Счетчик радиации Гейгера-Мюллера является сравнительно простым инструментом для измерения ионизирующих излучений. В простейшем случае он делается с одним датчиком . Чтобы увеличить чувствительность, конструкция, представленная здесь, содержит сразу 3 советских СТС-5 детекторных ламп. Это важно для измерения природных источников с низким уровнем излучения, таких как почва, камни, вода.
Принцип работы газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера заключается в том, что когда высокое напряжение (обычно 400 В) подаётся на датчик, трубка обычно не проводит электричество, но проводит в течение короткого периода, когда появляется излучение частиц. Эти импульсы поступают на детектор. Уровень ионизирующего излучения пропорционален количеству импульсов, обнаруженных в постоянном интервале времени.
Счетчик радиации состоит из двух электродов, ионизирующая частица создает искровой промежуток между ними, чтобы уменьшить величину тока, которая возникает в этой ситуации, последовательно с трубкой ставится резистор. Отмечен по схеме как R5. Есть разные способы получения сигнала от трубки, в представленном здесь, резистор соединены последовательно между трубой и землей, изменения напряжения на резисторе измеряется с помощью детектора. Этот резистор обозначен как R6.
Здесь микросхема MC34063 - это преобразователь постоянного тока, так как для нормальной работы требуется высокое напряжение. Ее преимущество перед простой NE555 или аналогичных генераторов заключается в том, что она может контролировать выходное напряжение и настраивает параметры, чтобы сделать его стабильным (элементы R3, R4, С3).
Микросхема ОУ IC1A используется в качестве компаратора для фильтрации шумов и формирования двоичного сигнала (низкий - нет импульса на данный момент, максимум - импульс прошёл). Напряжение питания схемы 5 В, потребляемый ток - 30 мА.
Запуск и устранение возможны неполадок
Напряжение на С4 должны быть в допустимых пределах для используемого счетчика Гейгера-Мюллера. Обычно оно составляет около 400 В - будьте осторожны во время проведения измерений! Если напряжение выходит за пределы диапазона, то с помощью С1 (частота DC/DC преобразователь), С3, R3, R4 (обратная связь напряжение тока DC/DC преобразователь) может быть скорректировано.
Следующим важным моментом является наличие или отсутствие импульсов на R6. Если нет импульсов, надо проверить подключена ли трубка детектора согласно полярности. Аналогично диоду, счетчик Гейгера имеет свою полярность и при подключении в обратном направлении он будет работать неправильно.
Если импульсы на R6 видны, но состояние выхода IC1A не меняется, тогда R7, R8 должны быть изменены, они задают пороговое значение сигнала. Как видно на фотографии, был использован цифровой частотомер блок 32F429I для подсчета импульсов и визуализации результатов. Схема, представленная в этом проекте, может быть скорректирована для работы с любыми другими датчиками излучений Гейгера - они различаются по требуемому напряжению.
Увидеть и почувствовать радиацию нельзя, но можно узнать о ее присутствии различными способами по засветке фотопленки, по световым вспышкам на дисплее, нопрактичнее всего - с помощью счетчика частиц, создающих электрический импульс при попадании в него частицы. В основном все счетчики Гейгера - Мюллера состоят из герметизированной трубочки, являющейся катодом и протянутой сквозь нее по оси проволочкой - анодом. Пространство внутри заполняется газом при маленьком давлении, чтоб создать оптимальные условия для электрического пробоя. Напряжение на счетчике около 300 - 500 В настраивают так, чтобы самостоятельного пробоя не происходило и ток через счетчик не тек. Но при попадании радиоктивной частицы она ионизирует находящийся в трубке газ, и между катодом и анодом возникает целая лавина электронов и ионов - начинает течь ток. Но через доли миллисекунды счетчик возвращается в исходное состояние и ожидает прохождения следующей частицы.
На фотографии представлен наиболее распространенный счетчик СБМ-20. Он чувствителен к бета- и гамма-излучению (рентгеновскому). Количество импульсов, регистрируемых им за 40 секунд равно интенсивности радиации в микрорентгенах в час (мкР/ч). Нормальный уровень обычно 12 - 16 мкР/ч. Но в горах он может быть в несколько раз выше.
|
Схема самого простого дозиметра своими руками |
Схема самодельного дозиметра состоит из двух блоков, собранных в небольших пластиковых коробочках: сетевого выпрямителя и индикатора.
Блоки соединяются между собой разъемом X1. При подаче питания конденсатор С3 начинает заряжатся до напряжения 600 В и затем является источником питания для счетчика. Отсоединив питание от розетки и отключив индикатор, начинаем слушать щелчки в высокоомных телефонах.
