Geigermittari

Geigermittari, Geigerputki tai Geiger–Müller-ilmaisin on vuonna 1908 keksitty elektroniputkityyppinen hiukkasilmaisin, joka mittaa ionisoivaa säteilyä. Se havaitsee alfa- ja betahiukkasia sekä gammasäteitä.
Geigerputken sisällä on voimakas sähkökenttä ja putki on täytetty matalapaineisella kaasulla, jossa säteily ionisoi kaasumolekyylejä. Kukin ionisaatiotapahtuma aiheuttaa lyhyen virtapulssin, joka voidaan mitata. Usein piiriin on mittarin lisäksi liitetty pieni kaiutin, josta kuuluu rasahdus aina kun säteilyn kvantti on havaittu. Geigermittarin tikitys kertoo säteilyn intensiteetistä mutta ei yksittäisten säteilykvanttien energiasta.
Yksinkertaisuutensa vuoksi geigerputkia käytetään nykyäänkin säteilysuojelussa sekä kaikkialla missä on tarve seurata radioaktiivisen säteilyn voimakkuutta. Geiger–Müller -mittarilla on käyttöä muun muassa ydinfysiikan ja geofysiikan (kaivannaistoiminta) aloilla sekä lääketieteessä röntgenkuvauksessa.

Geigermittarin toimintaperiaate

Geigermittarin säteilyä havaitseva osa on Geiger–Müller-putki, joka on suljettu ja täytetty kaasulla (usein heliumilla, neonilla tai argonilla johon on lisätty halogeenia). Putken seinämä toimii katodina ja sisällä on tavallisesti putken suuntainen anodipiikki. Katodin ja anodin välillä oleva jännite aiheuttaa kaasuun voimakkaan sähkökentän.
Geiger-mittarin toiminta perustuu siihen, että säteily tönii putken sisällä olevia kaasumolekyylejä ionisoiden näitä eli hajottaen molekyylin elektroniksi ja ioniksi, jotka sähkökentän pakottamana liikkuvat kohti elektrodeja. Elektroni tönii matkallaan lisää kaasumolekyylejä ionisoiden näitä, jolloin syntyy anodia kohti kulkeva elektronivyöry eli kaasumonistus. Elektronivyöryn elektronit virittävät kaasun molekyylejä siten, että viritystilan purkautuessa emittoituu fotoneita, jotka tuottavat uusia elektronivyöryjä. Ne aiheuttavat laitteeseen havaittavan signaalivirran.
Elektronivyöryissä syntyneet positiivisesti varautuneet ionit kulkevat kokonsa takia paljon elektroneja hitaammin, joten niitä kertyy suuri määrä anodin lähelle. Tämä pienentää sähkökenttää niin voimakkaasti, että uusien elektronivyöryjen tuotto loppuu. Ennen ilmiön loppumista on kuitenkin jo ehtinyt syntyä voimakas signaalipulssi.
Jännitepulssien määrän ilmaisee viisarineula, lamppu ja/tai kuuluva tikitys. Nykyaikaiset geigermittarit voivat havaita useita radioaktiivisesta aineesta lähtevän säteilyn voimakkuuden eri kertaluokkia. Jotkin geigermittarit voivat myös tunnistaa gammasäteilyn, vaikkakin voimakkaan gammasäteilyn havainnointiherkkyys voi olla alhaisempi kuin tiettyjen muiden mittauslaitteiden. Tämä johtuu laitteen usein pienestä kaasun tiheydestä, jolloin energialtaan suuret gammasäteilyn fotonit pääsevät useimmiten laitteen lävitse ilman, että sitä pystytään mittaamaan. Alemman energian fotonit on helpompi tunnistaa, sillä säteilymittari absorboi niitä paremmin.

Geigermittarin käyttö ja rajoitukset

Geiger–Müller-putki kuuluu kaasutäytteisten säteilynilmaisimien luokkaan. Geigermittarit voivat tunnistaa vain säteilyn voimakkuuden, mutta eivät säteilyn tai hiukkasten energiaa. Verrannollisuuslaskuri on Geiger-Müller-putken kaltainen ilmaisin, joka mittaa säteilyhiukkasten määrän lisäksi myös niiden liike-energian: verrannollisuuslaskureissa mitatun sähköisen signaalin suuruus on verrannollinen säteilykvanttien energiaan. Monilankaverrannollisuuslaskureilla (engl. Multiwire proportional counter, MWPC) voidaan mitata myös säteilylähteen paikka ja säteilyn tulokulma.
Gammasäteilyn mittaamiseen parempi laite on natriumjodidituikeilmaisin. Hyviä alfa- ja beeta-tuikeilmaisimia on olemassa, mutta geigermittareita pidetään yleisesti kätevämpinä yleismittareina niiden helpomman kuljetettavuuden, halvemman hinnan ja kestävyyden takia.
Geigerputken variaatiota käytetään mittamaan neutroneita. Neutroni-ilmaisimessa käytetty kaasu on booritrifluoridia ja muovia käytetään hidastamaan neutroneja. Tämä aikaansaa alfahiukkasia, jotka voidaan havaita.

Historia

Hans Geiger kehitti laitteen (jota myöhemmin alettiin kutsua geigermittariksi) vuonna 1908 yhdessä Ernest Rutherfordin kanssa. Heidän kehittämänsä mittari kykeni havaitsemaan alfa-säteilyä. Vuonna 1928 Geiger ja Walther Müller (Geigerin oppilas) paransivat mittaria siten, että se pystyi havaitsemaan kaikkea ionisoivaa säteilyä.
Nykyversio geigermittarista on nimeltään halogeenimittari, ja sen kehitti vuonna 1947 Sidney H. Liebson . Tämä laite yleistyi sillä sen käyttöikä oli paljon pidempi ja tarvittava jännite pienempi kuin alkuperäisen.