Простой радиационный индикатор. Внимание, радиация. Строим свой интенсиметр* в ожидании Doomsday Простой индикатор радиации на сбм 20 схема

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.

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.

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.

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.

Список радиоэлементов

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.

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.

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.

Индикатор предназначен для сигнализации о радиоактивности. Он не является измерительным прибором, показывающимуровень радиоактивности, он только предупреждает о его повышении, издавая звуковой и световой сигнал при каждом пролете радиоактивной частицы сквозь датчик - счетчик Гейгера. Здесь работает счетчик СБМ-20.

По его паспортным данным получается, что при нормальной естественной радиации должно быть не более 15-20 писков - вспышек в минуту. Если прибор пищит и вспыхивает чаще при приближении к некоторому месту или предмету, это говорит о зараженности данного места или предмета. Переход на постоянный писк говорит о существенном превышении. Как уже сказано, это не измерительный прибор, а индикатор, поэтому определить по нему значение радиоактивного уровня не возможно. Только узнать что здесь радиация выше, а здесь ниже, а здесь очень много.

Для работы счетчика Гейгера нужно чтобы на его выводы через токоограничительный резистор поступало постоянное напряжение 400V.

Обычно в схемах дозиметров и индикаторов радиоактивности применяют для питания счетчиков Гейгера источники на основе однотранзисторного блокинг-генератора. Конечно, такая схема проста, но у неё есть и недостатки - практически полное отсутствие стабилизации выходного напряжения, которое поступает на анод счетчика Гейгера.

А ведь чувствительность счетчика Гейгера напрямую зависит от напряжения между его электродами. Кроме того, есть трудности с налаживанием схемы источника высокого напряжения, потому что выходное напряжение никак не регулируется, и если его величина не соответствует необходимой, приходится перематывать вторичную обмотку импульсного трансформатора.

Принципиальная схема

Поэтому здесь источник питания счетчика Гейгера сделан на схеме повышающего DC/DC преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивающей регулировку выходного напряжения и его поддержание стабильным, на микросхеме МС34063 с трансформаторным выходом. Почти по типовой схеме её включения.

Интересно то, что микросхема будет поддерживать выходное напряжение 400V стабильным при значительном изменении питающего напряжения. Именно по этому данную схему индикатора радиоактивности можно питать любым постоянным напряжением в пределах от 5 до 15V. То есть, источником питания может быть и USB-порт персонального компьютера или зарядного устройства для сотовых телефонов, и напряжение 13V с разъема прикуривателя автомобиля.

Рис. 1. Принципиальная схема индикатора-сигнализатора радиоактивности на основе датчика СБМ20.

При этом чувствительность к радиации меняться не будет, что особенно важно в полевых или рабочих условиях.

Принцип работы МС34063 многократно описан в различной литературе, и останавливаться здесь на нем нет смысла. Напомню, что стабилизация осуществляется подачей пониженного резистивным делителем напряжения с выхода на компараторный вход микросхемы (на вывод 5). И от соотношения плеч этого делителя напряжения как раз и зависит величина выходного напряжения. Здесь делитель образован резисторами R3 и R1. А выходное напряжение 400V выставляется подстроечным резистором R1.

Напряжение 400V поступает на счетчик Гейгера U1 через токоограничительный резистор R5. Этот резистор нужен потому, что в ждущем состоянии сопротивление счетчика Гейгера стремится к бесконечности. Но при пролете сквозь него заряженной частицы происходит его короткий пробой, во время которого его сопротивление низко.

Нагрузкой счетчика Гейгера U1 служит резистор R6. В ждущем состоянии напряжение на нем низко, фактически на уровне логического нуля. Но при пролете сквозь U1 заряженной частицы напряжение резко возрастает, и величину его роста ограничивает только диод VD2, который не допускает его рост выше напряжения питания, плюс прямое падение на этом диоде.

В принципе, в диоде VD2 нет необходимости, потому что у микросхем серии CD40 или аналогов есть такие диоды, включенные между входами и шиной питания. Так что VD2 здесь на всякий случай.

Импульсы на счетчике Гейгера очень короткие. Если непосредственно их подать на звукоизлучатель (такие схемы бывают) звуки будут очень короткие, как одиночные щелчки, и не все из них будут достаточно хорошо слышимы. Что же касается светодиода, его мигание в таком случае вообще будет незаметно.

Чтобы информация более хорошо воспринималась органами чувств человека нужно длительность импульса растянуть, увеличить до некоторого оптимального размера. Этим здесь занимается микросхема D1 типа CD4001, на которой сделано два одно-вибратора.

Первый одновибратор на элементах D1.1 и D1.2 работает на озвучивание работы счетчика Гейгера. При возникновении импульса в U1, он поступает на вывод 1 D1.1 и схема на D1.1 и D1.2 формирует импульс, длительность которого определена RC-цепью R7-C4. Этот импульс значительно длиннее входного.

Аналогично работает одновибратор на элементах D1.3 и D1.4. Но он формирует в десять раз более длительный импульс, потому что инерционность зрения человека куда более, чем слуха. Длительность этого импульса задана RC-цепью C5-R8. Импульс поступает на VТ2, в коллекторной цепи которого включен индикаторный светодиод HL1 типа АЛ307 (это может быть практически любой индикаторный светодиод).

Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце внешним диаметром 28 мм (можно больше или меньше, где-то от 20 до 30 мм). Первичная обмотка - 20 витков провода ПЭВ 0,43. Вторичная обмотка - 400 витков провода ПЭВ 0,12. Сначала наматывают вторичную обмотку, потом на неё - первичную.

Между обмотками проложить тонкую фторопластовую изоляцию (например, размотанную с провода МГТФ).

Налаживание

Налаживание требуется только источнику напряжения 400V.

Устанавливаем R1 в верхнее по схеме положение. Включаем питание. Если источник не заработал сразу - поменять местами выводы одной из обмоток трансформатора.

Затем, подключаем мультиметр к крайним выводами резистора R1 и поворачивая его ползунок устанавливаем напряжение 2,65V. При наличии высокоомного вольтметра можно измерить напряжение непосредственно на выходе, на СЗ, должно быть 400V.

Солонин В. РК-2016-03.