Счетчик гейгера-мюллера: история создания, принципы работы и назначение

Какая радиация наиболее опасна для здоровья?

Следует сказать о том, что прибор для измерения радиации в домашних условиях, дозиметр в некоторых случаях могут ошибочно принимать за радиометр, еще одно средство для измерения радиации, которое, однако, работает немного по другому принципу. Какой принцип действия дозиметрических приборов? Если дозиметр измеряет точное количество ионизирующих веществ в воздухе за определенный промежуток времени, то радиометр нужен для того, чтобы проверить степень заряженности радиационных частиц в определенном образце.

Образцом в данном случае может служить жидкость, газ, спрей, определенная поверхность и прочее. Современные дозиметрические приборы и радиометры используют для того, чтобы вычислить количество и энергию подозрительных радиочастиц в определенной зоне, на поверхности или предметах.

Стоит отметить, что различные предметы для измерения радиации и приборы для измерения радиационного фона нужны по той причине, что ионизирующие вещества могут быть разной природы и по-разному оказывать влияние на человека. К примеру, ученые сегодня разделяют все виды радиации на искусственные и природные. Природными принято называть такие радионуклиды, которые витают в атмосфере и выделяются периодически из пород, вулканических зон, космических катаклизмов. Искусственная радиация – та, которую создал сам человек. Такие ионы могут диагностироваться в местности, где расположены атомные электростанции, заводы по производству ядерного оружия, химические лаборатории.

Максимально опасными и активными считаются искусственные радионуклиды, поскольку они агрессивно влияют на человеческий организм и имеют максимально высокий уровень заряда. Природные же радиационные элементы измеряются, как правило, в небольших количествах по той причине, что они рассеиваются в атмосфере и не являются опасными для жизни человека. Максимально опасными могут быть такие радиационные частицы природного происхождения, которые выделяются в области вулканических пород и на высоких горных местностях.

Для того чтобы измерить степень заряда и концентрацию в воздухе различного рода радиационных частиц и используются несколько отдельных приборов для измерения радиации, название которых вы уже знаете.

Типы трубки

В целом, существует два основных типа конструкции трубки Гейгера.

Тип конечного окна

Схема счетчика Гейгера с трубкой с «торцевым окном» для излучения с низкой проницаемостью. Громкоговоритель также используется для индикации

Для альфа-частиц, бета-частиц с низкой энергией и рентгеновских лучей с низкой энергией обычная форма представляет собой цилиндрическую трубку с торцевым окном . Этот тип имеет окно на одном конце, покрытое тонким материалом, через которое может легко проходить слабопроникающее излучение. Слюда является широко используемым материалом из-за ее малой массы на единицу площади. На другом конце находится электрическое соединение с анодом.

Блинная трубка

Блинная трубка G – M, хорошо виден круглый концентрический анод.

Блин трубка представляет собой вариант конечного окна трубы, но который предназначен для использования для мониторинга загрязнения бета- и гамма. Он имеет примерно такую ​​же чувствительность к частицам, как и тип оконного окна, но имеет плоскую кольцевую форму, поэтому можно использовать самую большую площадь окна с минимальным газовым пространством. Подобно цилиндрической оконной трубке, слюда является широко используемым оконным материалом из-за ее малой массы на единицу площади. Анод обычно состоит из нескольких проводов, образующих концентрические круги, поэтому он полностью проходит через газовое пространство.

Безоконный тип

Этот общий тип отличается от типа специального оконечного окна, но имеет два основных подтипа, которые используют различные механизмы взаимодействия излучения для получения подсчета.

С толстыми стенками

Набор толстостенных трубок G – M из нержавеющей стали для гамма-обнаружения. Самый большой имеет кольцо компенсации энергии; другие не компенсируются по энергии

Используемый для обнаружения гамма-излучения с энергиями выше примерно 25 кэВ, этот тип обычно имеет общую толщину стенок из хромистой стали примерно 1-2 мм . Поскольку большинство гамма-фотонов с высокой энергией будут проходить через заполняющий газ с низкой плотностью без взаимодействия, трубка использует взаимодействие фотонов с молекулами материала стенки для образования вторичных электронов высокой энергии внутри стенки. Некоторые из этих электронов образуются достаточно близко к внутренней стенке трубки, чтобы уйти в заполняющий газ. Как только это происходит, электрон дрейфует к аноду, и возникает электронная лавина, как если бы свободный электрон был создан внутри газа. Лавина — это вторичный эффект процесса, который начинается внутри стенки трубки с образованием электронов, которые мигрируют на внутреннюю поверхность стенки трубки, а затем попадают в заполняющий газ. Этот эффект значительно ослабевает при низких энергиях ниже примерно 20 кэВ.

