Гајгеров бројач

Гајгеров бројач — инструмент кој се употребува за мерење на јонизирачко зрачење кое широко се користи во апликации како што се зрачна дозиметрија, радиолошка заштита, експериментални физика и јадрена индустрија.
Тој открива јонизирачко зрачење, како што се алфа-честички, бета-честички и гама-зраци со користење на јонизирачки ефект произведен во Гајгер-Милеровата цевка според која е дадени и името на инструментот. Во широката употреба како рачен инструмент за радиациони истражувања, тој е можеби еден од најпознатите инструменти за пронаоѓање на радиоактивност во светот.
Оригиналниот принцип на пронаоѓање на зрачењето е откриен во 1908 година, но по развивање на цевката на Гајгер – Милер во 1928 година, Гајгер-Милеровиот бројач стана практичен инструмент. Од тогаш тој е многу важен поради својата неменливи сензори и релативно ниската цена. Сепак, постојат ограничувања во мерењето на високи стапки на зрачење и на енергијата на инцидентното зрачење.
1 Начин на работа
Гајгеровиот бројач се состои од Гајгер-Милерова цевка, елемент со сензор, кој го пронаоѓа зрачењето и електроника за обработка, која го прикажува резултатот.
Цевката на Гајгер-Милеровиот бројач е исполнета со инертен гас, како што се хелиум, неон или аргон на низок притисок, кој е приклучен на висок напон. Цевката испушта кратко електрично полнење кога честичка или фотон на инцидентно зрачење гасот го прави спроводлив поради јонизацијата. Јонизација во цевката е значително засилена поради Таунсенд – ослободувачкиот ефект кој овозможува продуцирање на лесно измерлив пронаоѓачко пулсирање, кое се прикажува на електронскиот дисплеј. Ово големо пулсирање од цевката прави Гајгер-Милеровиот бројач да биде релативно евтин за производство. Електрониката исто така создава висок напон, најчесто 400-600 волти, кои треба да се внесат во Гајгер-Милеровата цевка за да се овозможи нејзино работење. Во натписот на за Гајгер-Милеровата цевка има подетален опис за основните механизми на јонизација.
1.1 Отчитување
Постојат два вида на отчитување на зрачењето; броење или доза на зрачење. Дисплејот (екранот) за броење е наједноставен и го прикажува бројот на јонизирачки елементи кои се прикажауваат или како број, најчесто се „пребројува во секунда“ или како вкупно зрачење во текот на определено време. Отчитување нормално се користи кога се откриени алфа- или бета-честички. Посложено е да се постигне прикажување на дозата на зрачење која е прикажана во единица каква што е sievert, што е нормално се користи за мерење на количеството на гама или Х-зраците. Гајгер-Милеровата цевка може да открие присуство на зрачење, но не и нејзината енергија која влијае на јонизирачко радиациониот ефект. Како резултат на тоа, инструментите за мерење на кличеството на зрачење имаат потреба од користење на Гајгер-Милерова цевка која е компензирана од енергијата, така што количеството прикажано на екранот одговара на утврденото (преброеното) зрачење.
Отчитувањето може да биде аналогно или дигитално, а современите инструменти нудат сериски комуникации поврзани со сметач или мрежа.
Обично постои и можност за оддавање на звучен сигнал кој го претставува бројот на откриени јонизирачки елементи. Ова е карактеристичен звук кој обично се поврзува со рачните или со преносните Гајгерови бројачи.
1.2 Ограничувања
Постојат две главни ограничувања на Гајгеровиот бројач. Поради тоа што излезниот пулс од Гајгер-Милеровата цевка секогаш е со иста големина, без оглед на енергијата на конкретното зрачење, цевката не може да направи разлика помеѓу видовите на зрачење. Дополнително ограничување е неможноста да се измери висока стапка на зрачење поради „изгубеното време“ на цевката. Ова е несензитивен (нечувствителен) периодот по секоја јонизација на гас, за кое време секое следно зрачење нема да биде утврдена, а прикажаниот резултат е пониок од реалниот. Обично т.н. „мртов период“ ќе ги намали вредностите за повеќе од околу 104 до 105 во секунда, во зависност од одликите на цевката која се користи. Некои бројачи имаат кола кои може да го компензираат наведеното, со цел инструментите на јониската комора попрецизно да ја измерат високата стапка на зрачење.
2 Видови и примена
Примената и користењето на Гајгеровиот бројач целосно е диктирано конструкцијата на цевката, кои ги има во голем број, но тие главно може да се категоризираат како „краен прозорец“ или без прозорци, „тенкоѕидни“ или „дебело ѕидни“, а понекогаш и како хибриди на овие видови.
