖革柜台，火柴和arduins。 第一部分-理论

长期以来，购买代号为“家用剂量计”的设备一直不是问题（可能会有金钱-从这个意义上说，福岛无线电恐惧症和放射性亲和（TM）宠坏了它），但我认为用自己的双手制造这种设备会很有趣。


我们设备的心脏将是盖革计数器。 当然，我们知道这种探测器有很多缺点，通常来说“设备必须是闪烁的”，但是闪烁辐射计要复杂得多，为此我有以下文章。 此外，Geiger-Muller计数器具有许多无可争议的优势。

因此，让我们开始吧。

检测器

因此，Geiger-Muller计数器。 （图1）最简单的设备由两个放置在低压气体介质中的电极组成，是一个大面积的阴极和一个或多或少的细丝形式的阳极，这会产生局部高张力场。 其中发展了离子倍增过程，因此单个离子对可引起强大的电离雪崩和独立放电的点火。


图 1. Geiger-Muller计数器。 1-阳极，2-阴极，3-球囊，4-阴极引线，5、6-弹簧，张紧阴极线。

实际上，计数器的工作方式类似于带有冷阴极的晶闸管，只是其中的放电是由电离点燃的，这不是由来自电网的脉冲引起的，而是由飞过气体的带电粒子引起的。 放电点燃后，必须通过从阳极上去除电压来熄灭它，或者...它将自行熄灭。 但是为此，需要在仪表的气体介质中引入某种物质，该物质在放电作用下将转变为使气体对紫外线不透明的形式，因此，支持保持独立放电的因素之一即光电子发射将消失。 有两种此类添加剂：酒精和卤素（氯，溴和碘）。 放电中的第一个分解，粗略地说变成烟灰，然后不转变成酒精，经过数万个脉冲后，计数器将结束。 卤素从分子变成原子，过程是可逆的。 它们也结束了-由于原子卤素容易与任何可怕的东西（包括对立壁）发生反应，但是它们经常设法彼此结合，因此卤素计数器更加耐用，可以承受数十亿个脉冲。 我们主要对卤素计数器感兴趣，因为：

a）它们更耐用，
b）它们在400-500 V的电压下工作，而不是像酒精一样在1000伏的电压下工作，
c）它们只是最常见的。
在表1中，我列出了几个常见的Geiger计数器及其主要参数。

表1。
一些Geiger-Muller计数器的主要参数。


注：1-对α辐射的敏感性不受限制； 2-小批量计数器，其上的数据很少。

敏感度

为我们的剂量计选择盖革计数器，您必须首先查看其灵敏度。 毕竟，您不太希望让设备仅在几个小时前Kuzkina Mother爆炸时才能显示某些东西。 但是有很多这样的仪表，并且对于普通人来说几乎完全没有用，所以它们非常便宜。 这些都是SI-3BG，SI-13G和其他“末日计数器”，它们站在军队剂量计中以达到测量上限。 计数器越敏感，在相同辐射水平下每秒发出的脉冲就越多。 经典的计数器SBM-20（在早期版本中也称为STS-5），传统上被放置在所有Perestroika-Chernobyl“响尾蛇”中，其自然本底为12μR/ h，每分钟发出约18个脉冲。 考虑到SBM-20计数器的灵敏度，从该图可以方便地跳舞。

是什么赋予我们柜台的敏感性？ 反应的准确性和速度。 事实是放射性辐射粒子不是按计划到达的，而是按照您的需要到达的，其中一些会被柜台遗漏，但有些会起作用（来自伽马射线光子-大约数百个中的一个）。 因此，来自盖革计数器（以及任何可计数的辐射探测器）的脉冲以绝对随机的时间传播，它们之间的间隔不可预测。 然后在一分钟，另一分钟，第三分钟内计算脉冲数，我们得到不同的值。 这些值的标准偏差，即确定计数率的误差，将与记录脉冲数的平方根成正比。 脉冲越多，其计算的相对误差（以测量值的百分比表示）将越小：

$$

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

。
当我们有一个检测器-提到的“参考” SBM-20，计数时间-40秒（这是在简单的家用剂量计中完成的，直接以自然剂量为单位，以μR/ h为单位显示计数的脉冲数），在自然背景下，脉冲数为〜 10片 这意味着标准偏差约为3。 95％置信度下的误差是两倍，即6个脉冲。 因此，我们有一幅悲惨的画面：剂量计读数为10μR/ h意味着剂量率在4到16μR/ h之间。 我们只有在剂量计显示三个西格玛偏差时，即大于20μR/ h时，才可以谈论异常检测。

为了提高准确性，您可以增加计数时间。 如果执行三分钟（即四倍），则脉冲数将增加四倍，这意味着精度将增加一倍。 但是，当您在无线电底座上将SPD放在时钟旁经过时，我们将失去设备对短时辐射突发的响应，例如，对您在闪烁显像或放射碘治疗后经过的“卓越表现”，反之亦然。 使用灵敏度提高四倍的检测器（4个并联的SBM-20，一个SBM-19，SBT-10或SI-8B）并保持相同的测量时间，我们将提高准确度并保持反应速率。

