가이거 계수기

Geiger counter
가이거 뮐러 카운터
Geiger counter.jpg
아날로그 판독값이 있는 전자 모듈에 연결된 원통형 엔드 윈도우 검출기를 사용하는 "투피스" 벤치형 가이거-뮐러 카운터.
기타 이름가이거 카운터
발명가한스 가이거
발터 뮐러
관련품목가이거 뮐러 관
가이거 계수기 소리

가이거 계수기(Geiger-Müller 계수기로도 알려져 있다)는 이온화 방사선을 탐지하고 측정하는 데 사용되는 전자 기기다.방사선 선량측정, 방사선방호, 실험물리학원자력 산업과 같은 응용 분야에 널리 사용된다.

기구에 이름을 부여하는 가이거-뮐러 관에서 생성되는 이온화 효과를 이용해 알파 입자, 베타 입자, 감마선 등의 이온화 방사선을 검출한다.[1]광범위하고 눈에 띄는 휴대용 방사선 조사 기기로서, 그것은 아마도 세계에서 가장 잘 알려진 방사선 탐지 기구의 하나일 것이다.

원래의 검출 원리는 1908년 맨체스터 대학에서 실현되었으나,[2] 1928년 가이거-뮐러 관이 발달하고 나서야 가이거 계수기를 실용 계측기로 생산할 수 있었다.이후 센싱 요소가 탄탄하고 상대적으로 비용이 저렴해 큰 인기를 끌었다.그러나 높은 방사선량과 입사 방사선의 에너지를 측정하는 데는 한계가 있다.[3]

작동 원리

낮은 투과 방사선에 "엔드 윈도우" 튜브를 사용하는 가이거 카운터의 다이어그램.확성기도 신호에 사용된다.

가이거 카운터는 가이거-뮐러 튜브(방사선을 감지하는 감지 요소)와 그 결과를 표시하는 처리 전자기로 구성된다.

가이거-뮐러 관은 저압에서 헬륨, 네온 또는 아르곤과 같은 불활성 기체로 채워져 있으며, 여기에 고전압이 가해진다.이 튜브는 입사 방사선의 입자나 광자가 가스를 이온화에 의해 전도성 있게 만들 때 잠시 전하를 전도한다.이온화는 Townsend 방전 효과에 의해 튜브 내에서 상당히 증폭되어 쉽게 측정되는 검출 펄스를 생성하며, 이 펄스는 가공 및 디스플레이 전자 장치에 공급된다.튜브에서 나오는 이 큰 맥박은 가이거 카운터를 제조하는데 상대적으로 저렴하게 만든다. 후속 전자 장치가 크게 단순화되기 때문이다.[3]또한 이 전자제품은 가동을 위해 가이거-뮐러 튜브에 적용해야 하는 고전압(일반적으로 400–900V)을 발생시킨다.가이거-뮐러 튜브의 방전을 막기 위해 기체 혼합물에 할로겐 가스 또는 유기 물질(알코올)을 약간 첨가한다.

판독

탐지된 방사선 판독에는 카운트 또는 방사선량의 두 가지 유형이 있다.카운트 디스플레이는 가장 단순하며, "분당 카운트" 또는 "초당 카운트"와 같이 카운트 레이트로 또는 설정된 시간 동안 총 카운트 수(통합 총계)로 탐지된 전리화 이벤트 수입니다.카운트 판독은 일반적으로 알파 또는 베타 입자가 검출될 때 사용된다.달성하기에 더 복잡한 것은 방사선량 표시로, 감마선이나 X선 선량률 측정에 일반적으로 사용되는 시버트와 같은 단위로 표시된다.가이거-뮐러 튜브는 방사선의 존재를 감지할 수 있지만, 에너지는 검출하지 못하여 방사선의 전리화 효과에 영향을 미친다.따라서 선량률을 측정하는 계측기는 표시된 선량이 검출된 카운트와 관련되도록 에너지 보상 가이거-뮐러 관을 사용해야 한다.[3]전자제품은 이러한 변환을 위해 알려진 요인을 적용하게 되는데, 이는 각 계측기에 고유하며 설계와 교정에 의해 결정된다.