2.1 Откривање на честички
Првата историска употреба на Гајгеровиот принцип беше за откривање на алфа- и бета-честички, а инструментот денес сè уште се користи за оваа намена. За алфа-честичките и ниско енергетските бета-честички мора да се користи Гајгер-Mилерова цевка од видот „краен прозорец“ затоа што овие честички имаат ограничен опсег дури и во слободен воздух и лесно се запираат од цврст материјал. Од тие причини цевката треба да има прозорец кој е доволно тенок да пропушти што е можно повеќе од овие честички низ полнењето со гас. Прозорецот обично е направен од mica (сјајни силикатни минерали со слоевита структура) со густина од околу 1,5 - 2,0 мг/см<sup>2</sup>.
Алфа-честички имаат најкраток опсег и за нивно откривање, поради слабеењето на алфа-честичките во слободен воздух, најидеално е прозорецот да биде во опсег до 10 мм од изворот на зрачење. Сепак, Гајгер-Милеровата цевка произведува излезен пулс кој е со иста големина за сето пронајдено зрачење, па Гајгеровиот бројач со цевка од видот „краен прозорец“ не може да направи разлика помеѓу алфа- и бета-честичките. Обучениот ракувач може да се послужи со растојанието за да ги разликува алфа- и високо енергетските бета-честички, но со сетилник поставен блиску до изворот на зрачење, видовите не може да се разликуваат. На Гајгер-Милеровиот сетилник од видот „палачинка“ е варијанта на сондата со „краен прозорец“, но предвиден со поголема површина за пронаоѓање со цел проверката да се направи побрзо. Сепак притисокот на атмосферата врз низок притисок на полнењето со гас ја ограничува големината на прозорецот, поради ограничената јачина на мембраната на прозорецот.
Висока енергетските бета-честички исто така може да се откријат со „тенкоѕидни“ „безпрозорски“ Гајгер-Милерови цевки, кои немаат краен прозорец. Иако ѕидовите на цевката имаат поголема моќ за запирање во однос на тенкиот краен прозорец, тие сè уште им овозможуваат на овие повеќе енергетски честички да стигнат до полнењето со гас.
Гајгер-Mилеровите сетилници со краен прозорец сè уште се користат како главни подвижни портабл мерачи на радиоактивно загадување и како инструмент за пронаоѓање, пред сè поради нивната релативно ниска цена, големината и релативно високата ефикасност за откривање; особено со високо енергетските бета-честички. Како и да е, за разликување помеѓу алфа- и бета-честичките или обезбедување на информации за енергетските честички, треба да се користат светкави бројачи или сразмерни (пропорционални) бројачи. Овие видови инструменти се изработени со многу поголеми сетилнички области, што значи дека проверката на површинското загадување е побрза отколку со Гајгер-Милеров инструмент.
2.2 Откривање а Гама и X-зраци
Гајгеровите бројачи широко се користат за откривање на гама-зрачење, а за тоа се користи безпрозорна цевка. Сепак, ефикасноста генерално е ниска поради лошата интеракција на гама-зраците во споредба со алфа- и бета-честичките. На пример, хром челик Гајгер-Mилеровата цевка е само околу 1% ефикасна за широк спектар на енергии.
Статијата за Гајгер-Милер цевката содржи повеќе детали за техниките кои се користат за проаоѓање на фотонско зрачење. За високоенергетска гама тоа во голема мера се потпира на интеракцијата на фотонското зрачење со материјалот од ѕидот на цевката, обично 1–2 mm од хром челик на „дебело ѕидна“ цевка за да произведе електрони во рамките на ѕидот кои можат да влезат и да го јонизираат полнежот со гас. Ова е неопходно бидејќи гасот со низок притисок во цевката има малку интеракција со високо енергетски гама фотони. Сепак, за нискоенергетските фотони има поголема интеракција на гас и директниот ефект на гасна јонизација се зголемува. Со намалување на енергијата, ефектот на ѕидот носи до комбинација од ефектот на ѕидот и директна јонизација, сè додека директната јонизација на гас не доминира. Поради разликите кои се јавуваат како одговор на различни фотонски енергии, безпрозорните цевки содржат нешто што е познато како „енергетска компензација“, што настојува да биде компензација за варијациите над големиот енергетски опсег.
Нискоенергетското фотонско зрачење, како што се нискоенергетските Х-зраци или гама-зраците се поврзуваат подобро со полнежот со гас. Како резултат на тоа, типична конструкција за нискоенергетското фотонско пронаоѓање за нив е долга цевка со тенок ѕид или со прозорец на крајот. Цевката има поголем волумен на гас од челично ѕидната цевка за да се даде поголема шанса за интеракција на честички.
2.3 Откривање на неутрони
Варијација на Гајгеровата цевка се користи за мерење на неутрони, каде гасот кој се користи е бор трифлуорид или хелиум – 3, а пластичен модератор се користи за да се неутроните за успорат. Ова создава алфа-честичка во внатрешноста на сетилникот и на тој начин неутроните можат да се избројат.
