Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как зарядить счетчик гейгера

Как работают счетчик Гейгера и камера Вильсона?

Полярное сияние у нас дома

Планетарная модель атома , не меняясь в своей основе, стала усложняться, дополняться, обрастать новыми важными деталями и подробностями.

Физикам, в частности, удалось доказать, что на одной орбите не могут существовать даже два электрона в совершенно одинаковых энергетических состояниях (знаменитый принцип Паули).

Близкие орбиты электронов образуют электронные оболочки. Природа, как оказалось, удивительно разнообразно расселила электроны на вращающихся оболочках — этажах каждого атома.

Стала, наконец, понятна глубокая физическая основа периодического закона Менделеева.

Энергичные электроны, испускаемые Электронной «пушкой» внутри вакуумной камеры, могут разогреть и испарить любое тугоплавкое вещество, даже вольфрам.

Свойства химического элемента прежде всего зависят от заряда ядра атома и количества электронов на самых верхних орбитах. Ведь, вступая в химические реакции или объединяясь в молекулы, атомы отдают или принимают электроны верхних орбит, стремясь иметь до конца заполненную внешнюю электронную оболочку.

И физики «раскрыли» химикам глаза на строение электронных оболочек элементов. Выяснилось, например, что даже в самой активной химической реакции водороду позволяется отдать или принять только один электрон, а углероду — четыре.

Совершенно справедливо Дмитрий Иванович Менделеев поместил водород в первую группу своей периодической таблицы, углерод — в четвертую…

Развитие техники єксперимента

Продолжала совершенствоваться и техника физического эксперимента. Был изобретен счетчик Гейгера и создана камера Вильсона для регистрации и наблюдения пролета быстрых заряженных частиц, таких, как альфа-частицы или электроны.

В счетчик Гейгера— кварцевую трубочку, заполненную газом, обычно аргоном,— впаяны два металлических электрода, катод и анод, на которые подается высокое электрическое напряжение от внешнего источника электроэнергии, например от батареи электрохимических аккумуляторов. Попадающая в счетчик заряженная частица вызывает ионизацию газа — «отрывает» внешние электроны от атомов, оставляя на своем пути цепочку электронов и ионов — остатки атомов, которые после ухода части отрицательно заряженных электронов оказались положительно заряженными. Катод и анод на какую-то долю секунды замыкаются через возникшую в газе проводящую цепочку из ионов и электронов — и во внешней электрической цепи возникает всплеск тока, по которому исследователи с уверенностью судят о попадании частицы в счетчик.

Все три полярных сияния — розовое, запечатленное рукой художницы, зеленое, зарисованное космонавтом Ю. В. Романенко с борта орбитальной станции «Салют-6», и голубое, заснятое фотографом, — рождены электронами, влетающими в атмосферу из радиационных поясов Земли и заставляющими ее светиться.

Но как увидеть частицу или хотя бы ее след в веществе? Это позволяет сделать камера Вильсона, созданная ее автором, может быть, после длительных наблюдений за лондонскими туманами…

Внутри камеры — газ, перегретые пары воды или спирт, вот-вот готовые превратиться в жидкость. Быстрая заряженная частица, пролетая через камеру Вильсона, оставляет на своем пути след из мельчайших капелек жидкости, которые можно сфотографировать через прозрачные стенки камеры.

В камере можно «столкнуть» две, три частицы и увидеть, что из этого получится; в ней легко зафиксировать искривленный путь альфа-частицы, прошедшей слишком близко от ядра какого- либо из атомов металлической фольги.

Скоростная фотография следов частиц в камере Вильсона заменила собой утомительное ожидание у светящегося экрана и телеграфной ленты.

Следы частиц можно увидеть и в толстых слоях особых фотопленок и даже… в обычных стеклах. Если облученные стекла опустить на время в раствор кислоты, то в местах попадания частиц образуются красивые звездные узоры. По рисунку узора специалисты легко узнают почерк многих известных частиц.Некоторые стекла к тому же быстро заряжаются при бомбардировке частицами и долго хранят накопленный заряд.

