Про вред радиации рассказано много и известно это всем. Чтобы определить уровень радиации в данной местности необходим именно счетчик Гейгера. В данном материале речь пойдет о том, что такое Гейгера счетчик и как его сделать своими руками. Определить уровень ионизирующего излучения без этого прибора невозможно, так как радиация не имеет ни запаха ни цвета, ни каких-либо других признаков, по которым ее можно определить. Это газонаполненный прибор, предназначенный для автоматического подсчета числа попавших в него элементарных ионизирующих частиц.
В материале будут представлены самые популярные и надежные схемы счетчика Гейгера и какие детали для этого понадобятся. Для наглядности и лучшей понятности в статье есть несколько видеороликов, подробные электрические схемы и фотографии, а также один скачиваемый файл о том, как сделать такой измерительный прибор своими руками.
Виды счётчиков Гейгера
По конструкции счетчики Гейгера бывают 2 видов: плоский и классический.
Классический
Сделан из тонкого гофрированного металла. За счет гофрирования трубка приобретает жесткость и устойчивость к внешнему воздействию, что препятствует ее деформации. Торцы трубки оснащены стеклянными или пластмассовыми изоляторами, в которых находятся колпачки для вывода к приборам. На поверхность трубки нанесен лак (кроме выводов). Классический счетчик считается универсальным измерительным детектором для всех известных видов излучений. Особенно для γ и β.
Материал по теме: Зачем нужен преобразователь частоты.
Плоский
Чувствительные измерители для фиксации мягкого бета-излучения имеют другую конструкцию. Из-за малого количества бета-частиц, их корпус имеет плоскую форму. Есть окошко из слюды, слабо задерживающее β. Датчик БЕТА-2 – название одного из таких приборов. Свойства других плоских счетчиков зависят от материала.
Что такое дозиметр
дозиметр — на самом деле очень простой прибор, нам нужен чувствительный элемент, в нашем случае трубка Гейгера, питание для неё, обычно около 400V постоянного тока и индикатор, в простейшем случае это может быть обычный динамик. Когда ионизирующее излучение ударяется о стенку счётчика Гейгера и выбивает из неё электроны, оно заставляет газ в трубке стать проводником, поэтому ток идёт прямо на динамик и заставляет его щелкать, если вам интересно, то в сети можно найти гораздо лучшее объяснение.
Я думаю, все согласятся, что щелки — не самый информативный индикатор, тем не менее, у него есть возможность оповещать об увеличении радиационного фона, но подсчет радиации при помощи секундомера для более точных результатов — штука довольно странная, поэтому я решил добавить устройству немного мозгов. Дозиметр — на самом деле очень простой прибор, нам нужен чувствительный элемент, в нашем случае трубка Гейгера, питание для неё, обычно около 400V постоянного тока и индикатор, в простейшем случае это может быть обычный динамик.
Когда ионизирующее излучение ударяется о стенку счётчика Гейгера и выбивает из неё электроны, оно заставляет газ в трубке стать проводником, поэтому ток идёт прямо на динамик и заставляет его щелкать, если вам интересно, то в сети можно найти гораздо лучшее объяснение. Щелки — не самый информативный индикатор, тем не менее, у него есть возможность оповещать об увеличении радиационного фона, но подсчет радиации при помощи секундомера для более точных результатов — штука довольно странная, поэтому я решил добавить устройству немного мозгов.
Альфа, бета, гамма и конструкция счетчиков
Альфа-излучение задерживается бумажкой. Бета-излучение можно экранировать листом оргстекла. А от жесткого гамма-излучения нужно строить стену из свинцовых кирпичей. Это знают, пожалуй, все. И все это имеет прямое отношение к счетчикам Гейгера: чтобы он почувствовал излучение, нужно, чтобы оно, как минимум, проникло внутрь. А еще оно должно не пролететь навылет, как нейтрино сквозь Землю.
Счетчик типа СБМ-20 (и его старший брат СБМ-19 и младшие СБМ-10 и СБМ-21) имеют металлический корпус, в котором нет никаких специальных входных окон. Из этого вытекает, что ни о какой чувствительности к альфа-излучению речи не идет. Бета-лучи он чувствует достаточно неплохо, но только если они достаточно жесткие, чтобы проникнуть внутрь. Это где-то от 300 кэВ. А вот гамма-излучение он чувствует, начиная с пары десятков кэВ.
А счетчики СБТ-10 и СИ-8Б (а также новомодные и малодоступные из-за ломовых цен Бета-1,2 и 5) вместо сплошной стальной оболочки имеют обширное окно из тонкой слюды. Через это окно способны проникнуть бета-частицы с энергией свыше 100-150 кэВ, что позволяет увидеть загрязнение углеродом-14, которое абсолютно невидимо для стальных счетчиков. Также окно из слюды позволяет счетчику чувствовать альфа-частицы.
