Что такое счетчик Гейгера – история изобретения, принцип действия

В отличие от видимого света, теплового излучения, радиация это коварное и тем самым опасное для организма (при превышении допустимой дозы облучения) явление, которое невозможно определить нашими органами чувств. Ну нет у нас таких рецепторов.
Именно поэтому необходим прибор, который:

• во-первых, это излучение определяет;
• во–вторых выдает нам результат в единицах, которые можно интерпретировать и принять верное и своевременное решение: опасно, безопасно, сколько можно находится в той или иной радиоактивной зоне и т.д.

А поскольку ключевым элементом любого измерительного прибора является датчик, то таковым для бытового или профессионального дозиметра и является счетчик Гейгера.

Изобретение это давнее, история его создания относится еще к началу прошлого века, но как и во многих случаях, было столь удачным, что его базовые принципы неизменны на протяжении целого столетия.

Счетчик Гейгера - история создания

Бесспорно самый известный, востребованный и в буквально смысле жизненно необходимый инструмент для обнаружения излучений в самых разных отраслях промышленности и в быту.
Родоначальник ядерной физики Эрнст Резерфорд (Англия) в начале XX века разработал концепцию, смысл которой в том, что атом состоит из ядра (занимает небольшой объем в центре). Ядро в свою очередь состоит из более мелких элементов. При этом при определенных условиях ядро может распадаться с выделением этих частиц.
Чтобы исследовать структуру атома, подтвердить или опровергнуть свою гипотезу, Резерфорд проводил эксперименты по измерению электрического заряда потока альфа-частиц, попадающих в цель.
Сколько этих частиц будет выделяться ? Этот вопрос и представлял прежде всего чисто научный интерес, поскольку до ядерной бомбы было еще несколько десятилетий, как и до атомных станций.
Вместе с Резерфордом работал Гейгер (вот и встретилась нам эта фамилия) над задачей создания регистрирующего устройства для измерения радиации.

Студентом Ганс Гейгер изучал физику в Мюнхенском университете и служил в немецких вооруженных силах, прежде чем продолжить учебу, получил докторскую степень в 1906 году и защитил диссертацию по прохождению электрического тока через газ. Обращаем внимание, что последний факт, как оказалось впоследствии, имеет прямое отношение к принципу действия счетчика, названного его именем. Как и во многих изобретениях и открытиях, "пазл" складывается тогда, когда встречаются нужные люди, знания, в одном месте и в одно время.
Затем он переехал в Англию, чтобы стать лаборантом в лаборатории Резерфорда в Манчестерском университете.
Работая с одним из студентов, Эрнестом Марсденом, Гейгер разработал новое уникальное устройство, которое запускало альфа-частицы через золотую фольгу на экран, где они могли быть обнаружены как сцинтилляции (мерцание, кратковременные световые вспышки).

Суть опыта, без которого невозможно обсуждать историю атома, а именно существования атомного ядра, состояла в следующем. Источник радиации помещался перед тонкой золотой фольгой. Сам источник альфа-частиц и фольга находились в вакууме, чтобы частицы не сталкивались с молекулами воздуха, не ионизировали их и тогда результаты были бы искажены.

Эти меры позволили обнаруживать вспышки света. Но как подсчитать их количество в единицу времени и таким образом измерить радиацию ?
Сначала попытались установить микроскоп, который вращался вокруг золотой фольги, чтобы вручную подсчитывать количество сцинтилляций в темноте лаборатории. Но это было неудобно, утомительно, влиял человеческий фактор.
Нужны были другие решения для регистрации излучения. И в 1911 году Гейгер предложил как измерить количество вспышек при дневном свете.
Запаянная трубка заполняется инертным газом (аргоном, ксеноном или газовыми смесями) и служит катодом. А нить, проходящая внутри по центру, является анодом.
Приблизительно по такому же принципу были построены усилительные лампы, которые широко использовались в радиотехнике, звуковой технике, до эпохи транзисторов и микросхем.

Как работает счетчик Гейгера

1. Пока в камеру не попадают частицы, газ является диэлектриком. Ток через него отсутствует.
2. При приложении высокого напряжения, попадающее альфа-излучение, вызывало ионизацию газа (происходит столкновение с атомами), тем самым испускался поток электронов – отрицательных заряженных частиц.
3. Из-за того, что электроды "выбиты", атомы газа становятся положительно заряженными.
4. Это лавинообразный процесс, что приводит к возникновению электрического тока в газе. Образуется своеобразная мини-молния.
5. При столкновении с атомами, энергия частиц уменьшается. Это процесс повторяется в виде импульсов – всплесков энергии, что регистрируется, а значит может быть измерено и переведено в удобные для восприятия цифры.