Тонкостенный

Тонкостенные трубы используются для:

  • Обнаружение бета-излучения с высокой энергией, когда бета-излучение проникает через боковую часть трубки и напрямую взаимодействует с газом, но излучение должно быть достаточно энергичным, чтобы проникнуть через стенку трубки. Низкоэнергетический бета-сигнал, который может проникнуть через торцевое окно, будет остановлен стенкой трубы.
  • Обнаружение низкоэнергетического гамма- и рентгеновского излучения. Фотоны с более низкой энергией лучше взаимодействуют с наполняющим газом, поэтому эта конструкция сконцентрирована на увеличении объема наполняющего газа за счет использования длинной тонкостенной трубки и не использует взаимодействие фотонов в стенке трубки. Переход от тонкостенной конструкции к толстостенной происходит на уровнях энергии 300–400 кэВ. Выше этих уровней используются толстостенные конструкции, а ниже этих уровней преобладает эффект прямой ионизации газа.

Трубки G – M не обнаруживают нейтронов, поскольку они не ионизируют газ. Однако могут быть изготовлены нейтронно-чувствительные трубки, у которых либо внутренняя часть трубки покрыта бором , либо трубка содержит трифторид бора или гелий-3 в качестве заполняющего газа. Нейтроны взаимодействуют с ядрами бора, производя альфа-частицы, или непосредственно с ядрами гелия-3, производя ионы и электроны водорода и трития . Эти заряженные частицы затем запускают обычный лавинообразный процесс.

Закалка и мертвое время

Мертвое время и время восстановления в трубке Гейгера-Мюллера. Трубка не может производить дальнейшие импульсы в течение мертвого времени, а только генерирует импульсы меньшей высоты, пока не истечет время восстановления.

Идеальная трубка G – M должна генерировать одиночный импульс для каждого отдельного ионизирующего события, вызванного излучением. Он не должен давать паразитные импульсы и должен быстро вернуться в пассивное состояние, готовый к следующему событию излучения. Однако, когда положительные ионы аргона достигают катода и становятся нейтральными атомами, приобретая электроны, атомы могут быть подняты до уровня повышенной энергии. Затем эти атомы возвращаются в свое основное состояние, испуская фотоны, которые, в свою очередь, вызывают дополнительную ионизацию и тем самым ложные вторичные разряды. Если бы ничего не было сделано, чтобы противодействовать этому, ионизация продлилась бы и даже могла бы усилиться. Продолжительная лавина увеличит «мертвое время», когда новые события не могут быть обнаружены, и может стать непрерывной и повредить трубку. Поэтому для уменьшения мертвого времени и защиты трубки важна некоторая форма гашения ионизации, и используется ряд методов гашения.

Закалка газом

Трубки с самозатуханием или внутренним гашением останавливают разряд без внешней помощи, первоначально путем добавления небольшого количества многоатомного органического пара, первоначально такого как бутан или этанол, но для современных трубок это галоген, такой как бром или хлор.

Если в трубку ввести плохой газовый гаситель, положительные ионы аргона во время своего движения к катоду будут многократно сталкиваться с молекулами гасителя газа и передавать им свой заряд и некоторую энергию. Таким образом, будут образовываться нейтральные атомы аргона, а ионы гасящего газа, в свою очередь, достигнут катода, получат от него электроны и перейдут в возбужденные состояния, которые будут распадаться из-за испускания фотонов, вызывая разряд трубки. Однако эффективные молекулы-гасители при возбуждении теряют свою энергию не из-за испускания фотонов, а из-за диссоциации на нейтральные молекулы-гасители. Таким образом, не возникает паразитных импульсов.