판독값은 아날로그 또는 디지털일 수 있으며, 현대식 계측기는 호스트 컴퓨터 또는 네트워크와의 시리얼 통신을 제공한다.

일반적으로 탐지된 이온화 이벤트의 수를 나타내는 청각적 클릭을 생성할 수 있는 옵션이 있다.이것은 일반적으로 휴대용 또는 휴대용 가이거 카운터와 관련된 독특한 소음이다.사용자가 방사선 속도에 대한 청각적 피드백을 유지하면서 기기 조작에 집중할 수 있도록 하기 위함이다.

제한 사항

가이거 카운터는 크게 두 가지 한계가 있다.가이거-뮐러 튜브의 출력 펄스는 항상 같은 크기(사고 방사선의 에너지와 관계 없이)이기 때문에 튜브는 방사선 유형을 구별할 수 없다.[3]둘째로, 관은 높은 방사선 속도에서 덜 정확하다. 각 이온화 사건에는 더 이상의 사고 방사선이 카운트를 초래하지 않는 무감각 기간인 "사망 시간"이 따르기 때문이다.일반적으로 데드 타임은 사용 중인 튜브의 특성에 따라 초당 약 10-104 카운트5 이상의 표시된 카운트 속도를 감소시킨다.[3]일부 카운터에는 이를 보완할 수 있는 회로가 있지만, 정확한 측정을 위해 높은 방사선량에는 이온실 계측기가 선호된다.

유형 및 응용 프로그램

팬케이크형 프로브가 있는 가이거 카운터
베타 방사선을 측정하기 위한 엔드 윈도우 프로브를 이용한 가이거 계수기의 실험실 사용

가이거 카운터의 의도된 검출 적용은 사용되는 튜브 설계를 지시한다.따라서 설계는 매우 많으나 일반적으로 "끝창", 창문 없는 "박벽", "딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱딱"

입자 검출

가이거 원리의 첫 번째 역사적 용도는 알파와 베타 입자의 검출이었고, 이 기구는 오늘날에도 여전히 이러한 목적으로 사용되고 있다.알파 입자와 낮은 에너지 베타 입자의 경우, 가이거-뮐러 튜브의 "엔드 윈도우" 타입을 사용해야 한다. 이러한 입자들은 범위가 제한되어 있고 고체 물질에 의해 쉽게 정지되기 때문이다.그러므로, 관은 가능한 한 많은 입자들이 충만 가스로 통과할 수 있을 만큼 충분히 얇은 창을 필요로 한다.창문은 보통 약 1.5~2.0mg/cm의2 밀도를 가진 마이카로 만들어진다.[1]

알파 입자는 최단 범위를 가지며, 이를 감지하려면 알파 입자 감쇠로 인해 창이 방사선 선원의 10mm 이내에 있어야 한다.[1]그러나 가이거-뮐러 튜브는 검출된 모든 방사선에 대해 동일한 크기의 펄스 출력을 생성하므로 엔드 창 튜브가 있는 가이거 카운터는 알파 입자와 베타 입자를 구별할 수 없다.[3]숙련된 운영자는 방사선원으로부터의 다양한 거리를 사용하여 알파와 고에너지 베타 입자를 구별할 수 있다.

"팬케이크" 가이거-뮐러 튜브는 엔드윈도 프로브의 변형이지만 더 큰 감지 영역으로 설계되어 더 빨리 점검할 수 있다.그러나 채우기 가스의 낮은 압력에 대한 대기의 압력은 창문의 막의 강도가 제한되어 창 크기를 제한한다.