Как вы уже смогли догадаться щелчок в телефонах означает попадание радиоактивной частицы в счетчик. Время работы индикатора после одной зарядки зависит от тока утечки конденсатора, поэтому он должен быть хорошего качества. Как правило прибор способен без подзарядки проработать минут десять или сорок, зависит от интенсивности радиоактивного излучения.
Об окончании заряда конденсатора можно судить по прекращению щелчковв высокоомных телефонах. Номиналы деталей некритичны. Резистор R1 должен быть мощный 1-2 Вт. Счетчик В1 может быть любым, какой сможете найти.
Дозиметр своими руками СИ-13Г |
На элементах DD1.1 и DD1.2 К176ЛА7 собран генератор расчитанный на частоту 1000Гц. Прямоугольные импульсы через дифференцирующееся цепочку C2R3, открывают транзистор VT1 КТ315, работающий в ключевом режиме. Импульсы с его коллекторного перехода, проходя по первичной обмотке трансформатор, наводят в его вторичной обмоткевысокое импульсное напряжение с потенциалом около 100 В. Диод VD1 предназначен для защиты коллектора транзистора от перенапряжения, могущего возникнуть на индуктивной нагрузке - трансформатора.
Выпрямитель с шестикратным умножением выдает постоянное400 В напряжение, которое подается на катод счетчика через токоограничительный резистор R4. Отрицательные импульсы с анода счетчика, вызванные пролетом радиоактивных частиц, переключают элемент DD1.3 и растягиваясь по длительности до долей секунды попадают на DD1.4, т.к на другой его вход поступают прямоугольные импульсы частоты 1 кГц. На выходе элемента получаются тональные звуковые сигналы, одновременно светится и светодиод HL1.
При естественном фоне радиации «попискивания» редкие раз в несколько секунд, при увелечении уровня радиации тональность звучит чаще, а при опасных значениях звуковой сигнал звучит непрерывно, а светодиод постоянно горит. В схеме применен счетчик СИ13Г, но можно использовать и анологичные. Он выпускается в стеклянной колбе и имеет меньшие габариты, чем счетчик СБМ-20, но и меньшую чувствительность.
Трансформатор самодельный, намотанный на миниатюрном Ш-образном ферритовом сердечнике Ш4×8, первичная обмотка которого содержит 100 витков провода ПЭЛ 0,1, вторичная - 1200 витков провода ПЭЛ 0,06. Намотку необходимо делать внавал, между обмотками прокладывают 1 - 2 слоя изоляции.
|
Дозиметр своими руками на СБМ-20 |
В этой статье найдете описание простых схем дозиметра на счетчике СБМ-20, обладающих достаточной чувствительностью и регистрирующих самые малые значения бета- и гамма- радиоктивных частиц. Схема дозиметра базируется на отечественном датчике радиационного излучениятипа СБМ-20. Он похож на металлический цилиндр диаметром 12 мм и длинной около 113 мм. В случае необходимости его можно заменить на ZP1400, ZP1320 или ZP1310.
|
Дозиметр своими руками СБМ-20 |
В основе прибора - счетчик Гейгера-Мюллера типа СБМ-20. Это цилиндр из металла, с двумя электродами на концах. Внутри газ. На эти электроды подают постоянное напряжение около 400V. При прохождении через счетчик ионизирующей частицы происходит электрический пробой и сопротивление прибора резко снижается от бесконечного до весьма ощутимого. Таким образом с каждой ионизирующей частицей, пролетающей через счетчик он создает короткий импульс.
Этот бытовой дозиметр с использованием микроконтроллера способен фиксировать превышение уровня радиации в диапазоне от 0 мР до 144 мР. Конструкция состоит из повышающего преобразователя напряжения и микроконтроллера, который считает генерируемые импульсы и передает информацию на цифровой индикатор.
|
Дозиметр своими руками на ZP1300 |
После катастрофы в Японии спрос на индивидуальные средства контроля радиоактивности резко возрос, и не только готовые приборы, но так же и отечественные счетчики Гейгера-Мюллера стали дефицитом. Поэтому пришлось обратить внимание на «зарубежный опыт», вернее, на зарубежную элементную базу. Вот продукт известной фирмы Philips -счетчик ZP1300. В отличие от отечественных аналогов ему требуется питающее напряжение 700V. В остальном все то же самое. На рисунке показана схема звукового индикатора радиоактивности на основе счетчика ZP1300.
При каждом пролете через счетчик ионизирующей частицы устройство издает короткий тональный звук. Чем выше радиация, тем чаще звучит. Схема генератора напряжения 700V сделана на основе миниатюрного силового трансформатора типа HRE3005000 с двумя обмотками, - вторичной на 6V и сетевой на 230V. Трансформатор очень малогабаритный и имеет мощность менее 1W. Вот этот трансформатор здесь используется для получения высокого напряжения. Он включен наоборот, то есть, в данной схеме низковольтная обмотка работает как первичная. Она включена в коллекторную цепь транзистора VT1, на базу которого поступают импульсы от генератора на микросхеме А1, - интегральном таймере типа 555. Чтобы получить необходимые 700V витков вторичной обмотки трансформатора недостаточно, поэтому есть еще дополнительный умножитель напряжения на диодах VD2-VD6.