Читайте так же:
Тарифы по воде для жильцов без счетчика

Однажды мой молодой друг физик Володя Цетлин, возвращаясь из Дубны, подмосковного центра ядерных исследований зашел к нам домой и устроил в темной передней маленький физический опыт, который, конечно, больше всего понравился моей дочери. К стеклам, побывавшим внутри ускорителя заряженных частиц, он приложил тонкий металлический стержень. Заряд, накопившийся в стеклах, мгновенно стекся к стержню, и в месте его прикосновения к стеклу возникла яркая вспышка. Стеклянная пластинка на несколько секунд озарилась изнутри переливчатым светом, похожим на сполохи полярного сияния… И я вспомнил при этом слова Мари Склодовской-Кюри: «Ученый… это ребенок лицом к лицу с явлениями природы, действующими на него как волшебная сказка».

Принцип действия счетчика Гейгера и современные дозиметры

Счетчик Гейгера-Мюллера — простой и дешевый радиоактивный датчик. Это не точный инструмент, который фиксирует отдельные частицы. Техника измеряет общую насыщенность ионизирующего излучения. Физики используют его с другими датчиками, чтобы добиться точности расчетов при проведении экспериментов.

Немного об ионизирующих излучениях

Можно было бы сразу перейти к описанию детектора, но его работа покажется непонятной, если вы мало знаете об ионизирующих излучениях. При излучении происходит эндотермическое влияние на вещество. Этому способствует энергия. К примеру, ультрафиолет или радиоволна к таким излучениям не относятся, а вот жесткий ультрафиолетовый свет – вполне. Здесь определяется граница влияния. Вид именуется фотонным, а сами фотоны – это γ-кванты.

Эрнст Резерфорд поделил процессы испускания энергии на 3 вида, используя установку с магнитным полем:

  • γ – фотон;
  • α – ядро атома гелия;
  • β – электрон с высокой энергией.

От частиц α можно защититься бумажным полотном. β проникают глубже. Способность проникновения γ самая высокая. Нейтроны, о которых ученые узнали позже, являются опасными частицами. Они воздействуют на расстоянии нескольких десятков метров. Имея электрическую нейтральность, они не вступают в реакцию с молекулами разных веществ.

Однако нейтроны легко попадают в центр атома, провоцируют его разрушение, из-за чего образуются радиоактивные изотопы. Распадаясь, изотопы создают ионизирующие излучения. От человека, животного, растения или неорганического предмета, получившего облучение, радиация исходит несколько дней.

Устройство и принцип работы счетчика Гейгера

Прибор состоит из металлической или стеклянной трубки, в которую закачан благородный газ (аргоново-неоновая смесь либо вещества в чистом виде). Воздуха в трубке нет. Газ добавляется под давлением и имеет примесь спирта и галогена. По всей трубке протянута проволока. Параллельно ей располагается железный цилиндр.

Проволока называется анодом, а трубка – катодом. Вместе они – электроды. К электродам подводится высокое напряжение, которое само по себе не вызывает разрядных явлений. В таком состоянии индикатор будет пребывать, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации. От источника питания к трубке подключается минус, а к проволоке – плюс, направленный через высокоуровневое сопротивление. Речь идет о постоянном питании в десятки сотен вольт.

Когда в трубку попадает частица, с ней сталкиваются атомы благородного газа. При соприкосновении выделяется энергия, отрывающая электроны от атомов газа. Затем образуются вторичные электроны, которые тоже сталкиваются, порождая массу новых ионов и электронов. На скорость электронов по направлению к аноду влияет электрическое поле. По ходу этого процесса образуется электрический ток.

