Трубка Гейгера-Мюллера: принцип работы и характеристики.

Введение

Трубка Гейгера-Мюллера – это чувствительный элемент счетчика Гейгера, используемый для обнаружения ионизирующего излучения. Она названа в честь Ганса Гейгера, который разработал принцип ее работы в 1908 году, и Вальтера Мюллера, который сотрудничал с Гейгером в 1928 году для дальнейшего развития этой техники и создания практичной трубки, способной обнаруживать различные типы излучения. Это газовый ионизационный детектор, использующий эффект лавины Таунсенда для генерации легко обнаруживаемого электронного импульса даже от единичного ионизирующего события, вызванного частицей излучения. Он применяется для обнаружения гамма-излучения, рентгеновских лучей, альфа- и бета-частиц, а также может быть адаптирован для регистрации нейтронов. Трубка работает в "гейгеровской" области генерации ионных пар, что показано на прилагаемом графике для газовых детекторов, демонстрирующем зависимость ионного тока от приложенного напряжения. Несмотря на свою надежность и невысокую стоимость, трубка Гейгера-Мюллера не способна эффективно измерять высокие уровни радиации, имеет ограниченный срок службы при работе в областях с высоким уровнем излучения и не позволяет измерять энергию падающего излучения, что исключает возможность получения спектральной информации и различения типов излучения, например, альфа- и бета-частиц.

Принцип действия

[[Файл:Гамма-взаимодействие Гейгера.jpg|мини|300px|Обнаружение гамма-излучения в ГМ-трубке с толстостенным катодом из нержавеющей стали. Вторичные электроны, генерируемые в стенке, могут достигать газа-наполнителя, вызывая лавины. Этот эффект значительно ослабевает при низких энергиях ниже примерно 20 кэВ.

Если бы на каждое первоначальное ионизирующее событие приходилась только одна лавина, то количество возбужденных молекул было бы порядка 10⁶–10⁸. Однако образование множественных лавин приводит к увеличению коэффициента умножения, который может создавать от 10⁹ до 10¹⁰ пар ионов. Нейтроны взаимодействуют с ядрами бора, производя альфа-частицы, или непосредственно с ядрами гелия-3, производя ионы водорода и трития и электроны, или с кадмием, производя гамма-лучи. Эти энергичные частицы взаимодействуют и производят ионы, которые затем запускают обычный лавинный процесс.