Для обеспечения стабилизации выходного напряжения, в схеме есть обратная связь, которая осуществляется через резисторы R3 и R4. Через них поступает напряжение на вывод 2 А1, величина которого пропорциональна величине выходного напряжения. Соответственно меняется скважность импульсов, генерируемых микросхемой А1 и изменяется напряжение на выходе умножителя. Таким образом, напряжение на выходе умножителя поддерживается стабильно и мало зависит от напряжения питания. Устанавливают выходное напряжение подстройкой резистора R1. Следует заметить, что для точного измерения выходного напряжения обычный мультиметр не подходит из-за низкого входного сопротивления. Нужно использовать высокоомный вольтметр или измерять мультиметром через делитель напряжения, например, составленный из резисторов сопротивлением 10 мегаом и 100 килоом.
В этом случае показания мультиметра нужно будет умножить на 100 (то есть, «7V» = 700V). Диод VD1 защищает транзистор VT1 от выбросов самоиндукции обмотки трансформатора. Напряжение 700V с выхода умножителя через резистор R9 поступает на счетчик Гейгера-Мюллера F1. Нагрузкой счетчика является резистор R7, на котором при пролете ионизирующей частицы возникает очень короткий импульс. Этот импульс поступает на ждущий мультивибратор на микросхеме А2. Диод VD7 защищает вход микросхемы от высокого напряжения, ограничивая амплитуду импульса величиной напряжения питания схемы.
При приходе импульса на вывод 2 А2, ждущий мультивибратор запускается и вырабатывает пачку импульсов, которая поступает на динамик В1. Раздается короткий звук высокого тона. Эту схему можно использовать и как часть цифрового дозиметра. Импульсы на его счетчик нужно будет подавать с вывода 3 А2. Детали. Главную деталь - счетчик Гейгера-Мюллера можно заменить и другим, например, отечественным. Но это потребует соответствующего изменения напряжения питания счетчика (для наших обычно 400V). То есть, нужно будет уменьшить число ступеней умножителя напряжения. Трансформатор Т1 можно заменить практически любым маломощным силовым трансформатором со вторичной обмоткой 6V. Или же мотать его самостоятельно. Динамик В1 - капсюль от малогабаритных головных телефонов. Его сопротивление должно быть в пределах 16-50 Огл. Налаживание заключается только в установке высокого напряжения регулировкой подстроечного резистора R1.
Этот бытовой дозиметр с использованием микроконтроллера способен фиксировать превышение уровня радиации в диапазоне от 0 мР до 144 мР. Конструкция состоит из повышающего преобразователя напряжения и микроконтроллера, который считает генерируемые импульсы и передает информацию на цифровой индикатор.
Бытовой дозиметр схема с применением PIC16F84 и счетчика Гейгера СБМ-20 |
В роли датчика излучения в схеме бытового цифрового дозиметра применен счетчик Гейгера-Мюллера типа СБМ-20. Питание подается от батарейки типа "Крона". В роли цифрового инликатора использован ЖК дисплей HD44780
Бытовой дозиметр на микроконтроллере схема
Повышающий трансформатор выполнен из ферритового кольца 16х10х4,5. Рекомендую перед намоткой края обработать мелкой наждачной бумагой и обмотать одним слоем изоленты.
Первичная обмотка трансформатора наматывается медным обмоточным проводом ПЭВ диаметром 0,1 мм и состоит из 420 витков, между началом и концом обмотки требуется задать зазор около 2 мм. Далее опять изолируем и наматываем вторую повышающую обмотку, но уже из 8 витков и третью, содержащую 3 витка проводом ПЭВ диаметром 0,25 мм. Начало каждой обмотки отмечено на чертеже точкой. Будьте осторожны и внимательны не перепутайте концы с началом обмоток.
После сборки своими руками перед первым включением требуется осмотреть и проверить качество пайки, подключение цифрового дисплея и счетчика Гейгера типа СБМ-20, а также правильность подключения обмоток повышающего трансформатора.
С помощью мультиметра измеряем напряжение на емкости C2, оно должно быть 350 вольт. Но учтите что мультиметр должен иметь высокое внутреннее сопротивление, дешевый китайский как правило не подойдет.
Архив с прошивкой и с ее исходником для программирования микроконтроллера можно скачать по зеленой ссылке выше.
Печатную плату бытового цифрового дозиметра рекомендую изготовить и с использованием программы Sprint Layout.
