Счетчик гейгера: мастер-класс создания своими руками из подручных средств

КОД

Напишем код для определения количества радиации.

Arduino

#include <SPI.h>

#define LOG_PERIOD 15000 //Период регистрации в миллисекундах, рекомендуемое значение 15000-60000.
#define MAX_PERIOD 60000 //Максимальный период регистрации.

unsigned long counts; //
unsigned long cpm; //
unsigned int multiplier; //
unsigned long previousMillis; //
float uSv; // Переменная для перевода в микроЗиверты
float ratio = 151.0; // Коофициент для перевода импульсов в микроЗиверты
float uP = 0;
const byte interruptPin = D2; // Порт ESP к которому подключен счетчик

void tube_impulse(){ //Функция подсчета имульсов
counts++;
}

void setup(){ //
counts = 0;
cpm = 0;
multiplier = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD;
Serial.begin(9600);
interrupts();
pinMode(interruptPin, INPUT);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin), tube_impulse, FALLING); //Определяем количество импульсов через внешнее прерывание на порту

}

void loop(){ //Основной цикл
unsigned long currentMillis = millis();
if(currentMillis — previousMillis > LOG_PERIOD){
previousMillis = currentMillis;
cpm = counts * multiplier;
Serial.println(cpm);
uSv = cpm / ratio ;
Serial.println(uSv);
uP = uSv * 100 ;
Serial.println(uP);
counts = 0;

}

}

Расписывать код не вижу смысла. Он неплохо прокомментирован. Основной принцип подсчета сводиться, к подсчету количества импульсов от трубки J350Br, используя прерывание на порту D2. После того как получили количество импульсов, переводим наши «попугаи» в микрозиверты и микрорентгены. Конечно без калибровки наши данные так и останутся «попугаями», поэтому лучше всего найти эталонный источник радиации и попробовать откалибровать наш счетчик.

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.

Как сделать счетчик гейгера своими руками.

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.

Схема и принцип работы счетчика

Чтобы понять, как работает счетчик Гейгера, нужно сначала изучить его конструкцию. Он выполняется в виде герметично запаянной гильзы, изготовленной из стекла или металла. Из нее откачивают весь воздух и заменяют его инертным газом с примесью спиртовых соединений или галогена. Для этого применяются следующие виды веществ:

• неон;
• аргон;
• смесь из двух газов.

Внутри гильзы находятся коаксиально расположенные элементы. Они представляют собой электроды, с помощью которых и происходит измерение. Один из них играет роль анода, к нему подключается напряжение со знаком плюс, а другой — это катод, к которому подключена минусовая клемма.

Принцип работы счетчика Гейгера основывается на прохождении ионизирующих частиц через инертный газ, который находится под воздействием поля большого напряжения. Это приводит к образованию свободных электронов, направляющихся к аноду. К катоду при этом перемещаются ионы газа. За счет этого образуется электрический разряд. При его прохождении через счетчик импульсов определяется количество радиации, попавшей в трубку.

Именно поэтому счетчик Гейгера трещит во время измерений. Чем больше ионизирующих частиц, тем больше импульсов фиксируют электроды. Именно их слышно при работе этого датчика.

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.

Параметры и режимы работы счетчика Гейгера

Чтобы рассчитать чувствительность счетчика, оцените отношение количества микрорентген от образца к числу сигналов от этого излучения. Прибор не измеряет энергию частицы, поэтому не дает абсолютно точной оценки. Калибровка устройств происходит по образцам изотопных источников.

Также нужно смотреть на следующие параметры:

Рабочая зона, площадь входного окна

Характеристика площади индикатора, через которую проходят микрочастицы, зависит от его размеров. Чем шире площадь, тем большее число частиц будет поймано.

Рабочее напряжение

Напряжение должно соответствовать средним характеристикам. Сама характеристика работы — это плоская часть зависимости количества фиксированных импульсов от напряжения. Ее второе название – плато. В этом месте работа прибора достигает пиковой активности и именуется верхним пределом измерений. Значение – 400 Вольт.

Рабочая ширина

Рабочая ширина — разница между напряжением выхода на плоскость и напряжением искрового разряда. Значение – 100 Вольт.

Наклон

Величина измеряется в виде процента от количества импульсов на 1 вольт. Он показывает погрешность измерения (статистическую) в подсчете импульсов. Значение – 0,15 %.