[stextbox id=’alert’]Правда, в отношении последних надо смотреть на толщину слюды конкретных счетчиков. Так, СБТ-10 с его толстой слюдой его практически не видит, а у Беты-1 и 2 слюда тоньше, что дает эффективность регистрации альфа-частиц плутония-239 около 20%. СИ-8Б — где-то посередине между ними.[/stextbox]
А вот теперь что касается пролета насквозь. Дело в том, что альфа- и бета-частицы счетчик Гейгера регистрирует практически все, что смогли проникнуть внутрь. А вот с гамма-квантами все печально. Чтобы гамма-квант вызвал импульс в счетчике, он должен выбить из его стенки электрон. Этот электрон должен преодолеть толщу металла от точки, где произошло взаимодействие, до внутренней поверхности, и поэтому «рабочий объем» детектора, где происходит его взаимодействие с фотонами гамма-излучения — это тончайший, в несколько микрон, слой металла. Отсюда ясно, что эффективность счетчика для гамма-излучения очень мала — в сто и более раз меньше, чем для бета-излучения.
Дополнительный материал: Как проверить магнетрон с помощью обычного мультиметра.
Компон
Компоненты
Дизайн счетчика Гейгера Мюллера почти полностью состоит из этих модулей:
- Высоковольтный повышающий конвертер DC-DC)
- Зарядник (Aliexpress или Amazon) 5V повышающий преобразователь DC-DC (Aliexpress или Amazon)
- Ардуино нано (Aliexpress или Amazon) OLED—экран на этих фотографиях 128*64, но в итоге я использовал 128*32 (Aliexpress или Amazon)
Также нам нужен транзистор 2n3904 (Aliexpress или Amazon) Резисторы 10M и 210K (Aliexpress или Amazon) Конденсатор 470pf (Aliexpress или Amazon) Кнопка-переключатель (Aliexpress или Amazon) Аккумулятор, опциональную активную пьезо-трещалку и сам счетчик Гейгера я использовал старые советские. Модель STS-5 довольно дешевая и её легко найти на Ибэй или Амазоне, она также совместима с трубкой SBM-20 или любой другой, вам нужно просто задать параметры в программе, в моём случае количество микрорентген в час равно количеству импульсов трубки за 60 секунд. И да, вот модель кейса, напечатанного на 3Д-принтере.
Сборка
Первое, что нужно сделать, это настроить вольтаж на высоковольтном DC-DC с потенциометром. Для STS-5 нам нужно примерно 410V. Затем просто спаяйте все модули по схеме, я использовал однопроволочные провода, это повышает стабильность конструкции и даёт возможность собрать устройство на столе, а затем просто поместить его в кейс. Важный момент состоит в том, что нам нужно соединить минус на входе и выходе высоковольтного конвертера, я просто припаял штекер.
Так как мы не можем просто присоединить Ардуино к 400V, нам понадобится простая схема с транзистором, я просто спаял их навесным методом и обернул в термоусадочную трубку, резистор 10MΩ от +400V был закреплен прямо на коннекторе. Лучше сделать медный кронштейн для трубки, но я просто накрутил провод по кругу, всё работает нормально, не меняйте плюс и минус счетчика Гейгера. Соединяем дисплей съемным кабелем, тщательно его изолировал, так как он располагался очень близко к высоковольтному модулю.
Схема дозиметра на микроконтроллере
Прибор предназначен для измерения ионизирующих излучений, вызванных бета — и гамма-лучи и имеет следующие параметры:
- Диапазон измеряемой дозы: 0 — 250 миллирентген/час
- Напряжение питания: 2 – 3.3 В две батареи АА
- Средний потребляемый ток: 0.5 мА при отключенной звуковой индикации
- Время выхода на рабочий режим: 30 секунд
- Период обновления показаний: 1 секунда
Прибор состоит из следующих функциональных блоков: генератор высокого напряжения для питания газоразрядного счетчика, формирователь импульсов счетчика, узел управления жидкокристаллическим дисплеем, блок звуковой индикации, и стабилизаторы напряжения для питания различных цепей устройства.
Синхронное управление всеми блоками обеспечивается микроконтроллером DD2. Высокое напряжение формируется преобразователем на транзисторе VT2 и трансформаторе T1. На затвор VT2 поступают импульсы частотой 244 Гц и скважностью примерно 4-15% от микроконтроллера DD2. В момент импульса транзистор открыт и в магнитопроводе T1 накапливается магнитная энергия.
При закрывании транзистора в обмотке I трансформатора формируется ЭДС самоиндукции, приводящая к короткому импульсу положительной полярности амплитудой порядка 60 В на стоке VT2. Это напряжение повышается обмоткой II и поступает на утроитель напряжения на диодах VD3-VD5 и конденсаторах C12-C14. Использование утроителя напряжения снижает требования к трансформатору и упрощает его конструкцию. Высокое напряжение порядка 400 В поступает на счетчик Гейгера BD1 через нагрузочный резистор R10.
