Здесь BD1 - датчик ионизирующей радиации - счетчик Гейгера типа СБМ20. Высокое напряжение на его аноде формирует блокинг-генератор (VT1, Т1 и др.). На повышающей обмотке I трансформатора Т1 периодически с частотой в несколько герц (f ≈ 1/R6C5) возникают импульсы напряжения, амплитуда которых близка к Uимп = (U C6 - 0,5) n 1 /n 2 = (9 - 0,5) 420/8 ≈ 450 В (U C6 ≈ 9 В -напряжение питания блокинг-генератора, 0,5 В - импульсное напряжение насыщения транзистора КТ3117А; n 1 и n 2 - число витков в обмотках I и II трансформаторов). Эти импульсы через диоды VD1 и VD2 заряжают конденсатор С1, который и становится таким образом источником питания счетчика Гейгера. Диод VD3, демпфируя обратный импульс напряжения на обмотке II, препятствует переходу блокинг-генератора в режим значительно более высокочастотного LC-генератора.
При возбуждении счетчика Гейгера β-частицей или γ-квантом в нем возникает импульс тока с коротким фронтом и затянутым спадом. Соответственно импульс напряжения такой же формы возникает на его аноде. Его амплитуда - не менее 50 В.
Назначение одновибратора, выполненного на элементах DD1.1 и DD1.2, состоит в том, чтобы преобразовать импульс, снятый с анода счетчика Гейгера, в «прямоугольный» импульс цифрового стандарта длительностью tимп ≈ 0,7 R4 С3 = 0,7 10 6 0,01 10 -6 = 7 мс. В его формировании важную роль играет резистор R2 - он ограничивает ток в защитных диодах микросхемы до величины, при которой «нулевое» напряжение на входе 8 DD1.1 остается в пределах .
Этот 7-миллисекундный «единичный» импульс поступает на вход 6 мультивибратора, выполненного на элементах DD1.3 и DD1.4, и создает нужные для его самовозбуждения условия. Мультивибратор возбуждается на частоте F ≈ 1/2 0,7 R7 С7 = 1/2 0,7 51 10 3 0,01 10 -6 = 1400 Гц, и парафазно подключенный к его выходам пьезоизлучатель трансформирует это возбуждение в короткий акустический щелчок.
Печатную плату индикатора изготавливают из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толшиной 1,5 мм. На рис. а показана монтажная ее сторона, а на рис. б - конфигурация фольги под деталями (нуль-фольги).
Почти все резисторы в индикаторе МЛТ-0,125 (R1 - КИМ-0,125). Конденсаторы: С1 - К73-9; С2 - КД-26; СЗ, С7 и С8 -КМ-6 или К10-17-2б; С4 и С6 - К50-40 или К50-35; С5 - К53-30. Черными квадратами на рис. б показаны соединения их «заземляемых» выводов с нуль-фольгой; черными квадратами со светлой точкой в центре - соединения с нуль-фольгой некоторых фрагментов печатного монтажа и вывода 7 микросхемы.
Счетчик СБМ20 фиксируют в нужном положении с помощью контактных стоек, которые можно изготовить, например, из канцелярских скрепок. Их внатяг надевают на выводы счетчика и припаивают к печатной плате (для прочности - с обеих сторон).
Во избежание перегрева, возможного при пайке толстой стальной проволоки, рекомендуется пользоваться хорошим флюсом.
Трансформатор Т1 наматывают
на кольцевом сердечнике М3000НМ
(никель-марганцевый феррит) типоразмера К16 х 10 х
4,5 мм (внешний диаметр х внутренний диаметр х
высота). Острые ребра сердечника заглаживают
шкуркой и покрывают электрически и механически
прочной изоляцией, например, обматывают тонкой
лавсановой или фторопластовой лентой.
Первой
наматывают обмотку I, она содержит 420 витков
провода ПЭВ-2-0,07. Намотку ведут почти виток к
витку, в одну сторону, оставляя между ее началом и
концом промежуток в 1...2 мм. Обмотку I покрывают
слоем изоляции и поверх наматывают обмотку II - 8
витков провода диаметром 0,15...0,2 мм в любой
изоляции - и обмотку III - 3 витка тем же
проводом. Обмотки II и III должны быть
распределены по сердечнику возможно равномернее.
