Vom Geigerzähler, Streichhölzer und Arduins. Erster Teil - Theorie

    Es war schon lange kein Problem, ein Gerät unter dem bedingten Namen „Haushaltsdosimeter“ zu kaufen (es gab Geld - in diesem Sinne Fukushima-Funkphobie und Radiophysik (TM) podgadila), aber ich denke, dass dieses Gerät mit Ihren eigenen Händen interessant wäre.

    Bild

    Das Herzstück unseres Gerätes wird ein Geigerzähler sein. Wir wissen natürlich, dass dieser Detektor viele Mängel aufweist und im Allgemeinen „das Gerät muss Szintillation sein“, aber das Szintillationsradiometer ist viel komplizierter und ich habe den nächsten Posten dafür. Darüber hinaus hat der Geiger-Muller-Schalter eine Reihe unbestreitbarer Vorteile.

    Also lass uns anfangen.

    Der Detektor


    Also der Geiger-Müller-Schalter. (1) Die einfachste Vorrichtung, die aus zwei Elektroden besteht, die in einem gasförmigen Medium bei niedrigem Druck angeordnet sind, ist eine Kathode mit einer großen Fläche und eine Anode in Form eines mehr oder weniger dünnen Drahts, wodurch ein lokales Feld mit großer Spannung erzeugt wird. in dem sich der Prozess der Ionenvermehrung entwickelt, aufgrund dessen ein einzelnes Ionenpaar eine starke Lawine der Ionisierung und die Zündung einer unabhängigen Entladung verursachen kann.


    Abb. 1. Geiger-Müller-Zähler 1 - Anode, 2 - Kathode, 3 - Ballon, 4 - Kathodenleitung, 5, 6 - Federn, die den Kathodenfaden spannen.

    Tatsächlich arbeitet der Zähler wie ein Kaltkathodenthyratron, nur die Entladung in ihm wird durch Ionisierung gezündet, die nicht durch einen Impuls vom Netz verursacht wird, sondern durch ein geladenes Teilchen, das durch das Gas fliegt. Nachdem die Entladung gezündet wurde, muss sie entweder durch Entfernen der Spannung von der Anode gelöscht werden oder ... oder sie geht von selbst aus. Zu diesem Zweck ist es jedoch notwendig, etwas in das Gasmedium des Zählers einzubringen, das sich unter der Wirkung der Entladung in eine Form verwandelt, die das Gas für ultraviolette Strahlung undurchlässig macht, und deshalb verschwindet einer der Faktoren für die Aufrechterhaltung einer unabhängigen Entladung - die photoelektrische Emission. Es gibt zwei solche Zusätze: Alkohol und Halogene (Chlor, Brom und Jod). Die erste in der Entladung zersetzt sich, grob gesagt, in Ruß und wandelt sich dann nicht mehr in Alkohol um, und nach einigen Zehntausenden von Impulsen wird sie enden und der Zähler endet. Und Halogene werden zu molekularen Atomen. und der Prozess ist reversibel. Sie enden auch - aufgrund der Tatsache, dass atomare Halogene leicht mit allem reagieren, einschließlich der Wände der Theke, aber häufig haben sie Zeit, miteinander zu rekombinieren. Daher sind Halogenzähler viel haltbarer und halten Milliarden von Pulsen stand. Wir sind vor allem an Halogenzählern interessiert, weil:

    a) sie sind haltbarer,
    b) sie arbeiten bei 400 bis 500 V und nicht bei anderthalbtausend als Alkohol,
    c) sie sind einfach die häufigsten.
    In Tabelle 1 habe ich einige gängige Geigerzähler und ihre Hauptparameter aufgeführt.

    Tabelle 1.
    Die Hauptparameter einiger Geiger-Muller-Zähler.


    Anmerkungen: 1 - Die Empfindlichkeit gegenüber Alphastrahlung wird nicht reguliert. 2 - kleiner Zähler, die Daten darauf sind knapp.