Даже при химическом гашении в течение короткого времени после разрядного импульса существует период, в течение которого трубка становится нечувствительной и, таким образом, временно не может обнаружить прибытие любой новой ионизирующей частицы (так называемое мертвое время ; обычно 50–100 микросекунды). Это вызывает потерю счета при достаточно высоких скоростях счета и ограничивает эффективную (точную) скорость счета трубки G – M примерно 10 3 счета в секунду даже при внешнем гашении. В то время как трубка GM технически способна считывать более высокие скорости счета до того, как она действительно насыщается, связанный с этим уровень неопределенности и риск насыщения делают чрезвычайно опасным полагаться на более высокие показания скорости счета при попытке вычислить эквивалентную мощность дозы излучения на основе подсчета. показатель. Следствием этого является то, что приборы с ионной камерой обычно предпочтительны для более высоких скоростей счета, однако современная технология внешнего гашения может значительно расширить этот верхний предел.

Внешняя закалка

Внешнее гашение, иногда называемое «активным гашением» или «электронным гашением», использует упрощенную высокоскоростную управляющую электронику для быстрого удаления и повторного приложения высокого напряжения между электродами в течение фиксированного времени после каждого пика разряда, чтобы увеличить максимальную скорость счета. и срок службы трубки. Хотя его можно использовать вместо охлаждающего газа, его гораздо чаще используют вместе с охлаждающим газом.

«Метод времени до первого счета» представляет собой сложную современную реализацию внешнего гашения, которая позволяет резко увеличить максимальную скорость счета за счет использования методов статистической обработки сигналов и гораздо более сложной управляющей электроники. Из-за неопределенности в скорости счета, вызванной упрощенной реализацией внешнего гашения, скорость счета трубки Гейгера становится крайне ненадежной, превышая приблизительно 10 3 импульсов в секунду. С помощью метода «время до первого счета» достижима эффективная скорость счета 10 5 отсчетов в секунду, что на два порядка больше, чем нормальный эффективный предел. Метод подсчета времени до первого значительно сложнее в реализации, чем традиционные методы внешнего гашения, и в результате этого он не получил широкого распространения.

Как работает дозиметр радиации

Дозиметр радиации – это прибор, который способен уловить, зарегистрировать и показать дозу ионизирующего излучения.

Дозиметры делятся на несколько классов:

  • Индикаторы.Простое устройство со слабой чувствительностью и невысокой точностью. Регистрирует выраженные радиационные аномалии, способен выявить «фонящие» предметы. Отличается невысокой ценой и подходит обычным пользователям.
  • Сигнализаторы. Улавливают резкие всплески радиоактивного фона. Имеют небольшие размеры, емкую батарею и устанавливаемую границу уровня излучения. Как только вокруг пользователя внезапно начинает «фонить», срабатывает звуковая или световая сигнализация.
  • Измерители.Это уже высокоточный прибор, оснащенный чувствительным датчиком. Способен измерять излучение окружающего пространства и конкретных предметов. Может мерить фон бытовых предметов и стройматериалов, поэтому используется в качестве измерителя, но уже совершенно в другой ценовой категории.
  • Поисковики. Очень дорогое устройство, не способное к точному измерению. Предназначены для поиска источников радиоактивных излучений.

Главной составляющей любого дозиметра является чувствительный к радиации датчик, который бывает нескольких типов:

  • сцинтилляционный кристалл – сверхчувствительный датчик, обычно применяемый в поисковиках, редко в измерителях и сигнализаторах;
  • торцевой слюдяной счетчик – всем известный Гейгера-Мюллера, чувствует бета- редко альфа- излучение, в основном стоит в измерителях;
  • трубка СБМ – самый распространенный тип, чувствительный к гамма- и немного к бета- излучениям, но не различающий их.

В домашних дозиметрах чаще всего используют СБМ-20, есть особо компактные модели, оснащенные СБМ-10 и 21, но они отличаются низкой чувствительностью.

Контроль и измерение

Для управления дозиметром используются 2 кнопки TL1 и TL2. Кнопка TL1 предназначена для включения и переключения режимов, а TL2 для сброса измерительного цикла, сброса суммарной дозы и выключения дозиметра. После включения путем нажатия TL1 попадаем в режим индикации и мониторинга. Дозиметр находится в экономичном режиме работы. Акустические щелчки указывают на регистрацию счетчиком Гейгера-Мюллера радиоактивных частиц. Дисплей погашен, о чем свидетельствует только мигающая точка.