Сердце схемы микроконтроллер ATtiny2313A, работающий от внутреннего RC-генератора с частотой 8 МГц. Полученный результат выводится на светодиодный дисплей, собранный из двух двухразрядных индикаторов LD-D028UR-C с общим анодом. TL1, TL2 осуществляют управление работой бытового цифрового дозиметра.
Бытовой дозиметр на микроконтроллере ATtiny2313A схема
В роли глаз конструкции используется счетчик Гейгера-Мюллера Philips 18504.
Повышающий преобразователь выполнен на транзисторах T2, T3 и трансформаторе. Напряжение с его выхода увеличивается в два раза. Рабочая частоту можно подобрать путем изменения емкости C4.
Импульсы с датчика через С7следуют на транзисторный усилитель Т4 и Т5, к выходу которого подсоединен динамик на 32 Ом.
Подсчет импульсов осуществляется с помощью 16-битного счетчика. При превышении установленного уровня радиации, на пятом выводе Attiny2313 формируется логическая единица и загорается светодиод HL1.
Для управления применяем кнопки TL1 и TL2. TL1 используется для включения и переключения режимов, а TL2 для сброса и выключения. Путем нажатия TL1 переходим в режим индикации и слежения. Акустические щелчки говорят о фиксации радиоактивных частиц.
Очередное нажатие кнопки TL1 переводит в режим быстрое измерение излучения. Измерения осуществляются с 10-кратным превышением частоты обновления и с разрешением до 0,01 мР. Последующее нажатие переводит в точный режим измерения излучения с разрешением до 0,001 мР. Нажав TL2 можно обновить данные. Длительное нажатие на TL2сбрасывает показания.
Следующее нажатие кнопки TL1 переключает дозиметр в энергосберегающем режиме с выключенным дисплеем.
Калибровка делается с помощью изменения значения константы. Для этого долго держим две кнопки TL1 и TL2. Значение можно менять TL2, а TL1 переход между цифрами.
Вы когда-нибудь хотели проверить уровень радиоактивности? Или может вы хотели подготовиться к ядерному Апокалипсису? Тогда этот мастер-класс по изготовлению счетчика Гейгера именно для вас. Я покажу вам, как сделать очень простой и дешевый счетчик Гейгера из старых и ненужных деталей бывших в эксплуатации. Видео о сборке и работе счетчика смотрите в конце моей статьи. Давайте начнем!
Как работает счетчик Гейгера?
Для начала, я объясню вам основы того, как все работает. В счетчике Гейгера используется специальная трубка, наполненная инертным газом при очень низком давлении для обнаружения радиации. Внутри этой трубки имеется цилиндрический кусок металла, который выступает в качестве катода. Внутри этого цилиндра есть небольшой металлический отрезок проволоки, который выступает в качестве анода. Когда высокое напряжение присутствует на аноде трубки, ничего не происходит, но когда в трубку попадают лучевые частиц, это вызывает ионизацию инертного раза, и он начинает проводить электрический ток. Этот ток можно измерить специальными приборами, но в этой схеме будет только детектирование сигнала о наличии радиационного излучения.
Схема счетчика Гейера
Счетчик Гейгера состоит из двух частей: высоковольтного источника питания - преобразователя и детектора. В вышеприведенной схеме высоковольтная цепь состоит из таймера 555, на котором построен генератор. Таймер 555 генерирует прямоугольные импульсы, которые через резистор открывает и закрывает транзистор периодически. Этот транзистор управляет небольшим повышающим трансформатор. С выходного трансформатора напряжение подается на удвоитель напряжения, где повышается примерно до 500 Вольт. Затем, напряжение стабилизируется с помощью стабилитронов до 400 вольт, необходимых для питания трубки счетчика Гейгера.
Детектор состоит из пьезо-электрического элемента, подключенного напрямую к ануду трубки без всяких усилителей.
Инструменты и детали
Чтобы выполнить этот проект, вам понадобятся различные инструменты и материалы.
Инструменты:
- Кусачки.
- Стриппер для зачистки проводов.
- Паяльник.
- Пистолет с горячим клеем.
- Трансформатор 8:800 - это был трансформатор источника питания сломанного будильника.
- Трубка Гейгера - куплена - .
- Таймер 555.
- Резисторы 47К (х2).
- Конденсатор 22nF.
- Конденсатор 2.2 nF.
- Резистор 1К.
- Любой N-канальный MOSFET.
- Макетная плата.
- 1n4007 диод(х2).
- Конденсатор 100 нф на 500 вольт.
- Стабилитроны - 100 вольт (х4)
- Пьезоэлектрический элемент (из старой микроволновой печи).
- Провода.
- Припой.
