Кіріспе

Гейгерлік есептегіштің бөлігі – Гейгер-Мюллер түтігі немесе ГМ түтігі – иондаушы сәулеленуді анықтауға қолданылатын Гейгерлік есептегіш аспабының сезімтал элементі. Бұл принципті 1908 жылы Ханс Гейгер ойлап тапқан, ал 1928 жылы Гейгермен бірлесіп жұмыс істеген Уолтер Мюллер осы техниканы дамытып, әртүрлі сәулелену түрлерін анықтай алатын практикалық түтік жасады. Бұл газдық иондау детекторы және Townsend лавина құбылысын пайдаланып, сәулелену бөлшегінің әсерінен туындаған жалғыз иондау оқиғасынан да оңай анықталатын электрондық импульс жасайды. Ол гамма-сәулелену, рентген сәулелері, альфа және бета бөлшектерін анықтау үшін қолданылады. Сондай-ақ, оны нейтрондарды анықтау үшін де бейімдеуге болады. Түтік иондық жұптардың пайда болуының "Гейгер" аймағында жұмыс істейді. Бұл газ детекторларына арналған қоса берілген графикте көрсетілген, онда иондық ток пен қолданылатын кернеу арасындағы байланыс көрсетілген. Бұл берік және арзан детектор болғанымен, ГМ жоғары сәулелену қарқынын тиімді өлшеуге қабілетсіз, жоғары сәулелену аймақтарында өмір сүру мерзімі шектеулі және түсетін сәулелену энергиясын өлшемейді, сондықтан спектрлік ақпарат жасалмайды және сәулелену түрлері арасында ешқандай айырма жасалмайды; мысалы, альфа және бета бөлшектері арасында.

Жұмыс істеу принципі

[[Файл:Гейгер гамма-өзара әрекеттесуі. jpg|thumb|300px|Қалың қабырғалы тот баспайтын болат катоды бар ГМ түтігінде гамма-сәулелерін анықтау. Қабырғада туындаған екінші электрондар газға жетіп, лавиналар құрайды. Бұл эффект шамамен 20 кэВ-тан төмен энергияда айтарлықтай әлсірейді. Егер бастапқы иондау оқиғасына бір ғана лавина сәйкес келсе, онда қозған молекулалардың саны 10⁶-10⁸ шамасында болады. Бірақ бірнеше лавинаның пайда болуы көбейту коэффициентін арттырады, нәтижесінде 10⁹-10¹⁰ иондық жұптар түзіледі. Нейтрондар борон ядроларымен әрекеттесіп, альфа бөлшектерін, немесе тікелей гелий-3 ядроларымен сутек және тритий иондарын, сондай-ақ электрондарды құрайды, ал кадмиймен әрекеттескенде гамма-сәулелерін шығарады. Бұл энергетикалық бөлшектер иондарды тудырып, олар қалыпты лавина процесін іске қосады.

