Caracteristica Detectorului Geiger Muller (1) [603365]

UNIVERSITATEA "POLITEHNIC Ă" DIN BUCURE ȘTI
DEPARTAMENTUL DE FIZICĂ

LABORATORUL BN 030

CARACTERISTICA DETECTORULUI
GEIGER-MÜLLER

2004-2005

CARACTERISTICA DETECTORULUI GEIGER-MÜLLER

1. Scopul lucr ării
Scopul lucrării îl constituie determ inarea caracteristicii unui detector Geiger-
Müller, a tensiunii de prag, a întinderii pa lierului unui asem enea detector, a tensiunii
optim e de lucru, precum și a tensiunii dincolo de care în detector se produce o desc ărcare
de tip distructiv care ar putea conduce la distrugerea detectorului.

2. Teoria lucr ării
2.1. Detectoare de radia ții
Detectarea radiațiilor prin m ijloace fizice este bazat ă pe efectele produse la
interacția radiațiilor cu substan ța, ef ecte care pot f i: electrice (ex. ionizarea m ediilor
străbătute), optice (scintila ții, lum iniscența), chim ice (influen ța cineticii reac țiilor,
radiocatalizarea lor), f otochim ice (im presionarea em ulsiilor f otograf ice) etc.
In prezent exist ă o mare diversitate de detectoare de radia ții. La noi în laborator se
folosesc detectoare care au la baz ă următoarele fenom ene:
a) ionizarea unui gaz de c ătre radiațiile α sau β, ori de electronii em iși de radia țiile γ dintr-
un strat de m aterial (detectorul tip Geiger-Müller, cam era de ionizare).
b) scintila ția unui cristal sub ac țiunea radia țiilor (detectorul cu scintila ție).
c) acțiunea f otochim ică a radiațiilor (em ulsii nucleare).
In lucrarea de fa ță vom analiza m ai pe larg detectoarele bazate pe prim ul dintre
aceste fenom ene.
Pentru un fascicul de radia ții, caracteristic ă este puterea lui de ionizare, adic ă
numărul de perechi de ioni produ și de unitatea de parcurs într-un gaz; în aer, de exem plu o
particulă α având energia de 1-2 MeV produce cir ca 40 000 perechi de ioni pe m icron de
parcurs; particulele β de aceea și energie produc o ionizare m ult mai slabă (de circa 100
ori), iar cuantele γ produc o ionizare de circa 100 ori m ai slabă decât particulele β.
Puterea de p ătrundere (duritatea sau parcursul total) a radia țiilor este invers
proporțională cu puterea lor de ionizare; astfel particulele α de 2-3 MeV p ătrund doar
câteva zeci de m icroni în substan ță, fiind oprite de o sim plă foaie de hârtie; particulele β au
o putere de ionizare m ai mică, și deci o putere de p ătrundere propor țional m ai mare; ele
străbat (la o energie de 1-2 MeV) un strat de alum iniu de 2-3 m m grosim e. Radiațiile γ de
aceeași energie au o putere de p ătrundere m ult mai mare, având teoretic un parcurs infinit;
se poate totu și observa c ă străbat câteva zeci de m etri în aer, sau câ țiva centim etri în
plum b, după care intensitatea lor scade la nivelul radia țiilor cosm ice. Lungim ea
parcursului dif eritelor radia ții determ ină și dim ensiunile detectoarelor. Astfel, detectoarele
pentru radia ții α au o distan ță între electrozi de num ai câțiva m ilimetri, substan ța activă
fiind introdus ă chiar în interiorul detectorului, pe când detectoarele pentru radia ția β au
1

lungim i de ordinul 10-20 cm pentru a se form a un num ăr sufuicient de ioni în volum ul
activ al detectorului, iar detectoarele pentru radia ții γ de m are energie pot avea o lungim e
de peste 1 m .
Sursele radioactive cuprind substan țe (izotopi) ce em it radiații și se pot prezenta
într-o m are varietate de form e sau dim ensiuni, care îns ă, din punct de vedere practic, se
reduc la trei tipuri principale: surse solide, solu ții și surse pulverulente. Deoarece izotopii
radioactivi em it aceleași tipuri de radia ții și au acelea și energii indiferent de starea de
agregare sau de leg ătura chim ică cu m aterialul în care se g ăsesc, orice com binație chim ică,
poate fi, virtual, folosit ă ca sursă de radiații, cu condi ția ca cel pu țin unul dintre elem entele
chim ice com ponente s ă fie radioactiv.