Сборка генератора с транзистором MOSFET
После того как вы собрали свои инструменты и материалы самое время, чтобы перейти к пайке компонентов. Первая, что вам надо спаять это генератор и транзистор. Для этого каждый компонент на макетной плате установить наиболее эффективным образом. Например, припаять MOSFET рядом, где с трансформатором. Это поможет вам использовать меньше проводов при пайке. Как все детали смаяны между собой, обрезать излишки провода.
Припаиваем трансформатор и удвоитель напряжения со стабилизацией
После сборки генератора нужно припаять обмотку трансформатора с меньшим сопротивлением между MOSFET плюсом питания. Затем припаять выход трансформатора с высоковольтной обмотки к удвоителю. Затем, припаиваем все конденсаторы и стабилитроны. После спайки высоковольтный источник питания нужно проверить его с помощью вольтметра, чтобы увидеться, что он собран правильно и выдает нужное напряжение. Если у вас другая трубка Гейгера, не как у меня, посмотреть ее технические характеристики, чтобы узнать напряжение её питания, которое может отличаться. Затем добавите соответствующие стабилитроны.
Добавление трубку Гейгера и детектор
Заключительная часть и мне осталось добавить в схему саму трубку - счетчик и детектор. Начинаем припаивать провода к каждому концу трубки. Затем, припаиваем анод к выходу регулируемого источника питания и катодом к пьезоэлемента. Наконец, припаяем пьезоэлемент на общий провод. Благородя использованию детектора состоящего всего из двух компонентов это и считается простейший счетчик Гейгера. Большинство более сложных счетчиков содержать транзисторы в детекторе. Не надо никаких токоограничивающих резисторов в этом детекторе не требуется из-за очень незначительных токов.
Испытания
Наконец, настало время, чтобы проверить счетчиком Гейгера! Для этого сначала подключите счетчик к источнику питания. Затем, возьмите радиоактивный источник для проверки. С помощью плоскогубцев, удерживайте источник радиации рядом с трубкой Гейгера. Вы должны услышать несколько заметных щелчков, которые раздаются в пьезоэлементе. Это означает, что счетчик исправно работает. Чтобы услышать и увидеть это, смотреть видео. Спасибо за чтение!
Отказ от ответственности: этот проект работает с высоким напряжением, соблюдайте правила техники безопасности и работайте с осторожностью.
Хотим мы или нет, но радиация прочно вошла в нашу жизнь и уходить не собирается. Нам нужно научиться жить с этим, одновременно полезным и опасным, явлением. Радиация проявляет себя невидимыми и неощутимыми излучениями, и без специальных приборов обнаружить их невозможно.
Немного из истории радиации
В 1895 году были открыты рентгеновские лучи. Год спустя была открыта радиоактивность урана, тоже в связи с рентгеновскими лучами. Ученые поняли, что они столкнулись с совершенно новыми, невиданными до сих пор явлениями природы. Интересно, что феномен радиации замечался несколькими годами раньше, но ему не придали значение, хотя ожоги от рентгеновских лучей получал еще Никола Тесла и другие работники эдисоновской лаборатории. Вред здоровью приписывали чему угодно, но не лучам, с которыми живое никогда не сталкивалось в таких дозах. В самом начале XX века стали появляться статьи о вредном действии радиации на животных. Этому тоже не придавали значения до нашумевшей истории с «радиевыми девушками» - работницами фабрики, выпускавшей светящиеся часы. Они всего лишь смачивали кисточки кончиком языка. Ужасная участь некоторых из них даже не публиковалась, по этическим соображениям, и осталась испытанием только для крепких нервов врачей.
В 1939 году физик Лиза Мейтнер, которая вместе с Отто Ганом и Фрицем Штрассманом относится людям, впервые в мире поделившим ядро урана, неосторожно сболтнула о возможности цепной реакции, и с этого момента началась цепная реакция идей о создании бомбы, именно бомбы, а вовсе не «мирного атома», на который кровожадные политики XX века, понятно, не дали бы ни гроша. Те, кто был «в теме», уже знали, к чему это приведет и началась гонка атомных вооружений.
Как появился счетчик Гейгера - Мюллера
Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в лаборатории Эрнста Резерфорда, в 1908 году предложил принцип работы счетчика «заряженных частиц» как дальнейшее развитие уже известной ионизационной камеры, которая представляла собой электрический конденсатор, наполненный газом при небольшом давлении. Она применялась еще Пьером Кюри с 1895 года для изучения электрических свойств газов. У Гейгера возникла идея использовать ее для обнаружения ионизирующих излучений как раз потому, что эти излучения оказывали прямое воздействие на степень ионизации газа.
