Licznik G-M (Geigera-Müllera) należy do grupy detektorów promieniowania jonizującego. Jest on detektorem gazowym, liczącym — oznacza to, że zdolny jest jedynie oszacować liczbę cząstek jonizujących, ale nie mówi nic o ich przebiegu wewnątrz komory ani o ich energii.
Detektor gazowy stanowi układ dwóch elektrod, do których przykłada się napięcie stałe. Są one zamknięte we wspólnej obudowie wypełnionej gazem i czasem zaopatrzonej w cienkie okienko z miki. Ciśnienie i rodzaj gazu zależą od detektora, podobnie jak wartość przyłożonego napięcia. Promieniowanie jonizujące, zarówno korpuskularne, jak i elektromagnetyczne (promieniowanie X i γ), oddziałując z gazem zawartym wewnątrz detektora powoduje powstawanie w komorze jonów obydwu znaków oraz elektronów.
Licznik Geigera-Müllera pracuje na stałych napięciach rzędu 800-1200 V. Wnętrze tego licznika jest wypełnione gazem, np. powietrzem, argonem czy wodorem pod ciśnieniem rzędu 12-13 kPa. Anodę licznika stanowi cienki (o średnicy rzędu 0,025 mm) drucik metalowy, katodę — metalowy walec otaczający anodę. Najczęściej jest to warstwa metalu, napylona na wewnętrznej ściance walcowatej rurki szklanej, w której zamknięte są obie elektrody. Drucik stanowiący anodę może rozciągać się wzdłuż całego licznika lub kończyć się małą kuleczką (w licznikach okienkowych, tzn. zaopatrzonych w okienko). Z takiego układu elektrod wynika, że pole wewnątrz licznika nie jest jednorodne. Największe natężenie pola występuje w pobliżu anody.
Komora licznika podłączona jest do zasilacza, utrzymującego napięcie między elektrodami, w którego obwód włączony jest opór R. Między tym układem a wzmacniaczem (urządzeniem wzmacniającym impulsy przekazywane do przelicznika) znajduje się kondensator, którego rola polega na zatrzymywaniu składowej stałej napięcia zasilającego. Po przejściu przez kondensator i wzmacniacz impulsy przekazywane są do przelicznika. Urządzenie to rejestruje liczbę impulsów w układzie dwójkowym lub dekadowym (co 4, 16, 64 lub 10, 100, 1000) i w takim kształcie przekazuje ją do urządzenia zliczającego — numeratora. Obecność przelicznika jest niezbędna przy dużych natężeniach promieniowania jonizującego, ponieważ numeratory mechaniczne niezdolne są zarejestrować dużej liczby bardzo często następujących po sobie impulsów. Przelicznik, przekazując do numeratora co czwarty lub co dziesiąty itp. impuls, umożliwia płynność działania całego układu.
ZASADA DZIAŁANIA LICZNIKA G-M
Mechanizm działania licznika jest następujący: gdy do komory licznika wejdzie naładowana cząstka promieniowania korpuskularnego o dostatecznie dużej energii, wywoła ona bezpośrednią jonizację gazu wypełniającego komorę. Podobny efekt może wywrzeć pojawienie się tam fotonu promieniowania X lub γ — przy zderzeniu z katodą foton powoduje uwolnienie fotoelektronu, który przyspieszany w polu elektrycznym na drodze do anody jest źródłem wtórnej jonizacji atomów gazu.
Powstałe w procesie jonizacji (bezpośredniej lub wtórnej) jony obu znaków i elektrony są przyspieszane w polu między elektrodami. Uzyskana przez nie energia podczas ich zderzeń z kolejnymi obojętnymi atomami powoduje dalszą jonizację gazu. Efektem wpadnięcia pojedynczej cząstki lub fotonu o odpowiednio wysokiej energii do komory licznika jest zatem proces jonizacji lawinowej.
Jonizacja lawinowa zachodzi głównie w pobliżu anody, więc w krótkim czasie gromadzi się wokół niej warstwa mało ruchliwych jonów dodatnich. Nie nadążają one z przejściem do katody w czasie, gdy szybkie elektrony docierają do anody, co powoduje powstawanie warstwy przestrzennego ładunku dodatniego. Obecność tej warstwy na chwilę przerywa wyładowanie. Gdyby jednak jony dodatnie dotarły do katody, proces jonizacji lawinowej rozpocząłby się od nowa. Aby licznik mógł prawidłowo działać, należy temu zapobiec.
Impuls pochodzący od pojedynczej cząstki jonizującej musi zatem zostać wygaszony. W tak zwanych licznikach samogasnących dokonuje się to dzięki obecności dużych (wieloatomowych) cząsteczek, np. par alkoholi, metanu i innych ciężkich cząsteczek organicznych, domieszanych do gazu wypełniającego komorę licznika. Jony dodatnie ulegają zobojętnieniu na tych cząsteczkach — a te z kolei docierają do katody, ale nie powodują efektów jonizacyjnych, ponieważ nadmiar pobranej przez nie energii zużywany jest najczęściej na dysocjację. W licznikach niesamogasnących w celu przerwania wyładowania stosuje się duży opór (rzędu 109 Ω) umieszczony w obwodzie zasilającym. Podczas przepływu impulsu prądu wyładowania na oporze tym powstaje tak duży spadek potencjału, że napięcie między elektrodami okazuje się zbyt małe do potrzymania wyładowania.