Расположение обмоток и их выводов должно
соответствовать рисунку печатной платы, а их
фазировка - указанной на принципиальной схеме
(синфазные концы обмоток - входящие в отверстие
сердечника с одной стороны - обозначены
точками).
Изготовленный трансформатор покрывают
слоем гидроизоляции, например, обматывают узкой
полоской липкой изоленты ПВХ. На плату
трансформатор крепят винтом М3 с использованием
двух эластичных (не продавливающихся обмоток) шайб
(рис.).
Смонтированную плату крепят на передней панели (рис.), изготовленной из ударопрочного полистирола толщиной 2 мм, к которой приклеен уголок-выгородка для размещения «Корунда» (во избежание последствий разгерметизации источники питания не рекомендуется размещать непосредственно в электронной части приборов). На этом уголке приклеены полоски того же полистирола, между которыми вводится печатная плата. Плата крепится винтом М2 к стойке-опоре, приклеенной к передней панели.
В передней панели вырезают отверстие диаметром
30 мм под пьезоизлучатель ЗП-1 (в образовавшееся
таким образом гнездо ЗП-1 может быть вклеен или
зафиксирован в нем как-то иначе).
С внешней
стороны это отверстие может быть закрыто
декоративной решеткой. На передней панели
размещают и выключатель питания типа
ПД9-1.
Полностью смонтированную переднюю панель
вводят в корпус прибора - коробку соответствующих
размеров, изготовленную из того же полистирола. В
стенке корпуса, примыкающей непосредственно к
счетчику Гейгера, необходимо вырезать
прямоугольное отверстие размером 10 х 85 мм,
которое во избежание ослабления контролируемого
излучения (табл.) можно перекрыть лишь редкой
решеткой.
|
Материал |
Толщина, мм |
Кратность ослабления |
| Дюралюминий | ||
| Фольгированный стеклотекстолит | ||
| Ударопрочный полистирол | ||
| Изолента ПВХ |
0,25 |
|
| Полиэтиленовая пленка |
0,05 |
|
| Алюминиевая фольга |
0,02 |
1,02 |
О возможных
заменах.
Счетчик СБМ20 выпускается в
трех модификациях, различающихся лишь оформлением
выводов. Близок по своим характеристикам к СБМ20 и
выпускавшийся ранее счетчик СТС5.
Может быть
заменен и пьезоизлучатель ЗП-1: излучатель ЗП-22,
имеющий те же размеры, практически ни в чем ему не
уступает.
В блокинг-генераторе можно
использовать любой среднечастотный кремниевый
транзистор, имеющий импульсное напряжение
насыщения не выше 0,5 В (при токе в коллекторе
1...2 А) и коэффициент усиления по току не менее
50.
Диоды VD1 и VD2 можно заменить столбом
КЦ111А. При каких-либо других заменах необходимо
обращать внимание на обратный ток диода - он не
должен превышать 0,1 мкА. В противном случае
радиационный индикатор, утеряв
энергоэкономичность, превратится в весьма
заурядный прибор.
Индикатор преобразует кратковременный импульс тока, возникающий в счетчике Гейгера под действием ионизирующей частицы, в акустический щелчок. И если реакция счетчика СБМ20 на естественный радиационный фон составляет, скажем, 18...25 импульсов в минуту, то именно такое пощелкивание прибора и будет слышать его владелец. Если же он приблизится к источнику радиации настолько, что интенсивность поля ионизирующего излучения, например, удвоится, то удвоится и частота этих щелчков.
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.
Обычно схемы дозиметров собраны с применением микроконтроллеров или микросхем простой логики. Но во многих случаях нам нужен лишь простой дозиметр. В рамках этой статьи рассмотрим две элементарные конструкции сигнализаторов радиоактивного излучения собранные своими руками, в которых самым сложным компонентов является самый распространенный счетчик Гейгера СБМ-20.
|
Простейший дозиметр с датчиком на фотодиоде |
Собрать своими руками простой счетчик Гейгера, который использует вместо СБМ-20 ,обычный фотодиод в роли детектора излучения сможет любой радиолюбитель. Дозиметр способен фиксировать только альфа- и бета излучение. К сожалению рентгеновский диапазон он обнаружить не сможет. Схема устройства собирается на небольшой печатной плате, и размещается в подходящем корпусе. Медные трубки и фольга необходима для отфильтровки радиочастотных помех.
