Счётчик Гейгера–Мюллера (счетчик Гейгера) – детектор частиц, действие которого основано на возникновении самостоятельного, электрического разряда в газе при попадании частицы в его объём. Изобретён X. Гейгером и Э. Резерфордом в 1908, позднее был усовершенствован Гейгером и В. Мюллером. Гейгера счетчик предназначен для регистрации заряженных частиц. Он пригоден также для детектирования нейтронов, рентген- и γ-квантов по вторичным заряженным частицам, генерируемым ими.

Работа счетчика основана на ударной ионизации. γ-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный заряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

Важной характеристикой счетчика является его эффективность. Не все γ-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия γ-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема.

Эффективность счетчика зависит от толщины стенок счетчика, их материала и энергии γ-излучения. Наибольшей эффективностью обладают счетчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z , так как при этом увеличивается образование вторичных электронов. Кроме того, стенки счетчика должны быть достаточно толстыми. Толщина стенки счетчика выбирается из условия ее равенства длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объем счетчика и возникновение импульса тока не произойдет . Так как γ-излучение слабо взаимодействует с веществом, то обычно эффективность гамма — счетчиков также мала и составляет всего 1-2 %. Другим недостатком счетчика Гейгера-Мюллера является то, что он не дает возможность идентифицировать частицы и определять их энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счетчиках.

Счетчик Гейгера обычно состоит из металлического цилиндра (катода) и тонкой проволочки, натянутой вдоль его оси, (анода) заключённых в герметичный объём, который заполнен газовой смесью под давлением, как правило, 100–260 мм рт. ст. (рис.1). Между катодом и анодом прикладывается напряжение U порядка 200—1000 В. Заряженная частица, попав в объём счётчика, образует некоторое количество электрон-ионных пар; электроны и ионы начинают двигаться к соответствующим электродам. Если напряжённость электрического поля достаточно велика, электроны на длине свободного пробега (между соударениями с молекулами газа) приобретают энергию, превосходящую их энергию ионизации, и ионизуют молекулы. В результате в газе развиваются электронно-ионные лавины, которые являются основой так называемого газового усиления, обеспечивающего достаточно высокий уровень электрического сигнала на аноде, который регистрируется.

Ток в цепи Гейгера счетчика нарастает экспоненциально до тех пор, пока пространственный, заряд положительных, ионов не понизит электрическое поле и не прекратит развитие лавин. Амплитуда импульса на выходе Гейгера счетчика не зависит от энергии детектируемой частицы. Это отличает его от других газовых детекторов, пропорциональных счётчиков и ионизационных камер.

Различают несамогасящиеся и самогасящиеся счетчики Гейгера (предложены Тростом в 1937). Они отличаются составом газовой смеси и быстродействием. Несамогасящиеся Гейгера счетчики требуют понижения напряжения между катодом и анодом для того, чтобы надёжно погасить разряд и подготовить детектор к регистрации следующей частицы. Это достигается специальной схемой или введением высокоомового сопротивления R в цепь питания счётчика (R ~ 10⁹Ом). На нити скапливается отрицательный заряд, разность потенциалов между катодом и анодом уменьшается, и разряд обрывается. После этого чувствительность Гейгера счетчика восстанавливается через 10^-2с (время разрядки ёмкости С счётчика через сопротивление R). Самогасящиеся счётчики заполняются чистыми газами, например Аr, с добавкой (10%) многоатомного газа, в частности спирта. Многоатомные молекулы эффективно поглощают фотоны и блокируют механизм фотоэффекта – генерации электронов с поверхности катода, что обеспечивает самопроизвольное гашение разряда. Время нечувствительности самогасящегося Гейгера счетчика ~ 10^-4с. Оба типа Гейгера счетчика способны выдерживать нагрузки до 10⁴ - 10⁵ импульс/с. Самогасящиеся Гейгера счетчики из-за диссоциации многоатомных молекул выдерживают лишь 10⁸ - 10⁹ срабатываний. Если вместо многоатомной добавки использовать Сl, Вr или I (0,1%), а в качестве основного газа Ne или Не с примесью Аr, то срок службы Гейгера счетчика становится практически неограниченным. Рабочее напряжение для этих счётчиков в пределах 200—400 В, но быстродействие существенно ниже и определяется временем дрейфа ионизованных молекул галогенов к катоду.

 

Счетчик Гейгера – сравнительно медленно действующие приборы, поэтому они были частично вытеснены сцинтилляционными детекторами и пропорциональными счётчиками. Однако простота конструкции и дешевизна обеспечили им применение в дозиметрии, а также в таких областях, где регистрируются редкие события и надо перекрыть детекторами десятки и даже сотни м². В последнем случае счетчики Гейгера работают, как правило, в ограниченном стримерном режиме при давлении газовой смеси, близком к атмосферному. Если нужно работать в условиях повышенных нагрузок (~10³ импульсов в 1с), то в объём счетчика Гейгера вводятся изолирующие перегородки, которыерые ограничивают развитие разряда вдоль трубки. В эксперименте по исследованию свойств нейтрино применялось 19 968 счетчиков Гейгера в виде алюминиевых трубок длиной 4 м, изолированных друг от друга. Установка для поиска распада протона, которая размещается в туннеле под Монбланом, содержит 43 000 счетчиков Гейгера.

Этот счётчик обладает практически стопроцентной вероятностью регистрации заряженной частицы, так как для возникновения разряда достаточно одной электрон-ионной пары. Однако длительность сигнала со счётчика Гейгера сравнительно велика (10^-4 с). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду и восстановилась чувствительность детектора.

Зависимость числа N регистрируемых импульсов на выходе амплитудного дискриминатора от приложенного к счетчику Гейгера напряжения V при фиксированной нагрузке называется счётной характеристикой и имеет вид, показанный на рис.2. В области АВ напряжение напряжение недостаточно для развития лавин. В интервале ВС только часть сигналов на выходе счётчика превышает порог регистрации. В рабочей области CD регистрируются все частицы, которые дали хотя бы одну электрон-ионную пару в объёме счетчика Гейгера. При напряжении больше UD начинаются самопроизвольные пробои.