Температура

Температура важна, поскольку счётчик часто приходится применять в сложных условиях. Например, в реакторах. Счетчики общего использования: от -50 до +70 С по Цельсию.

Рабочий ресурс

Ресурс характеризуется общим числом всех импульсов, зафиксированных до момента, когда показания прибора становятся некорректными. Если в устройстве есть органика для самогашения, количество импульсов составит один миллиард. Ресурс уместно подсчитывать только в состоянии рабочего напряжения. При хранении прибора расход останавливается.

Время восстановления

Это промежуток времени, за который устройство проводит электричество после реагирования на ионизирующую частицу. Существует верхний предел для частоты импульсов, ограничивающий интервал измерений. Значение – 10 микросекунд.

Из-за времени восстановления (его ещё называют мертвое время) прибор может подвести в решающий момент. Для предотвращения зашкаливания производители устанавливают свинцовые экраны.

Принцип действия

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

Счетчик Гейгера состоит из трубки Гейгера – Мюллера (чувствительный элемент, который улавливает излучение) и обрабатывающей электроники, которая отображает результат.

Трубка Гейгера – Мюллера заполнена инертным газом, таким как гелий , неон или аргон, при низком давлении, к которому приложено высокое напряжение. Трубка ненадолго проводит электрический заряд, когда частица или фотон падающего излучения делает газ проводящим за счет ионизации. Ионизация внутри трубки значительно усиливается за счет эффекта разряда Таунсенда, чтобы получить легко измеряемый импульс обнаружения, который подается на электронику обработки и отображения. Этот большой импульс от трубки делает счетчик Гейгера относительно дешевым в производстве, поскольку последующая электроника значительно упрощается. Электроника также генерирует высокое напряжение, обычно 400–900 вольт, которое необходимо приложить к лампе Гейгера – Мюллера, чтобы обеспечить ее работу. Чтобы остановить разряд в трубке Гейгера – Мюллера, в газовую смесь добавляют немного газообразного галогена или органического вещества (спирта).

Зачитать

Существует два типа считывания обнаруженного излучения: счетчики или доза облучения . Отображение счетчиков является самым простым и представляет собой количество обнаруженных событий ионизации, отображаемое либо в виде скорости счета, например, «количество в минуту» или «количество в секунду», либо в виде общего количества импульсов за заданный период времени (интегрированный общее). Считывание количества обычно используется при обнаружении альфа- или бета-частиц. Более сложным является отображение мощности дозы излучения, отображаемое в таких единицах, как зиверт, которые обычно используются для измерения мощности дозы гамма- или рентгеновского излучения. Трубка Гейгера – Мюллера может обнаруживать присутствие излучения, но не его энергию , которая влияет на ионизирующий эффект излучения. Следовательно, приборы, измеряющие мощность дозы, требуют использования трубки Гейгера – Мюллера с , чтобы отображаемая доза соответствовала зарегистрированным счетчикам. Электроника будет применять известные факторы для выполнения этого преобразования, которое является специфическим для каждого прибора и определяется конструкцией и калибровкой.

Считывание может быть аналоговым или цифровым, а современные приборы предлагают последовательную связь с главным компьютером или сетью.

Обычно есть возможность производить звуковые щелчки, отображающие количество обнаруженных событий ионизации. Это характерный звук, который обычно ассоциируется с портативными или портативными счетчиками Гейгера. Это позволяет пользователю сконцентрироваться на манипуляциях с инструментом, сохраняя при этом слуховую обратную связь по интенсивности излучения.

Ограничения

Есть два основных ограничения счетчика Гейгера. Поскольку выходной импульс трубки Гейгера – Мюллера всегда имеет одинаковую величину (независимо от энергии падающего излучения), трубка не может различать типы излучения. Во-вторых, трубка не может измерять высокие уровни излучения, потому что за каждым событием ионизации следует «мертвое время», нечувствительный период, в течение которого любое дальнейшее падающее излучение не приводит к подсчету. Как правило, мертвое время снижает указанные скорости счета от примерно 10 4 до 10 5 отсчетов в секунду, в зависимости от характеристики используемой трубки. В то время как некоторые счетчики имеют схемы, которые могут это компенсировать, для точных измерений предпочтительнее использовать приборы с ионной камерой из-за высокой интенсивности излучения.

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 самодельного дозиметра.

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

Схема самодельного радиометра.

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.

