Counter tube

Radiační detekční zařízení s protiběžkou

Čítače se používají k detekci a měření ionizujícího záření , takže patří k detektorům záření a částic .

Počítadlo funguje v závislosti na konstrukci a provozním napětí

  • jako ionizační komora ,
  • jako proporcionální počítadlo trubek (také proporcionální počítadlo )
  • nebo jako Geiger-Müllerova zkumavka (také nazývaná zjišťovací zkumavka , Geiger-Müllerovo počítadlo nebo Geiger-Müllerův indikátor ).

Termín Geigerův počítač , s nímž se často setkáváme , se technicky vztahuje na Geiger-Müllerovu zkumavku. Hovorově to však může znamenat také kompletní zařízení pro měření záření, jako je zařízení pro detekci kontaminace nebo zařízení pro měření dávky . Detektorem v takových zařízeních je často, ale ne vždy, Geiger-Müllerova čítací trubice.

V zásadě je každý ze tří zmíněných provozních režimů možný s jednou a stejnou protilehlou trubkou. Většina počítacích zkumavek je vyrobena optimalizovaná pro určité z těchto aplikací.

konstrukce

Základní náčrtek protitrubice, zde s tenkým koncem okénka pro nízkoenergetické a částicové záření

Nejjednodušší počítadla se skládají z válcové kovové trubky uzavřené na obou stranách, která představuje katodu . Anoda , drát z např. Průměr 0,1 mm, je umístěn v ose válce a je na jednom konci vyveden z protilehlé trubky přes izolátor (sklo). Průměr trubky je několik centimetrů.

Takové čítací trubice jsou vhodné pro detekci gama záření, protože proniká do kovové trubice. Pokud má být detekováno také alfa a beta záření, může být jeden konec protilehlé trubky uzavřen pouze nízkohmotovým filmem (např. Slída nebo biaxiálně orientovaný PET film ) ( protilehlá trubice okna ). Fólie musí odolat tlakovému rozdílu k vnějšímu vzduchu, ale musí umožnit částicím proniknout do protilehlé trubky.

Trubice je naplněna plynem ( počítaným plynem ), jak je podrobněji popsáno níže.

funkce

Schematické charakteristiky počítadla. Pozorovaná výška pulzu pro dopadající záření rovnoměrné energie částic je vynesena svisle.

Mezi anodou a katodou je přivedeno stejnosměrné napětí. Při dopadu ionizujícího záření generuje volné plyny v plynové náplni, které migrují na anodu v elektrickém poli. V případě záření nabitých částic je počet elektronů úměrný energii vydávané dopadajícími částicemi v plynu.

Další proces v podstatě závisí na napětí mezi anodou a katodou, jak ukazuje znázorněná křivka ( charakteristika ). Při nízkém napětí se některé elektrony na cestě k anodě rekombinují s ionty. Proudový impuls vyskytující se v obvodu odpovídá pouze elektronům, které dosáhly anody; tato část se liší velikostí v závislosti na poloze ionizace v trubce, a proto neposkytuje žádné informace o energii vydávané detekovanou částicí. Tato oblast aplikovaného napětí se nazývá rekombinační oblast.

Ionizační komora

Při vyšším napětí - kolem 100 voltů - dosáhnou všechny uvolněné elektrony anody. Pulz, který lze měřit v obvodu, je proto úměrný energii, kterou vyzařuje záření v protilehlé trubici. Počítadlová trubice nyní funguje jako ionizační komora a používá se například jako zařízení k měření rozptýleného záření .

Má-li být zaznamenána celá energie částice záření, musí dráha částice končit v plynu, tj. Rozsah záření v plynu musí být kratší než rozměry protilehlé trubky ve směru paprsku. Proto se k tomu používají relativně velké protitrubky (dlouhé až asi 1 m) a plynové náplně do přetlaku několika barů .