일부 베타 입자는 얇은 벽의 "윈도리스" 가이거-뮐러 튜브로도 감지할 수 있는데, 이 튜브 벽에는 엔드 창은 없지만 높은 에너지 베타 입자가 통과할 수 있다.비록 관 벽이 얇은 엔드 창보다 더 큰 정지력을 가지고 있지만, 그것들은 여전히 이 더 에너지 넘치는 입자들이 충만 가스에 도달하도록 허용한다.[1]

엔드윈도 가이거 카운터는 비용, 건전성 및 검출 효율이 상대적으로 낮기 때문에 특히 에너지 베타 입자가 높은 일반 용도, 휴대용 방사능 오염 측정 및 검출 기구로 여전히 사용된다.[3][4]단, 알파 입자와 베타 입자의 구별이나 입자 에너지 정보의 제공을 위해 섬광 계수기 또는 비례 계수기를 사용해야 한다.[5]그러한 기기 유형은 검출기 영역이 훨씬 더 큰 것으로 제조되며, 이는 표면 오염 여부를 가이거 카운터를 사용하는 것보다 더 빨리 점검한다는 것을 의미한다.

감마선 및 X선 검출

가이거 계수기는 광자통칭되는 감마선X선을 검출하는 데 널리 사용되며, 이를 위해 창문이 없는 관을 사용한다.다만 알파와 베타 입자에 비해 검출 효율은 낮다.가이거-뮐러 관에 관한 기사에는 광자 방사선을 검출하는 데 사용되는 기법에 대한 보다 상세한 설명이 실려 있다.고에너지 광자의 경우 관은 관 벽과 방사선의 상호작용에 의존하며, 일반적으로 관 벽 안에서 전자를 생성하기 위해 1~2 mm 두께의 크롬강과 같은 높은 Z 물질이다.이것들은 주입 가스로 들어가 이온화한다.[3]

이것은 관내의 저압 가스가 높은 에너지 광자와 거의 상호작용을 하지 않기 때문에 필요하다.그러나 광자 에너지가 낮은 수준으로 감소함에 따라 가스 상호작용은 더 커지고 직접 가스 상호작용은 증가한다.매우 낮은 에너지(25KeV 미만)에서 직접 가스 이온화가 지배적이며 강철 튜브가 입사 광자를 감쇠시킨다.결과적으로, 이러한 에너지에서 전형적인 관 설계는 입자와 충만 가스의 직접적인 상호작용을 증가시키기 위해 더 큰 가스 부피를 가진 얇은 벽을 가진 긴 관이다.[1]

이러한 낮은 에너지 수준 이상에서는 동일한 강도의 서로 다른 광자 에너지에 대한 반응에 상당한 차이가 있으며, 강철로 된 튜브는 큰 에너지 범위에 걸쳐 이러한 변동을 보상하려고 시도하는 벌거벗은 튜브 주위의 필터 링 형태로 "에너지 보상"이라고 알려진 것을 사용한다.[1]크롬강 G-M관은 광범위한 에너지보다 약 1% 효율적이다.[1]

중성자 검출

열 중성자 검출용 BF를3 채운 가이거관

게이거 튜브의 변화는 중성자를 측정하는 데 사용되는데, 여기서 사용되는 가스는 붕소 3불화화합물 또는 헬륨-3이고 플라스틱 감속재는 중성자를 느리게 하는 데 사용된다.이는 검출기 내부에 알파 입자를 생성하므로 중성자를 셀 수 있다.

가이거 뮐러 튜브 타입 70 019(상단)를 포함한 모던한 원피스 가이거 뮐러 카운터

감마 측정 - 사람 보호 및 프로세스 제어

"Geiger counter"라는 용어는 일반적으로 휴대용 조사형 계량기를 의미하는데 사용되지만, Geiger 원칙은 인력 보호를 위해 설치된 "면적 감마" 경보와 공정 측정 및 연동 적용에서 광범위하게 사용되고 있다.가이거 튜브는 여전히 감지 장치지만, 가공 전자제품은 손에 들고 있는 측량기에 사용되는 것보다 더 높은 정교함과 신뢰성을 가질 것이다.