Czas trwania pojedynczego impulsu w licznikach samogasnących jest rzędu 10-4 s. Gdyby w tym czasie do komory licznika weszła nowa cząstka jonizująca, jej obecność nie zostałaby zarejestrowana. Czas trwania impulsu nazywamy zatem czasem martwym licznika, ponieważ dopiero po jego upływie licznik zdolny jest zarejestrować następne cząstki.
Zmiany napięcia na oporze R spowodowane przez impulsy przekazywane są do wzmacniacza poprzez kondensator C, a następnie — po wzmocnieniu — do przelicznika i numeratora.
CHARAKTERYSTYKA LICZNIKA G-M
Charakterystyką licznika nazywamy wykres zależności liczby impulsów rejestrowanych w nim w jednostce czasu (czyli tzw. szybkość liczenia) od napięcia zasilającego. Charakterystykę tę przedstawia poniższy schemat:
Jak widać, licznik zaczyna rejestrować cząstki w chwili, gdy napięcie zasilające osiągnie pewną wartość, nazywaną wartością progową VA. W obszarze napięć AB następuje gwałtowny wzrost szybkości liczenia nawet przy bardzo małych zmianach napięcia. Część krzywej BC nosi nazwę plateau licznika. Widzimy, że w tym obszarze napięć szybkość zliczania zależy od wartości napięcia bardzo nieznacznie. W obszarze CD następuje ponowny wzrost szybkości liczenia. Natężenie prądu w liczniku gwałtownie rośnie, co może prowadzić do jego zniszczenia.
Napięcie, na jakim licznik pracuje, dobiera się zatem tak, aby odpowiadało ono środkowi plateau. Nazywamy je napięciem roboczym licznika lub napięciem pracy.
PROMIENIOWANIE γ
Promieniowanie γ (promieniowanie gamma) powstaje przy przejściu jądra ze stanu wzbudzonego do podstawowego lub do stanu wzbudzonego o energii mniejszej niż stan wyjściowy. Z falowego punktu widzenia są to fale elektromagnetyczne o bardzo dużej częstotliwości, z punktu widzenia korpuskularnego — fotony niosące dużą ilość energii. Energia takiego fotonu równa się różnicy energii jądra przed i po emisji. Emisja kwantów promieniowania γ towarzyszy zazwyczaj (choć nie zawsze) przemianom α i β.
Promieniowanie γ niesie ze sobą ogromną ilość energii. Zasięg tego promieniowania w materii i jego przenikliwość jest bardzo duża, niewielka jest natomiast jego zdolność jonizacyjna. Może ono jednak, podobnie jak promieniowanie X, być źródłem jonizacji wtórnej — fotony promieniowania γ oddziałują z materią, indukując powstawanie powodujących ten proces fotoelektronów.
Podczas przechodzenia przez materię promieniowanie γ traci energię zarówno w zjawisku fotoelektrycznym, jak i w zjawiskach Comptona i tworzenia par elektron – pozyton.
ODDZIAŁYWANIE NEUTRONÓW Z MATERIĄ
Działając na żywą tkankę, neutrony biorą udział w jednym z trzech procesów: zderzeniu sprężystym z jądrami atomów absorbentu, zderzeniu niesprężystym lub wychwycie przez jądro atomowe absorbentu.
Zderzenie sprężyste zachodzi wówczas, gdy suma energii kinetycznych rozproszonego neutronu i jądra atomu biorącego udział w zderzeniu jest równa energii neutronu przed zderzeniem. W bezpośrednim zderzeniu z jądrem lekkiego atomu (tzw. jądrem odskoku) neutron przekazuje mu znaczną część swej energii kinetycznej. W tkankach żywych jądrami odskoku — oprócz jąder tlenu, azotu i węgla — najczęściej są jądra atomów wodoru, czyli protony. Ze względu na niewielką różnicę mas tych dwu cząstek elementarnych, w pewnych przypadkach proton może przejąć całkowitą energię neutronu i rozpocząć proces jonizacji. Neutrony zatem nie jonizują tkanki bezpośrednio, lecz za pośrednictwem protonów.
W zderzeniach niesprężystych nie zachodzi równość energii cechująca zderzenia sprężyste. Neutron przekazuje część swej energii kinetycznej jądrom atomów absorbentu, które w związku z tym przechodzą w stan wzbudzania. Powracając do stanu podstawowego, jądra te wysyłają jeden lub kilka kwantów promieniowania γ.
Wychwyt neutronu przez jądro atomowe absorbentu powoduje zwiększenie masy danego atomu o 1 u, co odpowiada przejściu atomu w cięższy izotop, zazwyczaj nietrwały.