Паяльная станция 2 в 1 с ЖК-дисплеем
Мощность: 800 Вт, температура: 100…480 градусов, поток возду…

Подробнее

Следующее нажатие TL1 переводит устройство в быстрое измерение излучения (поиск). Измерения производятся с 10-кратным превышением частоты обновления и с разрешением до 0,01 мР. Следующее нажатие TL1 переводит в точный режим измерения излучения с разрешением до 0,001 мР. Нажатием TL2 может обновить данные. Данные также автоматически обновляются через определенные промежутки времени. Длительное нажатие на TL2 (более 1,5 с) сбрасывает показания дозиметра.

Следующее нажатие TL1 переводит дозиметр обратно в энергосберегающем режиме с выключенным дисплеем. Во всех режимах, кроме «выключено» измерение уровня радиации является активным (увеличение уровня радиации выше установленного предела активизирует сигнал тревоги).

После замены батареек возможно потребуется сделать калибровку. Калибровка осуществляется путем изменения значения константы. Это можно сделать, войдя в режим калибровки долгим нажатием обоих кнопок TL1 и TL2 (более 1,5 с). Значение можно менять кнопкой TL2, кнопкой TL1 осуществляется переход между цифрами.

Далее следуют настройки порога сигнализации в мР/ч. Установка уровня сигнала тревоги может быть осуществлено долгим нажатием TL1. Калибровка константы (XXX.X) определяет точное время измерения в секундах. Количество импульсов за этот период должно соответствовать уровню радиации в мкР/ч. Постоянная калибровки и уровень тревоги хранятся в EEPROM памяти микроконтроллера и поэтому они не будут потеряны, даже если питание будет выключено.

Запрограммировать микроконтроллер можно при помощи USB программатора. Фьюзы необходимо выставить следующим образом:

Скачать прошивку (1,4 MiB, скачано: 2 475)

www.danyk.cz/avr_gm_en.html

:: ПРИБОР ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИИ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ ::

Чаще всего, в самодельных и многих заводских схемах дозиметров радиации, сначала производится подсчет импульсов от счетчика за примерно 30 секунд, с последующей индикацией в течении нескольких секунд. Для показа разультатов следующего измерения необходимо опять ждать окончания счета, как минимум, полминуты. После чего сброс и подсчёт пол минуты по новой. В этой же схеме запоминается число импульсов, поступивших от счетчика за каждую из последних 30 секунд, поэтому показания обновляются каждую секунду. Число импульсов поступивших за последнюю секунду заменяет соответствующее значение в списке 30-секундной давности. Затем все 30 сохраненных значений суммируются, и получается число импульсов N за последние 30 секунд, актуализируемое ежесекундно.

Что такое ионизирующее излучение?

Для лучшего понимания работы счетчиков Гейгера-Мюллера не мешало бы ознакомиться с ионизирующим излучением как таковым. К нему может относиться все то, что вызывает ионизацию веществ, находящихся в естественном состоянии. Для этого потребуется присутствие какой-то энергии. В частности,  ультрафиолетовый свет либо радиоволны не причисляются к ионизирующему излучению. Разграничение может начинаться так называемым «жестким ультрафиолетом», еще именуемым «мягким рентгеном». Такая разновидность потока называется фотонное излучение. Поток фотонов высокой энергии — это гамма-кванты.

В первый раз разделение ионизирующего излучения по трем видам было проделано Эрнстом Резерфордом. Все производилось на исследовательском оборудовании, в котором было задействовано магнитное поле в пустом пространстве. В дальнейшем все это было названо:

  • α – ядрами атомов гелия;
  • β – электронами высокой энергии;
  • γ – гамма-квантами (фотонами).

Позднее произошло открытие нейтронов. Так, выяснилось, что альфа-частицы могут с легкостью задерживаться даже с помощью обыкновенной бумаги, бета-частицы обладают несколько большей проникающей способностью, а гамма-лучи – самой высокой. Самыми опасными считаются нейтроны, особенно на дистанции во много десятков метров в воздушном пространстве. Вследствие их электрической индифферентности, они не вступают во взаимодействие ни с какой электронной оболочкой молекул в веществе.

