Волшебные руки
Мастер-классы, инструкции, полезные советы, рецепты.

Счетчик Гейгера с минимумом деталей

3

Advertisement


Насколько известно мастеру, сделавшему это устройство — это простейший работающий счетчик Гейгера, который можно сделать. В нем используется трубка Гейгера СБМ-20 российского производства, управляемая повышающей цепью высокого напряжения, демонтированной из электрической мухобойки. Счетчик обнаруживает бета-частицы и гамма-лучи, издавая щелчок каждый раз при обнаружении радиоактивной частицы или гамма-всплеска. Как видно из видео, он щелкает каждые несколько секунд из-за фонового излучения, и щелчки ускоряются при приближении к радиоактивным элементам.Мастер сделал этот счетчик, для идентификации радиоактивных элементов, которые ему нужны для сбора коллекции. Единственный реальный недостаток этого счетчика в том, что он не очень громкий, и он не вычисляет и не отображает количество обнаруженного. Т.е. нельзя получить никаких фактических данных, а только общее представление о радиоактивности, основанное на количестве слышимых щелчков.

Инструменты и материалы:
-Трубка Гейгера СБМ-20;
-Повышающая цепь постоянного тока высокого напряжения демонтированная с такой мухобойки;
-Стабилитроны с суммарным значением около 400 В;
-Резисторы с общем номиналом 5 МОм (мастер использовал пять по 1 МОм);
-Транзистор — типа NPN, использовался 2SC975;
-Пьезо-динамик (может быть демонтирован из старой микроволновки или электронной игрушки);
-1 батарея AA;
-Держатель батареи AA;
-Выключатель;
-Провода;
-Заготовка из дерева, пластика или другого не токопроводящего материала, для использования в качестве подложки;
-Паяльные принадлежности;
-Клевой пистолет;
-Кусачки;
-Инструмент для зачистки проводов;
-Отвертка; 



Шаг первый: теория
Счетчик Гейгера (или счетчик Гейгера-Мюллера) — это детектор излучения, разработанный Гансом Гейгером и Вальтером Мюллером в 1928 году. Сегодня почти все знакомы со звуками щелчка, которые он издает, и часто говорят, что это «звук» радиации.

Сердцем устройства является трубка Гейгера-Мюллера. Это металлический или стеклянный цилиндр, наполненный инертными газами, находящимися под низким давлением. Внутри трубки находятся два электрода, один из которых находится под высоким напряжением (обычно 400-600 вольт), а другой заземлен. Когда трубка находится в состоянии покоя, ток не может протекать между двумя электродами внутри трубки. Однако, когда в трубку попадает радиоактивная частица, такая как бета-частица, она ионизирует газ внутри трубки, делая его токопроводящим и позволяя току протекать между электродами на короткое время. Этот кратковременный ток запускает детекторную часть схемы, которая издает слышимый «щелчок». Больше щелчков означает больше излучения. Многие счетчики Гейгера также имеют возможность подсчитывать количество щелчков и вычислять счетчики в минуту, и отображать их на дисплее.

Давайте посмотрим на работу счетчика Гейгера, с другой стороны. Ключевым принципом работы счетчика Гейгера является трубка Гейгера и процесс создания высокого напряжение на одном электроде. Если пользоваться сравнением, это высокое напряжение похоже на крутой склон горы, покрытый глубоким снегом, и все, что требуется, — это крошечная энергия излучения (как у лыжника, спускающегося по склону), чтобы вызвать лавину. Последовавшая за этим лавина несет в себе гораздо больше энергии, чем сама частица.

Поскольку, вероятно, прошло много времени с тех пор, как многие из нас сидели в классе и узнали о радиации, мастер поясняет некоторые ключевые моменты. Материя и структура атома
Вся материя состоит из крошечных частиц, называемых атомами. Сами атомы состоят из еще более мелких частиц, а именно протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны собраны вместе в центре атома — эта часть называется ядром. Электроны вращаются вокруг ядра.