Proporcionální počítadlo trubek

Pokud se napětí dále zvýší, elektrony uvolněné zářením se díky vysoké síle elektrického pole v blízkosti anodového drátu zrychlí tak silně, že mohou spouštět další elektrony srážkami s atomy plynu. Existují elektronové laviny, každý s n elektrony ( n může být až 1 milion); toto se také nazývá zesílení plynu . Vzhledem k tomu, že se laviny vyskytují pouze ve velmi malé oblasti poblíž anody, je velikost měřeného proudového impulsu nezávislá na místě původní ionizace a je stále úměrná energii dopadajícího záření. Proto se tomuto rozsahu provozního napětí říká proporcionální rozsah . Ve srovnání s provozem v ionizační komoře je impuls nkrát větší, a proto se snáze měří.

Pro rozměry a tlak plynu platí totéž jako pro ionizační komory. Protože proporcionální rozsah leží ve strmé části charakteristiky, provozní napětí musí být velmi přesně konstantní. Zatímco ionizační komora z. B. může mít také paralelní deskové elektrody, geometrie pole s tenkým anodovým drátem je nezbytná pro proporcionální počítadlo trubek. Válcový tvar katody na druhé straně není rozhodující; Proporcionální čítače mohou mít také jiné tvary, v závislosti na geometrických požadavcích, a také obsahovat několik paralelních anodových vodičů.

Proporcionální počítadlo trubek nabízí nejen možnost měření energií částic, ale také se pro ně používá. B. používá se v radiační ochraně kvůli schopnosti rozlišovat mezi alfa a beta zářením. Monitory ruka-noha pro rutinní kontroly při opuštění kontrolních oblastí proto obsahují také proporcionální čítače.

Z fyzikálního výzkumu z. Jedním z příkladů je neutrinový experiment Homestake , kde byly použity proporcionální čítače ke spolehlivému odlišení velmi vzácných beta rozpadů plynného vzorku od jiného záření. V další rozvinuté formě se proporcionální čítač používá jako vícevodičová proporcionální komora a jako detektor slámy, také ve fyzice vysokých energií .

Proporcionální počítadla pro neutrony

Detekce neutronů v trubici počítadla BF 3

Také neutronového záření lze měřit s proporcionální počítače. Pro měření energie rychlých neutronů (přibližně 0,1 až 6  MeV ) se jako počítací plyn používá vodík nebo metan při tlaku několika barů. Neutronové spektrum lze odvodit z energetického spektra protonů zpětného rázu z pružného rozptylu měřeného s ním .

Fluorid boritý (BF 3 ) je vhodný pro pomalé neutrony , zejména pro tepelné neutrony . Dva ionty produkované současně v exotermické jaderné reakci 10 B (n, ) 7 Li, alfa částice a atomové jádro lithia, vedou k ionizaci. BF 3 s borem obohaceným o B-10 se často používá za účelem vyšší pravděpodobnosti detekce .

Místo plynové náplně BF 3 lze na vnitřní straně protitrubice použít také vrstvu obsahující bór. To má tu výhodu, že při počítání plynu z. Lze použít B. argon , který dává kratší pulsy. Na druhou stranu je nevýhodné, že jaderná reakce zanechává v iontu plynu méně ionizační energie, protože z kinematických důvodů je do vnitřku potrubí kdy emitován pouze jeden ze dvou iontů; to ztěžuje rozlišení mezi gama pulzy.

Vzácný izotop helia helium-3 může také sloužit jako plyn počítající neutrony. Také zde je exotermická reakce 3 He (n, p) 3 H. Hélium-3 je dražší než fluorid boritý, ale vede k vyšší pravděpodobnosti detekce, protože neobsahuje žádná další atomová jádra, průřez reakce je větší a lze použít vyšší plnicí tlak. Počitadlové zkumavky He-3 lze provozovat při vyšších teplotách, při kterých by se fluorid boritý rozkládal.

Počítadla elektronů boru a helia-3 jsou také provozována proporcionálně a nikoli v rozsahu Geiger-Müller (viz níže), aby bylo možné například rozlišovat mezi zářením gama a neutronem. Důležitou aplikací (většinou s trubkou pultu BF 3 ) je dlouhý pult .

