Nie każdy dozymetr to licznik Geigera!

Przyjęło się potocznie nazywać każdy miernik promieniowania "licznikiem Geigera", choć jest to określenie nieścisłe, a często wręcz błędne. Tak samo jak tranzystor nie jest radioodbiornikiem tranzystorowym, a adapter gramofonem z adapterem (piezoelektrycznym lub magnetycznym), tak samo dozymetr z licznikiem Geigera nie jest "licznikiem Geigera". Licznik Geigera to po prostu najważniejszy element takiego miernika, lampa elektronowa w której następują wyładowania pod wpływem promieniowania jonizującego. Często, choć niepoprawnie, nazywany jest "tubą Geigera" - kalka z angielskiego "tube", oznaczającego lampę elektronową.

Cylindryczne liczniki Geigera - od lewej - polski  BOI-33, polski szklany BOB-33, radziecki STS-5,
polski szklany DOB-50.

Nazywanie dozymetru "licznikiem Geigera" to figura retoryczna pars pro toto, czyli część zamiast całości.  Należy jednak pamiętać, że są mierniki promieniowania wykorzystujące inne detektory - liczniki proporcjonalne, scyntylacyjne, komory jonizacyjne, detektory półprzewodnikowe, którym poświęcę osobny post. Tymczasem chciałbym omówić licznik Geigera, a właściwie Geigera-Mullera (G-M).

Wczesny licznik skonstruowany przez H. Geigera w 1932 r. (źródło)

Sam licznik został wynaleziony w 1928 r. przez Hansa Geigera i jego doktoranta, Waltera Mullera, choć już w 1908 r. Geiger z Ernestem Rutherfordem skonstruował podobny licznik, wykrywający jedynie cząstki alfa. Sam licznik składa się z cylindra z elektrodą pośrodku, wypełnionego gazem, zwykle argonem pod ciśnieniem niższym niż atmosferyczne. Do licznika doprowadzone jest wysokie napięcie stałe rzędu kilkuset woltów. Wpadająca cząstka alfa, beta lub kwant gamma powodują powstanie jonów. Jony te są przyspieszane w polu elektrycznym licznika i zderzając się z innymi atomami powodują powstanie kolejnych jonów. Jest to tzw. jonizacja lawinowa, powodująca powstanie impulsu, zliczanego przez układ pomiarowy licznika. Po każdym wyładowaniu przez pewien czas licznik nie może zarejestrować następnego impulsu, dopóki nie zostanie wygaszone poprzednie wyładowanie. Jest to tzw. czas martwy licznika, mierzony zwykle w mikrosekundach. Aby skrócić czas martwy, można albo zastosować specjalny układ elektroniczny z oporem obniżającym napięcie i gaszącym wyładowanie, albo dodać tzw. czynnik gaszący do gazu wypełniającego licznik. Stąd podział na liczniki niesamogasnące i samogasnące. W przypadku liczników samogasnących, czynnikiem gaszącym są pary chlorowców (np. brom) lub alkoholu, stąd podział tych liczników na alkoholowe oraz chlorowcowe. Liczniki alkoholowe pracują przy wyższym napięciu (ok. 1000 V) a ich czas martwy mniejszy (200 µs), chlorowcowe mają niższe napięcie pracy (300-600 V) i większy czas martwy (400 µs).  Poniżej szczegółowe porównanie obu typów liczników:

Cyt. za: A. Piątkowski, W. Scharf, Aparatura radiometryczna w medycynie i biologii, s. 79

W przypadku dużych mocy dawek czas martwy licznika zaczyna odgrywać poważną rolę, stąd nowsze konstrukcje dozymetrów posiadają funkcję kompensacji czasu martwego (np. Radiatex MRD-2). 

Licznik Geigera pracuje powyżej pewnego określonego napięcia, zwanego napięciem progowym lub po prostu progiem Geigera. Jest to jeden z najważniejszych parametrów charakteryzujących dany licznik. Zaraz za progiem zaczyna się nieznacznie nachylony obszar charakterystyki licznika, zwany "plateau" (czasem notowany fonetycznie "plato"). W tym obszarze należy umieścić punkt pracy licznika. Zwykle przyjmuje się 1/3 plateau, często też specyfikacja podaje dokładną wartość, np. "napięcie progu +50 V".  Plateau charakteryzuje się nachyleniem, wyrażonym w procentach na 1 V lub % na 100 V oraz długością, podaną w woltach. Radzieckie popularne tuby SBM-20 i STS-5 mają nachylenie 0,1 %/1 V, zaś polskie szklane BOB-33 i BOB-33A odpowiednio 0,053 i 0,125. Przykładowe wartości dla niektórych tub wraz z innymi charakterystykami liczników podałem w notce o biegu własnym detektora [LINK]. 