Газовые смеси

Компоненты газовой смеси имеют решающее значение для работы и применения трубки Гейгера-Мюллера. Смесь состоит из инертного газа, такого как гелий, аргон или неон, который ионизируется падающим излучением, и "гаса-тушителя" в концентрации 5–10% органического пара или галогенного газа для предотвращения ложных импульсов путем тушения электронных лавин. Галогенный разряд в трубке использует метастабильное состояние атома инертного газа для более легкой ионизации молекулы галогена, чем органического пара, что позволяет трубке работать при значительно более низких напряжениях, обычно 400–600 вольт вместо 900–1200 вольт. Хотя трубки с галогенным тушением имеют более крутые характеристики плато напряжения по сравнению с трубками с органическим тушением (нежелательное свойство), они имеют значительно больший срок службы, чем трубки, гашеные органическими соединениями. Это связано с тем, что органический пар постепенно разрушается в процессе разряда, что обеспечивает трубкам с органическим тушением полезный срок службы около 10⁹ событий. Однако ионы галогена могут рекомбинировать со временем, что обеспечивает трубкам с галогенным тушением практически неограниченный срок службы для большинства применений, хотя они все равно в конечном итоге выйдут из строя из-за других процессов ионизации, ограничивающих срок службы всех трубок Гейгера. По этим причинам трубка с галогенным тушением является наиболее распространенной в настоящее время. Примером газовой смеси, используемой в основном в пропорциональных детекторах, является P10 (90% аргона, 10% метана). Другая используется в трубках с бромовым тушением, обычно 0,1% аргона, 1–2% брома и остальное – неон. Галогенные тушители обладают высокой химической реакционной способностью и атакуют материалы электродов, особенно при повышенных температурах, что приводит к ухудшению характеристик трубки со временем. Материалы катода могут быть выбраны, например, из хрома, платины или сплава никеля и меди, или покрыты коллоидным графитом и соответствующим образом пассивированы. Обработка плазмой кислорода может обеспечить пассивирующий слой на нержавеющей стали. Плотное непористое покрытие из платины или вольфрамового слоя или вольфрамовой фольги может обеспечить защиту. Чистые благородные газы демонстрируют пороговые напряжения, увеличивающиеся с увеличением атомной массы. Добавление полиатомных органических тушителей увеличивает пороговое напряжение из-за рассеяния значительной части энергии столкновений в молекулярных колебаниях. Аргон с парами спирта был одним из наиболее распространенных наполнителей ранних трубок. Даже 1 ppm примесей (аргон, ртуть и криптон в неоне) может значительно снизить пороговое напряжение. Добавление хлора или брома обеспечивает тушение и стабильность низковольтных неон-аргоновых смесей в широком температурном диапазоне. Более низкие рабочие напряжения приводят к увеличению времени нарастания импульсов без существенного изменения времени восстановления. Ложные импульсы в основном вызываются вторичными электронами, испускаемыми катодом из-за бомбардировки положительными ионами. Полученные ложные импульсы имеют характер релаксационного генератора и демонстрируют равномерное расстояние между импульсами, зависящее от газа, заполняющего трубку, и перенапряжения. При достаточно высоких перенапряжениях, но все еще ниже начала непрерывных коронных разрядов, могут генерироваться последовательности из тысяч импульсов. Такие ложные счета можно подавить, покрыв катод материалами с более высокой работой выхода, химической пассивацией, лаковым покрытием и т. д. Органические тушители могут разлагаться на более мелкие молекулы (этиловый спирт и этилацетат) или полимеризоваться в твердые отложения (типично для метана). Продукты разложения органических молекул могут обладать или не обладать тушащими свойствами. Более крупные молекулы разлагаются на большее количество тушащих продуктов, чем мелкие; трубки, гашеные амиловым ацетатом, имеют в десять раз больший срок службы, чем трубки, гашеные этанолом. Трубки, гашеные углеводородами, часто выходят из строя из-за покрытия электродов продуктами полимеризации до того, как сам газ истощится; простое пополнение газа не поможет, необходимо промыть электроды для удаления отложений. Низкая эффективность ионизации иногда намеренно достигается; смеси низкого давления водорода или гелия с органическими тушителями используются в некоторых экспериментах по космическим лучам для обнаружения сильно ионизирующих мюонов и электронов. Аргон, криптон и ксенон используются для обнаружения мягкого рентгеновского излучения, с увеличением поглощения фотонов низкой энергии при уменьшении атомной массы из-за прямой ионизации фотоэффектом. Выше 60–70 кэВ прямая ионизация газа-наполнителя становится незначительной, а доминирующими механизмами инициирования ионизации становятся вторичные фотоэлектроны, комптоновские электроны или образование электрон-позитронных пар в результате взаимодействия гамма-фотонов с материалом катода. Оконные трубки можно исключить, помещая образцы непосредственно внутрь трубки или, если они газообразные, смешивая их с газом-наполнителем. Требования к герметичности можно исключить, используя непрерывный поток газа при атмосферном давлении.