Амплитуда импульсов достаточно велика и может достигать нескольких Вольт, а значит может быть измерена непосредственно, без усиления.

Газоразрядная ионизационная трубка и была прообразом счетчика, основного элемента дозиметра, который был способен определять альфа-частицы (ядра гелия), представляющие собой комбинацию из пары нейтронов и протонов. Эти частицы излучаются атомом в процессе радиоактивного распада.
Конечно ни о каком точном подсчете отдельных частиц речь не идет. Измеряется общая интенсивность излучения.

Во время первой мировой войны Гейгер служил офицером в немецкой армии, в полевой артиллерии, что на время прервало его карьеру и научные исследования на несколько лет. После этого ученый вернулся как к преподавательской работе, так и к науке.

Объединив свои усилия с Вальтером Мюллером (это был его аспирант в университете), они смогли улучшить детектор излучения (вот откуда составное название "счетчик Гейгера-Мюллера"), его чувствительность, производительность и долговечность, чтобы можно было обнаруживать и другие типы радиоактивного излучения, кроме альфа-частиц, а именно бета-частицы и ионизирующие фотоны.
Впоследствии Гейгер продолжал изучать космические лучи, искусственную радиоактивность и деление атомных ядер.
Кстати, на войне, ученый серьезно подорвал свое здоровье, часто болел и в результате чего ушел из жизни в 62 года. Причем он умер в сентябре 1945-го, таким образом был свидетелем первого и единственного военного применения атомного оружия в Хиросиме и Нагасаки.

В ранней модели счетчика Гейгера газ низкого давления находится в медном цилиндре, через который проходит электрический ток. Радиоактивная частица, попадающая в цилиндр, вызывает всплеск электрического тока, который регистрируется счетчиком.
В частности именно такой детектор, выглядящий несколько несовременно, использовал Джеймс Чедвик, открывший нейтрон. Интересная деталь из биографии Чедвика. При сдаче вступительных экзаменов в университет в Манчестере, он случайно вместо экзамена по математике попал на физику (вот она судьба, может и нейтрон открыт был бы позже и вообще развитие науки пошло совсем по другому сценарию ?) и сделал серьезный вклад в ядерную физику. За что и был заслуженно награжден Нобелевской премией в 1935 году.

Почему счетчик Гейгера щелкает?

Мы же говорили о "молнии" внутри счетчика. А ведь настоящая молния не просто щелкает, а ее разряды сопровождаются настоящим грохотом. Приблизительна та же картина и здесь. Только в меньшем масштабе. Такая же ситуация наблюдается и с ионизаторами воздуха и другим приборами, которые вызывают электрический разряд в газе. Существует и природная ионизация под действием космических лучей, ультрафиолетового и других излучений, приходящих как от солнца, так и от далеких галактик.

Также дозиметры реагируют щелчками и на другие источники радиации, существующие в природе:

• отвалы угольных шахт;
• некоторые горные породы могут "фонить";
• радиоактивные газы;
• стройматериалы и даже продукты питания с радиацией, чем особенно "грешат" грибы и некоторые лесные ягоды, которые по-прежнему изредка попадают на рынки Украины.

Количество щелчков пропорционально уровню регистрируемого излучения. Измерение производится за период времени. Чем этот период больше, тем выше точность определения радиации.

В каких единицах счетчик Гейгера измеряет радиацию ?

В единицах, называемых микрозивертами, за час воздействия. (Один зиверт равен 1 000 миллизивертов и 1 миллион микрозивертов).
Пример. Если счетчик Гейгера отображает 0,25 микрозиверта в час, это означает, что он обнаружил 0,25 микрозиверта излучения за это время.
Как оценить - много или это или мало ? Имеется в виду с точки вреда для здоровья.
Компьютерная томография одного органа выдает дозу облучения порядка 7000 микрозивертов. Это кстати в десятки раз больше, чем при облучении в процессе рентгеновского снимка. А вот величина в 2000000 микрозивертов указывает на серьезное радиационное поражение.
Существуют и другие технологии измерения радиации, но счетчики Гейгера – простые и относительно недорогие, бесспорно держат пальму первенства.