Sayaç tüp

Sayaç tüplü radyasyon algılama cihazı

Sayaç tüpleri iyonlaştırıcı radyasyonu algılamak ve ölçmek için kullanılır , bu nedenle radyasyon ve parçacık dedektörlerine aittirler .

Sayaç borusu, tasarıma ve çalışma voltajına bağlı olarak çalışır.

  • olarak iyonlaşma odası ,
  • olarak oransal sayıcı tüp (aynı zamanda orantılı sayaç )
  • veya Geiger-Müller sayaç tüpü olarak ( tetik sayaç tüpü , Geiger-Müller sayacı veya Geiger-Müller göstergesi olarak da adlandırılır ).

Sıklıkla karşılaşılan Geiger sayacı terimi teknik olarak Geiger-Müller sayaç tüpünü ifade eder. Bununla birlikte, halk dilinde, bir kontaminasyon algılama cihazı veya bir doz hızı ölçüm cihazı gibi eksiksiz bir radyasyon ölçüm cihazı anlamına da gelebilir . Bu tür cihazlardaki dedektör, her zaman olmasa da genellikle bir Geiger-Müller sayaç tüpüdür.

Prensip olarak, bahsedilen üç çalışma modunun her biri bir ve aynı karşı boru ile mümkündür. Sayma tüplerinin çoğu, bu uygulamaların belirli bir kısmı için optimize edilmiştir.

inşaat

Burada düşük enerji ve parçacık radyasyonu için ince bir uç pencereye sahip bir karşı borunun temel taslağı

En basit sayaç tüpleri, katodu temsil eden, her iki tarafı da kapalı olan silindirik bir metal tüpten oluşur . Anot , örneğin bir tel B. 0.1 mm çapında, silindirin ekseninde bulunur ve bir ucundan bir yalıtkan (cam) vasıtasıyla karşı borunun dışına yönlendirilir. Boru çapı birkaç santimetredir.

Bu tür karşı tüpler , metal tüpe nüfuz ettiğinden gama radyasyonunun tespiti için uygundur. Eğer alfa ve beta radyasyonu tespit edilecek da, karşı tüpün bir ucu, sadece düşük kitle filmi (örneğin, kapalı olabilir mika veya çift eksenli olarak yönlendirilmiş PET filmi ) ( pencere karşı tüp ). Film, dış havayla olan basınç farkına dayanmalı, ancak parçacıkların karşı boruya girmesine izin vermelidir.

Tüp, aşağıda daha ayrıntılı olarak açıklandığı gibi bir gazla ( sayım gazı ) doldurulur.

fonksiyon

Bir karşı borunun şematik özellikleri. Düzgün parçacık enerjisinin gelen radyasyonu için gözlemlenen darbe yüksekliği dikey olarak çizilir.

Anot ve katot arasına bir DC voltajı uygulanır. İyonlaştırıcı radyasyon geldiğinde, gaz dolgusunda elektrik alanında anoda göç eden serbest elektronlar üretir. Yüklü parçacık radyasyonu durumunda, elektronların sayısı, gelen parçacığın gazda verdiği enerjiyle orantılıdır.

Diğer işlem, gösterilen eğrinin ( karakteristik ) gösterdiği gibi, esas olarak anot ve katot arasındaki voltaja bağlıdır . Düşük voltajda, elektronların bazıları anoda giderken iyonlarla yeniden birleşir . Devrede meydana gelen akım darbesi sadece anoda ulaşan elektronlara karşılık gelir; bu kısım, borudaki iyonizasyonun konumuna bağlı olarak boyut olarak değişir ve bu nedenle tespit edilen partikül tarafından verilen enerji hakkında herhangi bir bilgi sağlamaz. Uygulanan bu voltaj alanına rekombinasyon alanı denir.

iyonizasyon odası

Daha yüksek voltajlarda - yaklaşık 100 volt - serbest kalan tüm elektronlar anoda ulaşır. Bu nedenle devrede ölçülebilen darbe, karşıt tüpte yayılan radyasyonun enerjisi ile orantılıdır. Sayaç tüpü artık bir iyonizasyon odası olarak çalışır ve örneğin saçılan radyasyon ölçüm cihazı olarak kullanılır .

Bir radyasyon parçacığının tüm enerjisi kaydedilecekse, parçacık yolu gazda bitmelidir, yani gazdaki radyasyon aralığı, ışın yönünde karşıt borunun boyutlarından daha kısa olmalıdır. Buna göre, nispeten büyük karşı borular (yaklaşık 1 m uzunluğa kadar) ve birkaç bar aşırı basınca kadar gaz dolumları bunun için kullanılır.

Orantılı karşı boru

Voltaj daha da artırılırsa, radyasyon tarafından salınan elektronlar , anot teline yakın yüksek elektrik alan kuvveti nedeniyle , gaz atomlarıyla çarpışmalar yoluyla başka elektronları tetikleyebilecekleri kadar güçlü bir şekilde hızlandırılır. Her biri n elektronlu elektron çığları vardır ( n 1 milyona kadar çıkabilir); buna gaz amplifikasyonu da denir . Çığlar yalnızca anot yakınında çok küçük bir alanda meydana geldiğinden, ölçülen akım darbesinin boyutu orijinal iyonizasyonun konumundan bağımsızdır ve yine de gelen radyasyonun enerjisiyle orantılıdır. Bu çalışma voltajı aralığının orantısal aralık olarak adlandırılmasının nedeni budur . İyonizasyon odası çalışmasına kıyasla, darbe n kat daha büyüktür ve bu nedenle ölçülmesi daha kolaydır.

Aynısı, iyonizasyon odaları için boyutlar ve gaz basıncı için de geçerlidir. Orantısal aralık, özelliğin dik bir bölümünde yer aldığından, çalışma voltajının çok kesin olarak sabit olması gerekir. Bir iyonizasyon odası iken z. B. ayrıca paralel plaka elektrotlarına sahip olabilir, orantılı karşı tüp için ince anot teli ile alan geometrisi esastır. Katodun silindirik şekli ise belirleyici değildir; Orantılı sayaçlar, geometrik gereksinimlere bağlı olarak başka şekillere de sahip olabilir ve ayrıca birkaç paralel anot teli içerebilir.

Orantılı sayaç tüpleri sadece parçacık enerjilerini ölçme imkanı sunmakla kalmaz, aynı zamanda için de kullanılır. B. Alfa ve beta radyasyonunu ayırt etme yeteneği nedeniyle radyasyondan korunmada kullanılır . Kontrol alanlarından ayrılırken rutin kontroller için el-ayak monitörleri bu nedenle orantılı sayaçlar da içerir.

Fiziksel araştırmadan z. Bir örnek, gaz halindeki bir örneğin çok nadir beta bozunmalarını diğer radyasyondan güvenilir bir şekilde ayırt etmek için orantılı sayaçların kullanıldığı Homestake nötrino deneyidir . Daha gelişmiş bir formda, orantı sayacı, yüksek enerji fiziğinde de çok telli orantılı oda ve saman dedektörü olarak kullanılır .

Nötronlar için orantılı sayaç tüpleri

BF 3 sayaç tüpünde nötron tespiti

Ayrıca nötron radyasyonu orantılı sayaçlarla ölçülebilir. Hızlı nötronların (yaklaşık 0,1 ila 6 MeV ) enerjisini ölçmek için  , sayım gazı olarak birkaç barlık bir basınçta hidrojen veya metan kullanılır . Nötron spektrumu, onunla ölçülen elastik saçılmadan geri tepme protonlarının enerji spektrumundan çıkarılabilir.

Gaz boron triflorür (BF 3 ) yavaş nötronlar , özellikle termal nötronlar için uygundur . Ekzotermik nükleer reaksiyon 10 B (n, ) 7 Li'de aynı anda üretilen iki iyon, alfa parçacığı ve lityum atom çekirdeği iyonlaşmaya yol açar. B-10 ile zenginleştirilmiş borlu BF 3 , genellikle daha yüksek tespit olasılığı amacıyla kullanılır .

BF 3 gaz dolgusu yerine karşı borunun iç kısmında bor içeren bir katman da kullanılabilir. Bu gaz z sayma olarak avantajına sahiptir. Daha kısa darbeler veren B. argon kullanılabilir. Öte yandan, nükleer reaksiyonun gazda daha az iyonlaşma enerjisi bırakması dezavantajlıdır, çünkü kinematik nedenlerle iki iyondan sadece biri borunun içine yayılır; bu, gama darbeleri arasında ayrım yapmayı zorlaştırır.

Nadir helyum izotopu helyum-3 ayrıca bir nötron sayma gazı olarak da hizmet edebilir. Buradaki ekzotermik reaksiyon da 3 He (n, p) 3 H'dir. Helyum-3, bor triflorürden daha pahalıdır, ancak başka atom çekirdeği içermediğinden daha yüksek bir algılama olasılığı ile sonuçlanır . reaksiyon daha büyüktür ve daha yüksek bir doldurma basıncı kullanılabilir hale gelir. He-3 sayaç tüpleri, bor triflorürün bozunacağı daha yüksek sıcaklıklarda çalıştırılabilir.

Bor ve helyum-3 sayaç tüpleri de, örneğin gama radyasyonu ile nötron radyasyonu arasında ayrım yapabilmek için Geiger-Müller aralığında değil (aşağıya bakınız) orantılı olarak çalıştırılır. Önemli bir uygulama (çoğunlukla BF 3 sayaç tüpü ile) uzun sayaçtır .

Geiger-Müller sayaç borusu

Gama radyasyonu için demonte Geiger-Müller sayaç tüpü. Ortada anot teli ve katot olarak sarmal tel ile camdan yapılmış gerçek sayaç tüpünün altında; farklı enerjilerin radyasyona duyarlılığını değiştirmek için karşı boru ile gövde arasına takılan ortada koruyucu plakalar; dış alüminyum muhafazanın üstünde, uzunluk 30 cm.

Belirli, hatta daha yüksek bir voltajın üzerinde - yukarıda gösterilen özelliğin "plato alanında" - gelen her iyonlaştırıcı parçacık bağımsız bir gaz deşarjına neden olur , yani her ikinci serbest bırakılan elektron anoda ulaşmadan önce en az bir yeni elektron serbest bırakır. Ayrıca, uzak yerlerde iyonlaşan ultraviyole radyasyon üretilir, böylece deşarj tüm sayaç tüpüne yayılır. Bu şekilde çalışan sayaç borusu tipine Geiger-Müller sayaç borusu denir. Bir kez başlatıldığında ( ateşlendiğinde ) gaz deşarjı, tetikleyici radyasyonun türü ve enerjisi ne olursa olsun "yanar" (dolayısıyla "tetikleyici karşı tüp" alternatif tanımı) ve yalnızca iyon bulutunun radyal olarak hareket etmesi nedeniyle alan gücü yeterince azaldığında söner. dışa doğru. İyonlar boru duvarına çarptığında gaz deşarjının yeniden tutuşması , doldurma gazına bir söndürücü gaz eklenerek önlenir (bkz. gaz dolumu).

Akım darbeleri bu nedenle tek tip bir boyuttadır ve o kadar büyüktür ki, belirli koşullar altında, amplifikasyon olmadan doğrudan bir hoparlörde çatlama sesleri olarak duyulabilir hale getirilebilirler. Tetikleme için serbest bırakılan tek bir elektron yeterlidir, bu nedenle dedektör mümkün olan en iyi hassasiyete sahiptir. Çalışma voltajının plato alanına Geiger-Müller alanı da denir .

Diğer dedektörlerle karşılaştırıldığında, Geiger-Müller sayaç tüpü, gaz boşaltma işlemi nedeniyle 100 mikrosaniye mertebesinde nispeten uzun bir ölü zaman süresine sahiptir . Bunu, yeni bir dürtünün tam yüksekliğine ulaşmadığı benzer şekilde uzun bir iyileşme süresi takip eder.
Ölü zaman, gaz deşarjının yüksek voltaj besleme hattında örneğin 100 kilohm gibi yüksek bir dirençle akımla sınırlandırılması gerçeğinden kaynaklanır; darbeden sonra yeniden ateşleme bir voltaj düşüşü ile önlenir. İyon hizmet ömrü, bir söndürücü gaz eklenerek azaltılabilir, böylece ölü zaman azalır.

Geiger-Müller sayaç tüpleri örneğin kontaminasyonu kontrol etmek ve genel radyasyondan korunma amaçları için kullanılır . Radyasyonun türü ve enerjisi hakkında bilgi ancak bunlarla kabaca radyasyon kaynağı ile karşı tüp arasına yerleştirilen çeşitli kalkanlar ile karşılaştırmalı ölçümler yapılarak elde edilebilir .

Gaz doldurma

Karşı tüp dolumu olarak birçok farklı gaz, hatta hava kullanılabilir. gibi soy gazlar B. Argon, elektronlardan anoda çok daha yavaş hareket eden negatif iyonlar oluşturmadıklarından, mümkün olan en kısa darbeleri elde etmede avantajlıdır. Gama radyasyonunun algılanması için, çok sayıda çubuk aşırı basıncı ile argon veya nedeniyle, yüksek atom numarası , ksenon edilir kullanılır. İyonizasyon odalarında ve orantılı sayaçlarda, genellikle metan veya karbon dioksit gibi gaz halindeki bir bileşiğin bir kısmı eklenir . Bu ilave, esnek olmayan çarpışmalar yoluyla elektronların sıcaklığını düşürür ve böylece akım darbesinin daha da kısalmasına neden olarak dedektörü "daha hızlı" hale getirir. Ayrıca , gereksiz darbelere yol açabilecek ultraviyole radyasyonu da bastırır .

Geiger-Müller tesisi için gaza etanol buharı veya bir halojen gazı ( klor veya brom ) eklenir. Bu söndürücü gaz , gaz deşarjı söndürüldükten sonra, molekülleri iyonlaşma yerine ayrışma yoluyla enerji tükettiğinden, iyonların duvara çarpmasıyla yeni bir tutuşma olmamasını sağlar .

Sabit ölçüm tüpleri bazı durumlarda sıkıca kapatılmamıştır, ancak yavaş akan gazlı akış ölçerler olarak çalıştırılır . Bu, kirlenme, gazın kimyasal reaksiyonları veya küçük sızıntılarla ilgili sorunları önler. Geiger-Müller sayaçları ile, aksi takdirde sayaç tüpü çalışmasında kullanılacak olan etanol ilavesi sabit tutulabilir.

Tarih

Geiger sayacı, 1932. Londra Bilim Müzesi .

Sayaç tüplerinin öncüsü ilk olarak 1913'te Hans Geiger tarafından tanımlanmıştır. Geiger-Müller sayacı tüp meslektaşı ile birlikte Geiger'ın geliştirme çalışmaları kadar gider Walther Müller de Kiel Üniversitesi'nden 1928 den yayınlandı sonuçları olan,. Parçacıklara veya radyasyon kuantumlarına elektriksel bir darbe ile yanıt veren ilk bilinen ve yaygın olarak kullanılan dedektör tipiydi. Orantılı aralığın pratik kullanımı elektronik açıdan daha talepkardır - darbelerin yükseltilmesi, yüksek voltajın kararlılığı - ve ancak 20. yüzyılın ortalarından itibaren rutin bir yöntem haline geldi.

Geiger-Müller karşı tüpünün darbeleri tüm parçacıklar için aynı olduğundan, özellikle gelen parçacıkların/kuantaların sayımı için uygundur . Bu nedenle "Geiger sayacı" veya "Geiger sayacı tüpü" tanımı doğal görünüyor. Bu atama, daha sonra geliştirilen “oransal sayaç”, “ parıldama sayacı ” vb. gibi dedektörlere taşındı , ancak bunlar sadece sayım için değil, aynı zamanda enerji ölçümü ve radyasyon türleri arasında ayrım yapmak için de kullanılıyor.

Edebiyat

  • Glenn F. Knoll: Radyasyon tespiti ve ölçümü. 2. baskı, Wiley, New York 1989, ISBN 0-471-81504-7 .
  • Konrad Kleinknecht: Parçacık Radyasyonu Dedektörleri . 4. baskı, Teubner 2005, ISBN 978-3-8351-0058-9
  • Sebastian Korff: Geiger-Müller sayaç borusu. Çoğaltma yöntemini kullanarak bilim tarihinin bir analizi. İçinde: NTM Journal for the History of Science, Technology and Medicine , Cilt 20, Sayı 4, 2012, pp. 271–308, ( doi: 10.1007 / s00048-012-0080-y ).

İnternet linkleri

Vikisözlük: Geiger sayacı  - anlam açıklamaları , kelime kökenleri, eş anlamlılar, çeviriler
Commons : Geiger sayacı  - resim, video ve ses dosyalarının toplanması
Vikikitaplar: Gaz Dolu Radyasyon Dedektörleri  - Öğrenme ve Öğretme Materyalleri

Bireysel kanıt

  1. ↑ Knoll (edebiyat listesine bakınız) s. 166 f.
  2. ↑ BT Cleveland ve diğerleri: Homestake Klor Dedektörü ile Solar Elektron Nötrino Akısı Ölçümü . İçinde: Astrofizik Dergisi . 496, 1998, s. 505-526. doi : 10.1086/305343 .
  3. ↑ C. Gerthsen: Physik , 6. baskı, Springer, 1960.
  4. ^ EB Paul: Nükleer ve Parçacık Fiziği , Kuzey Hollanda, 1969, s. 124.
  5. ↑ Knoll (yayın listesine bakın) s. 168.
  6. ↑ Paul (yukarıya bakın) s. 127.
  7. ↑ Örnek olarak ticari radyasyon monitörlerinden alınan veriler ( İnternet Arşivinde 24 Mart 2009 tarihli Memento ).
  8. ↑ H. Geiger, W. Müller: En zayıf aktiviteleri ölçmek için elektron sayaç tüpü. İçinde: Die Naturwissenschaften, 16/31, s. 617–618. (Alman Fizik Topluluğunun Aşağı Saksonya Gauverein'inin 7 Temmuz 1928'deki Kiel toplantısında ders ve gösteri).
  9. ↑ H. Geiger, W. Müller: Elektron sayacı . İçinde: Physikalische Zeitschrift 29, s. 839-841, (1928).
  10. ↑ H. Geiger, W. Müller: Elektron sayacıyla ilgili teknik açıklamalar. İçinde: Physikalische Zeitschrift. 30, sayfa 489-493. (1929).
  11. ↑ H. Geiger, W. Müller: Elektron sayacının gösterimi. In: Physikalische Zeitschrift 30, s. 523 ve devamı (1929).
  12. ^ Bernard L. Cohen: Nükleer Fizik Kavramları . New York, vb.: McGraw-Hill, 1971, s. 217.