Если вы поклонник винтажной научной фантастики и фильмов ужасов, таких как фильм 1984 года «К.Г.П.О.», вы привыкли, что у вас мурашки по спине, когда персонажи направляют квадратный гаджет в темноту и предупреждаются о присутствии некоторых невидимый радиоактивный монстр со зловещим щелчком.
Счетчики Гейгера - настолько привычная опора в старых фильмах, что можно простить предположение, что они либо изобретение, существующее только в умах сценаристов, либо устаревшая технология, которая вышла из употребления. моды, когда люди перестали строить бомбоубежища на заднем дворе.
Однако на самом деле счетчик Гейгера, который в научном и инженерном мире известен как счетчик Гейгера-Мюллера, представляет собой реальное устройство, которое до сих пор часто используется для обнаружения излучения в различных условиях. Комиссия по ядерному регулированию заявляет, что это наиболее часто используемый портативный радиационный прибор.
Истоки технологии восходят к началу 1900-х годов, когда немецкий физик Ганс Гейгер работал ассистентом Эрнеста Резерфорда, лауреата Нобелевской премии по химии 1908 года. Резерфорд разработал концепцию, согласно которой атом содержит ядро из еще более мелких частиц, и что ядро может распадаться и выделять эти частицы. Гейгер работал с Резерфордом над разработкой устройства для измерения радиации - счетчика для обнаружения альфа-частицы, комбинации двух протонов и двух нейтронов, испускаемых атомом во время радиоактивного распада.
Карьера Гейгера была прервана Первой мировой войной, в которой он служил офицером артиллерии в немецкой армии, но после этого он вернулся к преподаванию и исследованиям. В конце концов он объединился с Вальтером Мюллером, одним из своих аспирантов в Кильском университете, чтобы улучшить свой счетчик, чтобы он мог обнаруживать другие типы радиоактивных частиц, а также альфа-частицы. Созданное ими устройство - практически та же технология, которая используется сегодня.
Как работает счетчик Гейгера?
Счетчик Гейгера - относительно простое и недорогое устройство, состоящее из газа низкого давления - обычно аргона или ксенона - в герметичной камере с двумя электродами. Когда излучение достигает счетчика, оно ионизирует газ, освобождая отрицательно заряженные электроны из атомов и создавая положительные ионы из оставшейся части атома. На электроды подается высоковольтный электрический заряд, который заставляет свободные электроны перемещаться к положительному электроду, который называется "анод".
Из-за высокого напряжения, приложенного к электродам, рядом с анодом есть область, где возникающее электрическое поле настолько велико, что создает «лавины» вторичных электронов, когда первичные электроны приближаются к аноду, - объясняет Марек Фласка, доцент кафедры ядерной энергетики. инженерии в Университете штата Пенсильвания, по электронной почте.
- "Это "газовое усиление" приводит к образованию очень большого количества зарядов, независимо от того, сколько первичного заряда создается излучением", - пишет Фласка. "Там, где этот заряд собирается на электродах, детектор создает большой электрический импульс. Эти импульсы большие - несколько вольт, поэтому дополнительный усилитель сигнала не требуется".
Почему счетчик Гейгера щелкает?
Импульсы создают щелчки, которые вы слышите, когда радиоактивные частицы попадают в устройство, и заставляют ионы и электроны расщепляться. Количество щелчков, которые вы слышите, указывает, сколько раз это происходит в минуту. Кроме того, обычно есть дисплей, показывающий количество.
Уровень радиации, рассчитываемый счетчиком Гейгера, выражается в единицах, называемых микрозивертами, за час воздействия. (Один зиверт равен 1000 млЗв и 1 миллион мкЗв.) Таким образом, если счетчик Гейгера показывает 0,25 мкЗв в час, это означает, что он обнаружил 0,25 мкЗв радиации за час. Некоторые основные цифры, которые можно использовать в качестве ориентира: компьютерная томография одного органа дает дозу облучения около 6900 мкЗв, согласно Reuters, в то время как 2000000 мкЗв указывают на серьезное радиационное отравление, ведущее к возможной смерти, согласно Pure Earth.
Согласно NRC, когда вы включаете счетчик Гейгера, вы обычно сразу слышите щелчки, независимо от того, где вы находитесь. Это из-за естественной фоновой радиоактивности, исходящей от солнца, природного урана в почве, определенных типов горных пород и радона, природного радиоактивного газа, среди других источников.
Хотя существует ряд других доступных технологий обнаружения радиации, счетчик Гейгера - это довольно простая технология, которая существует уже некоторое время, и сегодня они довольно недорогие, с некоторыми недорогими потребительскими версиями на рынке, которые стоят менее 100 долларов, по данным Google Покупок.
"ГМ [счетчики Гейгера-Мюллера] используются повсеместно, особенно когда требуется дешевое решение, которое не требует различения типа излучения или энергии", - поясняет Лос-Аламосская национальная лаборатория (LANL) в электронном письме.
Многие отрасли промышленности до сих пор используют счетчики Гейгера для таких целей, как мониторинг радиоактивного загрязнения в лабораториях. По данным Министерства внутренней безопасности, сотрудники правоохранительных органов могут использовать сложные версии устройств для обнаружения транспортировки незаконных радиоактивных материалов, и многие службы экстренной помощи также несут их. В Японии личные счетчики Гейгера стали горячими продавцами после аварии 2011 года на АЭС «Фукусима-дайити». Они также используются старателями для поиска урана и других полезных ископаемых.
Но у счетчиков Гейгера тоже есть ограничения. "Счетчик ГМ по своей природе не может различить, какой тип частицы вызвал импульс или даже энергию частицы", - пишет LANL. "Потому что каждое взаимодействие производит одинаковую силу импульса - подумайте о установленной мышеловке; когда она приводится в действие, она дает одинаковый ответ, независимо от того, виновата ли нога человека или мышь, хотя последствия могут быть очень разными".
Интересный факт
Как говорится в книге Джереми Бернстайна «Урановый клуб Гитлера: секретные записи в Фарм-холле», на короткое время Гейгер был участником «уранового клуба» - безуспешной попытки Германии разработать атомную бомбу во время Второй мировой войны.