Rurka Geigera-Müllera - Geiger–Müller tube

Kompletny licznik Geigera z rurką Geigera-Müllera zamontowaną w cylindrycznej obudowie połączonej kablem z przyrządem.

Rury Geigera-Muller lub rury G-M jest Element pomiarowy licznika Geigera narzędziem do wykrywania promieniowania jonizującego . Jej nazwa pochodzi od Hansa Geigera , który wynalazł tę zasadę w 1908 roku, i Walthera Müllera , który współpracował z Geigerem przy dalszym rozwoju techniki w 1928 roku, aby wyprodukować praktyczną tubę, która mogłaby wykrywać wiele różnych typów promieniowania.

Jest to detektor jonizacji gazowej i wykorzystuje zjawisko lawinowe Townsenda do wytworzenia łatwo wykrywalnego impulsu elektronicznego już z pojedynczego zdarzenia jonizującego spowodowanego cząsteczką promieniowania. Jest on stosowany do wykrywania gamma, promieniowania promieni rentgenowskich oraz alfa i beta cząstek. Może być również przystosowany do wykrywania neutronów . Rura działa w obszarze „Geigera” generowania par jonowych. Jest to pokazane na załączonym wykresie dla detektorów gazowych pokazujących prąd jonów w funkcji przyłożonego napięcia.

Chociaż jest to solidny i niedrogi detektor, G-M nie jest w stanie skutecznie mierzyć wysokiego natężenia promieniowania, ma skończoną żywotność w obszarach o wysokim napromieniowaniu i nie może mierzyć energii promieniowania padającego , więc nie można wygenerować informacji spektralnych i nie ma rozróżniania między rodzaje promieniowania; takie jak między cząsteczkami alfa i beta.

Zasada działania

Wykres prądu pary jonowej w funkcji napięcia dla cylindrycznego detektora promieniowania gazowego z centralną anodą drutową.
Wizualizacja rozprzestrzeniania się lawin Townsenda za pomocą fotonów UV. Mechanizm ten umożliwia pojedynczemu zdarzeniu jonizującemu jonizację całego gazu otaczającego anodę poprzez wywołanie wielu lawin.
Wykrywanie promieniowania gamma w probówce GM z grubościenną katodą ze stali nierdzewnej. Elektrony wtórne generowane w ścianie mogą dotrzeć do gazu wypełniającego i wywołać lawiny. Efekt ten jest znacznie osłabiony przy niskich energiach poniżej około 20 KeV

Rura GM składa się z komory wypełnionej mieszaniną gazów pod niskim ciśnieniem około 0,1 atmosfery . Komora zawiera dwie elektrody, pomiędzy którymi występuje różnica potencjałów rzędu kilkuset woltów . Ścianki rurki są metalowe lub mają wewnętrzną powierzchnię pokrytą materiałem przewodzącym lub spiralnym drutem tworzącym katodę , podczas gdy anoda jest drutem osadzonym osiowo w środku komory.

Gdy promieniowanie jonizujące uderza w rurę, niektóre cząsteczki gazu wypełniającego są jonizowane bezpośrednio przez promieniowanie padające, a jeśli katoda rury jest przewodnikiem elektrycznym, takim jak stal nierdzewna, pośrednio za pomocą elektronów wtórnych wytwarzanych w ściankach rury, które migrują do gazu. W ten sposób w gazie powstają dodatnio naładowane jony i wolne elektrony , znane jako pary jonowe . Silne pole elektryczne wytworzone przez napięcie na elektrodach lampy przyspiesza jony dodatnie w kierunku katody, a elektrony w kierunku anody. W pobliżu anody w „obszarze lawinowym”, gdzie natężenie pola elektrycznego rośnie odwrotnie proporcjonalnie do odległości promieniowej w miarę zbliżania się do anody, swobodne elektrony uzyskują wystarczającą energię, aby zjonizować dodatkowe cząsteczki gazu w wyniku zderzenia i stworzyć dużą liczbę lawin elektronowych . Rozprzestrzeniają się one wzdłuż anody i skutecznie w całym regionie lawinowym. Jest to efekt „mnożenia gazu”, który nadaje lampie kluczową cechę zdolności do wytwarzania znaczącego impulsu wyjściowego z pojedynczego pierwotnego zdarzenia jonizującego.