2.4 Мерење на Гама-честичките – лична заштита и контрола на постапката
Терминот „Гајгеров бројач“ вообичаено се користи за означување на рачен мерач за одреден тип на истражување. Сепак Гајгер принципот нашироко се употребува и во аларми за лична заштита инсталирани во „гама области“, како и за мерење на процесите и за поврзани апликации. Гајгеровата цевка сè уште е сензорски уред, но електрониката за обработка ќе има повисок степен на софистицираност и сигурност од онаа користена во рачниот мерач за истражување.
2.5 Физичка конструкција
Постојат две фундаментални физички конфигурации за рачните единици: „интегралната“ единица, со сетилник и електроника во истата единица, како и со дводелна конструкција кој има посебна сонда за пронаоѓање и модул за електроника поврзани со краток кабел .
Интегралната единица дозволува работење со една рака, така што ракувачот може да ја користи другата рака за лична безбедност во потешки надзорни положби, но дводелната конструкција овозможува полесно управување со сетилникот и најчесто се користи за надзор на загадувањето на алфа- и бета-површината каде е потребно внимателно управување со сондата или тежината на модулот за електроника ќе го направи тешко управувањето. Достапни се голем број на сетилници со различни големини за да одговараат на посебни ситуации, како што е поставување на сондата во мали отвори или затворени простори.
Сетилниците за гама и рендгенски зраци генерално користат „интегрална“ конструкција, така што Гајер-Милеровата цевката е погодно во опкружување на електрониката. Ова може лесно да се постигне, бидејќи обвивката обично е тенка и се користи во амбиентални гама мерења каде што растојанието од изворот на зрачењене е значаен фактор. Меѓутоа, за да се олеснат повеќе локализираните мерења, како што е „површинската доза", позицијата на цевката во опкружувањето понекогаш е упатена кон целите на опкружувањето, па затоа точно мерење со цевката може да се направи доколку истата се насочи во правилна насока и на определено растојание од површината.
Постои посебен вид на гама инструмент, познат како сетилник „жешка точка“ кој има цевка на крајот на долгиот столб или на флексибилниот канал. Тие се користат за мерење на гама локации со високо зрачење, со што ракувачот се заштитува со помош на средства за далечинска заштита.
Откривањето на алфа- и бета-честичките може биде искористено и во интегрална и во дводелни конструкции. Сондата со „палачинка“ (за алфа/бета), генерално се користи во дводелните инструменти за да се зголеми површината за откривање, а истата е со релативно мала тежина. Во интегралниот инструменти кој користи цевка со краен прозорец, постои прозорец во телото на куќиштето како превенција од честичките. Исто така постојат и хибридни инструменти кои имаат поделена сонда за откривање на честички и цевки за откривање на гама-честички во рамките на електронскиот модул. Сетилниците се вклучуваат од страна на ракувачот, во зависност од типот на зрачење кое се мери.
2.6 Упатство за употреба на апликација
Во Обединетото Кралство, HSE издаде упатство за употреба за избор на најповолен вид на пренослив инструмент за мерење на зрачењето. Тоа ги опфаќа сите технологии на инструменти за заштита од зрачење и е корисно споредбено упатство за употреба на Гајгер-Милеровите сетилници. Упатството не препорачува на Гајгер-Mилеров сетилник за откривање на загадување од мешани алфа- и бета-честички и тие се препорачуваат како „задоволителни“ само за бета загадување. Сепак тие се препорачуваат како најдобар тип инструмент за гама и ниско – напонски Х-зраци.
3 Историја
Во 1908 година Ханс Гајгер, под надзор на Ернест Радерфорд од Универзитетот Викторија во Манчестер (сега Универзитетот во Манчестер), развил експериментална техника за откривање на алфа-честички што подоцна ќе биде искористено во Гајгер-Милеровата цевка. Овој првичен бројач имал можност само за откривање на алфа-честички и бил дел од еден поголем експериментален уред. Основниот јонизирачки механизам бил откриен од страна на Џон Сили Таунсенд во текот неговата работа помеѓу 1897 и 1901 година и е познат како Таунсендово празнење, што претставува јонизација на молекули преку влијание со јони.
Гајгер-Милеровиот бројач не бил откриен сè до 1928 година додека Гајгер и Валтер Милер (студент докторант на Гајгер) не ја развиле затворената Гајгер-Милерова цевка со што се развиле основните принципи на јонизација кои претходно се користеле експериментално. Тој бил релативно мал и компактен и можел да открие повеќе видови на извори на јонизирачко зрачење. Сега практичниот инструмент за откривање на зрачење можел да се произведе релативно евтино, па така и се создал Гајгер-Милеровиот бројач. Поради тоа што излезната цевка требало малку електронски да се обработува и поради минималниот број на вентил и ниската потрошувачка на енергија, во ерата на топлинските отвори, инструментот постигнал посебна предност и голема популарност како преносен сетилник за откривање на зрачење.
Современите верзии на Гајгеровиот бројач користат халогени цевка измислени во 1947 година од страна на Сидни Х. Либсон. Тие ги замениле раните Гајгерови цевки поради нивниот многу подолг живот и понизок напон за работа, обично 400-600 волти.