2.2. Detectoare cu gaz e
Detectoarele bazate pe ionizarea gazelor se com pun din doi electrozi plan paraleli
sau coaxiali, pe care se aplic ă o diferen ță de poten țial (fig. 1). Intre ace ști doi electrozi se
introduce un anum it gaz, constituindu-se de fapt un condensator electric având ca
dielectric un gaz.

fig. 1

Dacă detectorul este iradiat de o surs ă
radioactiv ă, particulele înc ărcate care îl str ăbat
vor produce o ionizare a gazului cu care este
umplut detectorul. Electronii și ionii pozitivi
formați, mișcându-se în sensuri contrare sub
acțiunea câm pului electric generat de diferen ța de poten țial aplicat ă electrozilor
detectorului, ajung la electrozi, creând un impuls de curent, care este am plificat și
înregistrat de instala ția electronic ă asociată sistem ului de detec ție. Acest curent creat prin
ionizarea gazului din detector este cu atât m ai mare cu cât num ărul ionilor f ormați la
trecerea radia țiilor prin detector este m ai mare; el depinde și de tensiunea aplicat ă
electrozilor detectorului. Am plitudinea im pulsului reprezint ă variația diferen ței de
potențial produsă de colectarea sarcinii electrice produse prin ionizare: , (n=
numărul de electroni, e= sarcina electronului) pe capacitatea C a detectorului: U∆ enQ=
Cen
CQU==∆
Simultan cu procesul ioniz ării are loc și fenom enul invers, de recom binare a
perechilor electron-ion pozitiv, fenom en care duce la neutralizarea purt ătorilor de sarcin ă
liberi și la m icșorarea sarcinii colectate.
2

Dependen ța am plitudinii im pulsurilor de m ărimea tensiunii aplicate detectorului
este arătată în figura 2. Pornind de la tensiunea zero, pe m ăsură ce tensiunea cre ște, scade
viteza proceselor de recom binare, câm pul electric reu șind să separe perechile ion pozitiv-
electron m ai repede decât tim pul necesar recom binării și, drept urm are, am plitudinea
impulsurilor cre ște (porțiunea . La tensiunea practic to ți electronii form ați sunt
colectați, după care urm ează un palier )1 0U− 1U
()2 1U U− caracteristic fenom enelor de saturare.
Porțiunea este dom eniul de func ționare al cam erelor de ionizare. 2 0U−
Dac ă mărim în continuare tensiunea aplicat ă detectorului constat ăm că, peste o
anum ită tensiune ()2U , am plitudinea im pulsurilor cre ște din nou. Aceast ă creștere se
datorește ionizărilor suplim entare produse în gaz de c ătre electronii produ și inițial prin
iradiere, electronii prim ind de la câm pul electric, între dou ă ciocniri succesive cu atom ii
gazului o energie suficient ă sau m ai mare decât cea necesar ă pentru a produce ionizarea
acestora. Are loc o ionizare în avalan șă care produce m ultiplicări în gaz (raportul dintre
numărul de ioniz ări prin ciocnire cu electronii produ și prin iradiere și numărul acestora
fiind de ordinul 103 – 106.
In acest dom eniu
()3 2U U− am plitudinea
impulsului "m ultiplicat" în
gaz rămâne propor țională
cu numărul de ioni form ați
inițial în gaz și deci
(aproxim ativ) cu energia
particulei ionizate ini țiale.
Acesta este dom eniul de
funcționare al detectoarelor
proporționale.

In dom eniul ()4 3U U−
proporționalitatea nu se m ai păstrează; acest dom eniu nu este folosit pentru detec ție.
In domeniul ( experien ța ne arat ă că amplitudinea im pulsurilor nu
depinde nici de natura particulei in cidente, nici de energia acesteia, ca și cum s-ar produce
o saturare a m ultiplicării în gaz care aduce practic am plificarea tuturor im pulsurilor,
respectiv num ărul de ioni form ați prin m ultiplicare în gaz, la o aceea și valoare final ă de
saturație. Acest lucru se datore ște faptului c ă energia desc ărcării este f urnizată în principal
de generatorul exterior și nu de particulele incidente, c ărora le revine num ai rolul de a
aprinde desc ărcarea. Este dom eniul de lucru al detectorului Geiger-Müller. )5 4U U−
Pentru tensiuni m ai mari decât U, descărcarea ini țiată de particulele incidente se
continuă și după trecerea acestora, desc ărcarea devenind continu ă și putând duce la 5
3

distrugerea detectorului. Caracteristica detectorului înregistrat ă de noi se reduce la cea din
domeniul Geiger-Müller, notat ă în figura 2 cu B.

