عداد جايجر

هناك نوعان من قراءات الإشعاع المكتشف: عدد الإشعاعات وجرعة الإشعاع .

• يُعدّ عرض عدد الجسيمات أبسط أنواع العرض، حيث يُظهر عدد أحداث التأين المُكتشفة، إما كمعدل عدّ، مثل "عدد العدّات في الدقيقة" أو "عدد العدّات في الثانية"، أو كإجمالي عدد العدّات خلال فترة زمنية محددة (إجمالي متكامل). ويُستخدم عرض عدد الجسيمات عادةً عند اكتشاف جسيمات ألفا أو بيتا.
• يُعدّ عرض معدل جرعة الإشعاع، بوحدات مثل السيفرت ، التي تُستخدم عادةً لقياس معدلات جرعات أشعة غاما أو الأشعة السينية، أكثر تعقيدًا. يستطيع أنبوب جايجر-مولر الكشف عن وجود الإشعاع، لكنه لا يستطيع قياس طاقته ، التي تؤثر على تأثيره المؤين. لذا، تتطلب أجهزة قياس معدل الجرعة استخدام أنبوب جايجر-مولر مُعاوَض الطاقة ، بحيث تتناسب الجرعة المعروضة مع عدد العدّات المُكتشفة. ^{[ 4 ]} تُطبّق الدوائر الإلكترونية عوامل معروفة لإجراء هذا التحويل، وهو خاص بكل جهاز ويُحدّد من خلال التصميم والمعايرة.

يمكن أن تكون القراءة تناظرية أو رقمية، وتوفر الأجهزة الحديثة اتصالات تسلسلية مع جهاز كمبيوتر مضيف أو شبكة.

عادةً ما يتوفر خيار لإصدار نقرات مسموعة تمثل عدد عمليات التأين التي تم رصدها. هذا هو الصوت المميز المرتبط بعدادات جايجر المحمولة. والهدف من ذلك هو تمكين المستخدم من التركيز على استخدام الجهاز مع الاحتفاظ بتغذية راجعة صوتية حول معدل الإشعاع.

هناك قيدان رئيسيان لعداد جايجر:

1. لأن نبضة الخرج من أنبوب جايجر-مولر تكون دائمًا بنفس المقدار (بغض النظر عن طاقة الإشعاع الساقط)، فإن الأنبوب لا يستطيع التمييز بين أنواع الإشعاع أو قياس طاقة الإشعاع، مما يمنعه من قياس معدل الجرعة بشكل صحيح . ^{[ 4 ]}
2. تكون دقة الأنبوب أقل عند معدلات الإشعاع العالية، لأن كل عملية تأين تتبعها فترة "توقف مؤقت"، وهي فترة غير حساسة لا ينتج عنها أي إشعاع إضافي وارد. عادةً، يؤدي التوقف المؤقت إلى خفض معدلات العد المُشار إليها عند تجاوز 10⁴ ^إلى 10⁵ ^عد في الثانية، وذلك تبعًا لخصائص الأنبوب المستخدم. ^{[ 4 ]} في حين أن بعض العدادات مزودة بدوائر إلكترونية قادرة على التعويض عن ذلك، إلا أنه يُفضل استخدام أجهزة غرفة التأين لقياس معدلات الإشعاع العالية جدًا.

كانت أولى الاستخدامات التاريخية لمبدأ جايجر هي الكشف عن جسيمات ألفا وبيتا، ولا يزال الجهاز يُستخدم لهذا الغرض حتى اليوم. بالنسبة لجسيمات ألفا وجسيمات بيتا منخفضة الطاقة، يجب استخدام أنبوب جايجر-مولر من نوع "النافذة الطرفية"، لأن مدى هذه الجسيمات محدود ويمكن إيقافها بسهولة بواسطة مادة صلبة. لذلك، يتطلب الأنبوب نافذة رقيقة بما يكفي للسماح بمرور أكبر عدد ممكن من هذه الجسيمات إلى غاز التعبئة. عادةً ما تُصنع النافذة من الميكا بكثافة تتراوح بين 1.5 و2.0  ملغم/ ^سم² . ^{[ 2 ]}

تتميز جسيمات ألفا بأقصر مدى، وللكشف عنها، يُفضل أن تكون نافذة جهاز الكشف على بُعد 10  مم من مصدر الإشعاع نظرًا لتوهين جسيمات ألفا . ^{[ 2 ]} مع ذلك، يُنتج أنبوب جايجر-مولر نبضة خرج متساوية الشدة لجميع الإشعاعات المُكتشفة، لذا لا يستطيع عداد جايجر المزود بأنبوب نافذة طرفية التمييز بين جسيمات ألفا وجسيمات بيتا. ^{[ 4 ]} يستطيع مُشغل ماهر استخدام المسافة المتغيرة من مصدر الإشعاع للتمييز بين جسيمات ألفا وجسيمات بيتا عالية الطاقة.

