Левша 1995 №10
Описанный выше прибор для измерения уровня радиации привлекателен прежде всего простотой своего изготовления. Однако есть в нем и свой маленький нюанс: важнейшую деталь устройства, а именно - датчик излучения, который, собственно, и является основой счетчика Гейгера-Мюллера, достать не всем по силам. И хотя устройство счетчика известно из учебника физики, сделать его в домашних условиях практически невозможно - прибор достаточно сложен. Однако не стоит отчаиваться! Взамен устройства, описанного в предыдущей статье, можно сделать другое, доступное многим. Вместо счетчика изготовим неплохой заменитель, который вполне сможет регистрировать бета- и гамма- излучения.
Возьмите стартер от люминесцентной пампы и включите его в сеть последовательно с лампой накаливания 15 ватт (см. рисунок 1). Вот и получился простейший счетчик Гейгера. Теперь главное - выйти на рабочий режим. Наш счетчик работает так: после включения в сеть через газовый разрядный промежуток в стартере между биметаллической пластиной 1 и столбиком 2 начинает идти слабый ток; его силы недостаточно для горения лампы 3. Некоторое время спустя изогнутая биметаллическая пластина 1 нагревается, немного разгибается, прикасается к столбику 2 и замыкает цепь.
В этот момент загорается лампа накаливания 3. Примерно через 0,25 секунды биметаллическая пластина 1 остывает, снова сгибается, отходит от столбика 2, ток в цепи ослабевает, и лампа накаливания 3 гаснет. Между биметаллической пластиной 1 и столбиком 2 снова возникает тлеющий разряд, пластина опять нагревается, и процесс повторяется.
Теоретически он должен идти с какой-то регулярной периодичности, то есть лампа накаливания 3 должна, например, каждые пять секунд загораться и гаснуть. V некоторых стартеров так и бывает. Однако стартеры для люминесцентных ламп значительно разнятся по своим параметрам. Многие предприятия во время ремонтов часто выбрасывают металлическую арматуру для люминесцентных ламп, и если подобрать сразу 15 - 20 стартеров на 220 вольт, то среди них наверняка найдется один подходящий.
У части стартеров тлеющий разряд в разрядном промежутке недостаточен, чтобы нагреть пластину и замкнуть цепь, и лампа накаливания 3 не горит вообще.
Рабочий режим счетчика базируется на том явлении, что слабый разряд не может нагреть пластину, но в момент пролета частицы ток усиливается, пластина нагревается и на мгновение прикасается к столбику. Тут-то лампа накаливания и вспыхивает. Затем стартёр снова переходит в режим ожидания. Нерегулярность вспышек как раз и свидетельствует о том, что мы попали в рабочий режим. Перерыв между вспышками может варьировать от 0,1 до 3-5 с при, повторяем, полном отсутствии регулярности.
В учебнике физики сказано, что стандартный фабричный счетчик Гейгера не регистрирует частицы в момент искры (щелчка или срабатывания индикатора). У нашего счетчика этот момент существенно больше. Пластине нужно нагреться, а лампе накаливания - вспыхнуть и погаснуть. Но так как естественный фон радиоактивности невысок, а время срабатывания раз в 20 - 30 меньше периода пролета частиц, то результаты работы счетчика удовлетворительны. В минуту должно быть примерно от 12 до 25 вспышек.
У фабричных счетчиков существует зависимость числа срабатываний N от напряжения U (рис. 2). Если батарея дает низкое напряжение, то регистрируются не все частицы. При подаче расчетного для данного счетчика напряжения на графике появляется плато Гейгера, то есть все частицы регистрируются. При дальнейшем повышении напряжения увеличивается количество ложных срабатываний, и затем происходит непрерывный пробой - кривая на графике уходит вверх.
Все это справедливо и для нашего счётчика. Таким образом, режим регистрации частиц относительный. Если стартер лежит на столе, счетчик срабатывает реже, а если поднести к стартеру пыльную тряпку, то количество вспышек в минуту увеличивается - ведь пыль всегда содержит радиоактивные изотопы.