Как работает счетчик

Радиация не имеет опознавательных признаков (вкуса, цвета, запаха), без специальной аппаратуры невидимку не распознать. Идея счетчика радиоактивных частиц принадлежит немецким физикам Гейгеру и Мюллеру. Гейгер придумал, Мюллер воплотил идею в жизнь. Схема претерпела мало изменений за 90 лет, прошедших с выпуска первых приборов, настолько она проста и технически совершенна, на ее основе работает большинство современных дозиметров.

Рассмотрим принцип работы классического счетчика Гейгера на примере датчика СМБ-20. Детище компании Росатом представляет собой герметичный баллончик с проволочным анодом внутри. Анод (с зарядом плюс) и стальной корпус прибора (отрицательный катод), наполненный инертным газом, образуют конденсатор.

Ионизирующие частицы, ударяясь о стенки корпуса, выбивают из металла электроны. Прорываясь к аноду сквозь газовую среду, электроны сталкиваются с молекулами газа и пополняют компанию новыми частицами. Напряжение в несколько сотен вольт между полюсами ускоряет процесс, превращает электронный поток в лавину. Газовое наполнение становится проводником. Сила тока резко возрастает. Регистрирующее устройство фиксирует скачок. Одновременно импульс вызывает падение напряжения на встроенном резисторе (высокоомное сопротивление), разность потенциалов между анодом и катодом уменьшается, разряд гасится, и счетчик готов ловить следующую частицу.

Цилиндрический СМБ-20 фиксирует гамма и жесткое бета-излучение, вызванное энергетически активными частицами с высокой проникающей способностью. Для обнаружения мягкого бета-излучения используют плоские счетчики (БЕТА -2) круглые или прямоугольной формы со слюдяным окошком, пропускающим частицы, не способные пробить металлический корпус. Здесь используется тот же принцип работы.

Альфа-частицы плохо распознаются приборами, поскольку активно взаимодействуют с окружающей средой и моментально теряют энергию. Обычный счетчик ловит α-излучение только на расстоянии нескольких сантиметров от источника.

политика

До своей смерти в 1945 году Гейгер никогда публично не выступал за или против нацистов. Он не был другом немецкой физики и был отвергнут Филиппом Ленардом в 1927 году как «англофилер» в качестве преемника своей кафедры. Вольф пишет, что Гейгер вместе с Максом Вином и Вернером Гейзенбергом в меморандуме цитируют: « выступили против немецкой физики ».

Есть также признаки того, что Ханс Гейгер вступился за коллег и студентов, у которых были проблемы из-за законов Нюрнберга .
Лизелотт Херфорт , студентка, сдававшая дипломный экзамен Ганса Гейгера, комментирует: «… он также взял с собой моего друга по колледжу, которому, как« полуеврею », было разрешено зарегистрироваться только в качестве слушателя (только потому, что ее отец был врачом во время Первой мировой войны) , как аспирант. И это в 1939/40 году! Будучи экстерном, она смогла вместе со мной сдать дипломный экзамен в 1940 году ».
Эрнст Стюлингер отмечает: «Лишь намного позже стало известно, что профессор Гейгер помог некоторым из своих несчастных коллег, которые были вынуждены эмигрировать, наладить новое существование за границей благодаря своим близким и очень дружеским отношениям с лордом Резерфордом и другими влиятельными англичанами. имеет « . После окончания войны советские солдаты конфисковали дом Гейгера в Потсдаме . Суинн комментирует этот факт: «В июне 1945 года дом Гейгера был конфискован и опечатан, поскольку поблизости проходила Потсдамская конференция».

Но Гейгер не всегда отстаивал интересы коллег. Ганс Бете , который был уволен с государственной службы из-за Нюрнбергских законов (его мать была еврейкой) и который в настоящее время находился в Тюбингене, чтобы получить должность профессора теоретической физики, попросил Гейгера о помощи, но Гейгер отказался. Бете писал Зоммерфельду: « в любом случае, когда я спросил о том, что должно было произойти, я получил прилагаемое письмо от Гейгера, краткость которого я на самом деле нахожу почти оскорбительным, и, судя по формулировке, я больше не верю, что мне придется сказать еще много слов в Тюбингене. Я должен поговорить ». Точное содержание письма неизвестно. В устном историческом интервью с Чарльзом Вейнером в 1967 году Бете выразила разочарование реакцией Гейгера, но не упомянула его по имени.