Počítadlo trubek Geiger-Müller

Demontovaná Geiger-Müllerova trubice proti záření pro gama záření. Pod skutečnou trubkou počítadla vyrobenou ze skla s anodovým drátem uprostřed a spirálovým drátem jako katodou; stínící desky ve středu , které jsou připevněny mezi protilehlou trubkou a pouzdrem, aby se změnila citlivost na záření různých energií; nad vnějším hliníkovým pouzdrem, délka 30 cm.

Nad určitým, dokonce vyšším napětím - v „plošině“ výše uvedené charakteristiky - každá příchozí ionizující částice způsobí nezávislý výboj plynu , tj. Každý druhý uvolněný elektron uvolní alespoň jeden nový elektron před tím, než dosáhne anody. Vytváří se také ultrafialové záření, které ionizuje na odlehlých místech, takže se výboj šíří celou protilehlou trubicí. Takto fungující počítadlo trubek se nazývá počítadlo Geiger-Müller. Po zahájení ( zapálení ) výboj plynu „hoří“ bez ohledu na typ a energii spouštěcího záření (odtud alternativní označení „trigger counter tube“) a zhasne pouze tehdy, když intenzita pole dostatečně poklesla v důsledku radiálního pohybu iontového mraku vnější. Obnovenému zapálení výboje plynu, když ionty narazí na stěnu potrubí, je zabráněno přidáním hasicího plynu do plnicího plynu (viz část Plnění plynu).

Proudové impulsy mají proto jednotnou velikost a jsou tak velké, že je lze za určitých okolností slyšet jako praskavé zvuky přímo v reproduktoru bez zesílení. Jediný uvolněný elektron je dostatečný pro spuštění, takže detektor má nejlepší možnou citlivost. Plošina plošiny pracovního napětí se také nazývá oblast Geiger-Müller .

Ve srovnání s jinými detektory má Geiger-Müllerova čítací trubice relativně dlouhou mrtvou dobu řádově 100 mikrosekund kvůli procesu vypouštění plynu . Poté následuje podobně dlouhá doba zotavení, během níž nový impuls nedosáhne své plné výšky.
Mrtvá doba vyplývá ze skutečnosti, že výboj plynu je proudově omezen vysokým odporem, například 100 kiloohmů, ve vysokonapěťovém napájecím vedení; opětovnému zapálení po impulzu zabrání pokles napětí. Životnost iontů lze snížit přidáním hasicího plynu, takže se zkracuje mrtvá doba.

Počítadla Geiger-Müller se používají například ke kontrole znečištění a k obecným účelům radiační ochrany. Informace o typu a energii záření lze s nimi zhruba získat pouze provedením srovnávacích měření s různými štíty umístěnými mezi zdrojem záření a protilehlou trubicí .

Plnění plynem

Mnoho různých plynů, dokonce i vzduch, může být použito jako protitrubková náplň. Vzácné plyny jako např B. Argon je výhodný pro dosažení co nejkratších pulzů, protože netvoří záporné ionty, které cestují mnohem pomaleji než elektrony k anodě. Pro detekci záření gama, argon s několika bar přetlaku, nebo z důvodu jeho vysoké atomovým číslem , je xenon používá. V ionizačních komorách a proporcionálních počítačích se často přidává část plynné sloučeniny, jako je methan nebo oxid uhličitý . Toto přidání snižuje teplotu elektronů prostřednictvím nepružných kolizí a způsobí tak další zkrácení proudového pulzu, čímž se detektor „zrychlí“. Potlačuje také ultrafialové záření , které by mohlo vést k nadbytečným pulzům.

V závodě Geiger-Müller se do plynu přidává pára ethanolu nebo plynný halogen ( chlor nebo brom ). Tento hasicí plyn zajišťuje, že po uhasení výboje plynu nedojde k novému vznícení ionty narážejícími na stěnu, protože jeho molekuly místo ionizace spotřebovávají energii disociací .