Газ қоспалары

Газ қоспасының құрамдас бөліктері GM түтігінің жұмыс істеуі мен қолданылуы үшін маңызды. Қоспа гелий, аргон немесе неон сияқты инертті газдан тұрады, ол келіп түсетін сәулеленумен иондалады, және электрондық лавиналарды сөндіру арқылы қате импульстарды болдырмау үшін 5–10% органикалық бу немесе галоген газынан тұратын "сөндіргіш" газды қамтиды. Галогенді түтік разряды инертті газ атомдарының метастабильді күйін пайдаланады, бұл галоген молекуласын органикалық буға қарағанда оңай иондайды, түтіктің 900–1200 вольт емес, әдетте 400–600 вольт төмен кернеуде жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Галогенді сөндірілген түтіктер органикалық сөндірілген түтіктерге қарағанда жоғары кернеу градиентіне ие болғанымен (бұл жағымсыз қасиет), олар органикалық қосылыстармен сөндірілген түтіктерге қарағанда едәуір ұзақ қызмет етеді. Бұл органикалық будың разряд процесінде біртіндеп жойылуына байланысты, органикалық сөндірілген түтіктердің пайдалы қызмет мерзімі шамамен 10⁹ оқиғаға жетеді. Дегенмен, галоген иондары уақыт өте келе қайта біріге алады, бұл галогенді сөндірілген түтіктерге көптеген қолданулар үшін іс жүзінде шексіз қызмет мерзімін береді, бірақ олардың өмір сүру мерзімін шектейтін басқа иондау процестеріне байланысты кейде бұзылуы мүмкін. Осы себептерге байланысты галогенді сөндірілген түтік қазіргі кезде ең көп таралған түтік болып табылады. Пропорционалды детекторларда негізінен қолданылатын газ қоспасының мысалы – P10 (90% аргон, 10% метан). Тағы бір қоспа броммен сөндірілген түтіктерде қолданылады, әдетте 0,1% аргон, 1–2% бром және қалғаны неон. Галогенді сөндіргіштер химиялық жағынан өте реактивті және электродтардың материалдарына, әсіресе жоғары температурада зиян келтіреді, бұл уақыт өте келе түтіктің жұмысын нашарлатады. Катод материалдарын, мысалы, хром, платина немесе никель-мыс қорытпасынан таңдауға болады немесе колоидты графитпен қаптауға және тиісті түрде пассивтеуге болады. Тотбас болатқа оттегі плазмалық өңдеу пассивация қабатын жасай алады. Мұнда тығыз, кеуекті емес платинамен немесе вольфрам қабатымен немесе вольфрам фольгасымен қосымша қорғау қамтамасыз етілуі мүмкін. Таза асыл газдар атомдық салмағы артаған сайын жоғарылайтын шекті кернеуді көрсетеді. Полиатомды органикалық сөндіргіштерді қосу молекулалық дірілдердегі соқтығысу энергиясының үлкен бөлігінің ыдырауына байланысты шекті кернеуді арттырады. Алкоголь булары бар аргон ертедегі түтіктердің ең көп таралған толтыруларының бірі болды. 1 ppm-нан аз қоспалар (неондағы аргон, сынап және криптон) шекті кернеуді айтарлықтай төмендетеді. Хлор немесе бром қоспасы кең температуралық диапазондағы төмен кернеулі неон-аргон қоспаларына тұрақтылық пен қауіпсіздік береді. Төмен жұмыс кернеулері импульстардың көтерілу уақытын ұзартады, бірақ өлі уақыттарды айтарлықтай өзгертпейді. Қате импульстар негізінен оң иондық бомбалаудан пайда болған катодтан шығарылатын екінші электрондардан туындайды. Нәтижесінде пайда болатын қате импульстар релаксациялық осциллятор сипатына ие және түтік толтыру газы мен кернеуіне байланысты біркелкі аралықты көрсетеді. Жетісті жоғары кернеуде, бірақ үнемі короналық разрядтың басталуынан төмен, мыңдаған импульстар тізбегі пайда болуы мүмкін. Мұндай қате есептеулерді катодты жоғары жұмыс функциясы бар материалдармен, химиялық пассивациямен, лакпен және т.б. қаптау арқылы азайтуға болады. Органикалық сөндіргіштер кішірек молекулаларға (этил спирті мен этил ацетаты) ыдырайды немесе қатты шөгінділерге (метан үшін тән) полимерленеді. Органикалық молекулалардың ыдырау өнімдері сөндіру қасиеттеріне ие болуы немесе болмауы мүмкін. Ірі молекулалар кішкентайларға қарағанда көбірек сөндіру өнімдеріне ыдырайды; амил ацетатымен сөндірілген түтіктердің қызмет мерзімі этанолмен сөндірілген түтіктерге қарағанда он есеге ұзақ болады. Көмірсутектермен сөндірілген түтіктер көбінесе газдың өзі сарқылып кетпес бұрын, электродтарды полимерлендіру өнімдерімен жабудан кейін бұзылады; қарапайым газды толтыру көмектеспейді, шөгінділерді жою үшін электродтарды жуу қажет. Кейде иондаудың төмен тиімділігі қасақана ізделеді; кейбір ғарыштық сәулелер эксперименттерінде қатты иондаушы мюондар мен электрондарды анықтау үшін төмен қысымды сутек немесе гелий қоспалары органикалық сөндіргіштермен қолданылады. Аргон, криптон және ксенон жұмсақ рентген сәулелерін анықтау үшін қолданылады, төмен энергиялы фотондарды сіңіруі атомдық массасы төмендеген сайын артады, бұл фотоэлектрлік эффектісінен тікелей иондануға байланысты. 60–70 кэВ-тан жоғарыда толтыру газының тікелей иондануы маңызсыз болады, және гамма-сәулелерінің катод материалымен өзара әрекеттесуінен туындаған екінші фотоэлектрондар, Комптон электрондары немесе электрон-позитрон жұптары иондануды бастаудың басым механизмдеріне айналады. Түтік терезелерін жоюға болады, үлгілерді тікелей түтік ішіне қою арқылы немесе, егер газдан тұрса, оларды толтыру газымен араластыру арқылы. Газдың герметикалық жабылу талабын атмосфералық қысымда газдың үздісіз ағыны арқылы жоюға болады.