Следует учитывать и колебания силы тока в цепи, но в течение 20-30 минут она, как правило, постоянна. Предпочтительно также проводить измерения поздним вечером. Если у вас есть подстроечный трансформатор-стабилизатор со встроенным вольтметром от старого телевизора - вообще прекрасно. Главное, наш счетчик позволяет проводить относительные измерения - определять степень радиоактивности, скажем, овощей или интересующих вас предметов. Можно, наконец, тарировать счетчик по стандартному фабричному, взяв его ненадолго у кого-то из друзей или знакомых.
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.
UPD: Кто уже читал пост - пожалуйста зайдите и поучаствуйте в опросе. Спасибо большое!
Примерно полтора года назад на нескольких сетевых ресурсах, в том числе и на хабре, начали пиарить проект «До-ра» - приставку к iPhone, позволяющую измерять радиационный фон и делать много всего вкусного на основании получаемой со счётчика Гейгера информации. Статьи в новостях проекта упоминают несколько многомиллионных грантов, выделенных на разработку приборчика фондом «Сколково». Шли месяцы, «До-ра» всё никак не получалась, покупатели ждали, конкуренты не дремали. Так ли сложна «До-ра» как её малюют и как собрать за пару часов из подручных деталей в десять раз более чувствительный аналог я расскажу тем кто нажмёт на
Итак, приступим. Совсем недавно я узнал о прекрасной (и к тому же бесплатной!) программе GeigerBot, обрабатывающей поступающие на микрофонный вход iPhone или iPad импульсы с детекторов ионизирующего излучения и имеющей приятную особенность: при определённой комбинации настроек через выход наушников воспроизводится синусоидальный сигнал частотой 20 кГц. Комбинация настроек, необходимая для этого, такова: в ClickifyLab все регуляторы должны быть в максимуме, Echo Filter включен, а сама функция щелчков Clickify - выключена. Проделав соответствующие настройки я убедился с помощью 3.5-миллиметрового штекера и осциллографа в том что сигнал действительно появляется и его размах от пика до пика при максимальной громкости составляет примерно 1.3 вольта. В этот момент не осталось никаких сомнений в том через час этот сигнал будет использован после небольшой
трансформации для питания счётчика Гейгера, импульсы с которого будут направлены на микрофонный вход.
Счётчик был взят популярный - СБМ-20. Для его питания нужно 400 вольт постоянного тока, получить их можно стандартым способом с помощью трансформатора имеющего высокий коэффициент трансформации и выпрямителя. Очень высокий коэффициент трансформации у трансформаторов, питающих люминесцентные лампы с холодным катодом в подсветках мониторов. Мне подвернулась плата подсветки от уже-не-помню-чего, содержащая трансформатор SGE2687-1 (подойдёт любой аналогичный, их сотни типов) с коэффициентом трансформации около 150. Немного маловато, но другого у меня не было и недостаток напряжения был восполнен диодными удвоителями. Берём макетку и начинаем собирать схему.
Схема получилась очень простой: трансформатор, два удвоителя напряжения, варистор на 390 вольт в качестве стабилитрона и транзистор для увеличения длительности приходящих со счётчика Гейгера импульсов до удобоваримых для звукового АЦП iPhone значений. При исправных деталях и правильном монтаже она начнёт работать сразу, номиналы большинства деталей можно изменять в очень широких пределах без ущерба работоспособности всей схемы. Вставляем разъём в iPhone и запускаем приложение GeigerBot. Аккуратно высокоомным (не менее 100 МОм) вольтметром или тестером с добавочным сопротивлением контролируем напряжение на варисторе, оно должно быть около 400 вольт. Убеждаемся что в настройках GeigerBot выбран тип счётчика СБМ-20 и наблюдаем за количеством регистрируемых импульсов. При естественном радиационном фоне (0.1-0.15 мкЗв\ч) импульсы будут следовать со средней скоростью 20-30 в минуту. При большой длине кабеля от разъёма до схемы возможно взаимное влияние относительно мощного выходного сигнала частотой 20 кГц на микрофонный вход, проявляться это может в виде огромной скорости регистрации импульсов - несколько тысяч в секунду. Для ослабления этого влияния используется два раздельных земляных провода - для питающей и сигнальных цепей. В случае таких проблем в настройках GeigerBot надо увеличить порог срабатывания по амплитуде импульсов (Settings - Geiger Counter - Custom GM tube - I/O Settings - Volume threshold поставить 10000 или около того).
