蓋革-米勒計(jì)數(shù)器（Geiger-Muller counter），又稱蓋革計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)器，是一種常用的金屬絲計(jì)數(shù)器，根據(jù)射線能使氣體電離的性能制成，是一種用于探測(cè)電離輻射的粒子探測(cè)器。
1908年，德國(guó)物理學(xué)家蓋革（Hans Wilhelm Geiger）設(shè)計(jì)制成一臺(tái)α粒子計(jì)數(shù)器。1909年，蓋革和馬斯登發(fā)現(xiàn)α粒子碰在金箔上偶爾會(huì)發(fā)生極大角度的偏折，后歐內(nèi)斯特·盧瑟福于1911年提出原子的有核模型。1925年，蓋革繼續(xù)研究新的計(jì)數(shù)裝置。1928年7月，蓋革和米勒以1908年共軸金屬絲原理為基礎(chǔ)，大大提高計(jì)數(shù)器的靈敏度，由此蓋革-米勒計(jì)數(shù)器誕生。19世紀(jì)30年代至40年代，蓋革-米勒計(jì)數(shù)器經(jīng)歷氣體混合物的優(yōu)化、金屬管的材料和形狀的改進(jìn)等改進(jìn)和發(fā)展。19世紀(jì)50至60年代，隨著核能計(jì)數(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，蓋革-米勒計(jì)數(shù)器得到廣泛應(yīng)用。19世紀(jì)70年代后，蓋革-米勒計(jì)數(shù)器仍然在不斷地發(fā)展和改進(jìn)，產(chǎn)生了包括新的氣體混合物的應(yīng)用、探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和材料的改進(jìn)、數(shù)字電子學(xué)技術(shù)的應(yīng)用等改進(jìn)。
蓋革-米勒計(jì)數(shù)器有各種不同的結(jié)構(gòu)，常用的有圓柱形和鐘罩形兩種。該計(jì)數(shù)器根據(jù)射線電離原理制成，使用蓋革-米勒管中產(chǎn)生的電離效應(yīng)來檢測(cè)電離輻射，例如 α 粒子、β 粒子和γ射線，廣泛應(yīng)用于輻射劑量學(xué)、輻射防護(hù)、實(shí)驗(yàn)物理和核工業(yè)等領(lǐng)域，早期也用于核醫(yī)學(xué)射線測(cè)量。
歷史沿革
1908年，德國(guó)物理學(xué)家蓋革（Hans Wilhelm Geiger，1882-1945）按照歐內(nèi)斯特·盧瑟福（E.?Ernest?Rutherford，1971-1937）的要求，設(shè)計(jì)制成了一臺(tái)α粒子計(jì)數(shù)器。盧瑟福和蓋革利用這一計(jì)數(shù)器對(duì)α粒子進(jìn)行了探測(cè)。1909年，蓋革和馬斯登（ErnestMarsden，1889-1970）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)α粒子碰在金箔上偶爾會(huì)發(fā)生極大角度的偏折。盧瑟福對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)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。
1925年，蓋革到基爾大學(xué)任教，繼續(xù)研究新的計(jì)數(shù)裝置。1928年7月，蓋革在澄清他的學(xué)生米勒（E.?Walther?Muller，1905-1979）在研究中遇到的不規(guī)則情況時(shí)，以1908年共軸金屬絲原理為基礎(chǔ)，改進(jìn)計(jì)數(shù)器大大提高了它的靈敏度，使輸出的脈沖與初始電離無關(guān)，通過使二次雪崩快速猝滅，恢復(fù)時(shí)間縮短，中心金屬絲的結(jié)構(gòu)得到改進(jìn)，可以將信號(hào)放大到足以觸發(fā)一個(gè)機(jī)械計(jì)數(shù)器，這就成為了蓋革-米勒計(jì)數(shù)器（簡(jiǎn)稱蓋革計(jì)數(shù)器或G-M計(jì)數(shù)器）。這一裝置經(jīng)過改進(jìn)變得更緊湊，便于攜帶和用途更廣泛，適應(yīng)了實(shí)驗(yàn)室的粒子探測(cè)和計(jì)數(shù)的要求。