В 1928 году Вальтер Мюллер, под началом Гейгера, создает несколько типов счетчиков радиации, предназначенных для регистрации различных ионизирующих частиц. Создание счетчиков было очень острой необходимостью, без которой невозможно было продолжать исследование радиоактивных материалов, поскольку физика, как экспериментальная наука, немыслима без измерительных приборов. Гейгер и Мюллер целенаправленно работали над созданием счетчиков, чувствительных к каждому из открытых к тому видов излучений: α, β и γ (нейтроны открыли только в 1932 году).
Счетчик Гейгера-Мюллера оказался простым, надежным, дешевым и практичным датчиком радиации. Хотя он не является самым точным инструментом для исследования отдельных видов частиц или излучений, однако на редкость подходит в качестве прибора для общего измерения интенсивности ионизирующих излучений. А в сочетании с другими детекторами используется физиками и для точнейших измерений при экспериментах.
Ионизирующие излучения
Чтобы лучше понять работу счетчика Гейгера-Мюллера, полезно иметь представление об ионизирующих излучениях вообще. По определению, к ним относится то, что может вызвать ионизацию вещества, находящегося в нормальном состоянии. Для этого необходима определенная энергия. Например, радиоволны или даже ультрафиолетовый свет не относятся к ионизирующим излучениям. Граница начинается с «жесткого ультрафиолета», он же «мягкий рентген». Этот вид является фотонным видом излучения. Фотоны большой энергии принято называть гамма-квантами.
Впервые разделил ионизирующие излучения на три вида Эрнст Резерфорд. Это было сделано на экспериментальной установке при помощи магнитного поля в вакууме. Впоследствии выяснилось, что это:
α - ядра атомов гелия
β - электроны с высокой энергией
γ - гамма-кванты (фотоны)
Позже были открыты нейтроны. Альфа-частицы легко задерживаются даже обычной бумагой, бета-частицы имеют немного большую проникающую способность, а гамма-лучи - самую высокую. Наиболее опасны нейтроны (на расстоянии до многих десятков метров в воздухе!). Из-за их электрической нейтральности они не взаимодействуют с электронными оболочками молекул вещества. Но попав в атомное ядро, вероятность чего достаточно высока, приводят к его нестабильности и распаду, с образованием, как правило, радиоактивных изотопов. А уже те, в свою очередь, распадаясь, сами образуют весь «букет» ионизирующих излучений. Хуже всего то, что облученный предмет или живой организм сам становится источником радиации на протяжении многих часов и суток.
Устройство счетчика Гейгера-Мюллера и принцип его работы
Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, как правило, выполняется в виде герметичной трубки, стеклянной или металлической, из которой откачан воздух, а вместо него добавлен инертный газ (неон или аргон или их смесь) под небольшим давлением, с примесью галогенов или спирта. По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. И трубка и проволока являются электродами: трубка - катод, а проволока - анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду - через большое постоянное сопротивление - плюс от источника постоянного напряжения. Электрически получается делитель напряжения, в средней точке которого (место соединения сопротивления и анода счетчика) напряжение практически равно напряжению на источнике. Обычно это несколько сотен вольт.
Когда сквозь трубку пролетает ионизирующая частица, атомы инертного газа, и так находящиеся в электрическом поле большой напряженности, испытывают столкновения с этой частицей. Энергии, отданной частицей при столкновении, хватает для отрыва электронов от атомов газа. Образующиеся вторичные электроны сами способны образовать новые столкновения и, таким образом, получается целая лавина электронов и ионов. Под действием электрического поля, электроны ускоряются в направлении анода, а положительно заряженные ионы газа - к катоду трубки. Таким образом, возникает электрический ток. Но так как энергия частицы уже израсходована на столкновения, полностью или частично (частица пролетела сквозь трубку), то кончается и запас ионизированных атомов газа, что является желательным и обеспечивается кое-какими дополнительными мерами, о которых мы поговорим при разборе параметров счетчиков.
При попадании в счетчик Гейгера-Мюллера заряженной частицы, за счет возникающего тока падает сопротивление трубки, а вместе с ним и напряжение в средней точке делителя напряжения, о которой шла речь выше. Затем сопротивление трубки вследствие возрастания ее сопротивления восстанавливается, и напряжение опять становится прежним. Таким образом, мы получаем отрицательный импульс напряжения. Считая импульсы, мы можем оценить число пролетевших частиц. Особенно велика напряженность электрического поля вблизи анода из-за его малых размеров, что делает счетчик более чувствительным.
Конструкции счетчиков Гейгера-Мюллера
Современные счетчики Гейгера-Мюллера выпускаются в двух основных вариантах: «классическом» и плоском. Классический счетчик выполняют из тонкостенной металлической трубки с гофрированием. Гофрированная поверхность счетчика делает трубку жесткой, устойчивой к внешнему атмосферному давлению и не дает ей сминаться под его действием. На торцах трубки расположены герметизирующие изоляторы из стекла или термореактивной пластмассы. В них же находятся выводы-колпачки для подключения к схеме приборов. Трубка снабжена маркировкой и покрыта прочным изолирующим лаком, не считая, конечно, ее выводов. Полярность выводов также обозначена. Это универсальный счетчик для любых видов ионизирующих излучений, особенно для бета и гамма.
