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

:: СЧЁТЧИК ГЕЙГЕРА ::

   Изобретенный Гансом Гейгером прибор, способный определить ионизирующее излучение, представляет собой герметизированный баллон с двумя электродами, куда закачивается газовая смесь, состоящая из неона и аргона, которая ионизируется.

На электроды подается высокое напряжение, которое само по себе никаких разрядных явлений не вызывает до того самого момента, пока в газовой среде прибора не начнется процесс ионизации.

Появление пришедших извне частиц приводит к тому, что первичные электроны, ускоренные в соответствующем поле, начинают ионизировать иные молекулы газовой среды.

В результате под воздействием электрического поля происходит лавинообразное создание новых электронов и ионов, которые резко увеличивают проводимость электронно-ионного облака. В газовой среде счетчика Гейгера происходит разряд. Количество импульсов, возникающих в течение определенного промежутка времени, прямо пропорционально количеству фиксируемых частиц.

   Он способен реагировать на ионизирующие излучения самых различных видов. Это альфа-, бета-, гамма-, а также рентгеновское, нейтронное и ультрафиолетовое излучения.

Так, входное окно счетчика Гейгера, способного регистрировать альфа- и мягкое бета-излучения, выполняется из слюды толщиной от 3 до 10 микрон. Для обнаружения рентгеновского излучения его изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового – из кварца.

Схема паяется на небольшую печатную плату, и все это помещено в алюминиевый корпус. Медные трубки и кусок алюминиевой фольги используются для фильтрации радиочастотных помех.

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. 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. 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 по этой теме.

Поделитесь полезными схемами

Устройство и принцип функционирования

Чтобы понять преимущества и недостатки счетчиков Гейгера, необходимо определить особенности его устройства. Приспособление имеет вид герметической трубки. Она может быть изготовлена из стекла или металла.

Из трубки откачивается воздух, внутрь под давлением закачивается инертный неон или аргон. В составе инертных газов присутствуют галогенные или спиртовые примеси.

Вдоль осевого сечения в трубке натягивается проволока с малым диаметром. В коаксиальной связи с ней предусмотрен цилиндр из металла.

Трубка с проволокой играют роль электродных элементов. Это катод и анод соответственно. К трубке подсоединяется минусовая полярность источника напряжения, а к проволоке-аноду – «плюс» посредством постоянного сопротивления с повышенным значением.

Принцип действия счетчика Гейгера предполагает, что по трубке перемещается ионизирующая частица. В этот период атомы газа сталкиваются с ней. Передаваемая частице энергия влияет на энергетическое поле, что приводит к отрыву электронов от атомов аргона или неона.

Формируются вторичные электроны. Они продуцируют новые столкновения. Электрическое поле способствует ускоренному перемещению электронов к аноду. Газовые ионы с соответствующим зарядом перемещаются в сторону катода. Все это приводит к появлению тока электрического типа.

Заряженная частица, попадая в счетчик Гейгера и приводя к появлению тока, провоцирует снижение сопротивления в трубке, а также изменение параметров напряжения в делителе.

В последующем уровень сопротивления и напряжения приходят к первоначальному состоянию, что вызывает отрицательный импульс. Эти импульсы просчитываются, и определяется количество частиц, прошедших сквозь трубку.

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.

Материалы и инструменты для сборки счетчика Гейгера

При сборке своими руками счетчика Гейгера материалы могут применяться любые, доступные радиолюбителю. Главное, чтобы номиналы радиодеталей соответствовали приведенной схеме. Необходимо правильно подобрать в качестве датчика неоновую лампу, чтобы напряжение зажигания примерно соответствовало 100 В. При этом радиодетали могут быть как импортные, так и отечественные. Параметры деталей необходимо подобрать, используя справочную литературу.

Важно отметить, что в приведенной принципиальной схеме использовано переменное напряжение питания от сети Vac =220 В по бестрансформаторной схеме, а это опасно поражением организма электрическим током. Для предотвращения электрической травмы, следует изготовить корпус прибора из электроизоляционного материала

Для этой цели подойдет плексиглас, гетинакс, стеклотекстолит, полистирол, другие слоистые пластики.

При сборке счетчика Гейгера своими руками инструмент применяется самый разнообразный:

• Электрический паяльник мощностью 60 Вт необходим для пайки радиодеталей.
• Ножовка по металлу широко используется для распиливания фольгированного стеклотекстолита, при изготовлении печатной платы. Применяется для раскройки и разрезания пластиковых деталей корпуса.
• Электродрель применяется для сверления отверстий в печатной плате, сборки корпуса на уголках.
• Пинцет крайне необходим для работы с мелкими деталями при пайке и монтаже электрической схемы.
• Бокорезы рекомендуются для обрезки выступающих выводов радиодеталей.
• Для пуско-наладки прибора совершенно необходим элементарный тестер, с помощью которого потребуется провести замеры напряжения в контрольных точках, а также других электрических параметров.
• Для автономного электропитания подлинно постапокалиптического счетчика Гейгера желательно подключить аккумуляторную батарею напряжением 4,5-9 В, для чего применить любую простейшую схему преобразователя напряжения до 220 В переменного тока.