Список необходимых радиокомпонетов
BPW34 фотодиод, LM358 Операционный усилитель, транзисторы 2N3904, 2N7000; конденсаторы 100 нФ (2шт), 100 мкФ, 10 нФ, 20 нФ; Резисторы 10 Мом, 1.5 Мом (2 шт), 56 ком резистор, 150 ком, 1 ком (2 шт), 250 ком потенциометр; Пьезодинамик, Тумблер
После сборки проверьте, что полярность динамика и светодиода, подключены правильно. Наденьте на фотодиод медные трубки и изоленту. Они должны очень плотно прилегать.
Просверливаем отверстие в боковой части алюминиевого корпуса для тумблера включения питания, а сверху для фотодатчика, светодиода и регулятора чувствительности. После монтожа радикомпонентов, вставьте батарейки. Изоленту накрутите вокруг медных трубок, чтобы они не смещались. Это также уменьшит количество световых квантов воздействующих на фотодиод.
Проверить работоспособность получившегося устройства можно на любом тестовом источнике радиации, который должен быть в специальных лабораториях или в школьных кабинетах по физике. Ну или скататься на великах в Чернобыльскую зону.
Простой дозиметр на СБМ-20 |
Питание прибора для упрощения конструкции будем осуществлять от стандартной сети переменного тока на 220 вольт
Высокое напряжения поступает с удвоителя построенного на диодах и конденсаторах, затем оно поступает на счетчик Гейгера СБМ 20. Последовательно с ним подключено сопротивление R1. При каждом проходе через счетчик радиационной частицы на его выходе и соответственно на резисторе R1 генерируется электрический импульс, который через резистор R2 попадает на звукоизлучающее устройство в результате чего слышен щелчок.
При нормальном радиационном фоне подобные щелчки слышны 1-2 раза в секунду. С ростом уровня радиации частота щелчков сильно увеличивается и дажеможет перейти в непрерывный треск.
Существенным недостатком данной конструкции своими руками, является факт привязки к электросети. Поэтому рассмотрим еще оди вариант.
|
Простой дозиметр на СБМ-20 с автономным питанием |
В этом устройстве индикатора радиации в роли источника высокого напряжения применен обычный блокинг-генератор генератор малой мощности на транзисторе. Переменное напряжение с вторичной повышающей обмотки трансформатора выпрямляется и поступает на счетчик Гейгера.
Трансформатор изготавливается на ферритовом кольце диаметром 16 мм. Затем осуществляем равномерную намотку первичной обмотки, 400 витками медного провода ПЭВ 0,12. Далее проводом ПЭВ диаметром 0,42 мм крутим вторую и третью обмотку из 8 и 3 витков соответственно.
В правильно собранной конструкции напряжение на емкости C3 должно быть около 400 вольт. Если вдруг меньше, то необходимо поменять местами концы повышающей обмотки. Если напряжение полностью отсутствует то, требуется поменять местами выводы третьей обмотки.
|
Радиационная безопасность |
В связи с экологическими последствиями атомных взрывов в мирных целях на Новой Земле и в регионе Семипалатинского испытательного полигона, вследствие сбросов радиоактивных отходов в реку Теча на Южном Урале (1949-1956 гг.), особенно из-за загрязнений природной среды при эксплуатации АЭС (Чернобыльская авария, 1986 г. и другие), изучение основ радиационной безопасности и радиационной дозиметрии стало сегодня весьма актуальным. У населения возникла радиофобия, т. е. боязнь облучения даже в самых незначительных дозах, намного меньше любой научно обоснованной степени риска.
В этой статье найдете описание простых схем дозиметра на счетчике СБМ-20, обладающих достаточной чувствительностью и регистрирующих самые малые значения бета- и гамма- радиоактивных частиц. Схема дозиметра базируется на отечественном датчике радиационного излучения типа 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.
Простая схема дозиметра на СБМ-20 |
Подключена конструкция всего к одной пальчиковой батарейки типа АА. Как известно, рабочее напряжение датчика СБМ-20 400 вольт, поэтому возникает необходимость использовать преобразователь напряжения.
Повышающий преобразователь выполнен на основе простого блокинг-генератора. Высоковольтные импульсы с вторичной обмотки трансформатора, выпрямляются высокочастотным диодом.
Если счетчик СБМ-20 расположить вне зоны радиационного излучения оба транзистора VT2 и VT3 закрыты. Звуковая и световая сигнализация не активна. Как только на счетчик попадают радиоактивные частицы ионизируется находящийся внутри датчика газ, а на его выходе появляется импульс, который проходит на транзисторный усилитель и в телефонном динамике слышится щелчок и загорается светодиод.