Счетчики, чувствительные к мягкому β-излучению, делаются иначе. Из-за малого пробега β-частиц, их приходится делать плоскими, со слюдяным окошком, которое слабо задерживает бета-излучение, одним из вариантов такого счетчика, является датчик радиации БЕТА-2
. Все остальные свойства счетчиков определяются материалами, из которых их изготавливают.
Счетчики, предназначенные для регистрации гамма-излучения, содержат катод, изготовленный из металлов с большим зарядовым числом, или покрывают такими металлами. Газ крайне плохо ионизируется гамма-фотонами. Но зато гамма-фотоны способны выбить много вторичных электронов из катода, если его выбрать подходящим образом. Счетчики Гейгера-Мюллера для бета-частиц делают с тонкими окнами для лучшей проницаемости частиц, поскольку они являются обычными электронами, всего лишь получившими большую энергию. С веществом они взаимодействуют весьма хорошо и быстро эту энергию теряют.
В случае альфа-частиц дело обстоит еще хуже. Так, несмотря на весьма приличную энергию, порядка нескольких МэВ, альфа-частицы очень сильно взаимодействуют с молекулами, находящимися на пути, и быстро теряют энергию. Если вещество сравнить с лесом, а электрон с пулей, то тогда альфа-частицы придется сравнивать с танком, ломящимся через лес. Впрочем, обычный счетчик хорошо реагирует на α-излучение, но только на расстоянии до нескольких сантиметров.
Для объективной оценки уровня ионизирующих излучений дозиметры на счетчиках общего применения часто снабжают двумя параллельно работающими счетчиками. Один более чувствителен к α и β излучениям, а второй к γ-лучам. Такая схема применения двух счетчиков реализована в дозиметре RADEX RD1008 и в дозиметре-радиометре РАДЭКС МКС-1009 , в котором установлены счетчик БЕТА-2 и БЕТА-2М . Иногда между счетчиками помещают брусок или пластину из сплава, в котором есть примесь кадмия. При попадании нейтронов в такой брусок возникает γ-излучение, которое и регистрируется. Это делается для получения возможности определять нейтронное излучение, к которому простые счетчики Гейгера практически нечувствительны. Еще один способ - покрытие корпуса (катода) примесями, способными придавать чувствительность к нейтронам.
Галогены (хлор, бром) к газу подмешивают для быстрого самогашения разряда. Той же цели служат и пары спирта, хотя спирт в таком случае недолговечен (это вообще особенность спирта) и «протрезвевший» счетчик постоянно начинает «звенеть», то есть, не может работать в предусмотренном режиме. Это происходит где-то после регистрации 1e9 импульсов (миллиарда) что не так уж и много. Счетчики с галогенами намного долговечнее.
Параметры и режимы работы счетчиков Гейгера
Чувствительность счетчиков Гейгера.
Чувствительность счетчика оценивается отношением числа микрорентген от образцового источника к числу вызываемых этим излучением импульсов. Поскольку счетчики Гейгера не предназначены для измерения энергии частиц, точная оценка затруднительна. Счетчики калибруют по образцовым изотопным источникам. Необходимо отметить, что данный параметр у разных типов счетчиков может сильно отличаться, ниже приведены параметры самых распространённых счетчиков Гейгера-Мюллера:
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 - 160 ÷ 240 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 - 96 ÷ 144 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-20 - 60 ÷ 75 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-21 - 6,5 ÷ 9,5 имп / мкР
Счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-10 - 9,6 ÷ 10,8 имп / мкР
Площадь входного окна или рабочая зона
Площадь датчика радиации, через которую пролетают радиоактивные частицы. Данная характеристика напрямо связана с габаритами датчика. Чем больше площадь, тем больше частиц уловит счетчик Гейгера-Мюллера. Обычно данный параметр указывается в квадратных сантиметрах.
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 - 13,8 см 2
Счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 - 7 см 2
Это напряжение соответствует приблизительно середине рабочей характеристики. Рабочая характеристика составляет плоскую часть зависимости числа регистрируемых импульсов от напряжения, поэтому ее еще называют «плато». В этой точке достигается наибольшая скорость работы (верхний предел измерений). Типичное значение 400 В.
Ширина рабочей характеристики счетчика.
Это разность между напряжением искрового пробоя и напряжением выхода на плоскую часть характеристики. Типичное значение 100 В.
Наклон рабочей характеристики счетчика.
Наклон измеряется в процентах от числа импульсов на вольт. Он характеризует статистическую погрешность измерений (подсчета числа импульсов). Типичное значение 0.15%.