물리적 설계

알파와 베타 검출에 사용되는 팬케이크 G-M 튜브; 섬세한 마이카 창은 보통 기기에 장착할 때 망사로 보호된다.

핸드헬드 장치의 경우 두 가지 기본적인 물리적 구성이 있다. 즉, 동일한 장치에 검출기와 전자 장치가 모두 있는 "통합" 장치와 별도의 검출기 프로브와 전자 모듈을 짧은 케이블로 연결하는 "투피스" 설계가 있다.

1930년대에 원통형 디자인에 마이크로 윈도우가 추가되어 저침투 방사선이 쉽게 통과할 수 있게 되었다.[6]

일체형 장치는 한 손으로 조작할 수 있어 작업자는 도전적인 감시 위치에서 다른 한 손을 사용하여 신변안전을 할 수 있지만, 2피스 디자인은 검출기의 조작을 용이하게 할 수 있으며, 프로브의 세심한 조작이 필요한 알파 및 베타 표면 오염 모니터링이나 w에 일반적으로 사용된다.전자 모듈 중 8개는 조작이 용이하지 않을 것이다.프로브를 작은 구멍이나 좁은 공간에 배치하는 것과 같은 특정 상황에 적합하도록 다양한 크기의 검출기를 사용할 수 있다.

감마 및 X선 검출기는 일반적으로 "통합" 설계를 사용하므로 가이거-뮐러 튜브가 전자 인클로저 내에 편리하게 들어 있다.케이싱은 대개 감쇠가 거의 없으며 방사선원으로부터의 거리가 유의미한 요인이 아닌 주변 감마 측정에서 사용되기 때문에 쉽게 달성할 수 있다.그러나, "표면 선량"과 같은 보다 국소화된 측정을 용이하게 하기 위해, 인클로저 내 튜브의 위치는 정확한 방향과 표면으로부터 알려진 거리에 있는 튜브로 정확한 측정을 수행할 수 있도록 인클로저 상의 표적에 의해 표시되기도 한다.

긴 폴이나 유연한 도관의 끝에 검출기 튜브가 있는 "핫 스폿" 검출기로 알려진 특정한 유형의 감마기가 있다.이것들은 거리 차폐를 통해 운영자를 보호하면서 높은 방사선 감마 위치를 측정하는 데 사용된다.

알파와 베타 입자 검출은 일체형 및 투피스 설계에 모두 사용할 수 있다.팬케이크 프로브(알파/베타용)는 비교적 가벼운 무게로 투피스 기기에서 검출 면적을 높이기 위해 일반적으로 사용된다.엔드 윈도우 튜브를 사용하는 일체형 기기에는 케이싱 본체에 입자 차폐를 방지하기 위한 창이 있다.전자 모듈 내에는 입자 검출용 별도 프로브와 감마 검출 튜브가 있는 하이브리드 계기도 있다.측정 중인 방사선 유형에 따라 운영자가 검출기를 전환할 수 있다.

응용 프로그램 사용 지침

영국에서 국가방사선보호위원회는 관련 방사선 측정 어플리케이션에 가장 적합한 휴대용 기기 유형을 선택하기 위한 사용자 지침서를 발행했다.[5]여기에는 모든 방사선방호기기 기술이 포함되며 G-M 검출기 사용에 대한 지침이 포함된다.

역사

러더포드와 가이거가 디자인한 초기 알파 입자 카운터.
초기 가이거-뮐러 튜브는 1932년 한스 가이거가 실험실용으로 제작했다.

1908년 한스 가이거(Hans Geiger)는 맨체스터 빅토리아 대학(현 맨체스터 대학)의 어니스트 러더포드(Ernest Lutherford)의 감독 아래 1928년 가이거-뮐러 튜브 개발에 사용될 알파 입자 검출 실험 기법을 개발하였다.[7]이 초기 카운터는 알파 입자만 감지할 수 있었고 더 큰 실험 기구의 일부였다.사용된 근본적인 이온화 메커니즘은 1897년에서 1901년 사이에 존 씰리 타운젠드에 의해 발견되었으며,[8] 이온 충격에 의한 분자의 이온화인 타운젠드 방전이라고 알려져 있다.

