蓋革計數(shù)器的結(jié)構(gòu)和原理

蓋革計數(shù)器的原理圖蓋革計數(shù)器(Geiger counter)又叫蓋革-米勒計數(shù)器(Geiger-Müller counter)，是一種用于探測電離輻射的粒子探測器，通常用于探測α粒子和β粒子，也有些型號蓋革計數(shù)器可以探測γ射線及X射線。

蓋革計數(shù)器是根據(jù)射線對氣體的電離性質(zhì)設(shè)計成的。其探測器(稱“蓋革管”)的通常結(jié)構(gòu)是在一根兩端用絕緣物質(zhì)密閉的金屬管內(nèi)充入稀薄氣體(通常是摻加了鹵素的稀有氣體，如氦、氖、氬等)，在沿管的軸線上安裝有一根金屬絲電極，并在金屬管壁和金屬絲電極之間加上略低于管內(nèi)氣體擊穿電壓的電壓。這樣在通常狀態(tài)下，管內(nèi)氣體不放電;而當(dāng)有高速粒子射入管內(nèi)時，粒子的能量使管內(nèi)氣體電離導(dǎo)電，在絲極與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放電現(xiàn)象，從而輸出一個脈沖電流信號。通過適當(dāng)?shù)剡x擇加在絲極與管壁之間的電壓，就可以對被探測粒子的最低能量，從而對其種類加以甄選。蓋革計數(shù)器也可以用于探測γ射線，但由于蓋革管中的氣體密度通常較小，高能γ射線往往在未被探測到時就已經(jīng)射出了蓋革管，因此其對高能γ射線的探測靈敏度較低。在這種情況下，碘化鈉閃爍計數(shù)器則有更好的表現(xiàn)。

蓋革計數(shù)器的發(fā)展歷史

蓋革計數(shù)器最初是在1908年由德國物理學(xué)家漢斯·蓋革和著名的英國物理學(xué)家盧瑟福在α粒子散射實驗中，為了探測α粒子而設(shè)計的。后來在1928年，蓋革又和他的學(xué)生米勒(Walther Müller)對其進(jìn)行了改進(jìn)[1]，使其可以用于探測所有的電離輻射。1947年，美國人Sidney H. Liebson在其博士學(xué)位研究中又對蓋革計數(shù)器做了進(jìn)一步的改進(jìn)[2]，使得蓋革管使用較低的工作電壓，并且顯著延長了其使用壽命。這種改進(jìn)也被稱為“鹵素計數(shù)器”。1964年，在美國和德國都有了成熟技術(shù)，并且有專業(yè)的生產(chǎn)廠家開始量產(chǎn)。蓋革計數(shù)器因為其造價低廉、使用方便、探測范圍廣泛，至今仍然被普遍地使用于核物理學(xué)、醫(yī)學(xué)、粒子物理學(xué)及工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代蓋革-米勒計數(shù)器已開始采用大規(guī)模集成電路代替了當(dāng)年的三極管驅(qū)動發(fā)聲器件的方式實現(xiàn)有效計數(shù)并可計算出相應(yīng)的輻照強(qiáng)度及累積受輻照量，并可通過顯示設(shè)備精確顯示出來。

氣體電離探測器。是H.蓋革和P.米勒在1928年發(fā)明的。與正比計數(shù)器類似，但所加的電壓更高。帶電粒子射入氣體，在離子增殖過程中，受激原子退激，發(fā)射紫外光子，這些光子射到陰極上產(chǎn)生光電子，光電子向陽極漂移，又引起離子增殖，于是在管中形成自激放電。為了使之能夠計數(shù)，計數(shù)器中充有有機(jī)氣體或鹵素蒸氣，能吸收光子，起到猝熄作用。蓋革-米勒計數(shù)器優(yōu)點是靈敏度高，脈沖幅度大，缺點是不能快速計數(shù)。1908年，德國物理學(xué)家蓋革(Hans Wilhelm Geiger,1882-1945)(左圖)按照盧瑟福(E. Ernest Rutherford，1871～1937)的要求，設(shè)計制成了一臺α粒子計數(shù)器。盧瑟福和蓋革利用這一計數(shù)器對α粒子進(jìn)行了探測。

1909年蓋革和馬斯登(Ernest Marsden，1889-1970)在實驗中發(fā)現(xiàn)α粒子碰在金箔上偶爾會發(fā)生極大角度的偏折。盧瑟福對這個實驗的各種參數(shù)作了詳細(xì)分析，于1911年提出了原子的有核模型。從1920年起，蓋革和德國物理學(xué)家米勒(E. Walther Muller，1905-1979)對計數(shù)器作了許多改進(jìn)，靈敏度得到很大提高，被稱為蓋革-米勒計數(shù)器，應(yīng)用十分廣泛。蓋革-米勒計數(shù)器是根據(jù)射線能使氣體電離的性能制成的，是最常用的一種金屬絲計數(shù)器。兩端用絕緣物質(zhì)封閉的金屬管內(nèi)貯有低壓氣體，沿管的軸線裝了金屬絲，在金屬絲和管壁之間用電池組產(chǎn)生一定的電壓(比管內(nèi)氣體的擊穿電壓稍低)，管內(nèi)沒有射線穿過時，氣體不放電。當(dāng)某種射線的一個高速粒子進(jìn)入管內(nèi)時，能夠使管內(nèi)氣體原子電離，釋放出幾個自由電子，并在電壓的作用下飛向金屬絲。 這些電子沿途又電離氣體的其它原子，釋放出更多的電子。越來越多的電子再接連電離越來越多的氣體原子，終于使管內(nèi)氣體成為導(dǎo)電體，在絲極與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放電現(xiàn)象。從而有一個脈沖電流輸入放大器，并由接于放大器輸出端的計數(shù)器接受。計數(shù)器自動地記錄下每個粒子飛入管內(nèi)時的放電，由此可檢測出粒子的數(shù)目。1937年蓋革和物理學(xué)家利奧·西拉德(Leo Szilard，1898-1964)(右圖)用九個蓋革-米勒計數(shù)器排成一個環(huán)形，測定了宇宙射線的角分布。

蓋革-米勒計數(shù)器是核物理學(xué)和粒子物理學(xué)中不可缺少的探測器，至今仍然是實驗室中敏銳的“眼睛”。