Допустимая температура эксплуатации счетчика.
Для счетчиков общего применения -50 … +70 градусов Цельсия. Это весьма важный параметр, если счетчик работает в камерах, каналах, и других местах сложного оборудования: ускорителей, реакторов и т.п.
Рабочий ресурс счетчика.
Общее число импульсов, которое счетчик регистрирует до того момента, когда его показания начнут становиться неверными. Для приборов с органическими добавками самогашения, как правило, составляет число 1e9 (десять в девятой степени, или один миллиард). Ресурс считается только в том случае, если к счетчику приложено рабочее напряжение. Если счетчик просто хранится, этот ресурс не расходуется.
Мертвое время счетчика.
Это время (время восстановления), в течение которого счетчик проводит ток после срабатывания от пролетевшей частицы. Существование такого времени означает, что для частоты импульсов есть верхний предел, и это ограничивает диапазон измерений. Типичное значение 1e-4 с, то есть десять микросекунд.
Нужно отметить, что благодаря мертвому времени, датчик может оказаться «зашкаленным» и молчать в самый опасный момент (например, самопроизвольной цепной реакции на производстве). Такие случаи бывали, и для борьбы с ними применяют свинцовые экраны, закрывающие часть датчиков аварийных систем сигнализации.
Собственный фон счетчика.
Измеряется в свинцовых камерах с толстыми стенками для оценки качества счетчиков. Типичное значение 1 … 2 импульса в минуту.
Практическое применение счетчиков Гейгера
Советская и теперь российская промышленность выпускает много типов счетчиков Гейгера-Мюллера. Вот несколько распространенных марок: СТС-6, СБМ-20, СИ-1Г, СИ21Г, СИ22Г, СИ34Г, счетчики серии «Гамма», торцевые счетчики серии «Бета » и есть еще множество других. Все они применяются для контроля и измерений радиации: на объектах ядерной промышленности, в научных и учебных учреждениях, в гражданской обороне, медицине, и даже быту. После чернобыльской аварии, бытовые дозиметры , ранее неизвестные населению даже по названию, стали очень популярными. Появилось много марок бытовых дозиметров. Все они используют именно счетчик Гейгера-Мюллера в качестве датчика радиации. В бытовых дозиметрах устанавливают от одного до двух трубок или торцевых счетчиков.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ВЕЛИЧИН
Долгое время была распространена единица измерения Р (рентген). Однако, при переходе к системе СИ появляются другие единицы. Рентген - это единица экспозиционной дозы, «количество радиации», которое выражается числом образовавшихся ионов в сухом воздухе. При дозе в 1 Р в 1 см3 воздуха образуется 2.082e9 пар ионов (что соответствует 1 единице заряда СГСЭ). В системе СИ экспозиционную дозу выражают в кулонах на килограмм, а с рентгеном это связано уравнением:
1 Кл/кг = 3876 Р
Поглощенная доза излучения измеряется в джоулях на килограмм и называется Грей. Это взамен устаревшей единицы рад. Мощность поглощенной дозы измеряется в греях в секунду. Мощность экспозиционной дозы (МЭД) раньше измерявшаяся в рентгенах в секунду, теперь измеряется в амперах на килограмм. Эквивалентная доза излучения, при которой поглощенная доза составляет 1 Гр (грей) и коэффициент качества излучения 1, называется Зиверт. Бэр (биологический эквивалент рентгена) - это сотая часть зиверта, в настоящее время уже считается устаревшей. Тем не менее, и сегодня очень активно применяются все устаревшие единицы.
Главными понятиями в радиационных измерениях считаются доза и мощность. Доза - это число элементарных зарядов в процессе ионизации вещества, а мощность - это скорость образования дозы за единицу времени. А уж в каких единицах это выражается, это дело вкуса и удобства.
Даже минимальная доза опасна в смысле отдаленных последствий для организма. Расчет опасности достаточно прост. Например, ваш дозиметр показывает 300 миллирентген в час. Если вы останетесь в этом месте на сутки, вы получите дозу 24*0.3 = 7.2 рентген. Это опасно и нужно как можно скорее уходить отсюда. Вообще, обнаружив даже слабую радиацию надо уходить от нее и проверять ее даже на расстоянии. Если она «идет за вами», вас можно «поздравить», вы попали под нейтроны. А не каждый дозиметр может на них отреагировать.
Для источников радиации используют величину, характеризующую число распадов за единицу времени, ее называют активностью и измеряют также множеством различных единиц: кюри, беккерель, резерфорд и некоторыми другими. Величина активности, замеренная дважды с достаточным разносом по времени, если она убывает, позволяет рассчитать время, по закону радиоактивного распада, когда источник станет достаточно безопасным.