При работе с электричеством и радиоактивными материалами следует выполнять требования техники безопасности.

Устройства счетчика Гейгера-Мюллера и принципы работы

Газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера, главным образом, выполняются как герметичные трубки, стеклянные или металлические, из которых выкачан весь воздух. Его заменяют добавленным инертным газом (неоном или аргоном или их смесью) при невысоком давлении, с галогеновым или спиртовыми примесями. По осям трубок натянуты тонкие проволоки, а соосно с ними расположены металлические цилиндры. И трубки и проволоки — это электроды: трубки – катоды, а проволоки – аноды.

В процессе пролета ионизирующих частиц через трубки, атомы в инертном газе, которые уже находятся в электрополе высокой интенсивности, сталкиваются с этими частицами. Та энергия, которая была отдана частицами в процессе столкновения немалая, ее хватит для того, чтобы оторвались электроны от атомов газа. Образовавшиеся электроны вторичного порядка сами в состоянии формировать дальнейшие столкновения, после чего выходит целый электронный и ионный каскад.

Как только заряженные частицы попали в счетчик Гейгера-Мюллера, путем зарождающегося тока произошло падение сопротивления трубки, одновременно с этим изменяется напряжение в центральной отметке разделителя, о чем было указано ранее. После этого сопротивление в трубке в результате его роста возобновляется, а уровень напряжения снова приходит в прежнее состояние. В результате, получаются отрицательные импульсы напряжения. Произведя отсчет импульсов, можно установить количество частиц, которые пролетели. Самая большая интенсивность электрополя наблюдается рядом с анодом, благодаря его малым размерам, вследствие этого счетчики становятся более чувствительными.

Где применяется счетчик Гейгера

Принцип действия счетчика Гейгера положен в основу работы большинства современных дозиметров. Эти небольшие приборы, имеющие относительно невысокую стоимость, отличаются довольно высокой чувствительностью и способны выводить результаты в удобных для восприятия единицах измерения. Простота их использования позволяет эксплуатировать эти приборы даже тем, кто имеет весьма отдаленные понятия о дозиметрии.

По своим возможностям и точности измерений дозиметры бывают профессиональные и бытовые. При помощи них можно своевременно и эффективно определить имеющийся источник ионизированного излучения как на открытой местности, так и внутри помещений.

Эти приборы, использующие в своей работе принцип действия счетчика Гейгера, могут своевременно подать сигнал опасности как при помощи визуальных, так и звуковых или вибросигналов. Так, можно всегда проконтролировать продукты питания, одежду, обследовать мебель, технику, стройматериалы и т. д. на предмет отсутствия вредных для организма человека излучений.

Конструкции счетчиков Гейгера-Мюллера

У всех современных счетчиков Гейгера-Мюллера имеются две основные разновидности: «классическая» и плоская. Классические счетчики выполняются из тонкостенных гофрированных металлических трубок. Гофрированные поверхности счетчиков делают трубки жесткими, они устоят перед внешним атмосферным давлением, и не дадут им мяться под любыми воздействиями. С торцов трубок имеются стеклянные или пластмассовые гермоизоляторы. Там же находятся отводы-колпачки, чтобы подключаться к схеме. Трубки маркированы и покрыты с помощью прочного изолирующего лака с указанием полярности отводов. Вообще это универсальные счетчики для любой разновидности ионизирующего излучения, особенно для бета-гамма-излучений.

Все счетчики, которые регистрируют гамма-излучение, обладают катодами, изготовленными из таких металлов, в которых присутствует большое зарядовое число. Газы чрезвычайно неудовлетворительно ионизируются с помощью гамма-фотонов. Тем не менее, гамма-фотоны могут выбивать множество электронов вторичного происхождения из катодов, если выбирать их надлежащим образом. Большинство счетчиков Гейгера-Мюллера для бета-частиц изготавливаются так, чтобы у них были тонкие окна. Это делается, чтобы улучшить проницаемость частиц, потому что это всего лишь обычные электроны, получившие больше энергии. С веществами у них происходит взаимодействие очень хорошее и быстрое, вследствие этого энергия теряется.