Alpha，Beta，Gamma和计数器设计

一张纸会延迟Alpha辐射。 可以用一块有机玻璃屏蔽Beta辐射。 而且，从强伽玛辐射中，您需要建造一堵铅砖墙。 也许每个人都知道这一点。 所有这些都与盖革的计数器直接相关：要让他感觉到辐射，就必须至少将其渗透到内部。 但是它不应该像中微子一样穿过地球飞行。

SBM-20型柜台（及其哥哥SBM-19和年轻的SBM-10和SBM-21）的金属外壳没有特殊的入口窗。 由此得出，毫无疑问对α辐射有任何敏感性。 Beta射线使他感觉很好，但前提是它们必须足够坚硬以穿透内部。 这是从300 keV开始的某个地方。 但是他感到伽玛射线是从几十keV开始的。

而且，SBT-10和SI-8B计数器（由于废钢Beta-1,2和5的价格而又新奇又无法使用）而不是坚固的钢壳，具有薄云母的广阔窗口。 能量高于100-150 keV的Beta粒子能够穿透此窗口，这使得有可能看到碳14污染，这对于钢表是绝对不可见的。 此外，云母窗口允许计数器感应Alpha粒子。 的确，相对于后者，必须注意特定计数器的云母厚度。 因此，具有厚云母的SBT-10实际上看不到它，而Beta-1和2具有更薄的云母，这使得p 239α颗粒的检测效率约为20％。 SI-8B-在它们中间的某个位置。

现在通过和通过。 事实是，盖革计数器中的alpha和beta粒子几乎记录了所有可能进入内部的物质。 但是，对于伽玛射线，一切都很难过。 为了使伽马量子在计数器中产生脉冲，它必须将电子从壁中敲出。 从发生相互作用的位置到内表面，该电子必须克服金属的厚度，因此，与伽马射线光子相互作用的检测器的“工作体积”是几微米厚的最薄金属层。 由此可见，计数器对伽马射线的效率非常低-比对β射线低一百倍甚至更多倍。

营养学

为了进行操作，盖革计数器需要高压电源。 典型的苏俄卤素灯设备需要约400 V的电压，许多西方电表设计的是500或900V。有些电表需要的电压高达一千半伏-这些是经过酒精淬火的旧电表，例如MS和BC，用于X射线分析的X射线计数器，中子。 他们不会对我们很感兴趣。 通过几兆欧的镇流器为电表供电-它限制了电流脉冲并在脉冲通过后降低了电表上的电压，从而更易于熄灭。 该电阻的值在特定设备的参考数据中给出-其值太小会缩短检测器的寿命，而值太大-则会增加死区时间。 通常大约需要5兆欧。

当电压从零增加时，盖革（Geiger）计数器首先用作普通电离室，然后用作比例计数器：在粒子通过过程中形成的成对的离子对中的每一对都会产生一个小的离子，从而使离子电流增加数十万倍。 同时，已经可以在计数器电路的负载电阻上检测到以毫伏为单位的非常弱的脉冲。 随着电压的升高，雪崩变得越来越多，并且在某些时候，最强的雪崩开始自我支撑，从而引发独立的放电。 此时，不是雪崩发出的微弱的毫伏脉冲穿过电极间空间并消失在电极上，而是出现了几十伏的巨脉冲！ 并且它们的频率随着电压的增加而迅速增加，直到每次雪崩开始引起放电闪光为止，显然，随着电压的进一步增加，计数率应该停止增长。 这样就发生了：在灵敏度对电压的依赖性上观察到了平稳状态 。

但是，电压的增加并不会使计数率保持不变：自发发射会像这样发生放电。 随着电压的增加，这种放电的可能性只会增加。 因此，高原趋于倾斜，并且从一定电压开始，计数率开始迅速增长，然后放电变得连续。 当然，在这种模式下，计数器不仅不能实现其功能，而且还会很快失效。


图 2.盖革计数器的计数率与电源电压的关系。

平台的存在极大地方便了盖革计数器的供电-它不需要闪烁计数器所需的高度稳定的高压电源。 低压电表的稳定期长度为80-100V。在许多合作来源的苏联家用剂量计中，以及当时的几乎所有业余建筑中，电表都是由基于闭塞发电机的电压转换器供电的，没有任何稳定的迹象。 计算如下：对于新电池，计数器阳极处的电压对应于高原的上边界，因此即使在电池放电充分的情况下，高压也达到高原的下边界。

背景和停滞时间

当没有辐射入射到检测器上时，任何辐射的检测器始终会记录一些暗信号。 Geiger-Muller计数器也不例外。 深色背景的来源之一是上述自发发射。 第二个是计数器本身的放射性，这对于带云母窗口的计数器特别重要，因为天然云母不可避免地含有铀和or杂质。 而且，如果后者实际上不依赖于任何东西，并且对于此检测器实例是恒定的，则自发发射的背景取决于计数器的高电压，温度和“寿命”的大小。 因此，向仪表提供不稳定的电压是一个坏主意，我们将主要在测量低辐射水平时使用它：仪表本身的背景非常依赖于供电电压。

从本底背景开始的计数速度达到了与3-10μR/ h相对应的Geiger计数器水平，也就是说，它是正常辐射条件下计数速度的明显比例。 云母传感器的背景尤其出色-SBT-10，SI-8B，Beta。 因此必须从测量结果中减去。 但是为此，您需要知道。 该参考在这里无济于事：仅在此处给出最大值。 要测量自己的背景，您需要至少5厘米厚的铅“房子”，同时其内表面必须覆盖2至3毫米厚的铜片和5毫米的有机玻璃。 事实是，“房屋”将受到宇宙射线的攻击，这使房屋本身成为x射线辐射的来源，主要是铅的特征线。 如果仅对铅进行保护，则这是荧光“发光”，“计数器”将“看到”-而不是全部“黑暗”。 从铅和铜在同一空间中击出的电子需要有机玻璃，其能量也足以由盖革（Geiger）计数器进行检测。

在测量背景时，应牢记铅“房屋”对空间介子不会构成任何障碍。 它们的流量约为0.015 $$$频繁/ cm ^ 2 \ cdot与$ 。 例如，通过有效面积约为8的SBM-20计数器 $$$cm ^ 2$ 将通过0.12 $$$频繁/ s$ 或7.2 $$$ppm$ 。 由于能量很高，几乎所有Geiger计数器记录空间μ子的效率都可以视为100％，应该从深色背景中减去该值。

如果固有背景是低水平误差的来源，则空载时间会影响高辐射水平。 这种现象的本质是在脉冲之后，电表的容量尚未通过负载电阻充电到初始电压。 此外，仪表中的放电仅消失了-但是淬火添加剂还没有时间恢复到其原始状态。 因此，当计数器对下一个粒子不敏感时，计数器将在150-200μs出现，此后逐渐恢复灵敏度。 （图3）


图 3.死区盖革计数器

死区时间的校正可通过以下公式找到：

$$

$$n = {m \ over 1 + m \ tau}，$$

其中m和n分别是测量和调整后的计数率，以及 $$$\ tau$ -死时间。

在很高的辐射水平下，许多Geiger计数器（还取决于电路的其余部分）具有令人不快且危险的效果：恒定的电离可防止形成单个脉冲。 计数器以恒定的放电量开始连续“燃烧”，计数率急剧下降到非常小的值。 剂量计没有超出范围，而是显示一些适度升高的数字，甚至接近正常数字。 同时，每小时有成百上千的X射线在您周围发光，您应该跑步，但剂量计会让您放心。 这就是为什么在军用剂量计中，除了主要的灵敏剂量计外，几乎总是存在一个末日计数器，它非常不灵敏，但是能够消化数千R / h。

从计数率到剂量。 刚度和其他不良情况

一般来说，盖革计数器不测量剂量率。 我们只得到计数速度-计数器每分钟或每秒发出多少脉冲。 对于剂量-吸收在人体一公斤（或其他物质）中的能量，它具有非常遥远的关系。 首先-与作用原理有关：盖革计数器绝对不关心粒子的性质及其能量。 来自任何能量，β粒子，μ子，正电子，质子的光子的脉冲将是相同的。 但是注册的有效性不同。

正如我已经说过的那样，盖革计数器记录β辐射的效率为百分之几十。 伽玛-伽玛量子-仅为百分之一的分数。 所有这些都类似于带有公斤甚至具有任意系数的折叠式仪表。 此外，在不同能量下，计数器对伽马辐射的灵敏度也不相同（图4）。 剂量对不同能量辐射的敏感性可能相差近一个数量级。 这种现象的性质是可以理解的：低能伽马射线被薄薄的物质吸收的机会更大，因此能量越低，效率越高（直到吸收开始影响仪表壁）。 相反，在高能区域：随着能量的增加，检测效率增加，这在电离辐射检测器中是非常不常见的现象。


图 4. Geiger-Muller计数器的剂量敏感性的能量依赖性（左）以及使用滤波器进行补偿的结果。

幸运的是，在高能量（高于0.5-1 MeV）下，盖革计数器的伽马辐射效率几乎与能量成正比。 因此，剂量敏感性的能量依赖性很小。 低能量的驼峰很容易用约0.5毫米厚的铅过滤器消除。选择滤波器的厚度，以便在与检测器的最大灵敏度相对应的能量（这是50-100 keV，取决于检测器的输入窗口的厚度）下，吸收率就是该峰值的大小。能量越大，铅的吸收越少，并且在500-1000 keV时，检测器的灵敏度会自行对准，这几乎是不可察觉的。

使用不同金属的多层过滤器可以实现更准确的校正，必须将其选择为特定的计数器。

这种过滤器可在整个50-3000 keV范围内将“具有刚性的冲程”减小到15-20％的值，并将指示器（井，搜索辐射计指示器）变成剂量计。

通常使这种过滤器可移动，因为它使传感器对α和β辐射不敏感。

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总的来说，这就是您所需要的关于基于仪器的Geiger-Muller计数器的信息。如您所见，该设备确实很简单，尽管有很多微妙之处。在下一个系列中，我们将基于它构建一些有用的东西。