أنبوب جايجر-مولر "المسطح" هو نوع من أنواع مسبار النافذة الطرفية، ولكنه مصمم بمساحة كشف أكبر لتسريع عملية الفحص. مع ذلك، فإن ضغط الغلاف الجوي مقابل الضغط المنخفض لغاز التعبئة يحد من حجم النافذة نظرًا لضعف غشاء النافذة.

يمكن أيضًا الكشف عن بعض جسيمات بيتا باستخدام أنبوب جايجر-مولر ذي الجدران الرقيقة "بدون نافذة"، والذي لا يحتوي على نافذة طرفية، ولكنه يسمح لجسيمات بيتا عالية الطاقة بالمرور عبر جدران الأنبوب. على الرغم من أن جدران الأنبوب تتمتع بقدرة إيقاف أكبر من النافذة الطرفية الرقيقة، إلا أنها لا تزال تسمح لهذه الجسيمات الأكثر طاقة بالوصول إلى غاز التعبئة. ^{[ 2 ]}

لا تزال عدادات جايجر ذات النافذة الطرفية تُستخدم كأداة محمولة متعددة الأغراض لقياس وكشف التلوث الإشعاعي ، نظرًا لتكلفتها المنخفضة نسبيًا، ومتانتها، وكفاءتها العالية نسبيًا في الكشف؛ لا سيما مع جسيمات بيتا عالية الطاقة. ^{[ 4 ]} ومع ذلك، للتمييز بين جسيمات ألفا وبيتا أو لتوفير معلومات عن طاقة الجسيمات، ينبغي استخدام عدادات الوميض أو العدادات التناسبية . ^{[ 7 ]} تُصنع هذه الأنواع من الأجهزة بمساحات كاشف أكبر بكثير، مما يعني أن فحص التلوث السطحي أسرع من استخدام عداد جايجر.

تُستخدم عدادات جايجر على نطاق واسع للكشف عن أشعة جاما والأشعة السينية ، والمعروفة مجتمعةً باسم الفوتونات ، ويُستخدم في ذلك أنبوب بدون نافذة. مع ذلك، فإن كفاءة الكشف منخفضة مقارنةً بجسيمات ألفا وبيتا. تتضمن المقالة الخاصة بأنبوب جايجر-مولر شرحًا أكثر تفصيلًا للتقنيات المستخدمة للكشف عن إشعاع الفوتونات. بالنسبة للفوتونات عالية الطاقة، يعتمد الأنبوب على تفاعل الإشعاع مع جدار الأنبوب، والذي عادةً ما يكون مصنوعًا من مادة ذات عدد ذري ​​عالٍ مثل الفولاذ المقاوم للصدأ بسماكة 1-2  مم، لإنتاج إلكترونات حرة داخل جدار الأنبوب، نتيجةً للتأثير الكهروضوئي . إذا هاجرت هذه الإلكترونات خارج جدار الأنبوب، فإنها تدخل إلى غاز التعبئة وتؤينه. ^{[ 4 ]}

يزيد هذا التأثير من كفاءة الكشف لأن الغاز منخفض الضغط داخل الأنبوب يتفاعل بشكل أضعف مع الفوتونات ذات الطاقة العالية مقارنةً بالأنبوب الفولاذي. مع ذلك، كلما انخفضت طاقة الفوتونات، ازداد تفاعل الغاز، وزادت مساهمة التفاعل المباشر مع الغاز. عند الطاقات المنخفضة جدًا (أقل من 25 كيلو إلكترون فولت )، يهيمن تأين الغاز المباشر، ويعمل الأنبوب الفولاذي على إضعاف الفوتونات الساقطة. بالتالي، عند هذه الطاقات، يكون التصميم النموذجي للأنبوب طويلًا بجدار رقيق ويحتوي على حجم غاز أكبر، لزيادة فرصة التفاعل المباشر للجسيم مع غاز التعبئة. ^{[ 2 ]}

فوق مستويات الطاقة المنخفضة هذه، يوجد تباين كبير في الاستجابة لطاقات الفوتونات المختلفة ذات الشدة نفسها، ويستخدم أنبوب ذو جدران فولاذية ما يُعرف بـ"تعويض الطاقة" على شكل حلقات ترشيح حول الأنبوب، في محاولة لتعويض هذه الاختلافات على نطاق واسع من الطاقة. ^{[ 2 ]} تبلغ كفاءة أنبوب جايجر-مولر ذي الجدران الفولاذية حوالي 1% على نطاق واسع من الطاقات. ^{[ 2 ]}

يمكن استخدام نوع مُعدّل من أنبوب جايجر لقياس جرعة الإشعاع الناتجة عن النيوترونات فقط ، بدلاً من أشعة جاما، وذلك عن طريق عملية التقاط النيوترونات . يُحاط الأنبوب، الذي قد يحتوي على غاز التعبئة ثلاثي فلوريد البورون أو الهيليوم-3 ، بمُهدئ بلاستيكي يُخفّض طاقة النيوترونات قبل التقاطها. عند حدوث التقاط في غاز التعبئة، تُسجّل الطاقة المنبعثة في الكاشف.