Измерение альфа-, бета- и гамма-излучения

Гамма-излучение измерять наиболее просто. Это электромагнитное излучение, представляющее собой поток фотонов (свет — тоже поток фотонов). В отличие от света у него гораздо более высокая частота и очень малая длина волны. Это позволяет ему проникать сквозь атомы. В гражданской обороне гамма-излучение — это проникающая радиация. Она проникает сквозь стены домов, автомобили, различные сооружения и задерживается только слоем земли или бетона в несколько метров. Регистрация гамма-квантов проводится с градуировкой дозиметра по естественному гамма-излучению солнца. Источников радиации не требуется. Совсем другое дело с бета- и альфа-излучением.

Если ионизирующиее излучение α (альфа-излучение) исходит от внешних объектов, то оно почти безопасно и представляет собой поток ядер атомов Гелия. Пробег и проницаемость этих частиц небольшая — нескольких микрометров (максимум миллиметров) — в зависимости от проницаемости среды. Ввиду этой особенности оно почти не регистрируется счетчиком Гейгера. В то же время регистрация альфа-излучения важна, так как эти частицы чрезвычайно опасны при проникновении внутрь организма с воздухом, пищей, водой. Для их декретирования счетчики Гейгера используются ограничено. Больше распространены специальные полупроводниковые сенсоры.

Бета-излучение отлично регистрируется счетчиком Гейгера, потому что бета-частица представляет собой электрон. Она может пролететь сотни метров в атмосфере, но хорошо поглощается металлическими поверхностями. В связи с этим счетчик Гейгера должен иметь окошко из слюды. Металлическая камера изготавливается с небольшой толщиной стенки. Состав внутреннего газа подбирается таким образом, чтобы обеспечить небольшой перепад давления. Детектор бета-излучения ставится на выносном зонде. В быту такие дозиметры мало распространены. Это в основном военная продукция.

Как измерить уровень излучения с помощью камеры смартфона

CMOS-матрицы в камерах смартфонов чувствительны не только к видимому свету. Они воспринимают и более короткие волны — рентгеновское и гамма-излучение.

За время выдержки для среднего фото (до 100 мс) следов воздействия такого излучения матрица не зафиксирует. К тому же его перекроет излучение в видимом диапазоне.

Но выход есть! Заклейте камеру черной изолентой. Она защитит от видимого излучения, но позволит рентгеновским и гамма-фотонам попадать на матрицу. После этого приложению останется только подсчитать количество фотонов и преобразовать это значение в понятные единицы измерения. 

Насколько точно это работает? В 2014 году специалисты Австралийской организации по ядерной науке и технологиям (ANSTO) протестировали приложение Radioactivity Counter на Samsung Galaxy S2 и Apple iPhone 4S. Они определяли поглощенную предметами дозу излучения в мкГр/ч (для гамма-излучения единицы Гр (грей) и Зв эквивалентны). 

Точный дозиметр должен показать линейный отклик на разные дозы радиации. Результаты не должны зависеть от ориентации смартфона в пространстве. 

В целом смартфоны хорошо справились с задачей. Samsung показал линейный отклик при мощности излучения от 20 микрогрей в час (мкГр/ч, 10-6 Гр/ч), iPhone – от 30 мкГр/ч (в смартфоне Apple использовали фронтальную камеру, на которую мог попадать свет от экрана). От ориентации устройства показатели не зависели. 

Мощность измеренной дозы обеспечивает годовую дозу радиации около 0,18-0,26 Зв (для гамма-излучения 1 Зв эквивалентен 1 Гр). Это в 180-260 раз больше безопасной по российским стандартам нормы. 

Если смартфон обнаружил такое или более высокие значения, вы достаточно быстро и без последствий сможете убраться подальше от источника излучения.

Приложение Radioactivity Counter платное, но дозиметры, как правило, дороже. Версия для iOS, для Android. 

На измерение стоит потратить не менее 10 минут. А лучше – целый час, так результат будет точнее. 

Исследований на тему CMOS-матриц и фиксации излучения много: вот еще один пример. А здесь есть сравнение чувствительности CMOS-матриц смартфонов к излучению и тесты в разных приложениях: GammaPix, Radioactivity-Meter, RadSensor и уже упомянутом Radioactivity Counter. 