Чтобы произвести объективную оценку уровня ионизирующего излучения дозиметры на счетчиках с общим применением нередко снабжаются двумя последовательно функционирующими счетчиками. Один может быть более чувствительным к α-β-излучениям, а другой к γ-излучению. Порой среди счетчиков помещаются бруски или пластины из сплавов, в которых имеются примеси кадмия. При попадании нейтронов в такие бруски возникает γ-излучение, которое и  регистрируется. Это делается для возможного определения нейтронного излучения, а к нему у простых счетчиков Гейгера практически отсутствует чувствительность.

Устройство

Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. Дополнительная электронная схема обеспечивает счётчик питанием (как правило, не менее 300 В). При необходимости обеспечивает гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.

Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).

В бытовых дозиметрах и радиометрах производства СССР и России обычно применяются счётчики с рабочим напряжением 390 В:

• «СБМ-20» (по размерам — чуть толще карандаша), «СБМ-21» (как сигаретный фильтр, оба со стальным корпусом, пригодный для жёсткого β- и γ-излучений);
• «СИ-8Б» (со слюдяным окном в корпусе, пригоден для измерения мягкого β-излучения).

Широкое применение счётчика Гейгера — Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать разного рода излучения, сравнительной простотой и дешевизной установки.

Вторая версия схемы дозиметра

В ещё одной версии счётчика Гейгера исключен стабилизатор 3,3 В, используя цепи CMOS серии 4000, которые имеют широкий диапазон рабочих напряжений, потребляя меньше тока чем 74HCT. Необходимый вольтаж теперь обеспечивает автоматически LM385, с током около 10 мкА.

Решено не использовать микросхему 555 в CMOS-версии в качестве моностабильного триггера, поскольку она потребляет больше тока, чем 4098, и, кроме того, в стабильном состоянии замыкает резистор в ветви RC на землю, что дополнительно вызывает протекание ненужного тока.

Под операционный усилитель, измеряющий +490 В использовался программируемый чип LM4250, потому что он дешев и доступен, можем установить потребляемую мощность (резистор R7) на очень маленькое значение — гораздо меньше, чем другие известные операционные усилители.

Что касается детекторов — счетчиков радиации, существует много типов, например, STS-5, DOB-50, DOB-80, DOI-30, DOI-80, даже отечественный СБМ-2.

Счетчики Гейгера, в зависимости от конструкции, должны питаться напряжением 200-1000 В. Лучше всего подавать на него более высокое напряжение и следить за количеством импульсов. Но если происходит резкое увеличение количества импульсов, уменьшите напряжение примерно на 50 В — и при таком напряжении прибор должен работать. С резистором, который соответствует лампе, лучше не опускаться ниже 2,2 МОм. Предпочтительно 4,7 или 5,6 мегаом. Счетчики Гейгера не любят перегружаться, они от этого изнашиваются.

Потребляемая мощность импульсная, импульс 4 мс 30 мА каждые 1,2 с. В оставшийся период потребляемый ток не превышает 150 мкА. Среднее не превышает 400 мкА. В этом случае батарея на 9 В должна работать в течение месяца даже непрерывной работы. А тут можете скачать файлы

Схемы измерительных приборов

Порядок выполнения измерений

Выберите режим «Измерение», при этом прибор начинает оценку радиоактивной обстановки. Примерно через 60 секунд на его дисплее появляется результат измерений, после чего начинается следующий цикл анализа. Для того чтобы получить точный результат, рекомендуют провести не менее 5 циклов измерений. Увеличение числа наблюдений дает более достоверные показания.

Чтобы измерить радиационный фон предметов, например стройматериалов или пищевых продуктов, нужно включить режим «Измерение» на расстоянии нескольких метров от объекта, затем поднести прибор к предмету и измерить фон максимально близко к нему. Сравните показания прибора с данными, полученными на расстоянии нескольких метров от предмета. Разница между этими показаниями — это дополнительный радиационный фон исследуемого объекта.

Если результаты измерений превышают естественный фон, характерный для той местности, в которой вы находитесь, это свидетельствует о радиационном загрязнении исследуемого объекта. Для оценки загрязнения жидкости рекомендуют проводить измерения над ее открытой поверхностью. Чтобы защитить прибор от влаги, его нужно обернуть полиэтиленовой пленкой, но не более чем в один слой. Если дозиметр длительное время находился при температуре ниже 0оС, перед проведением измерений его необходимо выдержать при комнатной температуре в течение 2 часов.

В наш век техногенных катастроф необходимо защитить себя от их последствий в виде радиоактивного заражения. А для этого ионизирующее излучение необходимо обнаружить. Поэтому при отсутствии промышленных приборов любой радиолюбитель может попытаться изготовить счетчик Гейгера своими руками.