Stacionární měřicí trubice nejsou v některých případech těsně uzavřeny, ale fungují jako průtokoměry s pomalu proudícím plynem. Tím se zabrání problémům s kontaminací, chemickými reakcemi plynu nebo malými úniky. U počítačů Geiger-Müller lze udržovat konstantní přídavek ethanolu, který by se jinak spotřeboval při provozu protitubu.

Dějiny

Geigerův počítač, 1932. Science Museum London .

Předchůdce počítadlových trubek poprvé popsal Hans Geiger v roce 1913 . Počítadlo trubek Geiger-Müller sahá až do vývoje Geigera společně s jeho kolegou Waltherem Müllerem na univerzitě v Kielu , jehož výsledky byly publikovány od roku 1928. Byl to první známý a běžně používaný typ detektoru, který reagoval na částice nebo radiační kvantu elektrickým impulzem. Praktické využití proporcionálního rozsahu je z elektronického hlediska náročnější - zesílení impulsů, stabilita vysokého napětí - a rutinní metodou se stalo až od poloviny 20. století.

Vzhledem k tomu, že impulsy Geiger-Müllerovy čítací trubice jsou stejné pro všechny částice, je zvláště vhodný pro počítání dopadajících částic / kvant. Označení „Geigerův počítač“ nebo „Geigerův počítač“ se proto jeví jako přirozené. Toto označení bylo přeneseno na později vyvinuté detektory, například „proporcionální čítač“, „ scintilační čítač “ atd., Ačkoli se nepoužívají pouze k počítání, ale také k měření energie a k rozlišení mezi typy záření.

literatura

  • Glenn F. Knoll: Detekce a měření záření. 2. vydání, Wiley, New York 1989, ISBN 0-471-81504-7 .
  • Konrad Kleinknecht: Detektory pro záření částic . 4. vydání, Teubner 2005, ISBN 978-3-8351-0058-9
  • Sebastian Korff: Geiger-Müllerova zkumavka. Analýza historie vědy pomocí metody replikace. In: NTM Journal for the History of Science, Technology and Medicine , Volume 20, Issue 4, 2012, pp. 271–308, ( doi: 10.1007 / s00048-012-0080-y ).

webové odkazy

Wikislovník: Geigerův čítač  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady
Commons : Geigerův počítač  - sbírka obrázků, videí a zvukových souborů
Wikibooks: Plynové detektory záření  - výukové a výukové materiály

Individuální důkazy

  1. ↑ Knoll (viz seznam literatury) s. 166 f.
  2. ↑ BT Cleveland et al: Měření toku neutronových solárních elektronů pomocí detektoru chloru v domácím prostředí . In: Astrophysical Journal . 496, 1998, str. 505-526. doi : 10,1086 / 305343 .
  3. ^ C. Gerthsen: Physik , 6. vydání, Springer, 1960.
  4. ^ EB Paul: Nuclear and Particle Physics , North-Holland, 1969, s. 124.
  5. ↑ Knoll (viz seznam literatury) s. 168.
  6. ↑ Paul (viz výše) s. 127.
  7. ↑ Příklad z komerčních monitorů záření ( Memento ze dne 24. března 2009 v internetovém archivu ).
  8. ↑ H. Geiger, W. Müller: Elektronová elektronka pro měření nejslabších aktivit. In: Die Naturwissenschaften , 16/31, s. 617–618. (Přednáška a demonstrace na kielském zasedání dolnosaského gauvereinu Německé fyzikální společnosti 7. července 1928).
  9. ^ H. Geiger, W. Müller: Počítadlo elektronů. In: Physikalische Zeitschrift 29, str. 839-841, (1928).
  10. ^ H. Geiger, W. Müller: Technické poznámky k elektronovému čítači. In: Physikalische Zeitschrift. 30, str. 489-493. (1929).
  11. ^ H. Geiger, W. Müller: Demonstrace elektronového počítadla. In: Physikalische Zeitschrift 30, s. 523 a násl. (1929).
  12. ^ Bernard L. Cohen: Pojmy jaderné fyziky . New York atd.: McGraw-Hill, 1971, s. 217.