Gdyby była tylko jedna lawina na pierwotne zdarzenie jonizujące, to liczba wzbudzonych cząsteczek byłaby rzędu 10 6 do 10 8 . Jednak produkcja wielu lawin skutkuje zwiększonym współczynnikiem mnożenia, który może wytworzyć od 10 9 do 10 10 par jonów. Powstanie wielokrotnych lawin jest spowodowane produkcją fotonów UV w pierwotnej lawinie, na które nie ma wpływu pole elektryczne i które przemieszczają się poprzecznie do osi anody, aby wywołać dalsze zdarzenia jonizujące poprzez zderzenie z cząsteczkami gazu. Zderzenia te powodują dalsze lawiny, które z kolei wytwarzają więcej fotonów, a tym samym więcej lawin w reakcji łańcuchowej, która rozprzestrzenia się w bok w gazie wypełniającym i otacza drut anodowy. Załączony diagram pokazuje to graficznie. Szybkość propagacji lawin wynosi zwykle 2–4 cm na mikrosekundę, tak że w przypadku typowych rozmiarów rur pełna jonizacja gazu wokół anody zajmuje zaledwie kilka mikrosekund. Ten krótki, intensywny impuls prądu może być mierzony jako zdarzenie zliczania w postaci impulsu napięciowego na zewnętrznym rezystorze elektrycznym. Może to być rzędu woltów, co ułatwia dalsze przetwarzanie elektroniczne.

Wyładowanie kończy się zbiorowym efektem jonów dodatnich wytworzonych przez lawiny. Jony te mają mniejszą ruchliwość niż elektrony swobodne ze względu na ich większą masę i powoli przemieszczają się z okolic drutu anodowego. Tworzy to „ładunek kosmiczny”, który przeciwdziała polu elektrycznemu niezbędnemu do dalszego generowania lawin. Dla określonej geometrii lampy i napięcia roboczego zakończenie to następuje zawsze w momencie powstania pewnej liczby lawin, dlatego impulsy z lampy są zawsze tej samej wielkości niezależnie od energii cząstki inicjującej. W związku z tym w impulsach nie ma informacji o energii promieniowania, co oznacza, że ​​rurka Geigera-Mullera nie może być używana do generowania informacji spektralnych o promieniowaniu padającym. W praktyce zakończenie lawiny jest usprawnione przez zastosowanie technik „gaszenia” (patrz dalej).

Ciśnienie gazu wypełniającego jest ważne przy generowaniu lawin. Zbyt niskie ciśnienie i zmniejszenie skuteczności oddziaływania z promieniowaniem padającym. Zbyt wysokie ciśnienie, a „średnia droga swobodna” dla zderzeń między przyspieszonymi elektronami a gazem wypełniającym jest zbyt mała, a elektrony nie mogą zebrać wystarczającej ilości energii między każdym zderzeniem, aby spowodować jonizację gazu. Energia uzyskiwana przez elektrony jest proporcjonalna do stosunku „e/p”, gdzie „e” to natężenie pola elektrycznego w tym punkcie gazu, a „p” to ciśnienie gazu.

Rodzaje rur

Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa główne typy konstrukcji rurek Geigera.

Typ okna końcowego

Schemat licznika Geigera wykorzystującego rurkę z „okienkiem końcowym” dla promieniowania o niskiej penetracji. Do sygnalizacji używany jest również głośnik

W przypadku cząstek alfa, cząstek beta o niskiej energii i promieniowania rentgenowskiego o niskiej energii zwykłą formą jest cylindryczna rura z oknem końcowym . Ten typ ma na jednym końcu okienko pokryte cienkim materiałem, przez który może łatwo przejść promieniowanie o niskiej penetracji. Mika jest powszechnie stosowanym materiałem ze względu na niską masę na jednostkę powierzchni. Na drugim końcu znajduje się połączenie elektryczne z anodą.