Принципиальная схема

Схема управления показана на рис. 1. Здесь в качестве сенсора F1 используется стандартный интегральный фотоприемник типа SFH-506-38, применявшийся в самых разных телевизорах.

Впрочем, можно вместо него установить любой более современный аналог, коих сейчас очень много. Он расположен на узком торце платы и смотрит в сторону этого торца.

То есть, там должно быть окошко для приема команд пульта. Фотоприемник имеет на выходе активный ноль, но для работы дальнейшей схемы нужна активная единица. Кроме того, номинальным напряжением питания фотоприемника является напряжение 5V, а для надежного управления выходным транзисторным ключом нужно несколько больше.

Поэтому, в отличие от остальной части схемы, фотоприемник питается напряжением 5V. И вот каскад на транзисторе VТ1 устраняет эти два противоречия. Он инвертирует импульсы с выхода фотоприемника и согласовывает логические уровни.

Рис. 1. Принципиальная схема дистанционного выключателя устройств управляемого пультом на ИК лучах.

На триггере D1.1 сделана входная схема логического управления Её задача в том, чтобы при каждом приеме сигнала пульта схема переключалась только один раз. То есть, независимо от того, сколько импульсов будет в командном сигнале. Это своеобразное реле времени на 1-2 секунды.

При первом же импульсе триггер D1 1 переключается в состояние логической единице на инверсном выходе. Это состояние устойчиво и не изменяется от последующих импульсов, из которых состоит вся команда. Но чтобы вернуться в исходное положение есть цепь R3-C2. Когда на инверсном выходе триггера единица, С2 медленно заряжается через R3.

Примерно через 1-2 секунды напряжение на нем достигает порога логической единицы, и триггер возвращается в исходное состояние.

В момент включения питания триггер D1.2 устанавливается в единичное состояние зарядным током конденсатора С4. На его инверсном выходе ноль.

Ключевая схема на полевых транзисторах VТ2 и VT3 закрыта и нагрузка отключена. В момент появления логической единицы на выходе D1.1 цепь C3-VD1-R4 формирует импульс, который поступает на вход «С» триггера D1 2 и переключает его в противоположное состояние.

Триггер D1.2 включен делителем на два, поэтому каждый импульс, поступающий на его вход «С» переключает триггер в противоположное положение тому, в котором он был ранее.

То есть, подав один импульс можно нагрузку включить, а подав второй — выключить. Это и используется для управления нагрузкой, — каждое нажатие кнопки пульта изменяет состояние нагрузки на противоположное.

Логическая часть схемы питается от параметрического источника VD5-R6-C5-VD2-VD6. Отличительная особенность -это использование двух последовательно включенных стабилитронов.

Это нужно для того чтобы получить не только напряжение 10V, необходимое для питания микросхемы и достаточное для управления выходным ключом. но для получения напряжения 5V для питания интегрального фотоприемника F1.

В различной литературе, в схемах, где ключ на мощных ключевых транзисторах управляется выходом логического элемента КМОП применяется непосредственное соединение этого выхода с затвором или затворами полевых транзисторов. К сожалению, это далеко не лучший способ.

Конечно, сопротивление затворов мощных ключевых полевых транзисторов очень высоко, но и емкость тоже не маленькая. В результате зарядный ток этой емкости оказывает перегружающее действие на выход логического элемента. Это не приводит к его выходу из строя, но создает сбои в работе триггеров и счетчиков.

В этой схеме напряжение управления на затворы поступает через резистор R7, который ограничивает ток заряда емкости затворов и исключает перегрузку выхода КМОП-элемента.

Как производить измерения?

Мало приобрести подходящий дозиметр. Чтобы получить объективные показания, нужно еще и придерживаться всех правил проведения измерений. И если с определением общего радиационного фона помещения все в порядке, то оценить, насколько безопасен тот или иной предмет, сложнее. Порядок проведения измерений в данном случае таков:

  1. Измерить фон в нескольких метрах от предмета, который будет тестироваться. Время замера – до 1 минуты.
  2. Поднести индикатор максимально близко к измеряемому предмету. Произвести замеры буквально в нескольких сантиметрах от предмета.
  3. Вычесть из второго результата первый, чтобы получить показатели излучения предмета, без учета фона.

В зависимости от модели дозиметра, нюансы процесса проведения измерений могут незначительно отличаться. Поэтому к каждому прибору прилагается подробная инструкция, следовать которой обязательно!