При слабой естественной радиационной интенсивности, вспышки светодиода и щелчки повторяются через каждые 1…2 сек. Это говорит лишь о нормальной фоновой радиации. С возрастанием уровня радиоактивности щелчки станут чаще и при критических значениях сливаются в один непрерывный треск, а светодиод будет постоянно включен.
Так как радиолюбительская конструкция имеет микроамперметр, то подстроечным сопротивлением осуществляют подстройку чувствительности показаний.
Трансформатор преобразователя собран с использованием броневого сердечника имеющего диаметр 25 мм. Обмотки 1-2 и 3-4 из медного провода диаметром 0,25 мм и содержат соответственно 45 и 15 витков. Вторичная обмотка так же из медного провода, но диаметром 0,1 мм - 550 витков.
Простая конструкция счетчика радиоактивности на СБМ-20 вариант 2 |
Датчиком дозиметра является счетчик Гейгера СБМ20. Блокинг-генератор формирует высокое напряжение на его аноде - с повышающей обмотки трансформатора импульсы следуют через диоды VD1, VD2 и заряжают емкость фильтра С1. Сопротивление R1 является нагрузкой счетчика.
Одновибратор выполнен на элементах DD1.1, DD1.2, СЗ и R4, преобразуют импульсы идущие с счетчика Гейгера и имеющие затянутый спад, в прямоугольные. На элементах DD1.3, DD1.4, С4 и R5, сделан генератор звуковой частоты. Пороговый усилитель, собран на микросхеме DD2.
От частоты следования импульсов со счетчика Гейгера зависит напряжение на емкости С9; по достижении им уровня открытия транзистора, входящего в DD2, загорается светодиод HL1 частота мигания которого будет возрастать с увеличением квантов радиации попадающих на датчик.
Трансформатор Т1 изготавливается своими руками на кольцевом сердечнике М3000НМ К16х10х4,5 мм. Первичная обмотка содержит 420 витков провода ПЭВ-2-0,07. Вторичная обмотка состоит из 8 витков провода диаметром 0,15…0,2 мм; третья обмотка 3 витка тем же проводом.
Бытовые дозиметры производства России и других стран СНГ занимают лидирующие позиции на мировом рынке, так что для редакционного теста были выбраны только такие приборы. Они проверялись в условиях лаборатории (альфа-, бета- и гамма-источники), а также на одном из мест радиоактивного заражения (радий-226, 0,92 мкЗв/ч) и в бытовых условиях (калийные удобрения, сварочные электроды с добавкой тория и ионизационные датчики дыма). Для контроля мы использовали гамма-спектрометр Exploranium GR-130. Все дозиметры измеряли уровень гамма-излучения (кроме мягкого) в пределах паспортной погрешности, а по другим типам излучения расхождения бывали существенными. Большинство тестируемых дозиметров используют классический счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-20 производства «Электрохимприбор». Увы, его чувствительность оставляет желать лучшего, и при низких уровнях радиации подсчет длится несколько минут. В дозиметрах размером с наручные часы используется счетчик СБМ-21, еще менее чувствительный (примерно в 10 раз). Более совершенные дозиметры используют торцевые счетчики. В нашем тесте участвовал дозиметр с таким счетчиком типа Бета-1 производства фирмы «Консенсус», примерно в два раза более чувствительный к гамма-излучению, чем СБМ-20, но и более дорогой.
Радэкс РД1503+
Датчик : СБМ-20 без фильтра. Измерения : завышает показания при низких энергиях гамма-излучения и смешанном гамма-бета-облучении. На некоторых источниках прибор зашкаливало — верхняя граница диапазона у него наименьшая из всех участников теста. Естественный фон завышает примерно в полтора раза. Для поиска небольших очагов заражения подходит плохо из-за низкой чувствительности датчика. Выводы : устройство имеет дружественный интерфейс; огорчает только частый немотивированный перезапуск цикла измерений, из-за чего получение точных результатов может затянуться.
Радэкс РД1706
Датчик : 2хСБМ-20 без фильтров. Измерения : завышает показания при облучении мягким гамма-излучением и при смешанном гамма-бета-облучении. Завышает естественный фон примерно в полтора раза. Для поиска небольших очагов заражения не идеален, но подходит: два датчика ускоряют его реакцию на изменение уровня радиации. Выводы: приятный интерфейс плюс удвоенная скорость измерений. Кроме того, этот прибор куда менее склонен к немотивированному перезапуску измерений.
