Geiger sayacı

Geiger sayacı veya Geiger-Müller sayacı, iyonlaştırıcı radyasyonu tespit etmeye ve ölçmeye yarayan bir cihazdır. Cihaza adını veren Geiger–Müller tüpünün içindeki alçak-bansınçlı gaz tarafından üretilen iyonizasyonun kullanılmasıyla, alfa parçacıklarından, beta parçacıklarından veya gama ışınımlarından kaynaklanan nükleer ışımayı tespit eder. Taşınabilir ışıma (radyasyon) tetkik cihazı olarak geniş ve yaygın kullanımı nedeniyle, belki de toplumda en iyi bilinen ışıma (radyasyon) tespit cihazıdır.

Orijinal çalışma ilkesi 1908'de erken bir radyasyon bilimsel çalışmasında keşfedildi. Geiger-Müller tüpünün 1928'de ve sonrasındaki gelişiminden beri, cihazın güçlü algılama elamanından ve bağıl olarak düşük maliyetinden dolayı, radyasyon dozimetrisinde, tıp alanında, deney fiziğinde, nükleer endüstride, jeolojik keşiflerde ve diğer sahalarda popüler bir cihaz haline geldi. Fakat, yüksek radyasyon oranlarının ve gelen radyasyon enerjisinin ölçümlerinde kısıtlamalar vardır.

Geiger sayaç cihazı; Geiger-Müller tüpü, ve işlemci ve ekran elektronik devreleri olmak üzere iki ana elamandan oluşur. Radyasyonu algılayan elaman atıl gazla doldurulmuş bir Geiger-Müller tüpüdür (genellikle helyum, neon veya halojen katkılı argon içerir) ki, kısacası –parçacık veya foton radyasyonu iyonlaşarak gazı iletken yaptığında– elektrik yükünü iletir. Tüpün her bir iyonlaşma olayını yükseltme özelliği vardır, bunu Townsend çığ etkisi ile yapar ve kolayca ölçülebilen ve elektrik devre elemanlarından geçirilen bir akım atması üretir.

Temel olarak iki tür radyasyon okuma yöntemi vardır; sayım veya radyasyon dozu. Sayım gösterimi en basit olanıdır ve iyonlaşma olaylarının sayısıdır ki ya sayım oranı, genellikle "saniye başına sayım", ya da belirli bir zaman üzerinden toplamı şeklindedir. Sayım okuma yöntemi normalde alfa veya beta parçacıklarının tespitinde kullanılır. Radyasyon doz oranının gösterimi elde edilmesi daha karmaşık olandır ve sievert gibi bir birimle gösterilir. Bu gösterim çeşidi normalde gama veya X-ışını doz oranlarının ölçümünde kullanılır. G-M tüpü sadece radyasyonun varlığını tespit edebilir, fakat enerjisini tespit edemez ki, enerji iyonlaşma etkisini belirler. Sonuç olarak, doz oranı ölçümü energy compensated G-M tüpünün kullanımını gerektirir, bu yüzden soğurulmuş doz gösterimi tespit edilen sayımla ilişkilidir.

Elektronik devreler bilinen katsayı ve çarpanları uygulayarak iki gösterim arasındaki dönüşümü yapar ki, bu dönüşüm de her bir cihazın kendisine özeldir ve ayrıca tasarımına ve kalibrasyonuna bağlıdır.

Okuma cihazı analog veya dijital olabilir, ve gitgide artarak, modern cihazlar bir ana bilgisayar veya ağ ile seri iletişim imkânı tanımaktadırlar.

Genellikle iyonlaşma olaylarının sayısını temsilen sesi üretimi seçeneği de vardır. Bu özgün ses normalde el tipi veya taşınabilir Geiger sayaçlarıyla ilişkilidir. Bunun amacı kullanıcıya radyasyon oranını temsil eden ses geribeslemesini dinlerken aynı zamanda cihaza da yoğunlaşmasını sağlamaktır. Elektronik devreleri bağıl olarak yüksek değerli gerilim üretirler, tipik olarak 400-600 volt civarında, ki bu gerilim Geiger-Müller tüpünü çalışır duruma getirebilmek için uygulanır.