Rurka naleśnikowa

Rurka Pancake G–M, okrągła koncentryczna anoda jest wyraźnie widoczna.

Rury placek jest wariantem koniec rury okna, lecz jest przeznaczony do monitorowania zanieczyszczeń beta i gamma. Ma mniej więcej taką samą czułość na cząstki jak typ z okienkiem końcowym, ale ma płaski kształt pierścieniowy, dzięki czemu można wykorzystać największy obszar okienka przy minimalnej przestrzeni na gaz. Podobnie jak cylindryczna rurka okienna końcowego, mika jest powszechnie stosowanym materiałem okiennym ze względu na niską masę na jednostkę powierzchni. Anoda jest zwykle wieloprzewodowa w koncentrycznych kręgach, dzięki czemu rozciąga się całkowicie w przestrzeni gazowej.

Typ bez okien

Ten ogólny typ różni się od typu dedykowanego okna końcowego, ale ma dwa główne podtypy, które wykorzystują różne mechanizmy interakcji promieniowania w celu uzyskania liczby.

Grube ścianki

Wybór grubościennych rurek G–M ze stali nierdzewnej do wykrywania promieniowania gamma. Największy ma pierścień kompensacji energii; pozostałe nie są kompensowane energetycznie

Wykorzystywany do wykrywania promieniowania gamma o energii powyżej około 25 keV, typ ten na ogół ma całkowitą grubość ścianki około 1-2  mm ze stali chromowej . Ponieważ większość fotonów gamma o wysokiej energii przechodzi przez gaz wypełniający o niskiej gęstości bez interakcji, rura wykorzystuje interakcję fotonów na cząsteczkach materiału ściany, aby wytworzyć w ścianie elektrony wtórne o wysokiej energii. Niektóre z tych elektronów są produkowane wystarczająco blisko wewnętrznej ścianki rurki, aby uciec do gazu wypełniającego. Gdy tylko to nastąpi, elektron dryfuje do anody i następuje lawina elektronów, tak jakby swobodny elektron został utworzony w gazie. Lawina jest efektem wtórnym procesu, który rozpoczyna się w ściance rury wraz z wytworzeniem elektronów, które migrują do wewnętrznej powierzchni ścianki rury, a następnie wchodzą do gazu wypełniającego. Efekt ten jest znacznie osłabiony przy niskich energiach poniżej około 20 KeV

Cienkościenne

Rury cienkościenne są używane do:

  • Detekcja beta o wysokiej energii, w której beta wchodzi z boku rurki i oddziałuje bezpośrednio z gazem, ale promieniowanie musi być wystarczająco energetyczne, aby przeniknąć przez ściankę rurki. Niskoenergetyczna beta, która przeniknęłaby przez okno końcowe, zostałaby zatrzymana przez ściankę rury.
  • Niskoenergetyczna detekcja promieniowania gamma i rentgenowskiego. Fotony o niższej energii lepiej oddziałują z gazem wypełniającym, więc ten projekt koncentruje się na zwiększeniu objętości gazu wypełniającego za pomocą długiej cienkościennej rury i nie wykorzystuje interakcji fotonów w ściance rury. Przejście od konstrukcji cienkościennej do grubościennej następuje przy poziomach energii 300–400 keV. Powyżej tych poziomów stosowane są konstrukcje grubościenne, a poniżej tych poziomów dominuje bezpośredni efekt jonizacji gazu.