Гейгер үстірт

Гейгер-Мюллер түтігінің тұрақты сәулелену кезінде, түтіктің кернеуіне байланысты жауап беру сипаттамасының қисығы. Гейгер платосы – G M түтігінің дұрыс режимде жұмыс істейтін кернеу диапазоны, онда анодтың бойымен иондану жүреді. Егер G–M түтігі тұрақты сәулелену көзіне ұшыраса және қолданылатын кернеу нөлден арттырылса, градиенті тегістелетін "Гейгер аймағында" көрсетілген ток графигін көрсетеді; осылайша Гейгер платосы пайда болады.

Өшіру және өлі уақыт

[[Файл:Гейгер Мюллер түтігінің өлген уақыты.png|thumb|Гейгер-Мюллер түтігінде өлген уақыт және қалпына келтіру уақыты. Бұған қоса, схема "импульс жинақталуы" болған кезде анықталуы керек, яғни жоғары импульс саны мен шудың салдарынан анодтың көрінетін кернеуі жаңа тұрақты ток деңгейіне өзгеруі керек. Гейгер-Мюллер санау машиналарының электрондық конструкциясы осы жағдайды анықтап, дабыл беруге қабілетті болуы керек; әдетте, бұл түтік арқылы өтетін токтың шекті деңгейін орнату арқылы іске асырылады.

Анықтау тиімділігі

GM түтігінің анықтау тиімділігі түскен сәулелену түріне байланысты өзгереді. Жұқа қоршау терезесі бар түтіктер жоғары энергиялы бета сәулелену үшін өте жоғары тиімділікке (шамамен 100%-ға жуық) ие, бірақ бета энергиясы төмендегенде терезе материалының сәулеленуді әлсіретуі салдарынан тиімділік төмендейді. Альфа бөлшектері де терезе арқылы әлсіретеді. Альфа бөлшектерінің ауадағы максималды қашықтығы 50 мм-ден кем болғандықтан, анықтау терезесі сәулелену көзіне мүмкіндігінше жақын орналасуы керек. Терезенің сәулеленуді әлсіретуі ауаның әлсіретуіне қосылады, сондықтан терезе тығыздығы 1,5–2,0 мг/см² болуы керек, бұл анықтау тиімділігінің қанағаттанарлық деңгейін қамтамасыз етеді. Тоқтату күші туралы мақалада әртүрлі энергиялы бөлшектердің қашықтықтары туралы толыққанды мәлімет берілген. Фотон сәулеленуінің (гамма және 25 кэВ-тан жоғары рентген сәулелері) санау тиімділігі түтік қабырғасындағы сәулеленудің өзара әрекеттесу тиімділігіне байланысты, ол қабырға материалының атомдық саны артуымен бірге артады. Хром-темір - жиі қолданылатын материал, ол энергияның кең диапазонында шамамен 1% тиімділік береді.