Що таке лічильник Гейгера - історія винаходу, принцип дії

На відміну від видимого світла, теплового випромінювання, радіація це підступне і цим небезпечне для організму (при перевищенні допустимої дози опромінення) явище, яке неможливо визначити нашими органами почуттів. Ну немає у нас таких рецепторів.
Саме тому необхідний прилад, який:

• по-перше, це випромінювання визначає;
• по-друге видає нам результат в одиницях, які можна інтерпретувати і прийняти вірне і своєчасне рішення: небезпечно, безпечно, скільки можна знаходиться в тій чи іншій радіоактивній зоні і т.д.

А оскільки ключовим елементом будь-якого вимірювального приладу є датчик, то таким для побутового чи професійного дозиметра і є лічильник Гейгера.

Винахід цей давній, історія його створення відноситься ще до початку минулого століття, але, як і в багатьох випадках, був настільки вдалим, що його базові принципи незмінні протягом 100 років.

Лічильник Гейгера - історія створення

Безперечно найвідоміший, затребуваний і в буквальному значенні життєво необхідний інструмент для виявлення випромінювань у різних галузях промисловості і в побуті.
Родоначальник ядерної фізики Ернст Резерфорд (Англія) на початку XX століття розробив концепцію, сенс якої в тому, що атом складається з ядра (займає невеликий об'єм у центрі). Ядро у свою чергу складається з дрібніших елементів. При цьому за певних умов ядро ​​може розпадатися на ці частинки.
Щоб дослідити структуру атома, підтвердити або спростувати свою гіпотезу, Резерфорд проводив експерименти з вимірювання електричного заряду потоку альфа-частинок, що потрапляють в ціль.
Скільки цих частинок виділятиметься? Це питання й представляло насамперед суто науковий інтерес, оскільки до ядерної бомби було ще кілька десятиліть, як і до атомних станцій.
Разом з Резерфордом працював Гейгер (ось і зустрілося нам це прізвище) над завданням створення реєструючого пристрою для вимірювання радіації.

Студентом Ганс Гейгер вивчав фізику в Мюнхенському університеті та служив у німецьких збройних силах, перш ніж продовжити навчання, отримав докторський ступінь у 1906 році та захистив дисертацію з проходження електричного струму через газ. Звертаємо увагу, що останній факт, як виявилося згодом, має безпосередній стосунок до принципу дії лічильника, названого його ім'ям. Як і в багатьох винаходах та відкриттях, "пазл" складається тоді, коли зустрічаються необхідні люди, знання, в одному місці та в один час.
Потім він переїхав до Англії, щоб стати лаборантом в лабораторії Резерфорда в університеті Манчестера.
Працюючи з одним із студентів, Ернестом Марсденом, Гейгер розробив новий унікальний пристрій, який запускав альфа-частинки через золоту фольгу на екран, де вони могли бути виявлені як сцинтиляції (мерехтіння, короткочасні світлові спалахи).

Суть дослідження, без якого неможливо обговорювати історію атома, саме існування атомного ядра, полягала в наступному. Джерело радіації містилося перед тонкою золотою фольгою. Саме джерело альфа-часток і фольга знаходилися у вакуумі, щоб частинки не стикалися з молекулами повітря, не іонізували їх і тоді результати були б спотворені.

Ці заходи дозволили виявляти спалахи світла. Але як підрахувати їх кількість у одиницю часу і таким чином виміряти радіацію?
Спочатку спробували встановити мікроскоп, що обертався навколо золотої фольги, щоб вручну підраховувати кількість сцинтиляцій у темряві лабораторії. Але це було незручно, втомливо і впливав людський чинник.
Потрібні були інші рішення для реєстрації випромінювання. І в 1911 році році Гейгер запропонував, як виміряти кількість спалахів при денному світлі.
Запаяна трубка заповнюється інертним газом (аргоном, ксеноном або газовими сумішами) і служить катодом. А нитка, що проходить усередині центром, є анодом.
Приблизно за таким же принципом були побудовані підсилювальні лампи, які широко використовувалися в радіотехніці, звуковій техніці до епохи транзисторів і мікросхем.

Як працює лічильник Гейгера

1. Поки до камери не потрапляють частки, газ є діелектриком. Струм через нього відсутній.
2. При прикладені високої напруги, альфа-випромінювання, що потрапляє, викликало іонізацію газу (відбувається зіткнення з атомами), тим самим випускався потік електронів – негативних заряджених частинок.
3. Через те, що електроди "вибиті", атоми газу стають позитивно зарядженими.
4. Це лавиноподібний процес, що призводить до виникнення електричного струму у газі. Утворюється своєрідна міні-блискавка.
5. При зіткненні з атомами енергія частинок зменшується. Цей процес повторюється у вигляді імпульсів – сплесків енергії, що реєструється, а значить можуть бути виміряні і переведені в зручні для сприйняття цифри.

Амплітуда імпульсів досить велика і може досягати кількох Вольт, а значить може бути виміряна безпосередньо, без посилення.

Газорозрядна іонізаційна трубка і була основою лічильника, основного елемента дозиметра, який був здатний визначати альфа-частинки (ядра гелію), що представляють собою комбінацію з пари нейтронів та протонів. Ці частинки випромінюються атомом у процесі радіоактивного розпаду.
Звичайно ні про який точний підрахунок окремих частинок не йдеться. Вимірюється загальна інтенсивність випромінювання.

Під час першої світової війни Гейгер служив офіцером у німецькій армії, у польовій артилерії, що на якийсь час перервало його кар'єру та наукові дослідження на кілька років. Після цього вчений повернувся як до викладацької роботи, і до науки.

Об'єднавши свої зусилля з Вальтером Мюллером (це був його аспірант в університеті), вони змогли поліпшити детектор випромінювання (ось звідки складова назва "лічильник Гейгера-Мюллера"), його чутливість, продуктивність і довговічність, щоб можна було виявляти й інші типи радіоактивного крім альфа-часток, а саме бета-частинки та іонізуючі фотони.
Згодом Гейгер продовжував вивчати космічні промені, штучну радіоактивність та розподіл атомних ядер.
До речі, на війні вчений серйозно підірвав своє здоров'я, часто хворів і внаслідок чого пішов із життя у 62 роки. Причому він помер у вересні 1945-го, таким чином був свідком першого та єдиного військового застосування атомної зброї у Хіросімі та Нагасакі.

У ранній моделі лічильника Гейгера газ низького тиску знаходиться у мідному циліндрі, через який проходить електричний струм. Радіоактивна частка, що потрапляє в циліндр, спричиняє сплеск електричного струму, який реєструється лічильником.
Зокрема саме такий детектор, який виглядає дещо несучасно, використовував Джеймс Чедвік, який відкрив нейтрон. Цікава деталь із біографії Чедвіка. При складанні вступних іспитів до університету в Манчестері, він випадково замість іспиту з математики потрапив на фізику (ось вона доля, може і нейтрон відкритий був би пізніше і взагалі розвиток науки пішов зовсім за іншим сценарієм?) І зробив серйозний внесок у ядерну фізику. За що і був заслужено нагороджений Нобелівською премією 1935 року.

Чому лічильник Гейгера клацає?

Ми ж говорили про "блискавку" всередині лічильника. Адже справжня блискавка не просто клацає, а її розряди супроводжуються справжнім гуркотом. Приблизна та сама картина і тут. Тільки у меншому масштабі. Така сама ситуація спостерігається і з іонізаторами повітря та іншими приладами, що викликають електричний розряд у газі. Існує і природна іонізація під дією космічних променів, ультрафіолетового та інших випромінювань, що надходять як від сонця, так і від далеких галактик.

Також дозиметри реагують клацаннями і на інші джерела радіації, що є у природі:

• відвали вугільних шахт;
• деякі гірські породи можуть "фонити";
• радіоактивні гази;
• будматеріали і навіть продукти харчування з радіацією, при цьому особливо "грішать" гриби та деякі лісові ягоди, які, як і раніше, зрідка потрапляють на ринки України.

Кількість клацань пропорційна рівню випромінювання, що реєструється. Вимір проводиться за період часу. Чим цей період більший, тим вища точність визначення радіації.

У яких одиницях лічильник Гейгера вимірює радіацію?

В одиницях, які називаються мікрозивертами, за годину впливу. (Один зіверт дорівнює 1 000 мілізівертів та 1 мільйон мікрозівертів).
Приклад. Якщо лічильник Гейгера відображає 0,25 мікрозиверти на годину, це означає, що він виявив 0,25 мікрозиверти випромінювання за цей час.
Як оцінити - багато чи це чи мало? Мається на увазі з точки шкоди здоров'ю.
Комп'ютерна томографія одного органу видає дозу опромінення близько 7000 мікрозівертів. Це до речі вдесятеро більше, ніж при опроміненні в процесі рентгенівського знімку. А ось величина 2000000 мікрозивертів вказує на серйозну радіаційну загрозу.
Існують і інші технології вимірювання радіації, але лічильники Гейгера – прості та відносно недорогі, безперечно тримають пальму першості.