가이거와 발터 뮐러(Geiger의 박사과정 학생)가 이전에 실험적으로 사용하던 기본이온화 원리를 사용한 밀봉된 가이거-뮐러 관을 개발한 것은 1928년이 되어서였다.작고 견고하여 이전 모델처럼 알파와 베타 방사선을 탐지할 수 있을 뿐만 아니라 감마선도 탐지할 수 있었다.[6][9]이제 실용적인 방사선기가 비교적 저렴하게 생산될 수 있게 되었고, 그래서 가이거 계수기가 탄생하게 되었다.튜브 출력은 밸브 개수가 적고 전력소모가 적어 열전판막 시대의 뚜렷한 장점인 전자처리가 거의 필요 없어 휴대용 방사선 검출기로 큰 인기를 끌었다.

현대판 가이거 카운터는 1947년 시드니 립슨이 발명한 할로겐관을 사용한다.[10]훨씬 더 긴 수명과 낮은 작동 전압(일반적으로 400~900V) 때문에 이전의 가이거-뮐러 튜브를 대체했다.[11]

갤러리

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d e f g 영국 센트로닉스社에서 발행한 "Geiger Muller Tubes; 발행 1".
  2. ^ E. 러더포드와 H. 가이거(1908) "방사성 물질에서 나오는 α 입자의 수를 세는 전기적 방법," 왕립학회(런던), 시리즈 A, 제81, 제546호, 제141~161쪽.
  3. ^ a b c d e f g h 글렌 F 크놀.방사선 검출측정, 제3판 2000.존 윌리와 아들들 ISBN0-471-07338-5
  4. ^ "G-M detector function and measuring methods". Retrieved 2017-03-07.
  5. ^ a b [1] 휴대용 감시기기의 선정, 사용 및 유지관리영국 HSE
  6. ^ a b Korff, SNTM(2012) 20: 271. doi:10.1007 / s00048-012-0080-y
  7. ^ E. 러더포드와 H. 가이거(1908) "방사성 물질에서 나오는 α 입자의 수를 세는 전기적 방법," 왕립학회(런던), 시리즈 A, 제81, 제546호, 제141~161쪽.
  8. ^ John S. Townsend(1901) "음전하 이온의 움직임에 의해 기체에서 생성되는 전도도" 철학적 잡지, 시리즈 6, 1: 198-227.
  9. ^ 참조:
    • H. 가이거와 W. 뮐러(1928), "Elektronenzelhlrohr Jur Messung Schwechster Aktivitéten"(가장 약한 무선 활동 측정을 위한 전자 계수관), Die Naturwissenschaften (The Science), 제16권, 제31권, 제617~618장.
    • 가이거, H.와 뮐러, W. (1928년) "다스 엘렉트로넨첼로흐르"(전자 계수관), 피시칼리스체 자이체흐리프트, 29: 839-841.
    • 가이거, H., 뮐러, W. (1929년) "테크니셰 베메르쿤겐 젬 엘렉트로넨첼로흐르"(전자 계수관에 관한 기술 노트), 피시칼리스체 자이체흐리프트, 30: 489-493
    • 가이거, H., 뮐러, W. (1929년) "데모노레이션 데스 엘렉트로넨첼로흐르스"(전자 계수관 시연), 피시칼리스체 자이체흐리프트, 30:523 ffff.
  10. ^ Liebson, S. H. (1947). "The Discharge Mechanism of Self-Quenching Geiger–Mueller Counters" (PDF). Physical Review. 72 (7): 602–608. Bibcode:1947PhRv...72..602L. doi:10.1103/PhysRev.72.602. hdl:1903/17793.
  11. ^ 1920-60년의 휴대용 방사선 검출 계측기 역사

외부 링크

Wikimedia Commons의 가이거 카운터와 관련된 미디어