2.3. Detectorul Geiger-Müller
Detectorul Geiger-Müller este constituit din doi electrozi: catodul, cilindric,
construit din m etal, sticlă metalizată sau grafitat ă, iar anodul fiind un fir m etalic subțire (de
obicei din wolfram , cu diam etrul de 0,1-0,2 m m), situat pe axa cilindrului.
Exist ă detectoare Geiger-Müller cu gaze inerte (de exem plu argon) și vapori
organici, sau gaze inerte și halogeni. Între electrozii detectorului Geiger-Müller se aplic ă o
tensiune electric ă continuă. Pătrunzând în volum ul sensibil al detectorului, radia ția
nucleară electroni, pozitroni, particule înc ărcate, etc.) interac ționează cu atom ii gazului, pe
care îi ionizeaz ă, creând astfel un anum it număr de perechi de ioni pozitivi și electroni.
Ionii pozitivi sunt atra și (colectați) de catod, iar electronii de anod. Ca rezultat în circuitul
detectorului ia na ștere un im puls electric de scurt ă durată care se anuleaz ă atunci când to ți
electronii ajung la anod.
Prin caracteristica unui detector Geiger-Müller se în țelege graficul care exprim ă
dependen ța vitezei de num ărare n a detectorului de tensiunea aplicat ă acestuia, în condi țiile
unui flux constant de particule ajunse la detector (viteza de num ărare se noteaz ă cu n și se
dă în im pulsuri pe m inut).
Alura caracteristicii poate fi urm ărită în figura 3. (Pentru tensiuni m ai mici decât
tensiunea de prag , amplitudinea im pulsurilor produse de detector este m ai mică decât
pragul de sensibilitate al num ărătorului electronic și ca urm are ele nu sunt înregistrate). AU

La sporirea tensiunii
aplicate detectorului peste valoarea
, am plitudinea celor m ai
puternice im pulsuri începe s ă
depășească pragul de sensibilitate
al numărătorului și sunt înregistrate
de acesta. Num ărul de im pulsuri
înregistrate cre ște odată cu valoarea
tensiunii, por țiunea AB a
caracteristicii corespunzând zonei
de m ultiplicare propor țională în gaz. AU
Peste valoarea a tensiunii caracteristica prezint ă un palier; în dom eniul BU C B UU U<<
amplitudinea im pulsurilor produse de detector este practic aceea și, indiferent de tipul și de
energia particulelor incidente, fenom en caracteristic func ționării detectoarelor în regim
4

Geiger-Müller. Fiecare detector Geiger-Müller poate fi caracterizat prin panta palierului,
care se exprim ă în procente de varia ție (relativ ă) a vitezei de num ărare la suta de vol ți de
palier. Dac ă la tensiunea U corespunde viteza de num ărare n, iar la tensiunea U U∆+
corespunde viteza , atunci viteza de num ărare m edie este: n n∆+
()
2 2nnnn n∆+=∆++=n ( 1)
iar variația relativa a vitezei, în procente este:
[]%100
2100nnn
nn
∆+∆=∆ ( 2)
Var iația corespunde doar la o varia ție n∆ U∆a tensiunii. La o varia ție a tensiunii
de va corespunde o varia ție a vitezei de num ărare de V100 U∆/100 ori m ai mare, deci
panta va fi:
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
∆+∆
∆=V nnn
US100%10
21 4 ( 3)
Panta detectorului Geiger-Müller are valori cuprinse între () V 100/%122− , iar
palierul se întinde pe . La tensiuni m ai mari decât avalanșele secundare
care apar în detector produc o cre ștere m ai rapidă a vitezei de num ărare. Peste valoarea
descărcarea devine continu ă și apare pericolul deterior ării detectorului. De aceea este
interzisă depășirea acestei valori la ridicarea experim entală a caracteristicii. V 300 200− CU
DU
Detectoarele au un tim p de via ță lim itat, putând inregistra doar
impulsuri, dup ă care caracteristica de num ărare se altereaz ă treptat; palierul se m icșorează
în tim p ce panta lui cre ște. De aceea în exploatare este indicat ă verificarea periodic ă a
caracteristicii de num ărare a detectoarelor. 9 810 10−
Tensiunea de lucru se alege în prim a jumătate a palierului, iar valoarea ei depinde
de tipul detectorului fiind de aroxim ativ pentru detectoarele ce au ca gaz de
extincție un halogen și pentru detectoarele cu gaz de extinc ție organic. V 400
V 1700 800−