При столкновении энергия частиц теряется, запас ионизированных атомов газа подходит к концу. Когда заряженные частицы попадают в газоразрядный счетчик Гейгера, сопротивление трубки падает, что немедленно снижает напряжение средней точки деления. Затем сопротивление вновь растет — это влечет за собой восстановление напряжения. Импульс становится отрицательным. Прибор показывает импульсы, а мы можем их сосчитать, заодно оценив количество частиц.

Читайте так же:
Код счетчика яндекс prestashop

Из чего состоит счетчик Гейгера?

Дозиметр радиации Гейгера включает в себя счетчик, который позволяет производить подсчет радиации. Конденсатор точно фиксирует вредное для человека излучение.

И хотя этот прибор дает точные и быстрые результаты, устройство счетчика Гейгера не является сложным.

Счетчик представляет собой контейнер с инертным газом. В зависимости от модели могут использоваться разные вещества и элементы. Но чаще всего используется аргон или неон, которые закачиваются в баллоны, но иногда можно встретить и их смесь. Газ в баллоне находится под минимальным давлением для того, чтобы между катодом и анодом не возникало электрических импульсов.

В приборе можно выделить трубку и специальную натянутую нить, которая натянута по оси цилиндра. Именно они выступают катодом и анодом. Анод может быть как проволокой, так и металлическим соединением. Сейчас иногда его покрывают специальным покрытием, которое улучшает точность результатов фильтруя излучение.

Приборы могут быть как профессиональные, так и бытовые и это влияет на их устройство. Профессиональные измерители могут содержать дополнительные компоненты.

Закажите бесплатно консультацию эколога

Виды счётчиков Гейгера

По конструкции счетчики Гейгера бывают 2 видов: плоский и классический.

Классический

Сделан из тонкого гофрированного металла. За счет гофрирования трубка приобретает жесткость и устойчивость к внешнему воздействию, что препятствует ее деформации. Торцы трубки оснащены стеклянными или пластмассовыми изоляторами, в которых находятся колпачки для вывода к приборам.

На поверхность трубки нанесен лак (кроме выводов). Классический счетчик считается универсальным измерительным детектором для всех известных видов излучений. Особенно для γ и β.

Плоский

Чувствительные измерители для фиксации мягкого бета-излучения имеют другую конструкцию. Из-за малого количества бета-частиц, их корпус имеет плоскую форму. Есть окошко из слюды, слабо задерживающее β. Датчик БЕТА-2 – название одного из таких приборов. Свойства других плоских счетчиков зависят от материала.

Измерение альфа-, бета- и гамма-излучения

Гамма-излучение измерять наиболее просто. Это электромагнитное излучение, представляющее собой поток фотонов (свет — тоже поток фотонов). В отличие от света у него гораздо более высокая частота и очень малая длина волны. Это позволяет ему проникать сквозь атомы. В гражданской обороне гамма-излучение — это проникающая радиация. Она проникает сквозь стены домов, автомобили, различные сооружения и задерживается только слоем земли или бетона в несколько метров. Регистрация гамма-квантов проводится с градуировкой дозиметра по естественному гамма-излучению солнца. Источников радиации не требуется. Совсем другое дело с бета- и альфа-излучением.

Если ионизирующиее излучение α (альфа-излучение) исходит от внешних объектов, то оно почти безопасно и представляет собой поток ядер атомов Гелия. Пробег и проницаемость этих частиц небольшая — нескольких микрометров (максимум миллиметров) — в зависимости от проницаемости среды. Ввиду этой особенности оно почти не регистрируется счетчиком Гейгера. В то же время регистрация альфа-излучения важна, так как эти частицы чрезвычайно опасны при проникновении внутрь организма с воздухом, пищей, водой. Для их декретирования счетчики Гейгера используются ограничено. Больше распространены специальные полупроводниковые сенсоры.

