Как сделать счетчик Гейгера своими руками: схема сборки бытового дозиметра в домашних условиях

Привет всем! Как ваши дела? Сегодня я хочу показать вам, как сделать счетчик Гейгера своими руками. Я начал создавать этот прибор примерно в начале прошлого года. С тех пор он претерпел мою лень и три полных переосмысления.

Идея сделать бытовой дозиметр появилась в самом начале моего увлечения электроникой, идея радиации всегда интересовала меня.

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.

В получаемом делителе напряжения присутствует точка соединения сопротивления с анодом устройства. В ней напряжение сравнивается с напряжением источника.

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.

История создания счетчика Гейгера

Бесспорно самый известный, востребованный и в буквально смысле жизненно необходимый инструмент для обнаружения излучений в самых разных отраслях промышленности и в быту.
Родоначальник ядерной физики Эрнст Резерфорд (Англия) в начале XX века разработал концепцию, смысл которой в том, что атом состоит из ядра (занимает небольшой объем в центре). Ядро в свою очередь состоит из более мелких элементов. При этом при определенных условиях ядро может распадаться с выделением этих частиц.
Чтобы исследовать структуру атома, подтвердить или опровергнуть свою гипотезу, Резерфорд проводил эксперименты по измерению электрического заряда потока альфа-частиц, попадающих в цель.
Сколько этих частиц будет выделяться ? Этот вопрос и представлял прежде всего чисто научный интерес, поскольку до ядерной бомбы было еще несколько десятилетий, как и до атомных станций.
Вместе с Резерфордом работал Гейгер (вот и встретилась нам эта фамилия) над задачей создания регистрирующего устройства для измерения радиации.

Читайте так же:

Ndfeb магниты для счетчиков

Студентом Ганс Гейгер изучал физику в Мюнхенском университете и служил в немецких вооруженных силах, прежде чем продолжить учебу, получил докторскую степень в 1906 году и защитил диссертацию по прохождению электрического тока через газ. Обращаем внимание, что последний факт, как оказалось впоследствии, имеет прямое отношение к принципу действия счетчика, названного его именем. Как и во многих изобретениях и открытиях, "пазл" складывается тогда, когда встречаются нужные люди, знания, в одном месте и в одно время.
Затем он переехал в Англию, чтобы стать лаборантом в лаборатории Резерфорда в Манчестерском университете.
Работая с одним из студентов, Эрнестом Марсденом, Гейгер разработал новое уникальное устройство, которое запускало альфа-частицы через золотую фольгу на экран, где они могли быть обнаружены как сцинтилляции (мерцание, кратковременные световые вспышки).

Суть опыта, без которого невозможно обсуждать историю атома, а именно существования атомного ядра, состояла в следующем. Источник радиации помещался перед тонкой золотой фольгой. Сам источник альфа-частиц и фольга находились в вакууме, чтобы частицы не сталкивались с молекулами воздуха, не ионизировали их и тогда результаты были бы искажены.

Эти меры позволили обнаруживать вспышки света. Но как подсчитать их количество в единицу времени и таким образом измерить радиацию ?
Сначала попытались установить микроскоп, который вращался вокруг золотой фольги, чтобы вручную подсчитывать количество сцинтилляций в темноте лаборатории. Но это было неудобно, утомительно, влиял человеческий фактор.
Нужны были другие решения для регистрации излучения. И в 1911 году Гейгер предложил как измерить количество вспышек при дневном свете.
Запаянная трубка заполняется инертным газом (аргоном, ксеноном или газовыми смесями) и служит катодом. А нить, проходящая внутри по центру, является анодом.
Приблизительно по такому же принципу были построены усилительные лампы, которые широко использовались в радиотехнике, звуковой технике, до эпохи транзисторов и микросхем.

