Счетчик гейгера: устройство и бытовые вариации

Самодельные дозиметры, зачем они нужны?

Счетчик Гейгера является специфическим элементом дозиметра, совершенно недоступным для самостоятельного изготовления. Кроме того, он встречается только в дозиметрах или продается отдельно в магазинах радиотоваров. Если этот датчик есть в наличии, все остальные компоненты дозиметра могут быть собраны самостоятельно из деталей разнообразной бытовой электроники: телевизоров, материнских плат и др. На радиолюбительских сайтах, форумах сейчас предлагается около десятка конструкций. Собирать стоит именно их, поскольку это самые отработанные варианты, имеющие подробные руководства по настройке и наладке.

Схема включения счетчика Гейгера всегда подразумевает наличие источника высокого напряжения. Типичное рабочее напряжение счетчика — 400 вольт. Его получают по схеме блокинг-генератора, и это самый сложный элемент схемы дозиметра. Выход счетчика можно подключить к усилителю низкой частоты и подсчитывать щелчки в динамике. Такой дозиметр собирается в экстренных случаях, когда времени на изготовление практически нет. Теоретически, выход счетчика Гейгера можно подключить к аудиовходу бытовой аппаратуры, например, компьютера.

Самодельные дозиметры, пригодные для точных измерений, все собираются на микроконтроллерах. Навыки программирования здесь не нужны, так как программа записывается готовой из бесплатного доступа. Сложности здесь типичные для домашнего электронного производства: получение печатной платы, пайка радиодеталей, изготовление корпуса. Все это решается в условиях небольшой мастерской. Самодельные дозиметры из счетчиков Гейгера делают в случаях, когда:

• нет возможности приобрести готовый дозиметр;
• нужен прибор со специальными характеристиками;
• необходимо изучить сам процесс постройки и наладки дозиметра.

Самодельный дозиметр градуируется по естественному фону с помощью другого дозиметра. На этом процесс постройки заканчивается.

Автор статьи:

Никифоров Владислав

История появления счетчика Гейгера — Мюллера

Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в одной из лабораторий Резерфорда, в 1908 году разработал и предложил принципиальную схему действия счетчика «заряженных частиц». Он представлял собой модификацию уже знакомой тогда ионизационной камеры, которая была представлена в виде электрического конденсатора, наполненного газом с небольшим давлением. Камеру применял еще Пьер Кюри, когда изучал электрические свойства газов. Гейгер придумал ее употребить для выявления ионизирующего излучения именно оттого, что это излучение оказывало непосредственное воздействие на уровень ионизации газов.

В конце 20-х годов Вальтер Мюллер под руководством Гейгера создал некоторые типы счетчиков радиации, при помощи которых можно было регистрировать самые разнообразные ионизирующие частицы. Работа над созданием счетчиков была весьма необходимой, потому что без них нельзя было исследовать радиоактивные материалы. Гейгеру с Мюллером пришлось целеустремленно поработать над сотворением таких счетчиков, которые были бы чувствительны к любой из выявленных на то время разновидностей излучений типа α, β и γ.

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.

Детали дозиметра

Трансформатор преобразователя Тр1 выполнен на броневом сердечнике имеющий диаметром приблизительно 25 мм. Обмотки 1-2 и 3-4 намотаны медным эмалированным проводом диаметром 0,25 мм и содержат соответственно 45 и 15 витков. Вторичная обмотка 5-6 намотана медным проводом диаметром 0,1 мм, содержит 550 витков.

Светодиод возможно поставить АЛ341, АЛ307. В роли VD2 возможно применить два диода КД104А, подключив их последовательно. Диод КД226 возможно поменять на КД105В. Транзистор VT1 возможно поменять на КТ630 с любой буквой, КТ315Б на КТ342А. Телефонный капсюль необходимо выбрать с сопротивлением акустический катушки более 50 Ом. Микроамперметр с током полного отклонения 50 мкА.