Wykrywanie neutronów

Lampy G–M nie wykryją neutronów, ponieważ nie jonizują one gazu. Można jednak wytwarzać lampy wrażliwe na neutrony, które albo mają wnętrze tuby pokryte borem , albo zawierają trójfluorek boru lub hel-3 jako gaz wypełniający. Neutrony oddziałują z jądrami boru, wytwarzając cząstki alfa, lub bezpośrednio z jądrami helu-3, wytwarzając jony i elektrony wodoru i trytu . Te naładowane cząstki wyzwalają następnie normalny proces lawinowy.

Mieszanki gazowe

Składniki mieszanki gazowej są niezbędne do działania i zastosowania rury GM. Mieszanina składa się z gazu obojętnego, takiego jak hel , argon lub neon, który jest jonizowany przez padające promieniowanie, oraz gazu „gaszącego” zawierającego 5-10% pary organicznej lub gazu halogenowego, aby zapobiec fałszywym pulsacjom przez wygaszenie lawin elektronowych . Ta kombinacja gazów jest znana jako mieszanina Penninga i wykorzystuje efekt jonizacji Penninga .

Nowoczesna rura G-M wypełniona halogenem została wynaleziona przez Sidneya H. Liebsona w 1947 roku i ma kilka zalet w porównaniu ze starszymi rurami z mieszaninami organicznymi. Wyładowanie lampy halogenowej wykorzystuje metastabilny stan atomu gazu obojętnego do łatwiejszej jonizacji cząsteczki halogenu niż pary organicznej, umożliwiając lampie działanie przy znacznie niższych napięciach, zwykle 400–600 woltów zamiast 900–1200 woltów. Chociaż rury hartowane halogenem mają większe zbocza napięcia plateau w porównaniu do rur hartowanych organicznie (niepożądana jakość), mają znacznie dłuższą żywotność niż rury hartowane związkami organicznymi. Dzieje się tak, ponieważ para organiczna jest stopniowo niszczona w procesie wyładowania, co daje rurom hartowanym organicznie żywotność około 109 zdarzeń. Jednak jony halogenowe mogą z czasem rekombinować, dając rurom hartowanym halogenem praktycznie nieograniczony czas życia dla większości zastosowań, chociaż w pewnym momencie nadal ulegną awarii z powodu innych procesów inicjowanych przez jonizację, które ograniczają żywotność wszystkich rur Geigera. Z tych powodów rura hartowana halogenem jest obecnie najbardziej powszechna.

Neon jest najczęstszym gazem wypełniającym. Najczęściej stosowanym wygaszaczem jest chlor, choć czasami stosuje się również brom. Halogeny są najczęściej używane z neonowymi, argonowymi lub kryptonowymi wygaszaczami organicznymi z helem.

Przykładem mieszanki gazowej stosowanej głównie w detektorach proporcjonalnych jest P10 (90% argon, 10% metan). Inny jest stosowany w probówkach hartowanych bromem, zwykle 0,1% argonu, 1-2% bromu i bilansu neonu.

Wygaszacze halogenowe są wysoce reaktywne chemicznie i atakują materiały elektrod, zwłaszcza w podwyższonych temperaturach, co z czasem prowadzi do pogorszenia wydajności rur. Materiały katodowe mogą być wybrane z np. stopu chromu, platyny lub niklu z miedzią lub pokryte grafitem koloidalnym i odpowiednio pasywowane. Obróbka plazmą tlenową może zapewnić warstwę pasywacji na stali nierdzewnej. Ochronę może tutaj zapewnić gęsta, nieporowata powłoka z platyny lub warstwy wolframu lub wyściółka z folii wolframowej.

Czyste gazy szlachetne wykazują napięcia progowe rosnące wraz ze wzrostem masy atomowej. Dodanie wieloatomowych organicznych wygaszaczy zwiększa napięcie progowe, ze względu na rozpraszanie dużego procentu energii zderzeń w drganiach molekularnych. Argon z oparami alkoholu był jednym z najczęstszych wypełnień wczesnych tub. Już 1 ppm zanieczyszczeń (argon, rtęć i krypton w neonach) może znacznie obniżyć napięcie progowe. Domieszka chloru lub bromu zapewnia hartowanie i stabilność niskonapięciowych mieszanin neon-argon w szerokim zakresie temperatur. Niższe napięcia robocze prowadzą do dłuższych czasów narastania impulsów, bez znaczącej zmiany czasów martwych.