3. Descierea instala ției experimentale
Sistem ul de detectare al radia ției nucleare em ise de o surs ă radioactiv ă cuprinde un
detector și o instala ție electronic ă auxiliară. În detectorul de radia ții se produce procesul de
interacțiune prin care particula incident ă își cedează energia (par țial sau total), energie pe
care detectorul o tansform ă în sem nal electric.
Instala ția electronic ă auxiliară prim ește im pulsurile de la detector indicându-se fie
numărul total de im pulsuri prim ite pe durata înregistr ării (regim de numărător), fie num ărul
de im pulsuri prim ite în unitatea de tim p sau o m ărime proporțională cu acest num ăr (regim
de cadențmetru sau de integrator).
5

Func ționarea unui num ărător electronic poate fi urm ărită cu ajutorul schem ei bloc
date în figura 4.

fig. 4

Impulsurile sosite de
la detectorul D, care este
alimentat de la sursa de
înaltă tensiune SIT, sunt
culese pe rezisten ța R, trec
prin condensatorul de
blocare a com ponentei de
curent continuu C și sunt
apoi am plificate în etajul A.
Circuitul de standardizare S
aduce toate im pulsurile la aceea și durată. Dispozitivul electronic de divizare AE con ține de
obicei și un sistem de afișare cu becuri de neon SAF, care ne indic ă – în lim itele capacit ății
sale m axime de înm agazinare (de ex. 63 sau 99) – num ărul de im pulsuri prim ite. Fiecare al
64-lea im puls (în sistem binar) sau al 100-lea im puls (în sistem zecim al) acționează un
dispozitiv num it (contor) electrom agnetic CEM. Necesitatea dispozitivului electronic de
divizare prealabil ă s-a im pus datorit ă faptului c ă dispozitivul electrom agnetic are o iner ție
relativ însem nată și nu poate r ăspunde fidel în cazul vitezelor de num ărare m ari.

4. Modul de lucru
Se va ridica experim ental caracteristica de num ărare a detectorului Geiger-Müller
pentru dou ă regim uri:
a) în absen ța sursei radioactive, în care caz im pulsurile se datoresc num ai fondului de
radiație;
b) sub acțiunea radia țiilor em ise de sursa radioactiv ă.
Plecând de la valoarea m inimă a tensiunii, cu num ărătorul pornit, se m ărește treptat
tensiunea aplicat ă detectorului pân ă când apar prim ele im pulsuri sem nalate de num ărător.
Aceasta înseam nă că a fost dep ășită tensiunea de prag. Se m ai mărește puțin tensiunea
(până când indicatorul voltm etrului ajunge în dreptul diviziunii im ediat urm ătoare) și se
face prim a înregistrare a fondului, pe durata a 5 m inute. Apoi se variaz ă tensiunea din
diviziune în diviziune (intervalul dintre dou ă diviziuni poate fi 25V, 40V sau 50V, dup ă
tipul num ărătorului) și pentru fiecare valoare se face o înregistrare de 5 m inute. Din datele
6

obținute se determ ină întinderea palierului. C reșterea tensiunii se opre ște atunci când
viteza de num ărare depășește de 2-3 ori viteza de num ărare corespunz ătoare palierului.
În m od analog se repet ă măsurătorile cu surs ă radioactiv ă, fiecare înregistrare
având acum o durată de num ai 2 m inute.
Rezultatele celor dou ă serii de determ inări se trec în urm ătorul tabel, în care
numărul de linii depinde de tensiunea m aximă perm isă pe contor și de rezolu ția de varia ție
a tensiunii (acestea inform ații vor f i oferite de cadrul didactic):

nr. crt. U[V] N[tim p] n[im p/min]

În tabel, N este num ărul total de im pulsuri înregistrate la o determ inare, iar n este
viteza de num ărare corespunz ătoare.

5. Indicații pentru prelucrarea rez ultatelor experimentale
Se trasează grafic cele dou ă caracteristici de num ărare pe hârtie m ilimetrică, cu
ajutorul datelor din tabele. Caracteristicile vor fi trasate prin puncte. Se calculeaz ă panta
pentru fiecare caracteristic ă, folosind rela ția (3).
Referatul va cuprinde un rezum at al teoriei, datele experim entale, cele dou ă
caracteristici și calculul pantelor.

Întrebări :
1. Ce este radioactivitatea? C e sunt radia țiile nucleare?
2. Care este dom eniul de lucru al detectorului Geiger-Müller?
3. Ce aplicații practice ale detectoarelor Geiger-Müller cunoa șteți?
7