Устройство дозиметра

Работа любого дозиметра базируется на основе одних и тех же принципах работы. Базовым элементом всех дозиметров является датчик радиации. В зависимости от принципа работы, датчики радиации делятся на:

• Ионизационные камеры — это датчики, конструкция которых состоит из различных по исполнению газонаполненных камер. Принцип работы основан на регистрации электрических возмущений, возникающих в газоразрядной камере при прохождении сквозь нее различных заряженных частиц. Применяются в основном для регистрации бета и гамма излучений. Газоразрядные датчики имеют простую конструкцию и малую стоимость. Плохо подходят для регистрации альфа излучений.

  Наиболее распространенной конструкцией газоразрядного датчика, является счетчик Гейгера-Мюллера, который применяется в большинстве бытовых и профессиональных дозиметрах.

• Сцинтилляционные кристаллы — это кристаллы неорганического или органического происхождения. Принцип работы основан на регистрации фотонов, которые генерируются в кристалле, если сквозь него проходят заряженные частицы (электроны, протоны, нейтроны, альфа частицы). Могут применяться для регистрации всех видов радиации. Применяются в основном в поисковых приборах, так как обладают высокой чувствительностью и точностью. Имеют достаточно большие размеры и высокую стоимость.
• Твердотельные полупроводниковые детекторы — состоят из кристаллов и полупроводникового материала. Принцип работы основан на изменении электрической проводимости материала при прохождении сквозь него заряженных частиц (электроны, протоны, нейтроны). Могут применяться для регистрации всех видов радиации. Обладают небольшой точностью, но при этом имеют маленькие размеры и низкую стоимость.

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.

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.

Описание работы дозиметра на счетчике Гейгера СБМ-20

Питание схемы дозиметра осуществляется всего от одной лишь батарейки на 1,5 вольта, так как ток потребления не превышает 10 мА

Но поскольку рабочее напряжение датчика радиации СБМ-20 составляет 400 вольт, то в схеме применен преобразователь напряжения позволяющий увеличить напряжение с 1,5 вольт до 400 вольт. В связи с этим следует соблюдать крайнюю осторожность при налаживании и использовании дозиметра!.  

Повышающий преобразователь дозиметра – не что иное как простой блокинг-генератор. Появляющиеся импульсы высокого напряжения на вторичной обмотке (выводы 5 – 6) трансформатора Тр1, выпрямляются диодом VD2. Данный диод должен быть высокочастотным, поскольку импульсы достаточно короткие и имеют высокую частоту следования.

Если счетчик Гейгера СБМ-20 находится вне зоны радиационного излучения звуковая и световая индикация отсутствует, поскольку оба транзистора VT2 и VT3 заперты.

При попадании на датчик СБМ-20 бета- или гамма- частиц происходит ионизация газа, который находится внутри датчика, в результате чего на выходе образуется импульс, который поступает на транзисторный усилитель и в телефонном капсюле BF1 раздается щелчок и вспыхивает светодиод HL1.

Вне зоны интенсивного излучения, вспышки светодиода и щелчки из телефонного капсюля следуют через каждые 1…2 сек. Это указывает на нормальный, естественный радиационный фон.

При приближении дозиметра к какому-либо объекту, имеющему сильное излучение (шкале авиационного прибора времен войны или к светящемуся циферблату старых часов), щелчки станут чаще и даже могут слиться в один непрерывный треск, светодиод HL1 будет постоянно гореть.

Так же дозиметр снабжен и стрелочным индикатором — микроамперметром. Подстроечным резистором производят подстройку чувствительности показания.

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.

КОД

Напишем код для определения количества радиации.

Arduino

#include

#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.

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
). При необходимости обеспечивает гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.

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

При измерении слабых потоков ионизирующего излучения счётчиком Гейгера необходимо учитывать его собственный фон. Даже в толстой свинцовой защите скорость счёта никогда не становится равной нулю. Одной из причин этой спонтанной активности счётчика является жёсткая компонента космического излучения, проникающая без существенного ослабления даже через десятки сантиметров свинца и состоящая в основном из мюонов. Через каждый квадратный сантиметр у поверхности Земли пролетает в среднем около 1 мюона в минуту, при этом эффективность регистрации их счётчиком Гейгера практически равна 100 %. Другой источник фона — это радиоактивное «загрязнение» материалов самого счётчика. Кроме того, значительный вклад в собственный фон дает спонтанная эмиссия электронов из катода счётчика.

Счетчик Гейгера — основной сенсор для измерения радиации. Он регистрирует гамма-, альфа-, бета-излучение и рентгеновские лучи. Обладает самой высокой чувствительностью в сравнении с другими способами регистрации радиации, например, ионизационными камерами. Это главная причина его повсеместного распространения. Другие сенсоры для измерения радиации используются очень редко. Почти все приборы дозиметрического контроля построены именно на счетчиках Гейгера. Они выпускаются массово, и есть приборы различных уровней: от дозиметров военной приемки до китайского ширпотреба. Сейчас приобрести какой-либо прибор для измерения радиации — не проблема.

Повсеместного распространения дозиметрических приборов еще совсем недавно не было. Так к 1986 году во время чернобыльской аварии оказалось, что у населения нет просто никаких приборов дозиметрической разведки, что кстати, дополнительно усугубило последствия катастрофы. При этом, несмотря на распространение радиолюбительства и кружков технического творчества, счетчики Гейгера не продавались в магазинах, поэтому изготовление самодельных дозиметров было невозможным.

Фото счетчика Гейгера

Также рекомендуем просмотреть:

• Полировка фар своими руками
• Строительные леса своими руками
• Точилка для ножей своими руками
• Антенный усилитель
• Восстановление аккумулятора
• Мини паяльник
• Как сделать электрогитару
• Оплетка на руль
• Фонарик своими руками
• Как заточить нож для мясорубки
• Электрогенератор своими руками
• Солнечная батарея своими руками
• Течет смеситель
• Как выкрутить сломанный болт
• Зарядное устройство своими руками
• Схема металлоискателя
• Станок для сверления
• Нарезка пластиковых бутылок
• Аквариум в стене
• Врезка в трубу
• Стеллаж в гараж своими руками
• Симисторный регулятор мощности
• Фильтр низких частот
• Вечный фонарик
• Нож из напильника
• Усилитель звука своими руками
• Трос в оплетке
• Пескоструйный аппарат своими руками
• Генератор дыма
• Ветрогенератор своими руками
• Акустический выключатель
• Воскотопка своими руками
• Туристический топор
• Стельки с подогревом
• Паяльная паста
• Полка для инструмента
• Пресс из домкрата
• Золото из радиодеталей
• Штанга своими руками
• Как установить розетку
• Ночник своими руками
• Аудио передатчик
• Датчик влажности почвы
• Древесный уголь
• Wi-Fi антенна
• Электровелосипед своими руками
• Ремонт смесителя
• Индукционное отопление
• Стол из эпоксидной смолы
• Трещина на лобовом стекле
• Эпоксидная смола
• Как поменять кран под давлением
• Кристаллы в домашних условиях

Помогите проекту, поделитесь в соцсетях 😉

Заключение

Диагностируя излучения, нужно учитывать собственный фон измерителя. Даже при наличии свинцовой защиты приличной толщины скорость регистрации не обнуляется. У этого явления есть объяснение: причина активности — космическое излучение, проникающее через толщи свинца. Над поверхностью Земли ежеминутно проносятся мюоны, которые регистрируются счетчиком с вероятностью 100%.

Есть и еще один источник фона — радиация, накопленная самим устройством. Поэтому по отношению к счётчику Гейгера тоже уместно говорить об износе. Чем больше радиации прибор накопил, тем ниже достоверность его данных.