Impulsy niepożądane są powodowane głównie przez elektrony wtórne emitowane przez katodę w wyniku bombardowania jonami dodatnimi. Powstałe niepożądane impulsy mają charakter oscylatora relaksacyjnego i wykazują jednolite odstępy, zależne od gazu wypełniającego rurkę i przepięcia. Przy wystarczająco wysokich przepięciach, ale wciąż poniżej początku ciągłych wyładowań koronowych, można wytworzyć sekwencje tysięcy impulsów. Takie fałszywe liczby można stłumić przez powlekanie katody materiałami o wyższej funkcji roboczej, pasywację chemiczną, powłokę lakierniczą itp.

Wygaszacze organiczne mogą rozkładać się na mniejsze cząsteczki (alkohol etylowy i octan etylu) lub polimeryzować w osady stałe (typowe dla metanu). Produkty degradacji cząsteczek organicznych mogą, ale nie muszą mieć właściwości hartujących. Większe cząsteczki degradują się do bardziej hartujących produktów niż małe; probówki hartowane octanem amylu mają zwykle dziesięciokrotnie dłuższą żywotność niż te z etanolem. Rury hartowane węglowodorami często zawodzą z powodu powlekania elektrod produktami polimeryzacji, zanim sam gaz może zostać wyczerpany; proste uzupełnienie gazu nie pomoże, konieczne jest mycie elektrod w celu usunięcia osadów. Czasami celowo poszukuje się niskiej wydajności jonizacji; Mieszaniny niskociśnieniowego wodoru lub helu z organicznymi wygaszaczami są używane w niektórych eksperymentach z promieniowaniem kosmicznym do wykrywania silnie jonizujących mionów i elektronów.

Argon, krypton i ksenon są wykorzystywane do wykrywania miękkich promieni rentgenowskich, przy wzrastającej absorpcji fotonów o niskiej energii przy malejącej masie atomowej, w wyniku bezpośredniej jonizacji przez efekt fotoelektryczny. Powyżej 60-70 keV bezpośrednia jonizacja gazu wypełniającego staje się nieznaczna, a dominującymi mechanizmami inicjacji jonizacji stają się fotoelektrony wtórne, elektrony Comptona lub pary elektron-pozyton w wyniku oddziaływania fotonów gamma z materiałem katodowym. Okna w probówkach można wyeliminować, umieszczając próbki bezpośrednio w probówce lub, jeśli są gazowe, mieszając je z gazem wypełniającym. Wymóg szczelności próżniowej można wyeliminować, stosując ciągły przepływ gazu pod ciśnieniem atmosferycznym.

Płaskowyż Geigera

Krzywa charakterystyczna odpowiedzi lampy Geigera Mullera przy stałym napromieniowaniu w zależności od zmiennego napięcia lampy.

Geiger plateau jest zakres napięcia, w którym rura GM działa w odpowiedni tryb pracy, w którym następuje jonizacja wzdłuż anody. Jeśli rura G-M jest wystawiona na stałe źródło promieniowania, a przyłożone napięcie wzrasta od zera, następuje to zgodnie z wykresem prądu pokazanym w „regionie Geigera”, gdzie gradient spłaszcza się; to jest płaskowyż Geigera.