    Empfindlichkeit


    Bei der Auswahl eines Geigerzählers für unser Dosimeter müssen Sie zunächst die Empfindlichkeit prüfen. Es ist schließlich unwahrscheinlich, dass Sie ein Gerät wollen, das nur etwas anzeigt, wo Kuzkina Mother vor ein paar Stunden explodierte. Es gibt jedoch viele solcher Messgeräte, und für ihre fast unbrauchbare Person sind sie sehr billig. Dies sind alle Arten von SI-3BG, SI-13G und anderen "Doomsday-Theken", die in Armeedosimetern stehen, um an der oberen Messgrenze zu arbeiten. Je empfindlicher der Zähler ist, desto mehr Impulse pro Sekunde liefert er auf demselben Strahlungsniveau. Der klassische SBM-20-Zähler (auch bekannt als die früheren Ausgaben wurde CTC-5 genannt), der traditionell in alle Reorganisations-Nach-Tschernobyl- "Rasseln" mit einem natürlichen Hintergrund von 12 μR / h gebracht wurde, ergibt etwa 18 Impulse pro Minute. Von dieser Figur ist es bequem zu tanzen,

    Was gibt uns die Sensibilität der Theke? Genauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit. Tatsache ist, dass die radioaktiven Strahlungsteilchen nicht gemäß dem Zeitplan bei uns eintreffen, und wie es sein sollte, und einige werden den Zähler vermissen, aber von einigen werden sie funktionieren (von Photonen der Gammastrahlung - etwa von einem von mehreren hundert). Also die Impulse vom Geigerzähler (und von jedem abzählbaren)Strahlungsdetektor) zu absolut zufälligen Zeitpunkten mit unvorhersehbaren Abständen dazwischen. Und die Anzahl der Impulse in einer Minute zu zählen, eine andere, die dritte - wir erhalten unterschiedliche Werte. Die Standardabweichung dieser Werte, dh der Fehler bei der Bestimmung der Zählrate, ist proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der aufgezeichneten Impulse. Je größer die Anzahl der Impulse ist, desto kleiner ist der relative Fehler (in Prozent des gemessenen Werts) bei der Zählung:

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

    .
    Wenn wir einen Detektor haben - den erwähnten Referenz-SBM-20 und die Zählzeit - 40 Sekunden (wie in einfachen Haushaltsdosimetern, die direkt die Anzahl der gezählten Impulse als Dosisleistungspegel in μR / h anzeigen), ist die Anzahl der Impulse auf einem natürlichen Hintergrund ~ 10 Stück. Dies bedeutet, dass die Standardabweichung ungefähr drei beträgt. Und der Fehler bei einem Konfidenzniveau von 95% ist doppelt so groß, dh 6 Impulse. Wir haben also ein trauriges Bild: Die Ablesung des Dosimeters bei 10 μR / h bedeutet, dass die Dosisrate zwischen 4 und 16 μR / h liegt. Und wir können nur dann über die Erkennung einer Anomalie sprechen, wenn das Dosimeter eine Abweichung von drei Sigmas aufweist, dh mehr als 20 μR / h ...

    Um die Genauigkeit zu erhöhen, können Sie die Zählzeit erhöhen. Wenn wir drei Minuten, also viermal mehr, machen, werden wir die Anzahl der Impulse vervierfachen, dh die Genauigkeit wird verdoppelt. Aber dann werden wir die Reaktion des Geräts durch kurze Strahlungsausbrüche verlieren, zum Beispiel bei der Vergangenheit "Ihre Exzellenz" nach der Szintigraphie oder Radioiodtherapie oder umgekehrt, wenn Sie an der Funkstation vorbei an der SPD-Uhr vorbeigehen. Wenn Sie den viermal empfindlicheren Detektor (vier parallel geschaltete SBM-20, ein SBM-19, SBT-10 oder SI-8B) nehmen und die gleiche Messzeit belassen, erhöhen wir die Genauigkeit und halten die Reaktionsgeschwindigkeit aufrecht.