19世紀(jì)30年代至40年代，蓋革-米勒計(jì)數(shù)器經(jīng)歷了一系列的改進(jìn)和發(fā)展。這些改進(jìn)包括氣體混合物的優(yōu)化、金屬管的材料和形狀的改進(jìn)、以及電子學(xué)計(jì)數(shù)的進(jìn)步等。這些改進(jìn)使得蓋革-米勒計(jì)數(shù)器的靈敏度和測(cè)量精度得到了顯著提高，同時(shí)也拓展了它的應(yīng)用領(lǐng)域。期間，蓋革和米勒還用蓋革-米勒計(jì)數(shù)器排成一個(gè)環(huán)形，測(cè)定了宇宙射線的角分布。
19世紀(jì)50至60年代，隨著核能計(jì)數(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，蓋革-米勒計(jì)數(shù)器得到了廣泛的應(yīng)用。蓋革-米勒計(jì)數(shù)器可以測(cè)量放射性物質(zhì)的輻射強(qiáng)度、檢測(cè)射線源、以及研究宇宙射線等領(lǐng)域。同時(shí)，蓋革-米勒計(jì)數(shù)器也被用于核反應(yīng)堆的輻射監(jiān)測(cè)和核電站的安全控制等領(lǐng)域。
19世紀(jì)70年代后，蓋革-米勒計(jì)數(shù)器仍然在不斷地發(fā)展和改進(jìn)。這些改進(jìn)包括新的氣體混合物的應(yīng)用、探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和材料的改進(jìn)、以及數(shù)字電子學(xué)技術(shù)的應(yīng)用等。這些改進(jìn)使得蓋革-米勒計(jì)數(shù)器的應(yīng)用領(lǐng)域得到了更廣泛的拓展，包括醫(yī)學(xué)、輻射防護(hù)和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。同時(shí)，蓋革-米勒計(jì)數(shù)器也被用于設(shè)計(jì)和研發(fā)其他放射線探測(cè)器和相關(guān)設(shè)備，如正電子發(fā)射斷層掃描儀（PET）和計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（CT）等。現(xiàn)代蓋革-米勒計(jì)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(dòng)發(fā)聲器件的方式實(shí)現(xiàn)有效計(jì)數(shù)，并可計(jì)算出相應(yīng)的輻照強(qiáng)度及累積受輻照量，通過顯示設(shè)備精確顯示出來。
結(jié)構(gòu)
一個(gè)完整的蓋革-米勒計(jì)數(shù)系統(tǒng)，是由蓋革-米勒計(jì)數(shù)器、高壓電源和定標(biāo)器組成，而蓋革-米勒計(jì)數(shù)器是系統(tǒng)的核心部分。蓋革-米勒計(jì)數(shù)器有各種不同的結(jié)構(gòu)，常用的有圓柱形和鐘罩形兩種。探測(cè)α射線和β射線，多采用鐘罩形的或薄壁圓柱形的計(jì)數(shù)器；探測(cè)α射線，一般采用厚壁圓柱形計(jì)數(shù)器。
常見的圓柱形計(jì)數(shù)器（稱“蓋革管”），為一兩端用絕緣物質(zhì)密閉的金屬管（或密封的玻璃管，有的直接用金屬管作陰極，而不再用玻璃管），中間一條細(xì)鎢絲作為陽極，玻璃管內(nèi)壁涂上一層導(dǎo)電物質(zhì)或另外放進(jìn)一金屬圓管作為陰極。鐘罩形中間一條細(xì)鎢絲作陽極，金屬圓罩作陰極，底部用云母片作窗口。計(jì)數(shù)器內(nèi)充有低氣壓的惰性氣體（如氬[yà]、氖[nǎi]、氪[kè]等）作工作氣體，同時(shí)加入少量的猝滅氣體。如果加入的氣體是酒精等有機(jī)氣體，這類計(jì)數(shù)器稱有機(jī)管；如果加入氯等鹵素氣體，則稱鹵素管。
工作原理
蓋革-米勒計(jì)數(shù)器工作時(shí)，在陽極和陰極之間加有高壓，因而在計(jì)數(shù)器內(nèi)建立了一柱狀對(duì)稱電場(chǎng)，并在陽極附近形成強(qiáng)電場(chǎng)。通常狀態(tài)下，管內(nèi)氣體不放電；當(dāng)帶電粒子射線進(jìn)入計(jì)數(shù)管后，即與管內(nèi)氣體分子碰撞，使氣體分子電離產(chǎn)生次級(jí)電子。次級(jí)電子在電場(chǎng)的作用下又與其他氣體分子碰撞產(chǎn)生多個(gè)次級(jí)電子。當(dāng)它們快到陽極時(shí)，次級(jí)電子急劇倍增，產(chǎn)生“雪崩”現(xiàn)象。這個(gè)“雪崩”馬上引起沿著陽極整條線上的“雪崩”。此時(shí)在絲極與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放電現(xiàn)象，放電產(chǎn)生的電流脈沖經(jīng)電阻R，在R兩端產(chǎn)生一電壓脈沖。脈沖的幅度與所加電壓和電阻R阻值有關(guān)，電壓高，則脈沖幅度大；電阻大，脈沖幅度大而寬。如果射入計(jì)數(shù)器的射線不是帶電粒子，而是γ射線，則并非是射線直接與工作氣體作用，而是與電極和管壁相互作用，產(chǎn)生次級(jí)電子。再由次級(jí)電子使氣體分子電離而產(chǎn)生雪崩放電。