Вот небольшое видео, показывающее работу устройства.
На двадцать пятой секунде показана реакция счётчика на солонку, изготовленную в США в сороковых годах прошлого столетия и покрытую урановой глазурью, на тридцать пятой - форма импульсов на микрофонном входе iPhone.
Вот и всё, то есть почти всё. Чтобы придать нашему детектору-приставке законченный вид возьмём небольшой отрезок подходящей трубки, засунем туда всё что мы напаяли, не забыв заизолировать части схемы друг от друга и загерметизируем по торцам термоклеем. Вот теперь всё, можно ехать в Припять: предупреждён - значит вооружён.
Спасибо за внимание. Всем удачи в техническом творчестве и хорошей экологической обстановки!
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.
В наш век техногенных катастроф необходимо защитить себя от их последствий в виде радиоактивного заражения. А для этого ионизирующее излучение необходимо обнаружить. Поэтому при отсутствии промышленных приборов любой радиолюбитель может попытаться изготовить счетчик Гейгера своими руками.
Гейгера?
Для измерения радиоактивного фона учеными и инженерами разработаны приборы - счетчики Гейгера. В качестве датчика альфа-, бета- и гамма-излучений используется герметичная газоразрядная трубка, наполненная смесью инертных газов, названная в честь ученых-изобретателей счетчиком Гейгера - Мюллера. Но профессиональные приборы мало доступны современному обывателю и довольно дороги.
Разработано несколько разновидностей подобных конструкций. Счетчик Гейгера своими руками из неоновой лампы может изготовить даже самый неподготовленный сталкер для выживания в постапокалиптическом мире.
Разновидности конструкций самодельных счетчиков Гейгера
Счетчик Гейгера своими руками разработали и изготовили уже многие конструкторы-любители. Вариантов конструкций много. Известны наиболее распространенные схемы самодельных разработок:
- Радиометр, с использованием стартера от лампы дневного света или неоновой лампы в качестве датчика бета- и гамма-излучения.
- Простой самодельный индикатор радиации на базе датчика СТС-5.
- Простейший дозиметр с датчиком СБМ-20.
- Малогабаритный радиационный индикатор на базе датчика СБТ-9.
- Индикатор ионизирующего излучения на базе датчика из полупроводникового прибора - диода.
- Простейший индикатор радиации с самодельным разрядником, изготовленным из ПЭТ-бутылки и консервной банки.
Преимущества и недостатки конструкций
Конструкции самодельных дозиметров и индикаторов радиации с использованием датчиков СБМ-20, СТС-5, СБТ-9 достаточно просты, имеют высокую чувствительность. Но у них есть очень важный недостаток - это промышленные датчики ионизирующего излучения, которые труднодоступны и дороги для покупки.
Индикатор радиации с датчиком из полупроводникового прибора дешев, но, в связи с нелинейностью характеристик полупроводников, труден в настройке, чувствителен к изменению температуры и напряжению питания.
Прибор с самодельным датчиком из ПЭТ-бутылки предельно прост, но требует схемы с полевым транзистором, который не всегда доступен для самодельщика. Кроме того, полевые транзисторы склонны к пробою в условиях сильной радиации.
Наиболее доступными являются конструкции с датчиками на базе стартера от неисправных ламп дневного света или неоновой лампы. К недостаткам датчика из стартера, как и неоновой лампы, необходимо отнести чувствительность к изменению температуры и напряжения питания, необходимость экранирования датчика от света и электромагнитного излучения. К преимуществам относится простота изготовления и настройки счетчика Гейгера своими руками.
Схема индикатора радиации c неоновой лампой в качестве датчика
Изготовление счетчика Гейгера своими руками следует начинать с изучения принципиальной схемы устройства. В этой схеме в качестве датчика гамма- и бета-излучения используется неоновая лампочка.
Рассмотрим принципиальную схему.
Чтобы выпрямить переменный ток, применен диод D1. Для обеспечения постоянного напряжения 100 В использована стабилизационная схема на основе стабилитрона D2. Параметры резистора R1 находятся в зависимости от питающего напряжения Vac и рассчитываются по формуле
R1=(Vac-100V)/(5 мА).
Переменным сопротивлением R2 устанавливается напряжение на неоновой лампочке немного ниже напряжения поджигания. Неоновая лампа в режиме ожидания не должна гореть. При пролете радиоактивных частиц через стеклянную колбу, происходит ионизация инертного газа и вспышка лампы.
В момент вспышки лампы на сопротивлении R3 произойдет падение напряжения, а на неоновой лампе появится напряжение, меньше напряжения удержания. На лампе не будет прохождения тока до момента зажигания ее ионизирующей частицей. В момент краткого протекания тока через лампу в громкоговорителе прозвучит громкий щелчок. После сборки счетчика Гейгера своими руками из неоновой лампы можно приступать к его настройке.
Настройка и калибровка счетчика Гейгера
Разработанная модель постапокалиптического счетчика Гейгера своими руками настраивается просто. Переменным сопротивлением R2 прибор переводится в на грани срабатывания датчика из неоновой лампы. Далее для эксперимента, к индикатору радиоактивности приближается пыльная тряпка и регулирующим резистором R2 подстраивается чувствительность прибора. Так как в пыли полно радиоактивных изотопов, неоновая лампочка индикатора радиоактивности при правильной настройке должна периодически вспыхивать, головка громкоговорителя должна издавать стрекочущие звуки и щелчки.
Для более точной калибровки прибора необходимо применить доступный источник радиации. Им может быть тумблер от военной радиоаппаратуры с нанесенным на него светящимся радиоактивным люминофором. Калибровка осуществляется с помощью образцового стандартного дозиметра. Частота срабатывания самодельного счетчика Гейгера подстраивается под частоту подсчета уровня радиации промышленного дозиметра. Для калибровки также может применяться стандартный источник радиации, которым, как правило, укомплектован военный дозиметр.
Материалы и инструменты для сборки счетчика Гейгера
При сборке своими руками счетчика Гейгера материалы могут применяться любые, доступные радиолюбителю. Главное, чтобы номиналы радиодеталей соответствовали приведенной схеме. Необходимо правильно подобрать в качестве датчика неоновую лампу, чтобы напряжение зажигания примерно соответствовало 100 В. При этом радиодетали могут быть как импортные, так и отечественные. Параметры деталей необходимо подобрать, используя справочную литературу.
Важно отметить, что в приведенной принципиальной схеме использовано переменное напряжение питания от сети Vac =220 В по бестрансформаторной схеме, а это опасно поражением организма электрическим током. Для предотвращения электрической травмы, следует изготовить корпус прибора из электроизоляционного материала. Для этой цели подойдет плексиглас, гетинакс, стеклотекстолит, полистирол, другие слоистые пластики.
При сборке счетчика Гейгера своими руками инструмент применяется самый разнообразный:
- Электрический паяльник мощностью 60 Вт необходим для пайки радиодеталей.
- Ножовка по металлу широко используется для распиливания фольгированного стеклотекстолита, при изготовлении печатной платы. Применяется для раскройки и разрезания пластиковых деталей корпуса.
- Электродрель применяется для сверления отверстий в печатной плате, сборки корпуса на уголках.
- Пинцет крайне необходим для работы с мелкими деталями при пайке и монтаже электрической схемы.
- Бокорезы рекомендуются для обрезки выступающих выводов радиодеталей.
- Для пуско-наладки прибора совершенно необходим элементарный тестер, с помощью которого потребуется провести замеры напряжения в контрольных точках, а также других электрических параметров.
- Для автономного электропитания подлинно постапокалиптического счетчика Гейгера желательно подключить аккумуляторную батарею напряжением 4,5-9 В, для чего применить любую простейшую схему преобразователя напряжения до 220 В переменного тока.
При работе с электричеством и следует выполнять требования техники безопасности.