Но в любом случае, пользователю нужно следить за тем, чтобы датчики всегда были чистыми. На них не должно быть пыли и других частиц, которые могут повлиять на точность показаний.

На бытовом уровне значение имеют три типа излучения: альфа, бета и гамма. Все они опасны для живых организмов:

  • альфа-излучение – это распространение тяжелых частиц. Защитить от них сможет даже обычный лист бумаги, поэтому при внешнем облучении, например, от предметов альфа-частицы не представляют серьезной опасности. Зато при употреблении зараженной воды или продуктов, урон здоровью будет колоссальный;
  • бета-излучение представляет собой поток электронов низкой проникающей способности. Такое облучение опасно именно при внешнем воздействии, например, при соприкосновении. Защитить от бета-лучей способен алюминиевый лист;
  • гамма-излучение – это электромагнитное излучение, которое пронзает тело человека насквозь. Защититься от него можно лишь толстым слоем свинца или бетона.

Только некоторые из дозиметров позволяют проверить помещение сразу на 3 типа излучений. Чаще всего производители делают упор на гамма-лучи, как самые опасные, но и самые простые в обнаружении.

Измерение альфа-, бета- и гамма-излучения

Гамма-излучение измерять наиболее просто. Это электромагнитное излучение, представляющее собой поток фотонов (свет — тоже поток фотонов). В отличие от света у него гораздо более высокая частота и очень малая длина волны. Это позволяет ему проникать сквозь атомы. В гражданской обороне гамма-излучение – это проникающая радиация. Она проникает сквозь стены домов, автомобили, различные сооружения и задерживается только слоем земли или бетона в несколько метров. Регистрация гамма-квантов проводится с градуировкой дозиметра по естественному гамма-излучению солнца. Источников радиации не требуется. Совсем другое дело с бета- и альфа-излучением.

Если ионизирующиее излучение α (альфа-излучение) исходит от внешних объектов, то оно почти безопасно и представляет собой поток ядер атомов Гелия. Пробег и проницаемость этих частиц небольшая – нескольких микрометров (максимум миллиметров) – в зависимости от проницаемости среды. Ввиду этой особенности оно почти не регистрируется счетчиком Гейгера. В то же время регистрация альфа-излучения важна, так как эти частицы чрезвычайно опасны при проникновении внутрь организма с воздухом, пищей, водой. Для их декретирования счетчики Гейгера используются ограничено. Больше распространены специальные полупроводниковые сенсоры.

Бета-излучение отлично регистрируется счетчиком Гейгера, потому что бета-частица представляет собой электрон. Она может пролететь сотни метров в атмосфере, но хорошо поглощается металлическими поверхностями. В связи с этим счетчик Гейгера должен иметь окошко из слюды. Металлическая камера изготавливается с небольшой толщиной стенки. Состав внутреннего газа подбирается таким образом, чтобы обеспечить небольшой перепад давления. Детектор бета-излучения ставится на выносном зонде. В быту такие дозиметры мало распространены. Это в основном военная продукция.

Возможности счетчиков Гейгера, чувствительность, регистрируемые излучения

С помощью счетчика Гейгера можно зарегистрировать и с высокой точностью измерить гамма- и бета-излучение. К сожалению, нельзя распознать вид излучения напрямую. Это делается косвенным методом с помощью установки преград между сенсором и обследуемым объектом или местностью. Гамма-лучи обладают высокой проницаемостью, и их фон не меняется. Если дозиметр засек бета-излучение, то установка разделительной преграды даже из тонкого листа металла почти полностью перекроет поток бета-частиц.

Примечательная особенность счетчика Гейгера — чувствительность, в десятки и сотни раз превышающая необходимый уровень. Если в совершенно защищенной свинцовой камере включить счетчик, то он покажет огромный естественный радиационный фон. Эти показания не являются дефектом конструкции самого счетчика, что было проверено многочисленными лабораторными исследованиями. Такие данные — следствие естественного радиационного космического фона. Эксперимент только показывает, насколько чувствительным является счетчик Гейгера.

Специально для измерения этого параметра в технических характеристиках указывается значение «чувствительность счетчика имп мкр» (импульсов в микросекунду). Чем больше этих импульсов — тем больше чувствительность.

