一、什么是蓋革管

  蓋革管是一種古老檢測放射性粒子的傳感器，雖然現(xiàn)在它已經(jīng)逐步退出了實(shí)用舞臺(tái)，但由于它原理簡單，制作方便，物理內(nèi)涵豐富，成為電子愛好者制作的寵兒。

  蓋革計(jì)數(shù)器(Geiger-Counter)，也被稱為Geiger-Mueller計(jì)數(shù)器，是用于檢測各種引起電離放射性的電子設(shè)備。檢測器在1928年被發(fā)明，其名稱來自于兩位發(fā)明它的物理學(xué)家Geiger和Mueller。蓋革計(jì)數(shù)器被應(yīng)用于放射計(jì)量、放射保護(hù)、物理實(shí)驗(yàn)和核工業(yè)中。它的主要部件就是一個(gè)Geiger-Mueller管，它可以檢測發(fā)射性離子，在配以相應(yīng)的處理電路可以顯示檢測結(jié)果。

^Johannes Wilhelm Geiger(1882,Sept.~1945,Sept.)^

二、發(fā)明歷史及原理

  Johannes Wilhelm Geiger，也被叫做Hans Geiger，是德國物理學(xué)家，由他最先成功引入可以檢測單個(gè)α離子的檢測器。他在1906年于Erlangen大學(xué)獲得博士學(xué)位，隨后加入曼徹斯特大學(xué)任教，成為Ernest Rutherford最有力的合作者。

  在曼徹斯特大學(xué)Geiger制作了他的第一個(gè)版本的粒子計(jì)數(shù)器，由此確認(rèn)了α離子就是氦元素的原子核，并驗(yàn)證了Rutherford對(duì)原子結(jié)構(gòu)提出的假設(shè)：即任何原子都存在一個(gè)位于中央體積非常小的原子核。

早期的蓋革管和蓋革計(jì)數(shù)器

  后來Geiger加入位于柏林的德國國家科學(xué)院，繼續(xù)研究原子結(jié)構(gòu)。在第一次世界大戰(zhàn)期間，他在軍隊(duì)擔(dān)任炮兵軍官，并發(fā)明了符合計(jì)數(shù)器，通過電路對(duì)兩個(gè)離子檢測器發(fā)出的脈沖檢測是否屬于同時(shí)發(fā)生的，并在1924年對(duì)康普頓效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。在1925年在基爾大學(xué)任教期間，他和他的學(xué)生Mueller對(duì)蓋革管進(jìn)行改進(jìn)，提高了它的靈敏度、檢測性能以及耐久性。

  蓋革計(jì)數(shù)器可以檢測各種電離性放射源，像α、β、中子等粒子以及γ射線，這是利用了Geiger-Mueller管所產(chǎn)生的電離效應(yīng)。

  蓋革管結(jié)構(gòu)簡單，通常是在金屬圓筒中央固定一根細(xì)金屬絲。在金屬絲和外壁之間施加有直流電壓。容器內(nèi)充有用于產(chǎn)生電離的氣體（比如氬氣）和用于淬火的氣體（比如丁烷）。現(xiàn)在的蓋革管使用鍍有金屬膜的玻璃管制作而成。

  當(dāng)有離子經(jīng)過蓋革管激發(fā)了某一氣體原子產(chǎn)生電離。激發(fā)出的電子被金屬絲正電壓吸引運(yùn)動(dòng)過程中又會(huì)撞擊其它氣體分子產(chǎn)生雪崩電離，此過程也會(huì)通過激發(fā)出的紫外線光子引發(fā)更大范圍的電離雪崩，最終形成一股多大100億個(gè)電子組成的電流脈沖。

蓋革管內(nèi)雪崩電流擴(kuò)散過程

  電離后的正電粒子由于質(zhì)量比較大，運(yùn)動(dòng)比較慢，電子雪崩后它們停留在Geiger管中間形成正電電子云，擾亂了管內(nèi)的電場，會(huì)阻礙電子雪崩進(jìn)一步加大。再通過

  限流電阻和淬火氣體的共同作用，雪崩電流很快終止。一般經(jīng)過100~500微妙的恢復(fù)死區(qū)時(shí)間，蓋革管為下一次粒子檢測做好準(zhǔn)備。施加在Geiger管的電壓對(duì)于計(jì)數(shù)脈沖有很大的影響。當(dāng)電壓小于一定閾值時(shí)，Geiger管就不會(huì)形成雪崩放電。由于沒有了雪崩電流，檢測器就不會(huì)有脈沖輸出。