Протоны — это положительно заряженные частицы, электроны — отрицательно заряженные, а нейтроны не несут заряда и поэтому нейтральны, отсюда и их название. В нейтральном состоянии каждый атом содержит равное количество протонов и электронов. Поскольку протоны и электроны несут равные, но противоположные заряды, то атом нейтрален. Однако, когда количество протонов и электронов в атоме не равно, атом становится заряженной частицей, называемой ионом. Счетчики Гейгера способны обнаруживать ионизирующее излучение — форму излучения, которая может преобразовывать нейтральные атомы в ионы. Три различных вида ионизирующего излучения — это альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи. Альфа-частицы
Альфа-частица состоит из двух нейтронов и двух протонов, связанных вместе, и является эквивалентом ядра атома гелия-4. Частица образуется, когда она отрывается от атомного ядра. Поскольку у нее нет отрицательно заряженных электронов, которые могли бы нейтрализовать положительный заряд двух протонов, альфа-частица является положительно заряженной частицей, называемой ионом. Альфа-частицы представляют собой форму ионизирующего излучения, потому что они обладают способностью «воровать» электроны из своего окружения и при этом превращать атомы, у которых они воруют, в сами ионы. В высоких дозах это может вызвать повреждение клеток. Альфа-частицы, образующиеся в результате радиоактивного распада, движутся медленно, имеют относительно большой размер и из-за своего заряда не могут легко проходить сквозь другие предметы. В конечном итоге частица забирает несколько электронов из окружающей среды и при этом становится законным атомом гелия. Так производится почти весь гелий на Земле. Бета-частицы
Бета-частица — это электрон или позитрон. Позитрон похож на электрон, но несет положительный заряд. Бета-минусовые частицы (электроны) испускаются, когда нейтрон распадается на протон, а бета-плюсовые частицы (позитроны) испускаются, когда протон распадается на нейтрон.

Гамма лучи
Гамма-лучи — это фотоны высокой энергии. Гамма-лучи расположены в электромагнитном спектре, за пределами видимого света и ультрафиолета. Они обладают высокой проникающей способностью, а их способность к ионизации обусловлена тем, что они могут выбивать электроны из атома.

Трубка SMB-20, которая используется в этом проекте, — российского производства. Она имеет тонкую металлическую оболочку, которая играет роль отрицательного электрода, а металлический провод, проходящий через центр трубки, служит положительным электродом. Чтобы трубка могла обнаружить радиоактивную частицу или гамма-излучение, эта частица или луч сначала должны проникнуть через тонкую металлическую оболочку трубки. Альфа-частицы, как правило, не могут этого сделать, поскольку они обычно задерживаются стенками трубки. Другие трубки Гейгера, предназначенные для обнаружения этих частиц, часто имеют специальное окно, называемое альфа-окном, которое позволяет этим частицам попадать в трубку. Окно обычно делают из очень тонкого слоя слюды, и трубка Гейгера должна быть очень близко к источнику альфа излучения, чтобы его обнаружить.


Шаг второй: разбираем мухобойку
Электронные мухобойки могут немного отличаться по конструкции. Нужно разобрать ее. Внутри находится плата. От платы к сетке мухобойки идут три провода. Два провода от одной контактной площадки (минус), еще один провод плюсовой. Отрезаем все три провода со стороны сетки. Затем отрезаем один отрицательный провод.
Остальные провода — это провода, идущие к батарейному отсеку.


Шаг третий: схема/монтаж
Хотя эта схема построена для трубки СБМ-20, ее можно легко адаптировать для использования других трубок. Просто проверьте конкретный диапазон рабочего напряжения и другие характеристики вашей конкретной трубки и соответствующим образом отрегулируйте. Трубки большего размера более чувствительны, чем трубки меньшего размера, просто потому, что они являются более крупными целями для частиц.

Для работы счетчика Гейгера требуется высокое напряжение. Мастер использует повышающую схему постоянного тока от электронной мухобойки, чтобы поднять 1,5 В от пальчиковой батареи до примерно 600 вольт (первоначально мухобойка работала от 3 вольт, выдавая около 1200 В. для уничтожения мух. Из такой мухобойки можно сделать электрошокер).
Рабочее напряжение СБМ-20 — 400 В, поэтому в схеме используются стабилитроны для регулирования напряжения до этого значения. Мастер использует тринадцать стабилитронов 33 В, но и другие комбинации будут работать так же хорошо, например, стабилитроны 4 x 100 В, если сумма значений стабилитронов равна целевому напряжению, в данном случае 400.
Резисторы используются для ограничения тока. Можно использовать любую комбинацию резисторов, если их значения в сумме составляют около 5 МОм.