Geiger sayacında iki önemli kısıtlama vardır. Birincisi, Geiger-Müller tüpü gelen radyasyonun enerjisinin büyüklüğünden bağımsız olarak her zaman aynı değere sahip bir atma çıktısı verir. Diğeri ise, yüksek radyasyon dozlarının tüpün "ölü zamanı"ndan dolayı ölçülememesidir. Gazın her bir iyonlaşmasından sonra geçen süre zarfında tüp diğer iyonlaşmalara olan hassasiyetini yitir, böylece bu süreçte gelen radyasyon sayıma bir katkı yapmaz ve ölçülen doz veya oran gerçektekinden daha düşüktür. Tipik olarak ölü zaman tespit edilen sayım oranlarını yaklaşık 104'ten 105'e kadar saniye başına sayım kadar daha az gösterecektir, kullanılan sayacın karakteristiğine bağlı olarak. Bazı sayaçlar bunu dengeleyecek devreler içermelerine rağmen, yüksek radyasyon oranlarının daha kesin ölçümleri için iyon odası cihazları tercih edilir.

Geiger ilkesinin tarihteki ilk kullanımı alfa ve beta parçacıklarının tespiti içindi ve cihaz halen bugün de bu amaç için kullanılmaktadır. Alfa parçacıkları ve düşük enerjili beta parçacıkları serbest hava ortamında bile sınırlı bir mesafeye sahiptirler ve katı bir madde tarafından kolayca durdurulurlar, bu yüzden "açık-uç" tipi GM tüpleri bu parçacıkların tespitinde kullanılır. Açık-uç bu parçacıkların asgari zayıflamayla geçişine izin verecek kadar ince ve genelde yoğunluğu 1.5 - 2.0 mg/cm2 civarında olacak şekilde tasarlanmıştır. Serbest havadan kaynaklanan zayıflamanın etkisini azaltabilmek için ve böylece alfa parçacıklarının verimli olarak tespit edilebilmesi için GM tüpünün penceresi radyasyon kaynağından 10mm civarında bir mesafede bulunmalıdır. Fakat, G-M tüpü bütün tespit edilen radyasyon çeşitleri için aynı değerde bir atma çıktısı verir, bu nedenle açık-uçlu Geiger sayacı alfa ve beta parçacıklarını birbirinden ayırdedemez. Açık-uç dedektörün bir başka çeşidi olan "Pankek" Geiger-Müller dedektörü daha geniş bir yüzey alanına sahiptir ve genellikle alfa/beta kirlenmesini gözlemek için kullanılır. Yüksek enerjili beta parçacıkları da tespit edilebilir ki bu "penceresiz" ince bir duvarlı bir tüple mümkündür. Bu tasarımda açık-uç bir dedektöre gerek yoktur. Tüp duvarları açık-uç dedektöründen daha güçlü bir durdurma gücüne sahip olmalarına karşın, yine de bu yüksek enerjili parçacıkların dedektör içindeki gaza ulaşmalarına izin verirler.

Geiger sayaçları halen genel amaçlı ve taşınabilir alfa/beta radyoaktif kirlenmeleri için ölçüm ve tespit cihazıdır, bunu düşük maliyetlerine, sağlamlıklarına ve göreceli olarak yüksek tespit verimliliklerine borçludurlar (özellikle de yüksek enerjili beta parçacıkları durumunda). Fakat alfa ve beta parçacıklarının ayırt edilebilmeleri veya bu parçacıkların enerji verilerinin elde edilebilmeleri için parıldama sayaçları veya nispi sayaçlar kullanılmalıdır. Bu tür cihazlar daha büyük bir dedektör yüzeyine sahip olabilirler ve böylece yüzey kirlenmelerinin denetlenmesi daha hızlı yapılabilir.

Geiger-Müller tüpü hakkındaki bu makale foton radyasyonunun tespiti üzerine teknikleri içerir. Özet olarak, yüksek enerjili gamaların tespiti foton radyasyonunun tüp duvarını oluşturan malzemeyle etkileşimiyle ilişkilidir, genellikle 1–2 mm'lik krom çelik, bu ilişkinin nedeni tüp duvarlarından elektron üretilmesi ve bu elektronların tüpün içindeki gazı iyonlaştırmasıdır. Bu yüksek enerjili gama fotonlarının tüpün içindeki düşük basınçlı gazla olan etkileşimlerinin azlığından dolayı gereklidir ve çoğu da tespit edilmeden geçip giderler. Fakat, düşük enerjili fotonlar için gazla etkileşim daha yüksektir ve doğrudan iyonlaşma etkilerinde artış olur. Fotonların enerjisi yüksek seviyeden düşük seviyeye doğru azaldıkça duvar etkisinin baskınlığı yerini duvar etkisi ve doğrudan iyonlaşma etkisinin karışımına bırakır ta ki bütünüyle doğrudan etkileşim baskın hale gelene kadar.