Без стабилитронов напряжение на конденсаторах может превысить 800-900 В и привести к их пробою. Средний потребляемый ток по цепи T1-VT2 не превышает 0.3 мА при сопротивлении нагрузки от 40 МОм и выше.
Счётчик на фотодиоде
Данная конструкция способна фиксировать только альфа- и бета частицы, гамма диапазон для нее невидим, однако большим плюсом для нее является доступность деталей. Схема достаточно несложная, и ее сборка при наличии нужных деталей не займет много времени.
Список деталей нужных для радиосхемы
- 1 BPW34 фотодиода
- 1 LM358 ОУ
- 1 транзистор 2N3904
- 1 транзистор 2N7000
- 2 конденсатора 100 НФ
- 1 конденсатор 100 мкФ
- 1 конденсатор 10 нФ
- 1 конденсатор 20 нФ
- 1 10 Мом резистор
- 2 1.5 Мом резистора
- 1 56 ком резистор
- 1 150 ком резистор
- 2 1 ком резистора
- 1 250 ком потенциометр
- 1 Пьезодинамик
- 1 Тумблер включения питания
Как вы можете видеть из схемы, она настолько проста, что собирается за пару часов. После сборки убедитесь, что полярность динамика и светодиода, являются правильными. Наденьте на фотодиод медные трубки и изоленту. Она должна плотно прилегать. Просверлите отверстие в боковой стене алюминиевого корпуса для тумблера, а сверху для фотодатчика, светодиода и регулятора чувствительности.
Интересно почитать: Как смастерить датчик движения своими руками.
[stextbox id=’info’]Больше никаких дырок в корпусе быть не должно, так как схема очень чувствительна к электромагнитным наводкам. После того, как все электрические компоненты будут соединены, вставьте батарейки. Мы использовали три сложеные вместе CR1620 батареи. Изоленту обмотайте вокруг трубок, чтобы они не смещались.[/stextbox]
Это также поможет закрыть свет от воздействия на фотодиод. Вот теперь всё готово для начала обнаружения радиоактивных частиц. Проверить его в действии можно на любом тестовом источнике радиации, который вы можете найти в специальных лабораториях или в школьных кабинетах, по проведению практических работ.
https://www.youtube.com/watch?v=88GYaKCJPAk
Как правильно выбирать
Чтобы точно ответить на вопрос, какой счетчик Гейгера лучше выбрать, необходимо рассматривать конкретные условия его применения и основные технические параметры:
- Чувствительность – рассматривается как соотношение числа импульсов, задаваемых излучением, и количества микрорентген, выделяемого эталонным источником (имп./мкР). Скорость счета может измеряться и в импульсах за 1 сек. (имп./сек.).
- Параметры площади, сквозь которую проходят частицы (см2). При ее большей величине количество улавливаемых частиц возрастает.
- Рабочее напряжение. Его типичное значение составляет 400 В.
- Ширина рабочей характеристики как расхождение между уровнем напряжения искрового пробоя и его значением в точке выхода на «плато». Стандарт – 100 В.
- Наклон рабочей характеристики – допустимая статистическая ошибка при подсчетах (около 0,15%).
- Рабочая температура (от -50 до +70 градусов).
- Ресурс – максимальное число замеряемых импульсов до появления ошибки.
- Мертвый период, когда проводится ток при срабатывании.
- Собственный фон – излучение деталей устройства.
- Диапазон возможной регистрации – спектр воспринимаемых фотонов и частиц.
Счетчик Гейгера является достаточно полезным устройством, которое используется в работе дозиметров при оценке параметров среды. Существуют разные модели с определенными техническими характеристиками. Они предназначены для регистрации гамма-фотонов, а также альфа и бета-излучения.
Заключение
Счетчик Гейгера – это прибор, который улавливает и подсчитывает количество попавших на него частиц. Он способен улавливать альфа-, бета-, гамма частицы, реагирует на рентгеновское, нейтронное и ультрафиолетовое излучения. Основная часть этого прибора это специальная трубка, наполненная различными газами и имеющая внутри два электрода.
Дополнительную информацию по данной теме можно узнать из файла Счётчик Гейгера-Мюллера.». А также в нашей группе ВК публикуются интересные материалы, с которыми вы можете познакомиться первыми. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу. В завершение хочу выразить благодарность источникам, откуда почерпнут материал для подготовки статьи:
www.sdelaysam-svoimirukami.ru
www.pvsm.ru
www.usamodelkina.ru
www.neonkaraoke.ru
www.xn--d1aspaq3c.xn--p1ai
www.masterclub.online
www.samodelnie.ru
Предыдущая