Plateau kończy się tzw. napięciem przebicia, powyżej którego znajduje się obszar wyładowań ciągłych, gdzie licznik sam generuje impulsy, a nawet może ulec uszkodzeniu. 

Żródło - https://en.wikipedia.org/wiki/File:Detector_regions.gif

Jeżeli licznik Geigera będziemy zasilać napięciem niższym niż próg Geigera, będzie wówczas pracował jako tzw. licznik proporcjonalny, w którym amplituda impulsu będzie zależna od energii wpadającego do licznika promieniowania. Teoretycznie każdy licznik Geigera może pracować jako licznik proporcjonalny, ale nie każdy licznik wykonany fabrycznie jako proporcjonalny będzie pracował jako licznik Geigera z uwagi na małą ilość czynnika gaszącego lub jego zupełny brak. O licznikach proporcjonalnych wspomnę w innej notce, tutaj nadmienię tylko, że w popularnych dozymetrach nie są one w ogóle spotykane.

Liczniki Geigera mogą być wykonane jako cylindryczne lub okienkowe, z cienkim okienkiem mikowym do pomiaru promieniowania o małej przenikliwości, np. cząstek alfa czy niskoenergetycznego promieniowania beta. Grubość ścianek licznika mierzy się w jednostkach masy powierzchniowej (mg/cm2). Jeżeli chcemy obliczyć grubość okienka w jednostkach długości, dzielimy ciężar powierzchniowy przez ciężar właściwy (gęstość) materiału okienka, pamiętajmy tylko ujednoliceniu jednostek przed obliczeniami. Poniżej krajowy licznik okienkowy BOH-45 do pomiaru promieniowania beta (jego okienko mikowe jest zbyt grube, aby przepuścić cząstki alfa):

Okienkowy licznik produkcji radzieckiej SBT-10A, przeznaczony do pomiaru skażeń alfa-aktywnych, stosowany m.in. w monitorze EKO-C:

Cylindryczne liczniki G-M typu BOI-53, krajowy odpowiednik radzieckich STS-6, stosowane w monitorach skażeń RKP-1, RKP-2 oraz sondach do pomiaru skażeń powierzchni SGB-1P i SGB-3P:

Cylindryczne liczniki Geigera typu SBM-20 w radiometrze Polaron-Pripyat:

Wadą liczników Geigera jest fakt, że są skalibrowane dla określonej wartości energii promieniowania, zwykle cezu-137 (0,6 MeV) lub kobaltu-60 (1,17 MeV) i w okolicach tych energii pomiar jest najbardziej wiarygodny. W przypadku pomiaru promieniowania o innej energii, czy wręcz nieznanym widmie, możliwe są bardzo duże przekłamania. Wydajność liczników dla cząstek beta wynosi praktycznie 100%, jeśli tylko cząstki przenikną przez ścianki licznika, dla kwantów gamma jest znacznie gorsza i wynosi zaledwie 2%. 

Liczniki Geigera ulegają też zużyciu - głównie wyczerpuje się czynnik gaszący - i z biegiem lat ich charakterystyka staje się coraz bardziej "stroma" - plateau skraca się i rośnie jego nachylenie:

cyt. za: Wiesław Gorączko, Ochrona radiologiczna, Poznań 2011.

Większość popularnych tub ma trwałość 10^10 impulsów,co przy biegu własnym 27 imp./min. powinno dać trwałość rzędu 700 lat nieprzerwanej pracy. 

Pomimo swoich wad liczniki Geigera są powszechnie stosowane z uwagi na niską cenę, prostotę niezbędnych układów elektronicznych i czułość wystarczającą do większości popularnych zastosowań. W zastosowaniach naukowych często stosuje się też detektory scyntylacyjne, półprzewodnikowe oraz komory jonizacyjne, które omówię przy innej okazji. Na zakończenie powtórzę jeszcze raz - nie każdy dozymetr wykorzystuje licznik Geigera, a rozpoznanie rodzaju detektora "na oko" nie zawsze jest możliwe! Poniżej parę przykładów:

Monitor skażeń powierzchni RKP-1-2 z 3 cylindrycznymi licznikami Geigera STS-6:

Sygnalizator Polon PM-1041 z detektorem scyntylacyjnym:

Radiometr komorowy RKL-62, działający na zasadzie komory jonizacyjnej:

I wreszcie... SmartGeiger FSG-001, nie będący, wbrew nazwie, licznikiem Geigera, tylko detektorem półprzewodnikowym:

Breloczek-indykator BIRI z miniaturowym licznikiem Geigera:

Aby mieć pewność co do zastosowanego detektora, zwykle najlepiej sięgnąć do charakterystyki przyrządu albo, jeśli czujemy się na siłach, otworzyć obudowę.