Как работает счетчик Гейгера

Пока в камеру не попадают частицы, газ является диэлектриком. Ток через него отсутствует.
При приложении высокого напряжения, попадающее альфа-излучение, вызывало ионизацию газа (происходит столкновение с атомами), тем самым испускался поток электронов – отрицательных заряженных частиц.
Из-за того, что электроды "выбиты", атомы газа становятся положительно заряженными.
Это лавинообразный процесс, что приводит к возникновению электрического тока в газе. Образуется своеобразная мини-молния.
При столкновении с атомами, энергия частиц уменьшается. Это процесс повторяется в виде импульсов – всплесков энергии, что регистрируется, а значит может быть измерено и переведено в удобные для восприятия цифры.

Амплитуда импульсов достаточно велика и может достигать нескольких Вольт, а значит может быть измерена непосредственно, без усиления.

Газоразрядная ионизационная трубка и была прообразом счетчика, который был способен определять альфа-частицы (ядра гелия), представляющие собой комбинацию из пары нейтронов и протонов. Эти частицы излучаются атомом в процессе радиоактивного распада.
Конечно ни о каком точном подсчете отдельных частиц речь не идет. Измеряется общая интенсивность излучения.

Во время первой мировой войны Гейгер служил офицером в немецкой армии, в полевой артиллерии, что на время прервало его карьеру и научные исследования на несколько лет. После этого ученый вернулся как к преподавательской работе, так и к науке.

Читайте так же:

Если не сделали поверку счетчика как оплачивать

Объединив свои усилия с Вальтером Мюллером (это был его аспирант в университете), они смогли улучшить детектор излучения (вот откуда составное название "счетчик Гейгера-Мюллера"), его чувствительность, производительность и долговечность, чтобы можно было обнаруживать и другие типы радиоактивного излучения, кроме альфа-частиц, а именно бета-частицы и ионизирующие фотоны.
Впоследствии Гейгер продолжал изучать космические лучи, искусственную радиоактивность и деление атомных ядер.
Кстати, на войне, ученый серьезно подорвал свое здоровье, часто болел и в результате чего ушел из жизни в 62 года. Причем он умер в сентябре 1945-го, таким образом был свидетелем первого и единственного военного применения атомного оружия в Хиросиме и Нагасаки.

В ранней модели счетчика Гейгера газ низкого давления находится в медном цилиндре, через который проходит электрический ток. Радиоактивная частица, попадающая в цилиндр, вызывает всплеск электрического тока, который регистрируется счетчиком.
В частности именно такой детектор, выглядящий несколько несовременно, использовал Джеймс Чедвик, открывший нейтрон. Интересная деталь из биографии Чедвика. При сдаче вступительных экзаменов в университет в Манчестере, он случайно вместо экзамена по математике попал на физику (вот она судьба, может и нейтрон открыт был бы позже и вообще развитие науки пошло совсем по другому сценарию ?) и сделал серьезный вклад в ядерную физику. За что и был заслуженно награжден Нобелевской премией в 1935 году.

Почему счетчик Гейгера щелкает?

Мы же говорили о "молнии" внутри счетчика. А ведь настоящая молния не просто щелкает, а ее разряды сопровождаются настоящим грохотом. Приблизительна та же картина и здесь. Только в меньшем масштабе. Такая же ситуация наблюдается и с ионизаторами воздуха и другим приборами, которые вызывают электрический разряд в газе. Существует и природная ионизация под действием космических лучей, ультрафиолетового и других излучений, приходящих как от солнца, так и от далеких галактик.

Также дозиметры реагируют щелчками и на другие источники радиации, существующие в природе:

отвалы угольных шахт;
некоторые горные породы могут "фонить";
радиоактивные газы;
стройматериалы и даже продукты питания с радиацией, чем особенно "грешат" грибы и некоторые лесные ягоды, которые по-прежнему изредка попадают на рынки Украины.

Количество щелчков пропорционально уровню регистрируемого излучения. Измерение производится за период времени. Чем этот период больше, тем выше точность определения радиации.

В каких единицах счетчик Гейгера измеряет радиацию ?

В единицах, называемых микрозивертами, за час воздействия. (Один зиверт равен 1 000 миллизивертов и 1 миллион микрозивертов).
Пример. Если счетчик Гейгера отображает 0,25 микрозиверта в час, это означает, что он обнаружил 0,25 микрозиверта излучения за это время.
Как оценить — много или это или мало ? Имеется в виду с точки вреда для здоровья.
Компьютерная томография одного органа выдает дозу облучения порядка 7000 микрозивертов. Это кстати в десятки раз больше, чем при облучении в процессе рентгеновского снимка. А вот величина в 2000000 микрозивертов указывает на серьезное радиационное поражение.

