ガイガーカウンター、マッチとアルデュインから。 パート1-理論

「家庭用線量計」というコード名でデバイスを購入することは長い間問題ではありませんでした（お金があるでしょう-この意味で、福島のラジオ恐怖症とラジオフィール（TM）は間違いを犯しました）。









デバイスの心臓部はガイガーカウンターになります。 もちろん、この検出器には多くの欠点があり、一般に「デバイスはシンチレーションである必要があります」が、シンチレーション放射計ははるかに複雑であり、次の投稿があります。 さらに、ガイガーミュラーカウンターには、議論の余地のない多くの利点があります。



それでは始めましょう。

検出器

だから、ガイガー・ミュラーのカウンター。 （図1）低圧のガス状媒体に配置された2つの電極で構成される最も単純なデバイスは、大面積のカソードと、多少細いワイヤーの形のアノードであり、局所的な高張力の場を作り出します。 イオン増倍のプロセスが発達します。これにより、単一のイオンペアが強力な雪崩を引き起こし、独立した放電が発生します。





図 1.ガイガーミュラーカウンター。 1-陽極、2-陰極、3-バルーン、4-陰極リード、5、6-ばね、陰極糸に張力をかけます。



実際、カウンターは冷陰極を備えたサイラトロンのように動作し、グリッドからのパルスではなく、ガス中を飛行する荷電粒子によって引き起こされるイオン化によって放電が点火されます。 放電が点火した後、アノードから電圧を除去するか、または...放電する必要があります。 しかし、このためには、メーターのガス媒体に何かを導入する必要があります。これは、放電の作用下で、ガスを紫外線に対して不透明にする形に変換され、これにより、独立した放電の維持をサポートする要因の1つである光電子放出が消えます。 そのような添加物には、アルコールとハロゲン（塩素、臭素、ヨウ素）の2つがあります。 放電の最初のものは分解して、大まかに言えばすすに変わり、その後アルコールに戻らず、数万パルス後にカウンターは終了します。 そしてハロゲンは分子のものから原子になり、プロセスは可逆的です。 また、原子ハロゲンはカウンター壁を含む恐ろしいものと容易に反応するという事実のために、より頻繁に互いに再結合するため、ハロゲンカウンターは数十億のパルスに耐え、はるかに耐久性があります。 私たちは主にハロゲンカウンターに興味があります。



a）より耐久性があり、

b）アルコールのように、1,000-1.5 Vではなく、400-500 Vで動作します。

c）それらは最も一般的です。

表1に、いくつかの一般的なGeigerカウンターとその主なパラメーターをリストしました。



表1

一部のガイガーミュラーカウンターの主なパラメーター。





注：1-アルファ線への感度は規制されていません。 2-小さなバッチカウンター、そのデータはほとんどありません。

感度

線量計のガイガーカウンターを選択するには、まずその感度を調べる必要があります。 結局のところ、クズキナマザーが爆発した数時間前にのみ何かを表示するデバイスが必要になることはほとんどありません。 しかし、そのようなメーターはたくさんあり、平均的にはほとんど完全に役に立たないため、非常に安価です。 これらは、すべての種類のSI-3BG、SI-13G、およびその他の「終末カウンター」であり、軍の線量計に立ち、測定の上限を処理します。 カウンターの感度が高いほど、同じ放射線レベルで1秒あたりのパルス数が増えます。 古典的なカウンターSBM-20（以前のリリースではSTS-5とも呼ばれていました）は、ペレストロイカ-チェルノブイリの「ガラガラ」に自然に配置され、12μR/ hの自然バックグラウンドで毎分約18パルスを発生します。 この図から、SBM-20のカウンターの感度を考慮すると、踊るのに便利です。



カウンターの感度を教えてください。 反応の精度と速度。 事実は、放射性放射線の粒子はスケジュールに従ってではなく、あなたがしなければならないように私たちに到着し、それらのいくつかはカウンターで見落とされますが、それはいくつか（ガンマ線光子から-数百から約1）から機能します。 そのため、ガイガーカウンター（および任意のカウント可能な放射線検出器）からのパルスは、予測不可能な間隔で絶対にランダムな時間になります。 そして、1分、3分、1分でパルス数を数えると、異なる値が得られます。 そして、これらの値の標準偏差、つまり計数率の決定における誤差は、記録されたパルスの数の平方根に比例します。 パルスが多いほど、計算の相対（測定値のパーセンテージ）エラーは少なくなります。

$$

$${{\ \ sigma_N} \ over {N}} = {{\ sqrt N} \ over {N}} = {{1} \ over {\ sqrt N}}$$

。

検出器がある場合-前述の「参照」SBM-20、およびカウント時間-40秒（これは単純な家庭用線量計で行われ、カウントされたパルス数を線量率レベルとしてμR/ hで直接表示）、自然な背景に対してパルス数は〜 10個 これは、標準偏差が約3であることを意味します。 そして、95％の信頼確率での誤差は2倍、つまり6パルスです。 したがって、悲しい状況があります。線量計の読み取り値が10μR/ hであるということは、線量率が4〜16μR/ hのどこかであることを意味します。 そして、線量計が3シグマの偏差、つまり20μR/ hを超える場合にのみ異常の検出について話すことができます...



精度を上げるために、カウント時間を増やすことができます。 3分間、つまり4倍行うと、パルス数が4倍になり、精度が2倍になります。 しかし、その後、例えば放射線ベースのSPDで時計を通り過ぎると、シンチグラフィーまたは放射性ヨード療法の後に通過する「優秀」、またはその逆への短い放射バーストに対するデバイスの応答が失われます。 また、4倍の感度の検出器（4つの並列接続SBM-20、1つのSBM-19、SBT-10またはSI-8B）を使用し、測定時間を同じにすると、精度が向上し、反応速度が維持されます。

アルファ、ベータ、ガンマ、カウンターの設計

アルファ線は紙で遅れます。 ベータ放射線は、プレキシガラスのシートで遮蔽できます。 また、強いガンマ線放射から鉛レンガの壁を構築する必要があります。 おそらく誰もがこれを知っています。 そして、これらはすべてガイガーカウンターに直接関係しています。彼が放射線を感じるためには、少なくとも内部に浸透する必要があります。 そして、それは地球を通るニュートリノのように、すぐに飛んではいけません。



カウンタータイプのSBM-20（およびその兄SBM-19と、より若いSBM-10およびSBM-21）には、特別な入り口の窓がない金属ケースがあります。 したがって、アルファ線への感度の問題はありません。 ベータ線は非常に気分が良いが、それが内部に侵入するのに十分な硬さがある場合のみ。 これは300 keVからです。 しかし、彼は数十keVから始まるガンマ線を感じます。



また、SBT-10カウンターとSI-8Bカウンター（およびスクラップ価格Beta-1、2、5のせいで新品のように手が届かない）には、薄いマイカの大きな窓があります。 100-150 keVを超えるエネルギーを持つベータ粒子は、この窓を貫通することができます。これにより、炭素メーター14を見ることができます。 また、マイカウィンドウを使用すると、カウンターでアルファ粒子を検出できます。 確かに、後者に関しては、特定のカウンターの雲母の厚さを調べる必要があります。 そのため、厚いマイカを含むSBT-10は実際には見えませんが、ベータ1と2にはマイカが薄いため、プルトニウム239アルファ粒子の検出効率は約20％になります。 SI-8B-それらの中間のどこかに。



そして今、通過のために。 事実、ガイガーカウンターのアルファ粒子とベータ粒子は、内部に入る可能性のあるほぼすべてを記録します。 しかし、ガンマ線では、すべてが悲しいです。 ガンマ量子がカウンターでパルスをトリガーするためには、壁から電子をノックアウトする必要があります。 この電子は、相互作用が起こった点から内面まで金属の厚さを克服する必要があります。したがって、ガンマ線光子と相互作用する検出器の「作用体積」は、数ミクロンの最も薄い金属層です。 このことから、ガンマ線のカウンターの効率は非常に小さく、ベータ線の100倍以上低いことが明らかです。

栄養

動作には、ガイガーカウンターに高電圧電源が必要です。 典型的なソビエト・ロシアのハロゲン機器は約400 Vの電圧を必要とし、多くの西側のメーターは500または900 V向けに設計されています。一部のメーターは最大1.5キロボルトの電圧を必要とします。 。 彼らは私たちにあまり興味を持ちません。 電力は数メガオームのバラストを介してメーターに供給されます-電流パルスを制限し、パルスが通過した後のメーターの電圧を低下させ、クエンチを容易にします。 この抵抗の値は、特定のデバイスの参照データに記載されています-値が小さすぎると検出器の寿命が短くなり、大きすぎるとデッドタイムが長くなります。 通常、約5メガオームかかります。



電圧がゼロから増加すると、ガイガーカウンターは最初に通常のイオン化チャンバーとして機能し、次に比例カウンターとして機能します。粒子の通過中に形成されたイオンの各ペアが小さなイオンを生成し、イオン電流が数百および数千倍に増加します。 同時に、ミリボルトで測定された非常に弱いパルスは、カウンタ回路の負荷抵抗ですでに検出できます。 電圧が上昇すると、雪崩はますます大きくなり、ある時点で最強の雪崩が自立し始め、独立した放電が開始されます。 この瞬間、電極間空間を通過して電極上で消える雪崩からの弱いミリボルトのパルスの代わりに、数十ボルトの振幅の巨大なパルスが現れます！ そして、 各雪崩が放電の閃光を引き起こし始めるまで、電圧が増加するとその周波数は急速に増加します。 そのため、感度の電圧依存性にプラトーが見られます。



それにもかかわらず、電圧の増加はカウント率を変更しないままにしません。自然放出から放電がそのように発生する可能性があります。 そして、電圧が増加すると、そのような放電の確率は増加するだけです。 したがって、プラトーは傾斜していることが判明し、特定の電圧から開始して、計数率が急速に成長し始め、その後放電が連続的になります。 もちろん、このモードでは、カウンターはその機能を果たすだけでなく、すぐに失敗します。





図 2.ガイガーカウンターのカウントレートの供給電圧への依存。



プラトーが存在すると、ガイガーカウンターの電源供給が非常に容易になります-シンチレーションカウンターに必要な、非常に安定した高電圧源は必要ありません。 低電圧メーターのこのプラトーの長さは80〜100 Vです。多くのソビエトの協同組合起源の家庭用線量計およびその当時のほとんどすべてのアマチュア建築では、メーターは安定化のヒントなしにブロッキングジェネレーターに基づく電圧コンバーターから電力を供給されていました。 計算は次のとおりです。新しいバッテリーでは、カウンターのアノードの電圧はプラトーの上限に対応しているため、かなり放電したバッテリーでも高電圧はプラトーの下限に達しました。

バックグラウンドとデッドタイム

放射線が検出器に入射しない場合、放射線の検出器には常に何らかの暗信号が記録されます。 Geiger-Mullerカウンターも例外ではありません。 暗い背景の原因の1つは、上記の自然放出です。 2つ目は、カウンター自体の放射能です。これは、マイカウィンドウを備えたカウンターの場合に特に当てはまります。天然マイカには、ウランとトリウムの不純物が必然的に含まれているためです。 そして、後者が実際に何にも依存せず、検出器のこのインスタンスに対して定数である場合、自然放出からのバックグラウンドは、カウンターの高電圧、温度、および「年齢」の大きさに依存します。 このため、不安定な電圧をメーターに供給することは悪い考えになります。これは主に低放射線レベルを測定するときに使用します。メーター自体の背景は電源電圧に非常に大きく依存します。



固有のバックグラウンドからの計数率は、ガイガーカウンターで3〜10μR/ hに対応するレベルに達します。つまり、通常の放射線条件下では、計数率の顕著な割合を占めます。 特に素晴らしいのは、マイカセンサーの背景-SBT-10、SI-8B、ベータ版です。 そのため、測定結果から差し引く必要があります。 ただし、このためには知っておく必要があります。 参照はここでは役に立ちません。最大値のみが表示されます。 自分の背景を測定するには、少なくとも5 cmの厚さの鉛の「家」が必要ですが、内面は2〜3 mmの厚さの銅シートと5 mmのプレキシガラスで覆われている必要があります。 事実は、「家」は宇宙線の影響下にあり、主に鉛の特徴的な線で、家自体をX線放射の源にしています。 そして、鉛のみから保護する場合、これは蛍光「グロー」であり、「カウンター」は「暗闇」ではなく「見える」でしょう。 プレキシガラスは、鉛と銅の同じ空間でノックアウトされた電子から必要であり、そのエネルギーもガイガーカウンターによる検出に十分です。



背景を測定するときは、鉛の「家」が宇宙ミューオンに障害を与えないことに留意する必要があります。 それらの流れは〜0.015 $$$頻繁/ cm ^ 2 \ cdot with$ 。 たとえば、有効領域が8未満のSBM-20カウンターを介して $$$cm ^ 2$ 0.12が通過します $$$頻度/ s$ または7.2 $$$ppm$ 。 高エネルギーのため、ほとんどすべてのガイガーカウンターによる空間ミューオンの記録の効率は100％とみなされ、この値は暗い背景から差し引かれます。



固有のバックグラウンドが低レベルのエラーの原因である場合、デッドタイムは高レベルの放射線に影響します。 この現象の本質は、パルスの直後に、メーターの容量が負荷抵抗を介して初期電圧にまだ充電されていないことです。 さらに、メーター内の放電は消えただけでしたが、クエンチング添加剤には元の状態に戻る時間がありませんでした。 したがって、カウンターは、次の粒子に反応しないときに150〜200μsで表示され、その後感度が徐々に回復します。 （図3）





図 3.デッドタイムガイガーカウンター



デッドタイムの​​修正は、次の式で求められます。

$$

$$n = {m \ over 1 + m \ tau}、$$

ここで、mおよびnは、それぞれ測定および調整されたカウントレートです。 $$$\ tau$ -デッドタイム。



非常に高い放射線レベルでは、多くのガイガーカウンター（スキームの残りの部分にも依存します）に不快で危険な影響があります。絶え間ないイオン化は個々のパルスの形成を防ぎます。 カウンターは絶え間ない放電で連続的に「燃焼」し始め、カウント率は非常に小さな値まで急激に低下します。 線量計は、スケールを縮小する代わりに、ある程度上昇した、またはほぼ正常な数値さえ示します。 その間、何十、何百ものX線があなたの周りに輝いていて、走る必要がありますが、あなたは線量計に安心しています。 軍の線量計では、ほとんどの場合、主に敏感なものに加えて、非常に鈍感ですが、数千のR / hを消化できるDoomsdayカウンターがあります。

カウント率から線量まで。 剛性とその他の悪いこと

一般的に、ガイガーカウンターは線量率を測定しません。 カウント速度のみを取得します。これは、カウンターが出力する分または秒あたりのパルス数です。 線量-人体の1キログラム（または他の何か）に吸収されるエネルギーは、非常に遠い関係にあります。 まず第一に-動作原理に関連して：ガイガーカウンターは粒子とそのエネルギーの性質を絶対に気にしません。 あらゆるエネルギーの光子、ベータ粒子、ミューオン、陽電子、陽子からのインパルスは同じになります。 ただし、登録の有効性は異なります。



すでに述べたように、ベータ放射線は数十パーセントの効率でガイガーカウンターによって記録されます。 そして、ガンマ-ガンマ-量子-ほんの数パーセント。 そして、これはすべて、キログラム、さらには任意の係数を持つ折りたたみ式メーターに似ています。 さらに、ガンマ線に対するカウンターの感度は、異なるエネルギーで同じではありません（図4）。 異なるエネルギーの放射線に対する線量感度は、ほぼ1桁異なります。 この現象の性質は理解できます：低エネルギーのガンマ線は物質の薄い層に吸収される可能性が非常に高いため、エネルギーが低いほど効率が高くなります（吸収がメーターの壁に影響を与えるまで）。 それどころか、高エネルギー領域では、エネルギーが増加すると、検出効率が向上します。これは、電離放射線検出器ではかなり珍しい現象です。





図 4. Geiger-Mullerカウンターの線量感度のエネルギー依存性（左）とフィルターを使用した補償の結果。



幸いなことに、高エネルギー（0.5-1 MeVを超える）では、ガンマ線のガイガーカウンターの効率はエネルギーにほぼ比例します。 したがって、線量感受性のエネルギー依存性は小さいです。 また、低エネルギーのこぶは、厚さ約0.5 mmの鉛フィルターで簡単に除去できます。 フィルターの厚さは、検出器の最大感度に対応するエネルギー（検出器の入力ウィンドウの厚さに応じて50-100 keV）で、吸収率がこのピークの大きさとなるように選択されます。 エネルギーが多いほど、鉛の吸収が少なくなり、500〜1000 keVでは、検出器の感度が自動的に調整されるため、ほとんど感知できません。



特定のメーターに合わせて選択する必要がある異なる金属の多層フィルターを使用して、より正確な補正を実現できます。



このようなフィルターは、「剛性のあるストローク」を50〜3000 keVの全範囲で15〜20％の値に減らし、インジケーター（よく、放射計インジケーターを検索）を線量計に変えます。



このようなフィルターは通常、センサーがアルファ線とベータ線の影響を受けないようにするため、取り外し可能になっています。

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一般に、これに基づいた機器設計者に対するガイガー・ミュラーカウンターについて知る必要があるのはこれだけです。 ご覧のとおり、このデバイスは非常にシンプルですが、多くの微妙な点があります。 次のシリーズでは、それに基づいて有用なものを構築します。