Jest to pokazane bardziej szczegółowo na załączonym wykresie krzywej płaskowyżu Geigera. Jeśli napięcie lampy będzie stopniowo zwiększane od zera, skuteczność wykrywania będzie rosła, aż najbardziej energetyczne promieniowanie zacznie wytwarzać impulsy, które mogą być wykryte przez elektronikę. To jest „napięcie początkowe”. Dalsze zwiększanie napięcia skutkuje szybkim wzrostem zliczeń, aż do osiągnięcia „kolana” lub progu plateau, gdzie tempo wzrostu zliczeń spada. W tym miejscu napięcie lampy jest wystarczające do całkowitego rozładowania wzdłuż anody dla każdej wykrytej liczby promieniowania, a wpływ różnych energii promieniowania jest równy. Jednak plateau ma niewielkie nachylenie, głównie ze względu na niższe pola elektryczne na końcach anody z powodu geometrii rur. Wraz ze wzrostem napięcia w lampie pola te wzmacniają się, powodując lawiny. Pod koniec okresu plateau szybkość zliczania zaczyna ponownie gwałtownie rosnąć, aż do rozpoczęcia ciągłego wyładowania, w którym rura nie może wykryć promieniowania i może zostać uszkodzona.

W zależności od charakterystyki konkretnej lampy (producent, rozmiar, rodzaj gazu itp.) zakres napięcia plateau będzie się różnić. Nachylenie jest zwykle wyrażane jako procentowa zmiana zliczeń na 100 V. Aby zapobiec zmianom ogólnej sprawności spowodowanym zmianami napięcia lampy, stosuje się regulowane napięcie zasilania i normalną praktyką jest działanie w środku plateau w celu zmniejszenia efektu wszelkich zmian napięcia.

Czas hartowania i martwy

Czas martwy i czas regeneracji w rurce Geigera Mullera. Rurka nie może wytwarzać dalszych impulsów w czasie martwym i wytwarza tylko impulsy o mniejszej wysokości, dopóki nie upłynie czas regeneracji.

Idealna lampa G–M powinna wytwarzać pojedynczy impuls dla każdego pojedynczego zdarzenia jonizującego spowodowanego promieniowaniem. Nie powinien dawać fałszywych impulsów i powinien szybko powrócić do stanu pasywnego, gotowy na następne zdarzenie promieniowania. Jednakże, gdy dodatnie jony argonu docierają do katody i stają się neutralnymi atomami poprzez uzyskanie elektronów, atomy mogą zostać podniesione do wyższych poziomów energetycznych. Atomy te następnie powracają do stanu podstawowego, emitując fotony, które z kolei powodują dalszą jonizację, a tym samym fałszywe wyładowania wtórne. Gdyby nie zrobiono nic, aby temu przeciwdziałać, jonizacja byłaby przedłużona, a nawet mogłaby ulec eskalacji. Przedłużająca się lawina wydłużyłaby „czas martwy”, gdy nowe zdarzenia nie mogą zostać wykryte, i mogłaby stać się ciągła i uszkodzić rurę. Pewna forma hartowania jonizacji jest zatem niezbędna, aby skrócić czas martwy i chronić rurę, i stosuje się szereg technik hartowania.

Gaszenie gazowe

Rury samogasnące lub hartujące wewnętrznie zatrzymują wyładowanie bez pomocy z zewnątrz, pierwotnie poprzez dodanie niewielkiej ilości wieloatomowej pary organicznej pierwotnie takiej jak butan lub etanol, ale w przypadku nowoczesnych rur jest to halogen, taki jak brom lub chlor.

Jeśli do rury wprowadzi się słaby wygaszacz gazu, dodatnie jony argonu, podczas ruchu w kierunku katody, będą miały wielokrotne zderzenia z cząsteczkami gazu wygaszacza i przekażą im swój ładunek i pewną energię. W ten sposób powstawałyby obojętne atomy argonu, a jony gazu wygaszacza z kolei docierałyby do katody, zdobywając z niej elektrony i przechodziły w stany wzbudzone, które rozpadałyby się przez emisję fotonów, wytwarzając wyładowanie lampy. Jednak efektywne cząsteczki wygaszacza, gdy są wzbudzone, tracą swoją energię nie przez emisję fotonów, ale przez dysocjację na obojętne cząsteczki wygaszacza. W ten sposób nie powstają żadne fałszywe impulsy.