The components of the gas mixture are vital to the operation and application of a G M tube. The mixture is composed of an inert gas such as helium, argon or neon which is ionized by incident radiation, and a "quench" gas of 5–10% of an organic vapor or a halogen gas to prevent spurious pulsing by quenching the electron avalanches. The halogen tube discharge takes advantage of a metastable state of the inert gas atom to more readily ionize a halogen molecule than an organic vapor, enabling the tube to operate at much lower voltages, typically 400–600 volts instead of 900–1200 volts. While halogen quenched tubes have greater plateau voltage slopes compared to organic quenched tubes (an undesirable quality), they have a vastly longer life than tubes quenched with organic compounds. This is because an organic vapor is gradually destroyed by the discharge process, giving organic quenched tubes a useful life of around 109 events. However, halogen ions can recombine over time, giving halogen quenched tubes an effectively unlimited lifetime for most uses, although they will still eventually fail at some point due to other ionization initiated processes that limit the lifetime of all Geiger tubes. For these reasons, the halogen quenched tube is now the most common. An example of a gas mixture, used primarily in proportional detectors, is P10 (90% argon, 10% methane). Another is used in bromine quenched tubes, typically 0.1% argon, 1 2% bromine, and the balance of neon. Halogen quenchers are highly chemically reactive and attack the materials of the electrodes, especially at elevated temperatures, leading to tube performance degradation over time. The cathode materials can be chosen from e. g. chromium, platinum, or nickel copper alloy, or coated with colloidal graphite, and suitably passivated. Oxygen plasma treatment can provide a passivation layer on stainless steel. Dense non porous coating with platinum or a tungsten layer or a tungsten foil liner can provide protection here. Pure noble gases exhibit threshold voltages increasing with increasing atomic weight. Addition of polyatomic organic quenchers increases threshold voltage, due to dissipation of large percentage of collisions energy in molecular vibrations. Argon with alcohol vapors was one of the most common fills of early tubes. As little as 1 ppm of impurities (argon, mercury, and krypton in neon) can significantly lower the threshold voltage. Admixture of chlorine or bromine provides quenching and stability to low voltage neon argon mixtures, with wide temperature range. Lower operating voltages lead to longer rise times of pulses, without appreciably changing the dead times. Spurious pulses are caused mostly by secondary electrons emitted by the cathode due to positive ion bombardment. The resulting spurious pulses have the nature of a relaxation oscillator and show uniform spacing, dependent on the tube fill gas and overvoltage. At high enough overvoltages, but still below the onset of continuous corona discharges, sequences of thousands of pulses can be produced. Such spurious counts can be suppressed by coating the cathode with higher work function materials, chemical passivation, lacquer coating, etc. The organic quenchers can decompose to smaller molecules (ethyl alcohol and ethyl acetate) or polymerize into solid deposits (typical for methane). Degradation products of organic molecules may or may not have quenching properties. Larger molecules degrade to more quenching products than small ones; tubes quenched with amyl acetate tend to have ten times higher lifetime than ethanol ones. Tubes quenched with hydrocarbons often fail due to coating of the electrodes with polymerization products, before the gas itself can be depleted; simple gas refill won't help, washing the electrodes to remove the deposits is necessary. Low ionization efficiency is sometimes deliberately sought; mixtures of low pressure hydrogen or helium with organic quenchers are used in some cosmic rays experiments, to detect heavily ionizing muons and electrons. Argon, krypton and xenon are used to detect soft x rays, with increasing absorption of low energy photons with decreasing atomic mass, due to direct ionization by photoelectric effect. Above 60 70 keV the direct ionization of the filler gas becomes insignificant, and secondary photoelectrons, Compton electrons or electron positron pair production by interaction of the gamma photons with the cathode material become the dominant ionization initiation mechanisms. Tube windows can be eliminated by putting the samples directly inside the tube, or, if gaseous, mixing them with the filler gas. Vacuum tightness requirement can be eliminated by using continuous flow of gas at atmospheric pressure.

Плато Гейгера

Характеристическая кривая отклика счётчика Гейгера-Мюллера при постоянном излучении в зависимости от изменения напряжения на трубке. Плато Гейгера – это диапазон напряжений, в котором счётчик Гейгера-Мюллера работает в корректном режиме, при котором ионизация происходит вдоль всей длины анода. Если счётчик Гейгера-Мюллера подвергается воздействию стабильного источника излучения и приложенное напряжение увеличивается от нуля, то наблюдается график тока, показанный в "области Гейгера", где крутизна кривой уменьшается; это и есть плато Гейгера.

Отопление и время бездействия

[[Файл:Смерть трубы Гейгера Мюллера. Время мёртвого счета и время восстановления в трубке Гейгера-Мюллера. Кроме того, схема должна обнаруживать ситуацию "накопления импульсов", когда кажущееся напряжение на аноде смещается на новый уровень постоянного тока из-за сочетания высокой частоты импульсов и шума. Электронная схема счётчиков Гейгера-Мюллера должна уметь распознавать эту ситуацию и выдавать сигнал тревоги; обычно это достигается установкой порога для превышения тока трубки.

Эффективность обнаружения

Эффективность регистрации в Г–М-трубке зависит от типа падающего излучения. Трубки с тонкими окошками обладают очень высокой эффективностью (может достигать почти 100%) для бета-частиц высокой энергии, однако она снижается с уменьшением энергии бета-частиц из-за поглощения в материале окошка. Альфа-частицы также поглощаются окошком. Поскольку пробег альфа-частиц в воздухе не превышает 50 мм, окошко регистрации должно быть расположено как можно ближе к источнику излучения. Поглощение в окошке суммируется с поглощением в воздухе, поэтому плотность материала окошка должна составлять от 1,5 до 2,0 мг/см², чтобы обеспечить приемлемый уровень эффективности регистрации. В статье, посвященной останавливающей способности, более подробно рассматриваются пробеги частиц различных типов и энергий. Эффективность регистрации фотонного излучения (гамма- и рентгеновских лучей с энергией выше 25 кэВ) зависит от эффективности взаимодействия излучения со стенкой трубки, которая возрастает с увеличением атомного номера материала стенки. Хроможелезный сплав – широко используемый материал, обеспечивающий эффективность около 1% в широком диапазоне энергий.