Бета-излучение отлично регистрируется счетчиком Гейгера, потому что бета-частица представляет собой электрон. Она может пролететь сотни метров в атмосфере, но хорошо поглощается металлическими поверхностями. В связи с этим счетчик Гейгера должен иметь окошко из слюды. Металлическая камера изготавливается с небольшой толщиной стенки. Состав внутреннего газа подбирается таким образом, чтобы обеспечить небольшой перепад давления. Детектор бета-излучения ставится на выносном зонде. В быту такие дозиметры мало распространены. Это в основном военная продукция.

Читайте так же:
Проверка схемы включения счетчика

Параметры и режимы работы счетчика Гейгера

Чтобы рассчитать чувствительность счетчика, оцените отношение количества микрорентген от образца к числу сигналов от этого излучения. Прибор не измеряет энергию частицы, поэтому не дает абсолютно точной оценки. Калибровка устройств происходит по образцам изотопных источников.

Также нужно смотреть на следующие параметры:

Рабочая зона, площадь входного окна

Характеристика площади индикатора, через которую проходят микрочастицы, зависит от его размеров. Чем шире площадь, тем большее число частиц будет поймано.

Рабочее напряжение

Напряжение должно соответствовать средним характеристикам. Сама характеристика работы — это плоская часть зависимости количества фиксированных импульсов от напряжения. Ее второе название – плато. В этом месте работа прибора достигает пиковой активности и именуется верхним пределом измерений. Значение – 400 Вольт.

Рабочая ширина

Рабочая ширина — разница между напряжением выхода на плоскость и напряжением искрового разряда. Значение – 100 Вольт.

Наклон

Величина измеряется в виде процента от количества импульсов на 1 вольт. Он показывает погрешность измерения (статистическую) в подсчете импульсов. Значение – 0,15 %.

Температура

Температура важна, поскольку счётчик часто приходится применять в сложных условиях. Например, в реакторах. Счетчики общего использования: от -50 до +70 С по Цельсию.

Рабочий ресурс

Ресурс характеризуется общим числом всех импульсов, зафиксированных до момента, когда показания прибора становятся некорректными. Если в устройстве есть органика для самогашения, количество импульсов составит один миллиард. Ресурс уместно подсчитывать только в состоянии рабочего напряжения. При хранении прибора расход останавливается.

Время восстановления

Это промежуток времени, за который устройство проводит электричество после реагирования на ионизирующую частицу. Существует верхний предел для частоты импульсов, ограничивающий интервал измерений. Значение – 10 микросекунд.

Из-за времени восстановления (его ещё называют мертвое время) прибор может подвести в решающий момент. Для предотвращения зашкаливания производители устанавливают свинцовые экраны.

Есть ли у счетчика фон

Фон измеряется в толстостенной свинцовой камере. Обычное значение – не более 2 импульсов за минуту.

Кто и где применяет дозиметры радиации?

В промышленных масштабах выпускают много модификаций счетчиков Гейгера-Мюллера. Их производство началось во времена СССР и продолжается сейчас, но уже в Российской Федерации.

  • на объектах атомной промышленности;
  • в научных институтах;
  • в медицине;
  • в быту.

После аварии на Чернобыльской АЭС дозиметры покупают и рядовые граждане. Во всех приборах установлен счетчик Гейгера. Такие дозиметры оснащают одной или двумя трубками.

История появления счетчика Гейгера — Мюллера

Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в одной из лабораторий Резерфорда, в 1908 году разработал и предложил принципиальную схему действия счетчика «заряженных частиц». Он представлял собой модификацию уже знакомой тогда ионизационной камеры, которая была представлена в виде электрического конденсатора, наполненного газом с небольшим давлением. Камеру применял еще Пьер Кюри, когда изучал электрические свойства газов. Гейгер придумал ее употребить для выявления ионизирующего излучения именно оттого, что это излучение оказывало непосредственное воздействие на уровень ионизации газов.