Nawet przy hartowaniu chemicznym, przez krótki czas po impulsie wyładowania występuje okres, w którym rura staje się nieczuła i tym samym chwilowo nie jest w stanie wykryć przybycia jakiejkolwiek nowej cząstki jonizującej (tzw. czas martwy ; zwykle 50–100). mikrosekundy). Powoduje to utratę zliczeń przy wystarczająco wysokich częstotliwościach zliczeń i ogranicza probówkę G-M do efektywnej (dokładnej) szybkości zliczania wynoszącej około 10 3 zliczeń na sekundę, nawet przy zewnętrznym wygaszeniu. Podczas gdy lampa GM jest technicznie zdolna do odczytywania wyższych szybkości zliczania, zanim naprawdę się nasyci, związany z tym poziom niepewności i ryzyko nasycenia sprawia, że ​​niezwykle niebezpieczne jest poleganie na odczytach wyższych szybkości zliczania podczas próby obliczenia równoważnej mocy dawki promieniowania na podstawie zliczenia. wskaźnik. Konsekwencją tego jest to, że instrumenty z komorami jonizacyjnymi są zwykle preferowane przy wyższych szybkościach zliczania, jednak nowoczesna technika zewnętrznego hartowania może znacznie rozszerzyć tę górną granicę.

Hartowanie zewnętrzne

Zewnętrzne hartowanie, czasami nazywane „hartowaniem aktywnym” lub „hartowaniem elektronicznym”, wykorzystuje uproszczoną elektronikę sterującą o dużej prędkości, aby szybko usunąć i ponownie zastosować wysokie napięcie między elektrodami przez ustalony czas po każdym piku rozładowania w celu zwiększenia maksymalnej szybkości zliczania i żywotność tuby. Chociaż można go stosować zamiast gazu oziębiającego, znacznie częściej stosuje się go w połączeniu z gazem oziębiającym.

„Metoda czasu do pierwszego zliczenia” to zaawansowana nowoczesna implementacja zewnętrznego wygaszania, która pozwala na radykalnie zwiększone maksymalne szybkości zliczania poprzez zastosowanie technik statystycznego przetwarzania sygnałów i znacznie bardziej złożonej elektroniki sterującej. Z powodu niepewności co do szybkości zliczania wprowadzonej przez uproszczoną implementację zewnętrznego hartowania, szybkość zliczania w rurce Geigera staje się wyjątkowo zawodna powyżej około 10 3 zliczeń na sekundę. Z metodą time-to-pierwszy-count, efektywne stopy liczyć z 10 5 impulsów na sekundę są osiągalne, o dwa rzędy wielkości większe niż normalne skutecznego ograniczenia. Metoda czasu do pierwszego liczenia jest znacznie bardziej skomplikowana do wdrożenia niż tradycyjne zewnętrzne metody hartowania, w związku z czym nie była powszechnie stosowana.

Efekt zwijania

Jedną z konsekwencji efektu czasu martwego jest możliwość ciągłego wyzwalania lampy przez dużą szybkość zliczania przed upływem czasu powrotu. Może to generować impulsy zbyt małe, aby elektronika zliczająca mogła wykryć i prowadzić do bardzo niepożądanej sytuacji, w której licznik G-M w bardzo wysokim polu promieniowania fałszywie wskazuje niski poziom. Zjawisko to znane jest jako „zwijanie”. Ogólną zasadą branżową jest to, że obwód dyskryminatora odbierający sygnał wyjściowy z lampy powinien wykrywać do 1/10 wielkości normalnego impulsu, aby temu zapobiec. Dodatkowo obwód powinien wykrywać, kiedy nastąpiło „napięcie impulsów”, gdzie pozorne napięcie anodowe przesunęło się do nowego poziomu DC poprzez kombinację dużej liczby impulsów i szumu. Elektroniczna konstrukcja liczników Geigera-Mullera musi być w stanie wykryć tę sytuację i uruchomić alarm; zwykle odbywa się to poprzez ustawienie progu nadmiernego prądu lampy.

