古老的蓋革管

2021-01-16 TsinghuaJoking

蓋革管是一種古老檢測放射性粒子的傳感器,雖然現在它已經逐步退出了實用舞臺,但由於它原理簡單,製作方便,物理內涵豐富,成為電子愛好者製作的寵兒。


電子愛好者搭建的Geiger計數器電子模型


蓋革計數器(Geiger-Counter),也被稱為Geiger-Mueller計數器,是用於檢測各種引起電離放射性的電子設備。檢測器在1928年被發明,其名稱來自於兩位發明它的物理學家Geiger和Mueller。


蓋革計數器被應用於放射計量、放射保護、物理實驗和核工業中。它的主要部件就是一個Geiger-Mueller管,它可以檢測發射性離子,在配以相應的處理電路可以顯示檢測結果。


Johannes Wilhelm Geiger(1882,Sept.~1945,Sept.)


Johannes Wilhelm Geiger,也被叫做Hans Geiger,是德國物理學家,由他最先成功引入可以檢測單個α離子的檢測器。他在1906年於Erlangen大學獲得博士學位,隨後加入曼徹斯特大學任教,成為Ernest Rutherford最有力的合作者。


在曼徹斯特大學Geiger製作了他的第一個版本的粒子計數器,由此確認了α離子就是氦元素的原子核,並驗證了Rutherford對原子結構提出的假設:即任何原子都存在一個位於中央體積非常小的原子核。


早期的蓋革管和蓋革計數器


後來Geiger加入位於柏林的德國國家科學院,繼續研究原子結構。在第一次世界大戰期間,他在軍隊擔任炮兵軍官,並發明了符合計數器,通過電路對兩個離子檢測器發出的脈衝檢測是否屬於同時發生的,並在1924年對康普頓效應進行驗證。


在1925年在基爾大學任教期間,他和他的學生Mueller對蓋革管進行改進,提高了它的靈敏度、檢測性能以及耐久性。蓋革計數器可以檢測各種電離性放射源,像α、β、中子等粒子以及γ射線,這是利用了Geiger-Mueller管所產生的電離效應。



鍍有金屬膜玻璃Geiger管以及相應高壓驅動電路


蓋革管結構簡單,通常是在金屬圓筒中央固定一根細金屬絲。在金屬絲和外壁之間施加有直流電壓。容器內充有用於產生電離的氣體(比如氬氣)和用於淬火的氣體(比如丁烷)。現在的蓋革管使用鍍有金屬膜的玻璃管制作而成。


當有離子經過蓋革管激發了某一氣體原子產生電離。激發出的電子被金屬絲正電壓吸引運動過程中又會撞擊其它氣體分子產生雪崩電離,此過程也會通過激發出的紫外線光子引發更大範圍的電離雪崩,最終形成一股多大100億個電子組成的電流脈衝。


蓋革管內雪崩電流擴散過程


電離後的正電粒子由於質量比較大,運動比較慢,電子雪崩後它們停留在Geiger管中間形成正電電子云,擾亂了管內的電場,會阻礙電子雪崩進一步加大。再通過限流電阻和淬火氣體的共同作用,雪崩電流很快終止。一般經過100~500微妙的恢復死區時間,蓋革管為下一次粒子檢測做好準備。


施加在Geiger管的電壓對於計數脈衝有很大的影響。當電壓小於一定閾值時,Geiger管就不會形成雪崩放電。由於沒有了雪崩電流,檢測器就不會有脈衝輸出。


玻璃Geiger管產生雪崩放電


當電壓超過一定閾值之後,Geiger管就會形成連續的脈衝輸出,對於實際的放射性粒子就不再敏感。


因此,存在一段電壓區間,成為Geiger管的電壓坪,在此範圍內,蓋革管的脈衝輸出不隨著電壓升降而改變。



使用Geiger管檢測粒子主要優點是放大倍數高,幾乎不需要其它放大器,輸出的電脈衝就可以驅動電子計數器或者揚聲器發出聲音。主要缺點就是不能夠鑑別粒子的能量和種類,不能夠進行快速計數。


另外由於管內的氣體密度低,高能γ射線在碰到管內氣體粒子之前就已經衝出了Geiger管,所以檢測靈敏度很低。


蓋革管電壓增加,進入飽和工作區


現在Geiger管逐步退出了實驗室,被性能更好的金矽面壘傳感器、碘化鈉閃爍計數器等新型的半導體粒子傳感器所替代。但它發出的光芒曾經照亮過人類在科學探索過程中的道路,今後也會給一代又一代進入科學探索隊伍的年輕人帶來啟迪。

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