В конце 20-х годов Вальтер Мюллер под руководством Гейгера создал некоторые типы счетчиков радиации, при помощи которых можно было регистрировать самые разнообразные ионизирующие частицы. Работа над созданием счетчиков была весьма необходимой, потому что без них нельзя было исследовать радиоактивные материалы. Гейгеру с Мюллером пришлось целеустремленно поработать над сотворением таких счетчиков, которые были бы чувствительны к любой из выявленных на то время разновидностей излучений типа α, β и γ.

Читайте так же:
Программа для цифрового счетчика

Счетчики Гейгера-Мюллера оказались простыми, надежными, дешевыми, а также практичными датчиками радиации. Это при том, что они не являлись самыми точными инструментами для изучения излучения или некоторых частиц. Зато очень хорошо подходили в качестве приборов для общих измерений насыщенности ионизирующего излучения. В сочетании с другими приборами они и сейчас употребляются физиками-практиками для более точных замеров в процессе экспериментирования.

Можно ли сделать счетчик Гейгера своими руками?

Изготовить счетчик самостоятельно сложно. Нужен датчик излучения, а его купить смогут далеко не все. Сама схема счетчика давно известна — в учебниках физики, например, её тоже печатают. Однако воспроизвести устройство в домашних условиях сумеет только настоящий «левша».

Талантливые мастера-самоучки научились делать счетчику заменитель, который также способен замерять гамма- и бета-излучения с помощью люминесцентной лампы и лампы накаливания. Также используют трансформаторы от сломанной техники, трубка Гейгера, таймер, конденсатор, различные платы, резисторы.

Газоразрядный счетчик Гейгера

Описание презентации по отдельным слайдам:

Описание слайда:

Газоразрядный счетчик Гейгера

Описание слайда:

+

R
К усилителю
Стеклянная трубка
Анод
Катод
В газоразрядном счетчике имеются катод в виде цилиндра и анод в виде тонкой проволоки по оси цилиндра. Пространство между катодом и анодом заполняется специальной смесью газов. Между катодом и анодом прикладывается напряжение.

Описание слайда:
Описание слайда:

Черенковский счетчик
Схема черенковского счётчика: слева – конус черенковского излучения, справа – устройство счётчика. 1 — частица, 2 — траектория частицы, 3 — фронт волны, 4 — радиатор, 5 — ФЭУ (показано развитие лавины вторичных электронов, вызванное фотоэлектроном), 6 — фотокатод.

Описание слайда:

Камера Вильсона
Камера Вильсона. Емкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части заполнена насыщенными парами воды, спирта или эфира. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся пересыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы

Описание слайда:

Первый детектор заряженных частиц – камера Вильсона — был создан 19 апреля 1911 года. Камера представляла собой стеклянный цилиндр диаметром 16,5 см и высотой 3,5 см. Сверху цилиндр закрывался приклеенным зеркальным стеклом, через которое фотографировали следы частиц. Внутри находился второй цилиндр, в нем – деревянное кольцо, опущенное в воду. Испаряясь с поверхности кольца, она насыщала камеру водяными парами. Вакуумный насос создавал разрежение в шаровидной емкости, соединенной с камерой трубкой с вентилем. При открывании вентиля в камере создавалось разрежение, водяные пары становились пересыщенными, и на следах заряженных частиц происходила их конденсация в виде полосок тумана (именно поэтому в зарубежной литературе прибор называется the cloud chamber – «туманная камера»)

Описание слайда:

Пузырьковая камера. Емкость заполнена хорошо очищенной жидкостью. Центры образования пара в жидкости отсутствуют, поэтому ее можно перегреть выше точки кипения. Но проходящая частица оставляет за собой ионизованный след, вдоль которого жидкость вскипает, отмечая траекторию цепочкой пузырьков. В современных камерах используются жидкие газы – пропан, гелий, водород, ксенон, неон и др. На снимке: пузырьковая камера, сконструированная в ФИАНе. 1955–1956 годы.
Пузырьковая камера

Описание слайда:

Фотография столкновения ионов серы и золота в стримерной (разновидность искровой) камере. Треки рожденных при столкновении заряженных частиц в ней выглядят как цепочки отдельных несливающихся разрядов — стримеров.