Değişik foton enerjilerine verilen tepkilerin çok çeşitli olmasında dolayı kalın çeperli çelik tüpler kullanılır. Çelik tüpler foton enerjilerini emerek değişik enerji seviyeleri arasında farkları azaltır, daha geniş bir enerji aralığıyla kıyaslandığında çalışma hassassiyetini arttırır.

Uzun ince duvarlı bir tüp düşük enerjili foton tespiti için tipik bir tasarımdır. Bu daha fazla gaz için fazladan hacim imkânı verir, böylece parçacıkların etkileşim şansı artar, yine de bu sistem düşük enerjili fotonlar ince duvardan geçerek gazın içine geçmesine izin verir.

Nötronların boron trifluoride veya Helium 3 ve plastik moderatör kullanılarak hazırlanan Geiger tüpünün değişik bir türü nötronları tespit etmek için kullanıldı. Bu yavaşlama sonucu nötronlar dedektörün içerisinde alfa parçacıklarının oluşmasına sebep olur ve böylece nötronlar sayılabilir.

"Geiger sayacı" genellikle elde taşınabilen tetkik tipi ölçüm cihazlarıdır, fakat Geiger prensiplerinin kullanımı daha da yaygındır, örneğin; işçilerin korunması için "gama bölgesi" alarmı olarak, güvenlik kilitleri uygulamalarında ve ölçüm süreçlerinde.

Bu tür uygulamalarda, Geiger tüpü halen algılayan cihaz olmasına karşın, el tipi cihazlara göre elektronik işlemci devreleri daha yüksek dereceli bir ayrıntıya ve güvenililirliğe sahiptirler.

Elde taşınabilir üniteler iki temel fiziki biçim vardır: "bütünleşik" ünite ki hem dedektör hem de elektronik devre aynı ünite içindedir, ve "iki-parçalı" tasarım ki dedektör ucu ve elektronik devre modülü birbirinden ayrı ama kısa bir kabloyla birbirine bağlıdırlar.

Bütünleşik birim (ünite) tek elle taşıma imkânı verir, böylece kullanıcı diğer elini radyoaktif tehlike durumlarında kişisel güvenliği için kullanabilir, fakat iki parçalı tasarım dedektörün daha kolay kullanımına izin verir ve genellikle yüzeylerin alfa ve beta kirlenmesinin denetlenmesi sürecinde de kullanılabilirler ki bu tür durumlar daha dikkatli olmayı gerektiren veya elektronik devrelerinin ağırlıklarının kullanım şartlarını hantallaştırabileceği durumlardır. Kendine has farklı durumlarda kullanılmak üzere birçok çeşit büyüklükte cihazlar mevcuttur, örneğin; dedektör ucunun çok küçük aralıklar gibi yerlere girmesi gereken durumlar.

Gama ve X-ışını dedektörleri genellikle Geiger-Müller tüpünün elektronik devreyle uyumlu bir şekilde var olabileceği "bütünleşik" tasarımlara sahiptirler. Bu tür dedektörleri yapmak kolaydır çünkü dış muhafazanın ışınları fazla zayıflatmaz ve gama radyasyonu ölçümü durumlarında da radyasyon kaynağından uzaklık çok da önemli bir etken değildir. Fakat, daha yerel ölçümler yapabilmek için örneğin "yüzeydeki radyasyon dozu", tüpün konumu önemli hale gelir çünkü kaynağın dedektörün bilinen bir mesafe, yönelim ve yakınlığa konması gerekebilir.

Birleşik Krallıkta HSE yapılması düşünülen uygulamalar için doğru radyasyon ölçüm cihazının seçiminde yardımcı olmak üzere bir kullanıcı rehberi yayınladı. Bu rehber bütün radyason cihazı teknolojilerini kapsadığı gibi GM dedektörlerinin faydalı bir karşılaştırmasını da içerir.