Bunsentagung Münster 1932, Ханс Гейгер сидит вторым слева, позади него его жена.

Виды счетчика Гейгера

Устройства представлены в двух вариантах:

• Цилиндрические. Этот вид производится с использованием металлической гофрированной трубки с тонкими стенками. Рифленая поверхность придает гильзе дополнительный показатель жесткости, чтобы она была максимально устойчива к атмосферному давлению и не деформировалась. Торцы трубки оборудуются изоляторами для создания герметичности. Они сделаны из стекла и пластмассы термореактивного вида. На них расположены выводы для подключения плат прибора. Такой счетчик Гейгера-Мюллера применяется для регистрации как бета, так и гамма лучей.
• Торцевые или плоские. Этот вид устройства регистрирует еще и на альфа излучение, которое отличается меньшей проходимостью частиц. Конструкция корпуса плоская. В нем есть окно из слюды, обеспечивающее лучшую проходимость частиц.

Счетчиками Гейгера можно просто и быстро найти источник ионизированного излучения и внутри помещений, и на открытой местности. Это довольно дешевые, но надежные и эффективные датчики, поэтому широко используются в таких приборах, как дозиметры. С их помощью можно проверить на радиацию:

• стройматериалы:
• одежду;
• технику;
• мебель;
• продукты питания.

Какие параметры нужно учитывать при выборе счетчика

Устройство счетчика Гейгера позволяет определять уровень излучения с большой точностью. Но чтобы сделать правильный выбор, пользователь должен знать технические параметры разных моделей, их режимы работы, достоинства и недостатки:

• Чувствительность. Этот параметр оценивается по соотношению количества микрорентген к числу импульсов, вызываемых излучением. Чувствительность может сильно варьироваться в зависимости от вида источника.
• Площадь рабочей зоны. Этот показатель влияет на размеры устройства. Бытовой счетчик Гейгера имеет небольшие размеры, промышленные отличаются более внушительными габаритами. Чем обширнее площадь рабочей зоны, тем больше активных частиц сможет регистрировать прибор.
• Рабочее напряжение. Этот показатель влияет на рабочие характеристики устройства. Среднее значение составляет 400 В.
• Рабочая температура. Для моделей, которые разрешено использовать в общем применении, этот показатель находится в диапазоне от −50 до +70 градусов. Этот параметр очень важен, так как датчик используется в различных условиях, например, в реакторе, где температура может достигать высоких значений.
• Рабочий ресурс. Он в среднем равен одному миллиарду улавливаемых импульсов. Этот параметр считается только в случае, когда аппарат включен и фиксирует частицы. При отсутствии воздействия напряжения или просто при хранении рабочий ресурс не уменьшается.
• Мертвое время. Этот показатель указывает на период неактивности оборудования после срабатывания от уловленной частицы. Как правило, это значение равняется 10 микросекундам. Именно этот показатель влияет на то, что датчик может зашкалить и не отреагировать вовремя. Поэтому приборы необходимо закрывать свинцовыми экранами.

Все эти факторы указывают на правильную работу датчика и возможность его выбора для решения тех или иных поставленных задач. Счетчик Гейгера, благодаря своему принципу действия, применяется для изучения и контроля радиационного фона на АЭС, в радиоэкологии, медицине, быту, гражданской обороне, лабораторных и научных исследованиях и во многих других случаях.

Раньше счетчиками Гейгера радиация измерялась в рентгенах (Р). Сейчас используют обозначение по системе СИ, поэтому экспозиционная доза выражается в кулонах на килограмм. Чтобы пересчитать ее в рентгены, можно использовать уравнение: 1 Кл/кг = 3876 Р.

В радиационных измерениях основными понятиями являются доза и мощность. Первый показатель — это количество элементарных зарядов, образовавшихся в ходе ионизации вещества. Под мощностью подразумевают скорость образования дозы за единицу времени. Для организма опасна даже минимальная доза, она способна проявить себя отдаленными последствиями. По данным ВОЗ радиационные излучения — одна из основных причин онкологических заболеваний.

Похожие записи:

Домашняя колбаса из курицы Искусственный дым и как его сделать Как класть русскую печь с лежанкой и плитой своими руками: чертежи Самодельный гриндер с двигателем от стиральной машины Скалодром для детей: описание, виды и способ самостоятельного изготовления Варю яйца так, что скорлупа легко отделяется сама,