Skuteczność wykrywania

Skuteczność wykrywania lampy G–M różni się w zależności od rodzaju padającego promieniowania. Rurki z oknami z cienkimi końcami mają bardzo wysoką wydajność (może wynosić prawie 100%) dla beta o wysokiej energii, chociaż spada ona wraz ze spadkiem energii beta z powodu tłumienia przez materiał okna. Cząstki alfa są również tłumione przez okno. Ponieważ cząstki alfa mają maksymalny zasięg mniejszy niż 50 mm w powietrzu, okno wykrywania powinno znajdować się jak najbliżej źródła promieniowania. Tłumienie okienka zwiększa tłumienie powietrza, więc okienko powinno mieć gęstość tak niską, jak 1,5 do 2,0 mg/cm 2 , aby zapewnić akceptowalny poziom skuteczności wykrywania. Artykuł o sile hamowania wyjaśnia bardziej szczegółowo zakresy dla cząstek o różnych energiach. Skuteczność zliczania promieniowania fotonowego (gamma i promieniowanie rentgenowskie powyżej 25 keV) zależy od sprawności oddziaływania promieniowania w ściance tuby, która wzrasta wraz z liczbą atomową materiału ścianki. Żelazo chromowe jest powszechnie stosowanym materiałem, który daje wydajność około 1% w szerokim zakresie energii.

Kompensacja energii fotonów

Porównawcze krzywe odpowiedzi dla lamp GM z kompensacją energii gamma i bez niej
Cienkościenna szklana rura G–M z katodą z drutu spiralnego. Opaski taśmowe służą do mocowania pierścieni kompensacyjnych
Cienkościenna rura szklana G–M z zamontowanymi pierścieniami kompensującymi energię. Kompletny montaż pasuje do aluminiowej obudowy.

Jeżeli do pomiarów dozymetrycznych promieniowania gamma lub rentgenowskiego ma być używana lampa G–M , należy wziąć pod uwagę energię promieniowania padającego, która ma wpływ na efekt jonizujący. Jednak impulsy z lampy G-M nie przenoszą żadnych informacji o energii i przypisują równą dawkę każdemu zdarzeniu zliczania. W konsekwencji odpowiedź szybkości zliczania „gołej” lampy G-M na fotony o różnych poziomach energii jest nieliniowa z efektem nadmiernego odczytu przy niskich energiach. Zmienność odpowiedzi na dawkę może wynosić od 5 do 15, w zależności od indywidualnej konstrukcji probówki; bardzo małe rurki o najwyższych wartościach.

Aby to skorygować, stosowana jest technika znana jako „kompensacja energii”, która polega na dodaniu wokół rury osłony z materiału pochłaniającego. Ten filtr preferencyjnie pochłania fotony o niskiej energii, a odpowiedź na dawkę jest „spłaszczona”. Celem jest, aby charakterystyka czułości/energetyczna lampy odpowiadała charakterystyce absorpcji/energii filtra. Nie można tego dokładnie osiągnąć, ale rezultatem jest bardziej jednorodna odpowiedź w podanym zakresie energii wykrywania lampy.

Ołów i cyna są powszechnie stosowanymi materiałami, a prosty filtr o skuteczności powyżej 150 keV można wykonać przy użyciu ciągłego kołnierza na całej długości rury. Jednak przy niższych poziomach energii to tłumienie może stać się zbyt duże, więc w kołnierzu pozostają szczeliny powietrzne, aby umożliwić promieniowanie o niskiej energii wywieranie większego efektu. W praktyce konstrukcja filtra kompensacyjnego jest empirycznym kompromisem zapewniającym akceptowalną jednolitą odpowiedź, a do uzyskania wymaganej korekcji stosuje się wiele różnych materiałów i geometrii.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Patenty
Inne