只要在計(jì)數(shù)器電極上加上適當(dāng)?shù)碾妷海肷涞纳渚€具有的能量某一值，都可使氣體分子電離，產(chǎn)生雪崩放電。因此，蓋革-米勒計(jì)數(shù)器只能探測(cè)射線的存在與否，而不能區(qū)別射線的性質(zhì)。（若利用吸收物質(zhì)再管外對(duì)軟射線的吸收，例如對(duì)β射線的吸收，它仍可達(dá)到區(qū)分某些不同射線的目的，例如β與γ射線）
在雪崩放電過程中，產(chǎn)生了大量的離子對(duì)和激發(fā)態(tài)的氣體分子。激發(fā)態(tài)分子在退激時(shí)發(fā)射紫外光子（離子對(duì)在復(fù)合時(shí)也可能發(fā)射光子）。這些光子打在陰極上會(huì)產(chǎn)生光電子。光電子在電場(chǎng)作用下又會(huì)產(chǎn)生雪崩過程，計(jì)數(shù)管再度輸入脈沖。這樣，一個(gè)粒子射入計(jì)數(shù)管就會(huì)多次雪崩放電，且雪崩放電不能停止。為了建立起計(jì)數(shù)管的輸出脈沖與射入計(jì)數(shù)管的射線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在計(jì)數(shù)管內(nèi)加入少量的有機(jī)氣體或鹵族元素氣體。這些氣體對(duì)惰性氣體分子退激和離子對(duì)復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的光子吸收能力較高。這樣，就不會(huì)有光電子產(chǎn)生，從而使雪崩過程猝死。
主要特性
坪曲線
當(dāng)計(jì)數(shù)管在強(qiáng)度不變的放射源照射下，其計(jì)數(shù)率隨工作電壓變化，此曲線稱為計(jì)數(shù)管的坪曲線。如下圖所示，V為計(jì)數(shù)管的起始計(jì)數(shù)電壓，V1至V2為坪區(qū)間，V2-V1為坪長(zhǎng)；在坪區(qū)內(nèi)計(jì)數(shù)率隨電壓增加稍有上升，形成曲線的坡度，該坡度稱為坪斜，計(jì)算公式為：e=[(m2-m1)/(m2+m1)/2]/[(V2-V1)%V-1]
坪曲線是衡量計(jì)數(shù)管性能的重要特性。使用計(jì)數(shù)管必須先測(cè)定它的坪曲線，以便鑒別計(jì)數(shù)管的質(zhì)量和確定工作電壓（工作電壓應(yīng)在坪區(qū)內(nèi)選擇，一般選擇在坪的中部1/3~1/2之間）
分辨時(shí)間和計(jì)數(shù)率的校正
射線粒子進(jìn)入計(jì)數(shù)管引起雪崩放電，放電后，在陽極附近的空間留下大量的正離子，形成了一個(gè)正離子鞘。正離子鞘的形成使陰極附近的電場(chǎng)下降，隨著正離子鞘向陰極移動(dòng)，經(jīng)過一半時(shí)間t后，電場(chǎng)才能逐漸恢復(fù)。在這段時(shí)間內(nèi)，如有射線粒子進(jìn)入，則不再引起放電形成脈沖。這段時(shí)間td稱為死時(shí)間或失效時(shí)間。
經(jīng)過死時(shí)間后，射入計(jì)數(shù)管的射線粒子可引起放電形成脈沖，但由于陽極附近的電場(chǎng)還未完全恢復(fù)，脈沖幅度仍小于正常值。需再經(jīng)過時(shí)間tr后，陽極附近的電場(chǎng)才能恢復(fù)正常，射線粒所引起的脈沖幅度才能完全恢復(fù)正常值。時(shí)間tr稱為恢復(fù)時(shí)間。一般td在50~150μs，tr在100~500μs范圍內(nèi)。這些值有機(jī)管小一些，鹵素管大一些。tr和td可用示波器觀測(cè)。
由于計(jì)數(shù)率是用定標(biāo)器記錄的，定標(biāo)器有一定的觸發(fā)閾V，即計(jì)數(shù)管輸出的脈沖的幅度必須大于V，才能觸發(fā)定標(biāo)器記錄下來。由計(jì)數(shù)管放電形成脈沖的過程可見，計(jì)數(shù)系統(tǒng)一次計(jì)數(shù)后到再次計(jì)數(shù)有一定時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)間間隔為計(jì)數(shù)系統(tǒng)的分辨時(shí)間，記為r。r是與V1有關(guān)的一個(gè)量，其大小一般在100~300μs之間。
因技術(shù)系統(tǒng)的分辨時(shí)間的存在，實(shí)際測(cè)量時(shí)會(huì)有遺漏，結(jié)果實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)率小于進(jìn)入計(jì)數(shù)管的射線粒子數(shù)。因此要作如下修正：設(shè)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入計(jì)數(shù)管的平均射線粒子數(shù)為m0，技術(shù)系統(tǒng)實(shí)測(cè)得得計(jì)數(shù)率為m。在分辨時(shí)間不變的情況下，單位時(shí)間內(nèi)總失效時(shí)間為mr。在mr時(shí)間內(nèi)進(jìn)入計(jì)數(shù)管的射線粒子則為m0mr，這就是單位時(shí)間內(nèi)漏計(jì)射線粒子數(shù)m0-m，故有m0-m=m0mr。于是單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入計(jì)數(shù)管的平均射線粒子數(shù)（即真實(shí)計(jì)數(shù)率）應(yīng)為m0=m/(1-mr)。要能得到，m0必須測(cè)定技術(shù)系統(tǒng)的分辨時(shí)間r。
計(jì)數(shù)管的使用壽命
蓋革-米勒計(jì)數(shù)器的壽命定義為：計(jì)數(shù)管喪失猝死作用之前計(jì)數(shù)的次數(shù)。一般有機(jī)管的壽命為108次計(jì)數(shù)，鹵族元素管在109~1010次計(jì)數(shù)。
分類
蓋革-米勒計(jì)數(shù)器具有靈敏度高、計(jì)數(shù)電路簡(jiǎn)單、能探測(cè)低水平輻射等特點(diǎn)，主要用于便攜式儀器，且主要分為以下兩種結(jié)構(gòu)類型：
端窗類型：為了使蓋革-米勒計(jì)數(shù)器可監(jiān)測(cè)到α和β粒子，必須為其提供一個(gè)薄窗口。這個(gè)端窗必須足夠薄，以便于α和β粒子穿透。窗口通常由密度約為1.5 – 2.0 mg/cm2的云母制成，以允許低能β粒子（例如碳-14）進(jìn)入探測(cè)器。此外，由于端窗的衰減效應(yīng)和被檢查表面的距離會(huì)導(dǎo)致alpha的效率降低，因此在理想情況下alpha輻射源應(yīng)距離探測(cè)器小于10mm。
無窗類型：由于γ射線很容易穿透腔室的金屬壁，因此蓋革-米勒計(jì)數(shù)器在使用無窗管的情況下可以用來探測(cè)γ射線和X射線（薄壁管）。厚壁管用于能量在25 KeV以上的γ輻射探測(cè)，這類管的整體壁厚一般為1-2 mm左右的鉻鋼，而薄壁管則用于低能光子（X射線或γ射線）和高能粒子。從薄壁設(shè)計(jì)到厚壁設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變發(fā)生在300-400 keV能級(jí)，在這水平以上的采用厚壁設(shè)計(jì)，在這水平以下的直接氣體電離效應(yīng)占主導(dǎo)地位。
應(yīng)用
蓋革-米勒計(jì)數(shù)器是探測(cè)電離輻射（α射線、β射線、γ射線和X射線）強(qiáng)度的計(jì)數(shù)儀器，廣泛應(yīng)用于輻射劑量學(xué)、輻射防護(hù)、實(shí)驗(yàn)物理和中核集團(tuán)等領(lǐng)域，早期也用于核醫(yī)學(xué)射線測(cè)量。但由于測(cè)量的精度、敏感性有限，在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中已被其他測(cè)量方法取代。
參考資料 >
蓋革-米勒計(jì)數(shù)器.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所.2023-11-07
What is Geiger Counter – Geiger-Mueller Detector – Definition.radiation-dosimetry.2023-11-10