    Alpha, Beta, Gamma und Meter Design


    Die Alpha-Strahlung wird durch ein Stück Papier verzögert. Betastrahlung kann mit einer Plexiglasplatte abgeschirmt werden. Und aus harter Gammastrahlung müssen Sie eine Mauer aus Bleiziegeln bauen. Das ist wahrscheinlich alles bekannt. Und das alles wirkt sich direkt auf Geiger-Schalter aus: Damit er die Strahlung wahrnehmen kann, muss sie zumindest in das Innere eindringen. Und es sollte nicht direkt durchfliegen wie ein Neutrino durch die Erde.

    Der SBM-20-Zähler (und sein älterer Bruder, der SBM-19 und die jüngeren, der SBM-10 und der SBM-21) haben ein Metallgehäuse, in dem sich keine speziellen Eingangsfenster befinden. Daraus folgt, dass von einer Empfindlichkeit gegenüber Alphastrahlung keine Rede sein kann. Beta-Strahlen fühlt er sich ziemlich gut, aber nur, wenn sie hart genug sind, um reinzukommen. Das ist irgendwo zwischen 300 keV. Aber er spürt die Gammastrahlung, beginnend mit ein paar Dutzend keV.

    Und die Zähler SBT-10 und SI-8B (sowie die aufgrund der Schrottpreise Beta-1, 2 und 5 unzugänglichen Altmodelle) haben anstelle einer massiven Stahlschale ein großes Fenster aus dünnem Glimmer. Betateilchen mit Energien über 100-150 keV können dieses Fenster durchdringen, wodurch Kohlenstoff-14-Verunreinigungen sichtbar werden, die für Stahlzähler völlig unsichtbar sind. Ein Glimmerfenster ermöglicht es dem Zähler auch, Alphateilchen zu fühlen. In Bezug auf die letzteren ist es notwendig, die Dicke der glimmerspezifischen Meter zu betrachten. SBT-10 mit seinem dicken Glimmer sieht es also fast nicht, während Beta-1 und 2 dünneren Glimmer haben, was die Registrierungseffizienz von Alpha-Partikeln von Plutonium-239 auf etwa 20% erhöht. SI-8B - irgendwo in der Mitte zwischen ihnen.

    Und nun zum Durchgang. Tatsache ist, dass die Alpha- und Betapartikel des Geigerzählers fast alles registrieren, was in das Innere eindringen könnte. Aber mit Gammastrahlen ist alles traurig. Damit ein Gamma-Quant einen Impuls in einem Zähler auslösen kann, muss es ein Elektron aus seiner Wand schlagen. Dieses Elektron muss die Dicke des Metalls von der Stelle, an der die Wechselwirkung stattgefunden hat, bis zur inneren Oberfläche überwinden, und daher ist das "Arbeitsvolumen" des Detektors, wo es mit den Photonen der Gammastrahlung wechselwirkt, die dünnste Metallschicht von mehreren Mikrometern. Daraus geht hervor, dass der Wirkungsgrad des Zählers für Gammastrahlung sehr gering ist - einhundert oder mehr Male weniger als für Betastrahlung.

    Power


    Ein Geigerzähler benötigt für den Betrieb Hochspannungsstrom. Typische sowjetisch-russische Halogengeräte benötigen eine Spannung von etwa 400 V, viele westliche Messgeräte sind für 500 oder 900 V ausgelegt. Einige Messgeräte benötigen Spannungen von bis zu eineinhalb Kilovolt. Dies sind alte Messgeräte mit Alkoholabschreckung vom Typ MS und BC, Röntgenzähler für die Röntgenanalyse, Neutronen . Sie werden uns nicht sehr interessieren. Die Stromversorgung des Zählers erfolgt durch den Ballastwiderstand in wenigen Megaohm - er begrenzt den Stromimpuls und verringert die Spannung am Zählwerk nach dem Impuls, wodurch die Dämpfung erleichtert wird. Die Größe dieses Widerstands ist in den Referenzdaten für ein bestimmtes Gerät angegeben - seine zu kleine Größe verkürzt die Lebensdauer des Detektors und zu viel die Totzeit. Es kann normalerweise bei etwa 5 Megaohm aufgenommen werden.