Измерение радиации счетчиком Гейгера, схема дозиметра

Схему дозиметра можно разделить на два функциональных модуля: высоковольтный блок питания и измерительная схема. Высоковольтный блок питания — аналоговая схема. Измерительный модуль на цифровых дозиметрах всегда цифровой. Это счетчик импульсов, который выводит соответствующее значение в виде цифр на шкалу прибора. Для измерения дозы радиации необходимо подсчитать импульсы за минуту, 10, 15 секунд или другие значения. Микроконтроллер пересчитывает число импульсов в конкретное значение на шкале дозиметра в стандартных единицах измерения радиации. Вот самые распространенные из них:

  • рентген (обычно используется микрорентген);
  • Зиверт (микрозиверт — мЗв);
  • Бэр;
  • Грей, рад,
  • плотность потока в микроваттах/м2.

Сравнение газоразрядного счетчика Гейгера с полупроводниковым датчиком радиации

Счетчик Гейгера является газоразрядным прибором, а современная тенденция микроэлектроники — повсеместное от них избавление. Были разработаны десятки вариантов полупроводниковых сенсоров радиации. Регистрируемый ими уровень радиационного фона значительно выше, чем для счетчиков Гейгера. Чувствительность полупроводникового сенсора хуже, но у него другое преимущество — экономичность. Полупроводникам не требуется высоковольтного питания. Для портативных дозиметров с батарейным питанием они хорошо подходят. Еще одно их преимущество — регистрация альфа-частиц. Газовый объем счетчика существенно больше полупроводникового сенсора, но все равно его габариты приемлемы даже для портативной техники.

Дозиметр на микроконтроллере — описание работы

Основа дозиметра – микроконтроллер ATtiny2313A, работающий от внутренняя RC-генератора с частотой 8 МГц. Измеренная информация отображается на маломощном 4-семисегментном светодиодном дисплее. Он может быть собран из двух двухразрядных индикаторов, например, LD-D028UR-C (высота символов 7 мм). Дисплей имеет общий анод, информация выводится в динамическом режиме на частоте около 100 Гц. Кнопки TL1, TL2 используются для управления работой дозиметра.

В детекторе ионизирующего излучения применен счетчик Гейгера-Мюллера Philips 18504. Для полноценной работы данный вид счетчика требует высокое анодное напряжение. Плато трубки начинается с 225 вольт (мин) и до 425 вольт (макс.) Конечно же, можно использовать и другой тип трубки. В этом случае напряжение необходимо подкорректировать под конкретный вид счетчика путем подбора стабилитрона ZD1.

Повышающий преобразователь напряжения построен на транзисторах T2, T3 и трансформаторе Тр1. Напряжение с выхода трансформатора повышается в два раза за счет D1, D2, C5 и C6. Рабочая частота может быть скорректирована (если генератор не запускается) путем подбора C4.

Стабилизация выполнена путем обратной связи, образованной ZD1 и Т1. В качестве ZD1 можно использовать стабилитрон или диод. Поскольку стабилитроны с таким высоким напряжением, как правило, недоступны, можно подключить последовательно еще один стабилитрон. В качестве трансформатора Тр1 можно использовать трансформатор для питания CCFL ламп (ламп подсветки ЖК-мониторов).

Обнаруженные импульсы с датчика через конденсатор С7, разделяющий постоянную составляющую напряжения, поступают на транзисторный усилитель Т4 и Т5, к выходу которого подключен маленький динамик с сопротивлением не менее 32 Ом.

Подсчет количества импульсов осуществляется 16-битным таймером-счетчиком. При превышении установленного уровня дозы, на выводе 5 микроконтроллера Attiny2313 (DD1) появляется лог.1 и загорается предупреждающий светодиод HL1. Этот вывод также можно использовать для активации различных систем оповещения.

Потребление схемы составляет примерно 10-30 мА в рабочем режиме. Схема может быть запитана источником питания от 2,7 до 5,5 В. Источник питания может быть 5В, батарея или аккумулятор. Можно использовать 3шт по 1,5В батареи (АА или ААА), 3шт 1,2В NiCd, NiMH или один Li-Ion, Li-Pol с напряжением 3,6 или 3,7 В.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Электрик в доме
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector