Tomasz Bartuś

Licznik Geigera-Müllera - zasada dzialania (1/4)

Tomasz Bartuś

Tweet
2018-03-03

Wstęp

Projekt budowy licznika Geigera-Müllera (G-M) - urządzenia służącego do pomiarów promieniowania jonizującego kiełkował w mojej głowie od dawna. Po niepowodzeniach związanych z próbą wykonania samodzielnego układu pomiarowego (wraz z zasilaczem wysokiego napięcia), przyszedł czas na powrót do źródeł. Przedstawiam projekt licznika promieniowania jonizującego możliwy do wykonania przez każdego. Powrót do wykonania takiego układu został zainspirowany projektem Konstantin (2017). Nie mam ambicji budowy urządzenia o doskonalej czułości, odpowiednio skalibrowanego i dokładnego. Projekt należy raczej traktować jako wstęp do tematu detekcji promieniowania jonizującego. Prezdstawię go w kilku odcinkach, od zasilacza wysokiego napięcia, prostych wskaźników akustycznych, po układ sterowany za pomocą mikrokontrolera. Ale po kolei...

Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego (γ lub rentgenowskiego) lub cząsteczkowego (in. korpuskularnego - α, β, neutronowe oraz protonowe) wysyłanego przez atomy promieniotwórcze (niestabilne, posiadające nadmiar energii), które padając na obiekty materialne wywołują ich jonizację (rozpad cząsteczek na jony). W trakcie tego procesu następuje oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej (Fig. 1). Za promieniowanie jonizujące uznaje się promieniowanie, którego cząsteczki mają energię większą od energii fotonów światła widzialnego. Źródła promieniowania jonizującego mogą mieć charakter naturalny (promieniowanie kosmiczne, naturalne promieniowanie Ziemi, złoża surowców mineralnych) lub sztuczne (wytworzone przez człowieka).

Rodzaje promieniowania jonizującego

• α (alfa) - polega na emitowaniu tzw. cząsteczek α (heliony), które składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów, mają ładunek dodatni i są identyczna z jądrem atomu izotopu ⁴He, więc często oznacza się ją jako He²⁺. Cząsteczki takie są emitowane przez jądra w trakcie rozpadu promieniotwórczego uranu i radu (tzw. rozpad α). Promieniowanie α cechuje się ograniczonym zasięgiem (w powietrzu kilka centymetrów) i niską zdolnością przenikania oraz wysoką skutecznością jonizowania tkanek biologicznych, dlatego jest niebezpieczne gdy przeniknie do organizmu (Fig. 2);
• β (beta) - polega na emisji pozytonu +e z jądra atomowego lub emisji elektronu -e. Zdolność cząsteczek β do jonizacji jest mniejsza niż cząstek α;
• γ (gamma) - jest emitowanie przez wzbudzone jądro atomu podczas zmiany stanu energetycznego. Towarzyszy promieniowaniu α i β. Jest to najbardziej przenikliwy rodzaj promieniowania jądrowego, chociaż jego właściwości jonizujące są najmniejsze;
• rentgenowskie X - jest to promieniowanie elektromagnetyczne, które jest emitowanie w lampach rentgenowskich. Długości fal pokrywają się z promieniowaniem γ;
• neutronowe - to strumień neutronów o dużej przenikliwości i o słabym działaniu jonizującym. Powstaje głównie w reaktorach elektrowni jądrowych (także promieniowanie kosmiczne). Osłonę przed nim stanowi gruba warstwa ołowiu lub betonu;

Licznik Geigera-Müllera

Licznik promieniowania jonizującego Geigera-Müllera został opracowany w 1928 roku przez niemieckiego fizyka jądrowego Hansa Geigera, a następnie ulepszony przez Waltera Müllera. Urządzenie umożliwia detekcję niemal wszystkich czynników jonizujących (bez możliwości rozdzielenia na poszczególne rodzaje promieniowania i bez możliwości badania natężenia cząstek jonizujących). Głównym elementem wykonwczym każdego detektora jest tuba Geigera-Müllera (Fig. 3). Jest to prosta lampa gazowa składająca się z dwóch elektrod - dodatniej anody i ujemnej katody. Katodę stanowi zewnętrzna obudowa. Stanowi ją hermetyczna, cylindryczna rurka wykonana z metalu bądź szkła. W przypadku rurek szklanych, od środka napylona jest na nie warstewka substancji przewodzącej. Wnętrze rurki jest wypełnone argonem (Ar) z niewielkim dodatkiem par alkoholu (dlaczego? - o tym dalej). Wzdłuż jej osi symetrii jest umieszczony cienki drut wolframowy o średnicy około 0,1mm. Stanowi on elektrodę dodatnią - anodę.

Gdy do tuby podłączymy wysokie napięcie (ok. 400V) i do wnętrza tuby Geigera-Müllera dostanie się cząstka promieniowania jonizującego, dochodzi do jonizacji gazu uwięzionego w jej wnętrzu. Od atomu argonu odrywają się ujemnie naładowane elektrony (e^-). Prowadzi to do powstania jonów dodatnich Ar⁺. Wzbudzone atomy gazu zaczynają także emitować promieniowanie ultrafioletowe. Wytworzone cząstki (e^-, Ar⁺ i fotony promieniowania ultrafioletowego) są przyspieszane w polu elektrycznym. Jony dodatnie Ar⁺ kierują się w stronę elektrody ujemnej (ścianek tuby), a wolne elektrony w kierunku elektrody dodatniej (wolframowego drutu). Proces ma charakter lawinowy dlatego nazywany jest wyładowaniem lawinowym. Przyspieszane jony często zderzają się z innymi napotkanymi atomami Ar prowadząc do ich dalszej jonizacji. Wyładowanie lawinowe jest także podtrzymywane przez fotoelektrony (elektrony wybijane z katody w wyniku jej bombardowania przez fotony promieniowania ultrafioletowego (zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne) oraz przez elektrony, które powstają na wskutek bombardowania katody przez docierające do niej jony dodatnie gazu. Wyładowanie lawinowe objawia się chwilowym przepływem prądu jonowego pomiędzy anodą i katodą tuby. W obwodzie zamkniętym rezystorem, którego wartość zależy od zastosowanej tuby, objawia się to chwilowym spadkiem napięcia (zob. 2/4). Impuls taki oznacza, że przez tubę właśnie przeniknęła cząstka promieniowania jonizującego. Licznik G-M zlicza te impulsy. Po każdym z nich, aby następny impuls mógł być zliczony, napięcie musi powrócić do poziomu sprzed wyładowania lawinowego. W związku z tym, dla każdego dozymetru istnieje parametr zwany "czasem martwym", w trakcie którego, promieniowanie nie może być rejestrowane. Aby móc rejestrować wszystkie cząstki jonizujące przechodzące przez tubę, zależy nam aby czas martwy był możliwie krótki. Wyładowania lawinowe muszą być więc szybko gaszone. Aby tak się działo, w atmosferze tuby umieszcza się domieszki gazów lub par o cząsteczkach wieloatomowych (metan, pary alkoholu; ok. 10% objętościowo). Jony cząsteczek wieloatomowych pochłaniają promieniowanie ultrafioletowe i nie wybijają z katody elektronów. Dozymetry GM z domieszką gazów wieloatomowych noszą nazwę samogasnących.

Film

Wykorzystane materiały

Konstantin, 2017. Diy Arduino Geiger counter
Obrzydziński M., 2012. Licznik Geigera - Mullera
Piskunowicz J., 2017 Promieniowanie jonizujące
Nota katalogowa tuby STS-5
Nota katalogowa tuby SBM-20