    Wenn die Spannung von Null an steigt, arbeitet der Geigerzähler zuerst wie eine gewöhnliche Ionisationskammer und dann als Proportionalzähler: Jedes der Ionenpaare, die beim Durchgang eines Partikels gebildet wurden, produziert kleine Ionen, die den Ionenstrom hunderte und tausende Male erhöhen. Gleichzeitig können sehr schwache Impulse, die mit Millivolt gemessen werden, bereits am Lastwiderstand im Zählerkreis erfasst werden. Wenn die Spannung steigt, werden Lawinen immer mehr, und irgendwann beginnen sich die stärksten von ihnen selbst zu stützen, was eine unabhängige Entladung auslöst. In diesem Moment erscheinen statt schwacher Millivolt-Impulse von Lawinen, die durch den Zwischenelektrodenraum gehen und an den Elektroden verschwinden, gigantisch mit einer Amplitude von einigen zehn Volt! Mit steigender Spannung steigt ihre Frequenz schnell an, bis ein Entladungsblitz ausgelöst wirdJede Lawine Es ist offensichtlich, dass bei einer weiteren Erhöhung der Spannung die Zählrate aufhören sollte zu wachsen. Es passiert also ein Plateau über die Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Spannung .

    Bei der Spannungserhöhung bleibt die Zählrate jedoch nicht unverändert: Eine Entladung kann nur durch spontane Emission entstehen. Mit zunehmender Spannung steigt die Wahrscheinlichkeit einer solchen Entladung nur. Daher stellt sich das Plateau als schräg heraus, und ab einer bestimmten Spannung beginnt die Zählrate schnell zu wachsen, und dann wird die Entladung kontinuierlich. In diesem Modus kann der Zähler natürlich nicht nur seine Funktion erfüllen, sondern auch schnell ausfallen.


    Abb. 2. Die Abhängigkeit der Zählrate des Geigerzählers von der Versorgungsspannung.

    Das Vorhandensein des Plateaus erleichtert die Leistung des Geigerzählers erheblich - es erfordert nicht die hochstabilen Hochspannungsquellen, die für Szintillationszähler erforderlich sind. Die Länge dieses Plateaus für Niederspannungszähler beträgt 80-100 V. In vielen sowjetischen Haushaltsdosimetern kooperativer Herkunft und in fast allen Amateurbauweisen dieser Zeit wurde der Zähler von einem Spannungswandler mit Blockierungsgenerator ohne Anzeichen einer Stabilisierung gespeist. Die Berechnung war wie folgt: Bei einer frischen Batterie entsprach die Spannung an der Anode des Zählers der oberen Plateau-Grenze, so dass die niedrige Plateau-Grenze selbst bei einer ziemlich entladenen Batterie eine hohe Spannung erreichte.

    Hintergrund und Totzeit


    Bei jedem Detektor einer Strahlung wird immer ein dunkles Signal aufgezeichnet, wenn keine Strahlung auf den Detektor fällt. Der Geiger-Müller-Schalter macht da keine Ausnahme. Eine der Quellen für dunklen Hintergrund ist die oben erwähnte spontane Emission. Die zweite ist die Radioaktivität des Messgeräts selbst, was besonders für Messgeräte mit Glimmerfenster wichtig ist, da natürlicher Glimmer unvermeidlich Verunreinigungen von Uran und Thorium enthält. Wenn letztere praktisch nicht von irgendetwas abhängt und für eine gegebene Detektorinstanz eine Konstante ist, hängt der Hintergrund der spontanen Emission von der Größe der Hochspannung, der Temperatur und dem "Alter" des Zählers ab. Aus diesem Grund ist es eine schlechte Idee, einen Zähler mit unstabilisierter Spannung zu versorgen, den wir hauptsächlich zur Messung niedriger Strahlungswerte verwenden werden:

    Die Zählrate aus dem eigenen Hintergrund erreicht für Geigerzähler einen Wert, der 3-10 μR / h entspricht, dh sie macht einen erheblichen Bruchteil der Zählrate in einer normalen Strahlungsumgebung aus. Der Hintergrund von Glimmersensoren ist besonders großartig - SBT-10, SI-8B und Beta. Es muss also von den Messergebnissen abgezogen werden. Aber dafür musst du es wissen. Das Nachschlagewerk hilft hier nicht weiter: Dort werden nur Maximalwerte angegeben. Um Ihren eigenen Hintergrund zu messen, benötigen Sie ein mindestens 5 cm dickes "Haus", während die Innenfläche mit Kupferplatten mit einer Dicke von 2-3 mm und 5 mm Plexiglas bedeckt sein muss. Tatsache ist, dass das "Haus" von kosmischen Strahlen beschossen wird, die das Haus selbst zu einer Röntgenquelle machen, hauptsächlich in den charakteristischen Linien von Blei. Und wenn Sie nur Bleischutz machen, Es ist ein fluoreszierendes "Glühen" und "sieht" die Theke - anstelle der vollen "Dunkelheit". Und Plexiglas wird von Elektronen benötigt, die von demselben Kosmos aus Blei und Kupfer ausgeschlagen werden, dessen Energie auch für die Erfassung durch einen Geigerzähler ausreicht.

    Bei der Messung des Hintergrunds sollte berücksichtigt werden, dass das führende "Haus" für kosmische Myonen kein Hindernis darstellt. Ihr Fluss beträgt ~ 0,015$ part./cm ^ 2 \ cdot mit $. Zum Beispiel durch den SBM-20-Zähler mit einer effektiven Fläche von ~ 8$ cm ^ 2 $ 0,12 passieren $ part./s $ oder 7.2 $ part./min $. Aufgrund der hohen Energie kann die Registrierungseffizienz kosmischer Myonen von praktisch jedem Geigerzähler als 100% angenommen werden, und dieser Wert sollte vom dunklen Hintergrund abgezogen werden.

    Wenn der Hintergrund bei niedrigen Pegeln eine Fehlerquelle ist, wirkt sich die Totzeit bei hohen Strahlungspegeln aus. Das Wesen des Phänomens besteht darin, dass unmittelbar nach dem Impuls die Kapazität des Zählers noch nicht durch den Lastwiderstand auf die Anfangsspannung aufgeladen wurde. Außerdem ging im Zähler nur der Abfluss aus - der Löschzusatz war jedoch noch nicht in den ursprünglichen Zustand zurückgekehrt. Daher hat ein 150-200 µs-Zähler einen Zustand, wenn er unempfindlich gegenüber dem nächsten Teilchen ist, wonach er allmählich die Empfindlichkeit wiederherstellt. (Bild 3)


    Bild. 3. Totzeitgeigerzähler

    Die Korrektur für die Totzeit entspricht der Formel:

    $ n = {m \ über 1 + m \ tau}, $


    wobei m und n die gemessenen und angepassten Zählraten sind, und $ \ tau $- Totzeit.

    Bei sehr hohen Strahlungswerten in vielen Geigerzählern (dies hängt auch vom Rest der Schaltung ab) tritt ein unangenehmer und gefährlicher Effekt auf: Eine ständige Ionisierung verhindert die Bildung einzelner Impulse. Der Zähler beginnt bei konstanter Entladung "kontinuierlich zu brennen" und die Zählrate fällt auf einen sehr kleinen Wert ab. Anstatt die Skala zu verlassen, zeigt das Dosimeter mäßig erhöhte, wenn auch fast normale Zahlen. In der Zwischenzeit leuchten zig und hunderte von Röntgenstrahlen pro Stunde, und es wäre notwendig zu rennen, aber die Ablesungen des Dosimeters geben Ihnen Sicherheit. Deshalb gibt es in Army-Dosimetern fast immer einen außer dem wichtigsten empfindlichen - dem "Doomsday" -Zähler, der sehr unempfindlich ist, aber Tausende von P / h verdauen kann.

