Счетчик Гейгера — это просто
В связи с экологическими последствиями деятельности человека, связанной с атомной энергетикой, а также промышленностью (в том числе военной), использующую радиоактивные вещества как компонент или основу своей продукции изучение основ радиационной безопасности и радиационной дозиметрии становится сегодня достаточно актуальной темой. Помимо природных источников ионизирующего излучения с каждым годом все больше и больше появляется мест, загрязненных радиацией впоследствии человеческой деятельности. Таким образом, чтобы сохранить свое здоровье и здоровье своих близких необходимо знать степень зараженности той или иной местности или предметов и пищи. В этом может помочь дозиметр – прибор для измерения эффективной дозы или мощности ионизирующего излучения за некоторый промежуток времени.
Прежде чем приступать к изготовлению (или же покупке) данного устройства необходимо иметь представление о природе измеряемого параметра. Ионизирующее излучение (радиация) – это потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество. Разделяется на несколько видов. Альфа-излучение представляет собой поток альфа частиц – ядер гелия-4, альфа-частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде, могут быть легко остановлены листом бумаги, поэтому опасность представляет в основном при попадании внутрь организма. Бета-излучение – это поток электронов, возникающих при бета-распаде, для защиты от бета-частиц энергией до 1 МэВ достаточно алюминиевой пластины толщиной в несколько миллиметров. Гамма-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, поскольку состоит из высокоэнергичных фотонов, не обладающих зарядом, для защиты эффективны тяжелые элементы (свинец и т.п.) слоем в несколько сантиметров. Проникающая способность всех видов ионизирующего излучения зависит от энергии.
Для регистрации ионизирующего излучения в основном используются счетчики Гейгера-Мюллера. Это простое и эффективное устройство обычно представляет собой цилиндр металлический или стеклянный металлизированный изнутри и тонкой металлической нити, натянутой по оси этого цилиндра, сам цилиндр наполняется разреженным газом. Принцип работы основан на ударной ионизации. При попадании на стенки счетчика ионизирующего излучения выбивают из него электроны, электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, приводящая к размножению первичных носителей. При достаточно большой напряженности поля энергии этих ионов становится достаточной, чтобы порождать вторичные лавины, способные поддерживать самостоятельный разряд, в результате чего ток через счетчик резко возрастает.
Не все счетчики Гейгера могут регистрировать все виды ионизирующего излучения. В основном они чувствительны к одному излучению – альфа, бета или гамма-излучению, но часто так же в некоторой степени могут регистрировать и другое излучение. Так, например, счетчик Гейгера СИ-8Б предназначен для регистрации мягкого бета-излучения (да, в зависимости от энергии частиц излучение может разделяться на мягкое и жесткое), однако данный датчик так же в некоторой степени чувствителен к альфа-излучению и к гамма-излучению.
Однако, приближаясь все-таки к конструкции статьи, наша задача сделать максимально простой, естественно портативный, счетчик Гейгера или вернее сказать дозиметр. Для изготовления этого устройства мне удалось раздобыть только СБМ-20. Этот счетчик Гейгера предназначен для регистрации жесткого бета- и гамма излучения. Как и большинство других счетчиков, СБМ-20 работает при напряжении 400 вольт.
Основные характеристики счетчика Гейгера-Мюллера СБМ-20 (таблица из справочника):
Данный счетчик обладает относительно невысокими показателями точности измерения ионизирующего излучения, но достаточными для определения превышения допустимой для человека дозы излучения. СБМ-20 применяется во многих бытовых дозиметрах в настоящее время. Для улучшения показателей часто используется сразу несколько трубок. А для увеличения точности измерения гамма-излучения дозиметры оснащаются фильтрами бета-излучения, в этом случае дозиметр регистрирует только гамма-излучение, но зато достаточно точно.
При измерении дозы радиации необходимо учитывать некоторые факторы, которые могут быть важны. Даже при полном отсутствии источников ионизирующего излучения счетчик Гейгера будет давать некоторое количество импульсов. Это так называемый собственный фон счетчика. Сюда так же относится несколько факторов: радиоактивное загрязнение материалов самого счетчика, спонтанная эмиссия электронов из катода счетчика и космическое излучение. Все это дает некоторое количество «лишних» импульсов в единицу времени.
Итак, схема простого дозиметра на основе счетчика Гейгера СБМ-20:
Схему собираю на макетной плате:
Схема не содержит дефицитных деталей (кроме, естественно, самого счетчика) и не содержит программируемых элементов (микроконтроллеров), что позволит собрать схему в течении короткого времени без особого труда. Однако такой дозиметр не содержит шкалы, и определять дозу радиации необходимо на слух по количеству щелчков. Такой вот классический вариант. Схема состоит из преобразователя напряжения 9 вольт – 400 вольт.
На микросхеме NE555 выполнен мультивибратор, частота работы которого составляет примерно 14 кГц. Для увеличения частоты работы можно уменьшить номинал резистора R1 примерно до 2,7 кОм. Это будет полезно, если выбранный вами дроссель (а может и изготовленный) будет издавать писк – при увеличении частоты работы писк исчезнет. Дроссель L1 необходим номиналом 1000 – 4000 мкГн. Быстрее всего можно найти подходящий дроссель в сгоревшей энергосберегающей лампочке. Такой дроссель и применен в схеме, на фото выше он намотан на сердечнике, которые обычно используют для изготовления импульсных трансформаторов. Транзистор T1 можно использовать любой другой полевой n-канальный с напряжением сток-исток не менее 400 вольт, а лучше больше. Такой преобразователь даст всего несколько миллиампер тока при напряжении 400 вольт, но для работы счетчика Гейгера этого хватит с головой несколько раз. После отключения питания от схемы на заряженном конденсаторе C3 схема будет работать еще примерно секунд 20-30, учитывая его небольшую емкость. Супрессор VD2 ограничивает напряжение на уровне 400 вольт. Конденсатор C3 необходимо использовать на напряжение не менее 400 — 450 вольт.
Далее схема состоит из непосредственно самого счетчика Гейгера RO1 и цепи «озвучивания» импульсов счетчика.
В качестве Ls1 можно использовать любой пьезодинамик или динамик. При отсутствии ионизирующего излучения ток через резисторы R2 – R4 не протекает (на фото на макетной плате пять резисторов, но общее их сопротивление соответствует схеме). Как только на счетчик Гейгера попадет соответствующая частица внутри датчика происходит ионизация газа и его сопротивление резко уменьшается вследствие чего возникает импульс тока. Конденсатор С4 отсекает постоянную часть и пропускает на динамик только импульс тока. Слышим щелчок.
В моем случае в качестве источника питания используется две аккумуляторных батареи от старых телефонов (две, так как необходимое питание должно быть более 5,5 вольт для запуска работы схемы в силу примененной элементной базы).
Итак, схема работает, изредка пощелкивает. Теперь как это использовать. Самый простой вариант – это пощелкивает немного – все хорошо, щелкает часто или вообще непрерывно – плохо. Другой вариант – это примерно подсчитываем количество импульсов за минуту и переводим количество щелчков в мкР/ч. Для этого из справочника необходимо взять значение чувствительности счетчика Гейгера. Однако в разных источника всегда немного разные цифры. В идеальном случае необходимо провести лабораторные замеры для выбранного счетчика Гейгера с эталонными источниками излучения. Так для СБМ-20 значение чувствительности варьируется в пределах от 60 до 78 имп/мкР по разным источникам и справочникам. Так вот, подсчитали количество импульсов за одну минуту, далее это число умножаем на 60 для аппроксимации числа импульсов за один час и все это разделить на чувствительность датчика, то есть на 60 или 78 или что у вас ближе к действительности получается и в итоге получаем значение в мкР/ч. Для более достоверного значения необходимо сделать несколько замеров и посчитать между ними среднеарифметическое значение. Верхний предел безопасного уровня радиации составляет примерно 20 — 25 мкР/ч. Допустимый уровень составляет примерно до 50 мкР/ч. В разных странах цифры могут отличаться.
P.S. На рассмотрение этой темы меня подтолкнула статья о концентрации газа радон, проникающего в помещения, воду и т.д. в различных регионах страны и его источниках.
Источник
Приложение 4. Счетчики Гейгера
Счетчики Гейгера-Мюллера — самые распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения. До сих пор им, изобретенным в самом начале нашего века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, скольконибудь полноценной замены.
В своей основе счетчик Гейгера очень прост. В хорошо вакуумированный герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизируемых неона и аргона. Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчи- ки воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют
Рис. П4.1. Включение счетчика Гейгера
и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно». К электродам прикладывают высокое напряжение U^ (рис. П4.1), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В этом состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации — след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют «по дороге» другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронноионного облака, резко увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.
Обратный процесс — возвращение газовой среды в ее исходное состояние в так называемых галогеновых счетчиках — происходит само собой. В действие вступают галогены (обычно хлор или бром), в небольшом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие — «мертвое» время — является важной его паспортной характеристикой.
Такие счетчики называют галогеновыми самогасящимися. Отличаясь самым низким напряжением питания, превосходными параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались особенно удобными для применения в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.
Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения — a, b, g, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но реальная спектральная чувствительность счетчика в значительной мере зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к a- и мягкому b-излучению, должно быть очень тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3. 10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое b- и g-излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки
Рис. П4.2. Зависимость скорости счета or напряжения питания в счетчике Гейгера
0,05. 0,06 мм (он служит и като- дом счетчика). Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового — из кварцевого стекла.
В счетчик нейтронов вводят бор, при взаимодействии с которым поток нейтронов преобразуется в легко регистрируемые a- частицы. Фотонное излучение — ультрафиолетовое, рентгеновское, g-излучение — счетчики Гейгера воспринимают опосредованно — через фотоэффект, комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом случае происходит преобразование взаимодействующего с веществом катода излучения в поток электронов.
Каждая фиксируемая счетчиком частица вызывает появление в его выходной цепи короткого импульса. Число импульсов, возникающих в единицу времени, — скорость счета счетчика Гейгера — зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Типичный график зависимости скорости счета от напряжения питания Uпит показан на рис. П4.2. Здесь Uнс — напряжение начала счета; Uнг и Uвг — нижняя и верхняя граница рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение Uр обычно выбирают в середине этого участка. Ему соответствует Nр — скорость счета в этом режиме.
Зависимость скорости счета от уровня радиационного облучения счетчика — важнейшая его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому нередко радиационную чувствительность счетчика выражают через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета — имп/с — к уровню радиации — мкР/с).
В тех случаях, когда она не указана (нередких, к сожалению), судить о радиационной чувствительности счетчика приходится по другому его тоже очень важному параметру — собственному фону. Так называют скорость счета, причиной которой являются две составляющие: внешняя — естественный радиационный фон, и внутренняя — излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода. («фон» в дозиметрии имеет почти тот же смысл, что и «шум»
Рис. П4.3. Зависимость скорости счета от энергии гамма-квантов («ход с жесткостью») в счетчике Гейгера
в радиоэлектронике; в обоих случаях речь идет о принципиально неустранимых воздействиях на аппаратуру.)
Еще одной важной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц. На профессиональном жаргоне график этой зависимости называют «ходом с жесткостью». В какой мере эта зависимость важна, показывает график на рис. П4.3. «Ход с жесткостью» будет влиять, очевидно, на точность проводимых измерений.
Не обсуждая вопрос о том, нужна ли высокая точность измерений бытовому радиометру, заметим, что подобные приборы промышленного изготовления отличаются от любительских только лишь коррекцией счетчика по жесткости. Для этого на счетчик надевают «рубашку» — пассивный фильтр, имеющий приблизительно обратную по отношению к счетчику жесткостную характеристику.
То, что счетчик Гейгера является лавинным прибором, имеет и свои минусы — по реакции такого прибора нельзя судить о перво- причине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые счетчиком Гейгера под действием a-частиц, электронов, g-квантов
Источник