Читайте так же:
Яндекс директ номер счетчика

Ганс Гейгер

немецкий физик, создавший счетчик частиц радиоактивного излучения

  • 30 сентября 1882 139 лет назад
  • 24 сентября 1945 76 лет назад

Ганс Гейгер

Сегодня про изобретение ученого – счетчик частиц радиоактивного излучения (счетчик Гейгера) знает каждый школьник. В настоящее время это самый распространенный детектор ионизирующего излучения – измеритель радиации, который используется во многих областях.

Ганс Гейгер (нем. Hans Geiger, полное имя — Ганс (Ханс) Вильгельм Гейгер) родился 30 сентября 1882 года в Нейштадте (Германия), в семье преподавателя филологии. По окончанию гимназии он поступил в Эрлангенский университет и одновременно посещал лекции по физике в университетах Мюнхена и Тюбингена.

Успешно окончив Эрлангенский университет со степенью доктора наук в 1906 году, Гейгер был направлен работать в Манчестерский университет, где находилась одна из самых престижных и развитых кафедр физики в Европе тех лет. Там он стал ближайшим помощником и коллегой выдающегося физика Э.Резерфорда.

В 1908 году Ганс определил заряд электрона и вместе с Резерфордом изобрел прибор для счета отдельных заряженных частиц – счетчик Гейгера, регистрирующий интенсивность радиоактивного излучения. Позже в 1928 году он усовершенствовал свое изобретение совместно с немецким физиком В.Мюллером (счетчик Гейгера–Мюллера). Разновидность этого счетчика применялась в экспериментах по определению строения атома.

В последующие годы Гейгер провел множество экспериментов по прохождению альфа-частиц через тонкие пленки разных металлов, установив, что некоторое, очень небольшое, количество частиц рассеивается на значительные углы. Результаты этих опытов сыграли решающую роль в открытии Резерфордом атомного ядра и создания им полноценной модели атома.

Также в этот период Гейгер, совместно с английским физиком Д.Нэттолом, сформулировал эмпирическую формулу, связывающую постоянную радиоактивного распада с энергией альфа-частиц (закон Гейгера-Нэттола).

В 1912 году ему предложили возглавить специально построенную для его исследований радиоактивности лабораторию при Физико-техническом институте в Берлине. Вернувшись в Германию и возглавив лабораторию, Гейгер продолжил свои исследования атомной структуры.

Во время Первой мировой войны в 1914 году ученого призвали на службу в главный штаб немецкой артиллерии. В военных действиях он не участвовал, но частые поездки на фронт подорвали его здоровье, и всю жизнь он страдал от ревматизма. В 1918 году Ганс вернулся к работе в свою лабораторию.

В 1925 году его пригласили на должность профессора и директора Физического института Кильского университета. Вместе с В.Боте Гейгер экспериментально доказал справедливость закона сохранения энергии и импульса в элементарном атомном акте в эффекте Комптона. Позже в 1929-1936 годах он работал в университете в Тюбингене, где продолжал заниматься изучением искусственной радиоактивности и ядерного распада, там же впервые в истории наблюдал за потоком космических лучей в камере Вильсона. С 1936 года Гейгер – профессор Технического университета в Берлине.

Но уже в 1938 году здоровье физика сильно ухудшилось. Из-за развившегося ревматизма он практически не выходил из дома. К окончанию Второй мировой войны, когда войска Красной Армии вели бои под Берлином, он с семьей уехал из города в Потсдам.

Немецкий физик-экспериментатор, член Берлинской Академии наук и Академии «Леопольдина» — Ганс Гейгер был награжден медалью Д.Юза. Он был женат на Элизабет Хеффтер, у них было трое сыновей.

Умер Ганс Вильгельм Гейгер 24 сентября 1945 года в Потсдаме.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector