náhled|Jedna z podob Geiger-Müllerova počítače Geiger–Müllerův počítač (také Geiger–Müllerův detektor či zkráceně GM počítač a GMT(GM trubice)) je plynový detektor ionizujícího záření. Je používán pro detekci záření gama a minoritně i pro záření beta a alfa. Byl sestrojen německými vědci Hansem Geigerem a Waltherem Müllerem v roce 1928 a pro svoji jednoduchost, nízkou cenu a snadnou aplikovatelnost je používán dodnes v oblastech nízkých četností interakcí.
Pro zajištění silně nehomogenního elektrického pole je geometrie detektoru zvolena jako koaxiální: katoda tvoří plášť válce a anodu tvoří vlákno procházející jeho osou.
Detekční účinnost GM počítače v závislosti na energii záření gama je velice nízká, lineárně roste od desetin procent při méně než 100 keV až přibližně ke 2 % při 3 MeV. GM počítače dokáží měřit četnost pulsů v závislosti na jejich konstrukci: některé typy měří nanejvýš stovky pulsů za sekundu, jiné zvládnou až pulsů za sekundu.
Princip GM počítače Mezi katodu a anodu se zavede napětí odpovídající GM oblasti, čímž je plynové zesílení přibližně konstantní v rámci této oblasti. Takto dostatečné napětí zároveň zajišťuje, že dochází nejenom k lavinovému efektu, ale také k excitaci atomů či molekul plynu. Lavinový efekt popisuje skutečnost, kdy je napětí dostatečné natolik, že urychlená částice způsobí sérii ionizací a tyto produkty jsou následně urychlovány a způsobují další sérii ionizací a tak dále. náhled|Znázornění GM oblasti Samotný detektor funguje tak, že dopadající ionizující záření vyrazí z katody elektrony, které jsou následně přitahovány elektrickým polem k anodě (pravděpodobnost interakce ionizujícího záření s plynem je zanedbatelná). V blízkosti anody jsou elektrony zesilovány elektrickým polem natolik, že způsobují nejenom laviny, ale také excitují okolní atomy či molekuly plynu. Po několika nanosekundách tyto částice deexcitují a vyzařují foton v oblasti UV nebo krátkovlnné viditelné oblasti do libovolného směru. Pokud je energie deexcitačního fotonu vyšší než výstupní práce elektronu z katody, dochází k fotoefektu, čímž je uvolněný fotoelektron opět přitahován k anodě a cestou spouští další laviny. Tento postup zajišťuje, že se výboj (Geiger–Müllerův výboj) z primárního záření rozšiřuje po celém objemu GMT. Tento proces trvá několik μs, rychlost šíření výboje je typicky 2–4 cm/μs a plynové zesílení dosahuje hodnot až .
Následkem velkého prostorového kladného náboje okolo anody, které je důsledkem velkého množství vzniklých kladných iontů, je elektrické pole trubice zeslabeno, což má za následek potlačení excitace plynu a výboj tak ustává. Kladné ionty jsou zde přítomny ve velkém množství, protože mají mnohem menší driftovou rychlost než elektrony a také protože se zmenšující se vzdáleností k anodě roste míra lavin a tím i počet vzniklých kladných iontů. Doba sběru kladných iontů typicky bývá okolo 100 μs. Při rekombinace kladných iontů na katodě dochází k uvolnění energie rovné ionizační energii plynu a práce potřebné k výstupu elektronu z katody; je-li ionizační energie plynu více než dvakrát větší než výstupní práce elektronů, může být uvolněná energie z rekombinace použita na výstup elektronu z povrchu katody. Uvolněný elektron po několika μs vede ke vzniku sekundárních lavin a opět vzniká výboj v celém objemu trubice. Vzniká tak řada impulsů s frekvencí rovnou době sběru kladných iontů.
Pro praktické použití GM počítačů je nutné tyto sekundární pulsy zhášet, čímž z primární ionizace vzniká pouze jeden puls (který je detekován) a je zabráněno, aby docházelo k dalším nežádoucím pulsům. Z principu GM počítače nezáleží na počtu původních elektronů uvolněných z katody primárním ionizujícím zářením (v extrémním případě může být puls vyvolán pouze jedním elektronem), a tedy ani na energii původní částice. Detektor tedy nemá spektrometrické vlastnosti.
Zhášení GM počítačů
Nesamozhášecí počítače náhled|Schematický nákres Geiger–Müllerova počítačeSekundární výboje jsou v trubici zhášeny tak, že je přímo sníženo napěti mezi elektrodami pod GM oblast. Další možností zhášení je, že v okamžiku oslabení primárního pulsu, kdy jsou v okolí anody nashromážděny kladné ionty, je změněna polarita anody, která se nyní stává katodou. Po sebrání kladných iontů je opět navracena její polarizace na anodu.
Samozhášecí počítače
Organická zhášecí příměs K původnímu pracovnímu plynu se dodají páry organických sloučenin (například směs alkoholů), které tvoří 5–15 % plynu detektoru. Podstatnou vlastností zhášecího plynu je, že jeho molekuly musí mít ionizační potenciál nižší, než je ionizační potenciál původního pracovního plynu. Vlastností těchto těžkých molekul je, že mnohem intenzivněji interagují s deexcitačním zářením, čímž fotoelektrony vznikají větší měrou v plynové náplni v okolí anody než na povrchu katody a zároveň zde vzniká velké množství kladných iontů molekul zhášecího plynu. Rychlost šíření pulsu je v tomto případě přibližně 10 cm/μs. Vzniklé kladné ionty driftují směrem ke katodě a cestou dochází ke srážkám s neutrálními molekulami zhášecího plynu. Ionizační potenciál pracovního plynu je vyšší než zhášecího plynu, a proto dojde k výměně elektronu. Tyto mechanismy vedou ke skutečnosti, že k anodě dorazí kladné ionty tvořené téměř výhradně zhášecím plynem. Při rekombinaci je mnohem vyšší pravděpodobnost, že uvolněná energie povede k disociaci složité molekuly než k uvolnění elektronu z katody. Po primárním pulsu tedy nevznikají další elektrony, které by mohly způsobit sekundární ionizaci.
Nevýhoda organické zhášecí směsi je, že disociace molekul je trvalá a životnost GM počítače je omezena na cirka pulsů. Jako zhášecí plyn je obvykle používá etylalkohol nebo etylester kyseliny mravenčí.
Halogenové počítače Jako zhášecí plyn je použita halogenová směs, která zháší sekundární pulsy stejným způsobem, jako tomu je u organické zhášecí příměsi, avšak disociované molekuly dokáží spontánně rekombinovat v neutrální molekulu. Životnost tohoto provedení je teoreticky neomezená, prakticky však omezena vnějšími a vnitřními podmínkami.
Kosmonautika V roce 1958 byly GM počítače nainstalovány na družice programu Explorer. Již první z nich se dostala na vyšší oběžnou dráhu, než bylo plánováno. Analýzou dat byly objeveny Van Allenovy radiační pásy. Jejich objev byl označen jako velký přínos Mezinárodního geofyzikálního roku. Obdobné detektory měli o rok dříve Sověti na Sputniku 2, nicméně údaje nebyly správně interpretovány.
Odkazy
Reference
Literatura
GERNDT, Josef a Petr PRŮŠA. Detektory ionizujícího záření. 2., přeprac. vyd. V Praze: ČVUT, 2011. ISBN 978-80-01-04710-1. KNOLL, Glenn F. Radiation detection and measurement. 4th ed. vyd. Hoboken, N.J: John Wiley 830 s. ISBN 978-0-470-13148-0.
Související články Detektor záření
Externí odkazy
Kategorie:Radioaktivita Kategorie:Německé vynálezy Kategorie:Detektory částic