Соэкс-01М
Датчик : СБМ-20 без фильтра. Измерения : завышает показания при облучении мягким гамма-излучением и смешанном гамма-бета-облучении. Завышает естественный фон примерно в полтора раза. Для поиска небольших очагов заражения подходит плохо из-за низкой чувствительности датчика. Выводы: очень компактный, легкий, с цветным дисплеем и возможностью подключения к компьютеру по USB. Палитра цветов и шрифты не всегда способствуют хорошей считываемости показаний. Отображает качественную оценку уровня фона и диаграмму изменения показаний со временем. Если производитель обновит прошивку, убрав совершенно ненужную анимацию при запуске и выключении, оптимизирует цвета и шрифты для наилучшей читаемости, получится один из лучших бытовых приборов.
МКС-05 Терра-П
Датчик : СБМ-20 с фильтром. Измерения : в целом показания не выходят за паспортную погрешность. Благодаря съемному фильтру Терра-П позволяет проводить приблизительные измерения плотности потока жесткого бета-излучения. Естественный фон завышает примерно в полтора раза. Для поиска небольших очагов заражения подходит плохо из-за низкой чувствительности датчика. Выводы : прибор выглядит приспособленным для полевой, а не только для нежной домашней эксплуатации. Фильтр весьма способствует точности и удобству измерений. К сожалению, прибор не запоминает настройки порога срабатывания сигнализации и сбрасывает ее на 0,3 мкЗв/ч.
Белвар РКС-107
Датчик: 2хСБМ-20 с фильтрами . Измерения : очень точно измеряет излучение от цезия-137, но мягкое гамма-излучение завышает почти в полтора раза. Отдельный режим измерения плотности потока бета-частиц позволяет не использовать никаких приблизительных коэффициентов пересчета. Завышает примерно в полтора раза естественный фон. Для поиска очагов заражения решительно непригоден, так как не умеет производить измерения непрерывно и не озвучивает регистрацию частиц. Выводы: суровое наследие советского прошлого. Этот прибор не умеет ничего, кроме как считать число импульсов за определенное время. Всю математическую обработку инструкция без стеснений предлагает провести пользователю, используя карандаш и бумагу. С другой стороны, это зарегистрированный в реестре прибор, который проходит индивидуальное тестирование, но при этом стоит как обычный бытовой дозиметр.
ДП-5В
Датчик : СБМ-20 для измерения повышенного, среднего и высокого уровня радиации, СИ3БГ для измерения огромных уровней радиации. Оснащен фильтром и контрольным источником на стронции-90. Измерения : при менее чем 0,5 мкЗв/ч стрелка медленно колеблется, затрудняя измерения. При высоких уровнях радиации показания прибора вполне стабильны в широком диапазоне энергий гамма-излучения. Низкая чувствительность датчика частично компенсируется размещением на раздвижной штанге, так что поиск пятен радиации с помощью ДП-5 проще, чем с помощью большинства других участников теста. Выводы: военное, а от того еще более суровое наследие советского прошлого. В некоторых случаях такой прибор можно заполучить за символическую цену. Но это скорее предмет для коллекции или реквизит.
Полимастер ДКГ-РМ1603А
Датчик : СБМ-21 без фильтра. Измерения : мягкое гамма-излучение дозиметр завышает примерно вдвое. К бета-излучению не чувствителен. Завышает естественный уровень радиации примерно на четверть. Обнаружить локальное загрязнение можно только случайно — прибор реагирует на изменение уровня радиации очень медленно. Выводы: не очень радует заторможенная реакция на изменения мощности дозы.
СНИИП Аунис МКС-01СА1М
Датчик : торцевой счетчик Бета-1, сдвижной фильтр. Измерения : единственный участник теста, оказавшийся способным адекватно измерить плотность потока бета-частиц от цезия-137 и измеряющий плотность потока альфа-частиц. Завышает естественный уровень радиации примерно в полтора раза. Благодаря датчику, самому чувствительному к гамма- и особенно бета-излучению, является наиболее подходящим прибором из всех протестированных для поиска радиоактивных пятен. Выводы: однозначно лучший прибор. Очень удобная система индикации относительной статистической погрешности при непрерывном уточнении результата.