على الرغم من أن مصطلح "عداد جايجر" يُستخدم عمليًا بشكل مرادف للنوع المحمول، إلا أن مبدأ جايجر يُستخدم على نطاق واسع في أجهزة إنذار "جاما" المثبتة لحماية الأفراد، وكذلك في قياس العمليات وتطبيقات التعشيق. تتميز إلكترونيات المعالجة في هذه الأنظمة بدرجة أعلى من التطور والموثوقية مقارنةً بتلك الموجودة في أجهزة القياس المحمولة.

بالنسبة للوحدات المحمولة باليد، هناك تكوينان فيزيائيان أساسيان: الوحدة "المتكاملة" التي تحتوي على كل من الكاشف والإلكترونيات في نفس الوحدة، والتصميم "المكون من قطعتين" والذي يحتوي على مسبار كاشف منفصل ووحدة إلكترونية متصلة بكابل قصير.

في ثلاثينيات القرن العشرين، أُضيفت نافذة من الميكا إلى التصميم الأسطواني مما سمح بمرور الإشعاع ذي الاختراق المنخفض بسهولة. ^{[ 8 ]}

تتيح الوحدة المتكاملة التشغيل بيد واحدة، مما يسمح للمشغل باستخدام يده الأخرى لأغراض السلامة الشخصية في مواقع المراقبة الصعبة. أما التصميم المكون من قطعتين فيسهل التعامل مع الكاشف، ويُستخدم عادةً لمراقبة التلوث السطحي الناتج عن جسيمات ألفا وبيتا، حيث يتطلب الأمر دقة في التعامل مع المجس أو قد يُعيق وزن وحدة الإلكترونيات عملية التشغيل. تتوفر كواشف بأحجام مختلفة لتناسب ظروفًا محددة، مثل وضع المجس في فتحات صغيرة أو أماكن ضيقة.

تستخدم أجهزة الكشف عن أشعة غاما والأشعة السينية عمومًا تصميمًا "متكاملًا" بحيث يكون أنبوب جايجر-مولر داخل غلاف الإلكترونيات. ويمكن تحقيق ذلك بسهولة لأن الغلاف عادةً ما يكون ذا امتصاص منخفض للإشعاع، ويُستخدم في قياسات أشعة غاما المحيطة حيث لا تُشكل المسافة من مصدر الإشعاع عاملًا مهمًا. ومع ذلك، ولتسهيل القياسات الموضعية، مثل "جرعة السطح"، يُشار أحيانًا إلى موضع الأنبوب داخل الغلاف بعلامات عليه، ما يسمح بإجراء قياس دقيق مع وضع الأنبوب في الاتجاه الصحيح وعلى مسافة معلومة من السطح.

يوجد نوع خاص من أجهزة قياس أشعة غاما يُعرف باسم كاشف "البقعة الساخنة"، حيث يكون أنبوب الكاشف مثبتًا في نهاية عمود طويل أو أنبوب مرن. تُستخدم هذه الأجهزة لقياس مواقع أشعة غاما ذات الإشعاع العالي مع حماية المشغل عن طريق التدريع عن بُعد.

يمكن استخدام تقنية الكشف عن جسيمات ألفا وبيتا في كلٍ من الأجهزة المتكاملة والأجهزة ثنائية القطع. يُستخدم عادةً مسبار مسطح (لجسيمات ألفا/بيتا) لزيادة مساحة الكشف في الأجهزة ثنائية القطع مع الحفاظ على وزنها الخفيف نسبيًا. في الأجهزة المتكاملة التي تستخدم أنبوب نافذة طرفية، توجد نافذة في جسم الغلاف لمنع حجب الجسيمات. كما توجد أجهزة هجينة مزودة بمسبار منفصل للكشف عن الجسيمات وأنبوب للكشف عن أشعة غاما داخل وحدة الإلكترونيات. ويمكن للمشغل التبديل بين الكواشف حسب نوع الإشعاع المراد قياسه.

في المملكة المتحدة، أصدر المجلس الوطني للحماية من الإشعاع مذكرة إرشادية للمستخدمين حول اختيار أفضل نوع من الأجهزة المحمولة لتطبيق قياس الإشعاع المعني. ^{[ 7 ]} وتشمل هذه المذكرة جميع تقنيات أجهزة الحماية من الإشعاع، وتتضمن دليلاً لاستخدام كاشفات جايجر-مولر.