Читайте так же:

Устройство счетчика скат 301

Существуют и другие технологии измерения радиации, но счетчики Гейгера – простые и относительно недорогие, бесспорно держат пальму первенства.

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.

LM4250 работает как операционный усилитель, в котором потребление тока определяется R7. Если вы используете другой усилитель, не паяйте его. Все синхронизирующие конденсаторы также были уменьшены до минимума, чтобы минимизировать токи перезарядки.

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

Дизайн счетчика Гейгера Мюллера почти полностью состоит из этих модулей:

Высоковольтный повышающий конвертер DC-DC)
Зарядник (Aliexpress или Amazon) 5V повышающий преобразователь DC-DC (Aliexpress или Amazon)
Ардуино нано (Aliexpress или Amazon) OLED—экран на этих фотографиях 128*64, но в итоге я использовал 128*32 (Aliexpress или Amazon)

Также нам нужен транзистор 2n3904 (Aliexpress или Amazon) Резисторы 10M и 210K (Aliexpress или Amazon) Конденсатор 470pf (Aliexpress или Amazon) Кнопка-переключатель (Aliexpress или Amazon) Аккумулятор, опциональную активную пьезо-трещалку и сам счетчик Гейгера я использовал старые советские. Модель STS-5 довольно дешевая и её легко найти на Ибэй или Амазоне, она также совместима с трубкой SBM-20 или любой другой, вам нужно просто задать параметры в программе, в моём случае количество микрорентген в час равно количеству импульсов трубки за 60 секунд. И да, вот модель кейса, напечатанного на 3Д-принтере.

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

Применяются в основном для регистрации бета и гамма излучений.

Плохо подходят для регистрации альфа излучений

Читайте так же:

Установка редуктора давления до счетчика

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

Дозиметр радиации. Виды и применение. Как выбрать и пользоваться

Дозиметр радиации — это инструмент для измерения радиоактивного излучения. Он позволяет замерять радиационный фон в помещениях, а также общее количество радиоактивных веществ в любых окружающих предметах. Их использование обязательно на потенциально опасных производствах: на атомных станциях, на оружейных заводах и фабриках по производству медтехники.

В быту этот прибор тоже может быть очень полезным. Ведь уровень радиации очень сильно влияет на здоровье человека. Она имеет свойство накапливаться в организме и способна вызывать различные болезни, в том числе онкологические. Безопасным принято считать радиационный фон до 50 микрорентген в час.

Бытового дозиметра вполне достаточно, чтобы определить уровень радиоактивного заражения. И если датчик показывает, что допустимая норма превышена, лучше покинуть место нахождения или устранить из своего окружения предмет-источник заражения.

Конструкция дозиметра радиации и принцип работы

Главной рабочей деталью аппарата является датчик радиации. Именно от него зависит, как быстро можно получить данные и насколько они будут точны. Под действием альфа-, бета- и гамма-излучения в датчике происходят скачки напряжения, которые преобразуются в числовые данные.

Датчики отличаются друг от друга чувствительностью и бывают:

Слюдяные счетчики Гейгера-Мюллера. Их устанавливают в бытовые дозиметры. Фиксируют альфа- и бета- частицы.
Газоразрядные. Используются для небольших, карманных приборов. Регистрируют бета- и гамма-излучение и показывают только критический уровень.
Термолюминесцентные лампы встречаются в дозиметрах для индивидуального пользования. Замеряют накопленную дозу радиации.
Сцинтилляционные кристаллы. Фиксируют фотоны и их чувствительность максимальна. Однако бесполезны для измерения альфа-излучения.
Пин-диоды — наименее чувствительные датчики, которые фиксируют только критические уровни. Как правило, устанавливаются в телефонные штекеры.

Другим составным элементом дозиметра выступает система оповещения. В бюджетных бытовых устройствах она представляет собой светодиоды и звук. Чем выше радиационный фон, тем интенсивнее мерцание и характерное потрескивание прибора. Более новые дозиметры, а также профессиональные модификации оснащены преобразователем данных и экраном для их отображения.

Дозиметр радиации может иметь и дополнительные функции, например, выносной детектор, настройку режимов измерения и подключение к ПК или планшету для анализа данных. Наиболее подходящая модель подбирается с учетом требований потребителя и условий применения.

Классификация приборов

По своему назначению дозиметры подразделяются на:

Бытовые. Реагируют только на гамма-излучения, имеют высокую степень погрешности и применяются для замера радиационного фона в помещении, а также излучение от продуктов питания и иных предметов.
Профессиональные. Фиксируют альфа-частицы, протоны и нейтроны. Измеряют уровень и дозу излучения в помещениях и на местности, от живых объектов, предметов, газов и жидких веществ. Такие модели обязательно регистрируются в реестре Росстандарта.
Промышленные. Предназначены для постоянного контроля за уровнем радиации. Устанавливаются на АЭС, горно-обогатительных предприятиях и т.п.
Военные. Предназначены для использования в военное время.

Читайте так же:

Фитнес часы со счетчиком калорий

Среди бытовых устройств выделяют персональные, карманные и портативные.

Персональные по размеру напоминают обычный брелок. Могут регистрировать бета-, гамма-частицы, поток нейтронов и фотонов. Реагируют на превышение допустимого порога звуком или вибрацией. Некоторые приборы обладают световым сигналом. Дисплей у такого устройства отсутствует, и числовые данные можно получить только при подключении к компьютеру. Предназначены они для информирования своего хозяина о его нахождении в потенциально опасной зоне.

Карманный дозиметр радиации позволяет не только выявлять повышение допустимого фона бета- и гамма-излучения, но и запечатлевать полученные данные. Они имеют небольшие размеры, питаются от аккумулятора или батареек, имеют экран и несложное меню.

Есть и более оснащенные варианты, которые подключаются к телефону и/или планшету и имеют больший функционал.

Портативные совмещают в себе дозиметр и радиометр. В их функции входит еще и поиск зараженного предмета или объекта. Реагируют на гамма-излучение, используют разные виды оповещения (свет, звук), отображают данные на дисплее и имеют возможность подключения к ПК для анализа данных.

Как выбрать дозиметр радиации

Для того, чтобы определиться с моделью устройства, нужно прежде всего разобраться в том, для каких целей оно будет применяться. Установить, что окружающий радиационный фон превышает допустимые значения, в состоянии любой прибор. Если требуется только получать подобную информацию, подойдет обычный сигнализатор.

Для получения подробных данных об излучении требуются более чувствительные измерители, например МКС-03СА. Для обнаружения источника заражения применяются устройства поиска — они определяют направление к объекту излучения по колебаниям фона.

Если наряду с источником нужно установить тип изотопа, потребуются спектрометры, к примеру, лазерный дозиметр ЛД-07.

При выборе прибора для применения в домашних условиях, следует обращать внимание и на другие характеристики:

Верхний порог измерений. Желательно, чтобы он был не ниже 10 000 мкР/ч.
Типы датчиков и их количество в устройстве. Лучше, если в дозиметре несколько датчиков, позволяющих замерять разные виды излучений.
Производитель и наличие сертификата качества.
Размеры — бытовой дозиметр радиации должен быть компактным, помещаться в ладони и кармане.
Особенности работы. Желательно, чтобы питание прибора осуществлялось при помощи батареек, а экран был монохромным.
Система оповещения — звуковой, световой сигнал или отображение на дисплее.
Существование дополнительного функционала в зависимости от требований пользователя.
Возможность и тип подсоединения к гаджетам и ПК.

Дозиметр радиации с пин-диодами в практическом применении показал себя просто бесполезным, поэтому от него лучше отказаться.

Как правило, эксплуатация бытовых дозиметров не вызывает затруднений у пользователя. К тому же, к ним прилагается подробная инструкция. Проверить исправность тоже довольно просто — достаточно посмотреть на показания.

голоса

Рейтинг статьи