玻璃Geiger管產(chǎn)生雪崩放電

  當(dāng)電壓超過一定閾值之后，Geiger管就會(huì)形成連續(xù)的脈沖輸出，對(duì)于實(shí)際的放射性粒子就不再敏感。

  因此，存在一段電壓區(qū)間，成為Geiger管的電壓坪，在此范圍內(nèi)，蓋革管的脈沖輸出不隨著電壓升降而改變。

  使用Geiger管檢測粒子主要優(yōu)點(diǎn)是放大倍數(shù)高，幾乎不需要其它放大器，輸出的電脈沖就可以驅(qū)動(dòng)電子計(jì)數(shù)器或者揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。主要缺點(diǎn)就是不能夠鑒別粒子的能量和種類，不能夠進(jìn)行快速計(jì)數(shù)。另外由于管內(nèi)的氣體密度低，高能γ射線在碰到管內(nèi)氣體粒子之前就已經(jīng)沖出了Geiger管，所以檢測靈敏度很低。

蓋革管電壓增加，進(jìn)入飽和工作區(qū)

  現(xiàn)在Geiger管逐步退出了實(shí)驗(yàn)室，被性能更好的金硅面壘傳感器、碘化鈉閃爍計(jì)數(shù)器等新型的半導(dǎo)體粒子傳感器所替代。但它發(fā)出的光芒曾經(jīng)照亮過人類在科學(xué)探索過程中的道路，今后也會(huì)給一代又一代進(jìn)入科學(xué)探索隊(duì)伍的年輕人帶來啟迪。

三、一款核輻射檢測廉價(jià)蓋革計(jì)數(shù)器制作

圖中上面那個(gè)圖，是一個(gè)類似于差拍計(jì)數(shù)器，兩個(gè)不同顏色的LED閃動(dòng)顯示，由CD4001四2輸入或非門組成穩(wěn)定的震蕩電路輸出具有一定時(shí)間間距的脈沖信號(hào)。CD4029 是由具有預(yù)進(jìn)位功能的4 位二進(jìn)制或BCD 碼十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器構(gòu)成，15腳是時(shí)鐘/脈沖輸入引腳，輸入的信號(hào)和振蕩器輸入的信號(hào)分別輸入到CD4029進(jìn)行控制。目前此類電路實(shí)際應(yīng)用很少。 下面那個(gè)圖是個(gè)和電蚊拍電路相差不多的高壓發(fā)生電路，簡單的原理是由三極管Q1為核心的放大原件，繞組5-6是Q1的負(fù)載線圈，Q1集電極有分壓電阻R1\R2，通過3-4線圈以及電源負(fù)端構(gòu)成回路，當(dāng)電源開關(guān)接通瞬間，回路獲得電壓，同時(shí)由于線圈的瞬時(shí)儲(chǔ)能作用，釋放較大的電壓使Q基極獲得電壓，而導(dǎo)通，5-6繞組就獲得放大后的電壓，通過T1變壓器鐵心的耦合，使3-4線圈以及副繞組7-8獲得感應(yīng)電壓，然后再通過3-4線圈經(jīng)過電阻R1限流輸入到Q1基極控制Q1，就這樣周而復(fù)始的工作，為了穩(wěn)定頻率，還應(yīng)當(dāng)加入反饋電容。變壓器自己繞是比較麻煩的，你可以找代用的，你找一個(gè)變壓器參數(shù)為一組AC220V輸入、兩組3V、5V輸出，參數(shù)相近的都可以，功率10W以下的變壓器代用就可以了，一般收音機(jī)，小錄音機(jī)有，有時(shí)候會(huì)缺一組線圈，你自己繞上去就可以了，一般找相同線徑的銅絲繞個(gè)20圈就好了。接電路的時(shí)候要反過來接，就是3v、5v兩組分別構(gòu)成T1的3-4,5-6繞組，220v就是輸出端，簡單吧。輸出端加個(gè)IN4007二極管整流，找個(gè)大點(diǎn)的104電容濾波就可以了，其他的也不用按照?qǐng)D上的接了，但低壓震蕩電路這邊的原件一定要弄好，不然不會(huì)工作的。注意這個(gè)電路有一定的危險(xiǎn)性。