    Von der Zählrate bis zur Dosis. Schlaganfall mit Starrheit und anderen schlechten Dingen


    Im Allgemeinen misst der Geigerzähler nicht die Dosisleistung. Wir erhalten nur die Zählrate - wie viele Impulse pro Minute oder Sekunde der Zähler gab. Durch die Dosis - die Energie, die in einem Kilogramm des menschlichen Körpers (oder etwas anderem) absorbiert wird, ist sehr weit davon entfernt. Zum einen im Zusammenhang mit dem Wirkprinzip: Der Geigerzähler kümmert sich absolut nicht um die Natur des Teilchens und seine Energie. Die Impulse von Photonen beliebiger Energie, Betateilchen, Myonen, Positronen, Protonen - sind die gleichen. Die Registrierungseffizienz ist jedoch anders.

    Wie gesagt, der Beta-Strahlungs-Geigerzähler registriert den Wirkungsgrad von einigen zehn Prozent. Und Gamma-Gamma-Quanten sind nur Bruchteile von Prozent. Und das alles erinnert an gefaltete Meter mit Kilogramm und sogar mit willkürlich genommenen Koeffizienten. Darüber hinaus variiert die Empfindlichkeit des Gegners gegen Gammastrahlung bei verschiedenen Energien (4). Die Dosisempfindlichkeit gegenüber Strahlung verschiedener Energien kann sich um fast eine Größenordnung unterscheiden. Die Natur dieses Phänomens ist klar: Niedrig-Energie-Gammastrahlung hat eine viel größere Chance, von einer dünnen Substanzschicht absorbiert zu werden. Je niedriger die Energie ist, desto höher ist der Wirkungsgrad (bis die Absorption in den Gegenwänden beginnt zu wirken). Im energiereichen Bereich dagegen: Mit steigender Energie steigt die Registrierungseffizienz, was bei ionisierenden Strahlungsdetektoren eher ungewöhnlich ist.


    Abb. 4. Energieabhängigkeit der Dosisempfindlichkeit des Geiger-Müller-Zählers (links) und das Ergebnis seiner Kompensation mittels eines Filters.

    Glücklicherweise ist bei hohen Energien (über 0,5-1 MeV) der Wirkungsgrad eines Geigers gegen Gammastrahlung nahezu proportional zur Energie. Daher ist die Energieabhängigkeit der Dosisempfindlichkeit dort gering. Ein Höcker mit niedrigen Energien lässt sich leicht mit einem Bleifilter mit einer Dicke von etwa 0,5 mm entfernen. Die Dicke des Filters wird so gewählt, dass bei einer Energie, die der maximalen Empfindlichkeit des Detektors entspricht (dies beträgt je nach Dicke des Detektoreingangsfensters 50-100 keV), das Absorptionsverhältnis der Wert dieses Peaks sein würde. Je mehr Energie, desto geringer die Absorption in Blei und bei 500-1000 keV ist die Empfindlichkeit des Detektors selbst kaum wahrnehmbar.

    Eine genauere Korrektur kann durch Verwendung eines Mehrschichtfilters aus verschiedenen Metallen erreicht werden, der für einen bestimmten Zähler ausgewählt werden muss.

    Ein solcher Filter reduziert den „Hub mit Steifigkeit“ über den gesamten Bereich von 50–3000 keV auf einen Wert von 15–20% und verwandelt die Anzeige (ok, Radiometeranzeige suchen) in ein Dosimeter.

    Ein solcher Filter wird normalerweise abnehmbar gemacht, da er den Sensor unempfindlich gegen Alpha- und Betastrahlung macht.

    ***


    Im Allgemeinen ist dies alles, was Sie über den Geiger-Muller-Schalter, den Designer von darauf basierenden Geräten, wissen müssen. Wie Sie sehen, ist das Gerät wirklich einfach, obwohl es eine Reihe von Feinheiten gibt. In der nächsten Serie werden wir auf dieser Grundlage etwas Nützliches konstruieren.

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