Advertisement

Элемент пьезо-динамика и транзистор составляют детекторную часть схемы. Пьезо-динамик издает щелчки, а длинные провода позволяют держать его ближе к уху.

Транзистор увеличивает громкость щелчков. Можно построить схему без транзистора, но щелчки, генерируемые схемой, будут еле слышимыми. В схеме используется транзистор 2SC975 (типа NPN).

После сбора всех компонентов мастер смонтировал схему навесным монтажом и закрепил ее на пластике.
Шаг четвертый: о радиоактивных материалах
Счетчик Гейгера будет щелкать каждые несколько секунд только из-за фонового излучения, но есть несколько источников излучения, с которыми можно столкнутся и в быту.

Америций из детекторов дыма
Америций — это искусственный (не встречающийся в природе) элемент, который используется в детекторах дыма ионизационного типа. Эти детекторы дыма очень распространены. Америций в форме диоксида америция нанесен на небольшую металлическую кнопку внутри, установленную в небольшом корпусе, известном как ионизационная камера. На америций обычно наносят тонкий слой позолоты или другого коррозионностойкого металла.

Внутри ионизационной камеры детектора расположены две металлические пластины, расположенные друг напротив друга. К одной из них прикреплена кнопка с америцием, которая испускает постоянный поток альфа-частиц, проходящих через небольшой воздушный зазор и затем поглощающихся другой пластиной. Воздух между двумя пластинами ионизируется и становится, в некоторой степени проводящим. Это позволяет току течь между пластинами, и этот ток может быть обнаружен схемами дымового извещателя. Когда частицы дыма попадают в камеру, они поглощают альфа-частицы и разрывают цепь, вызывая тревогу.

Излучаемое излучение относительно мягкое, но на всякий случай мастер рекомендует:
Храните кнопку америция в безопасном месте подальше от детей, предпочтительно в каком-либо защищенном от детей контейнере.

Никогда не касайтесь лицевой стороны кнопки, на которую нанесен америций. Если вы случайно коснулись лицевой стороны кнопки, вымойте руки.

Урановое стекло
Уран использовался в форме оксида в качестве добавки к стеклу. Наиболее типичный цвет уранового стекла — бледно-желтовато-зеленый, и в 1920-х годах его называли «вазелиновое стекло» (на основании кажущегося сходства с внешним видом вазелинового масла). Количество урана в стекле варьируется от небольшого количества до примерно 2% по весу, хотя некоторые изделия 20-го века были сделаны с содержанием урана до 25%! Большая часть уранового стекла слабо радиоактивна.

Можно подтвердить содержание урана в стекле с помощью ультрафиолетового света. Все урановые стекла флуоресцируют ярко-зеленым цветом независимо от их цвета в естественном освещении. Чем ярче светится стекло в ультрафиолетовом свете, тем больше в нем урана.

Почему добавляли уран?
Открытие и выделение радия в урановой руде (настуран) Марией Кюри послужило толчком к развитию добычи урана для извлечения радия, который использовался для изготовления светящихся в темноте красок для часов и циферблатов самолетов. В результате осталось огромное количество урана в виде отходов, поскольку для извлечения одного грамма радия требуется три тонны урана. Ториевые сетки для фонарей (Калильная сетка)
Торий используется в сетках кемпинговых фонарей в виде диоксида тория. При первом нагревании полиэфирная часть мантии выгорает, а диоксид тория (вместе с другими ингредиентами) сохраняет форму мантии, и становится своего рода керамикой, которая светится при нагревании. Торий с середины 90-х годов не используется для этих целей и был заменен на материалы, которые не являются радиоактивными. Торий использовался, потому что он заставляет мантии светиться очень ярко, и новые материалы не достигают этого уровня свечения. Вот где приходит на помощь счетчик Гейгера. Мантия, с которой мастер столкнулся, сводит с ума счетчик Гейгера гораздо больше, чем урановое стекло или америциевые кнопки. Дело не в том, что торий более радиоактивен, чем уран или америций, но в мантии фонаря гораздо больше радиоактивного материала, чем в других источниках. Довольно странно встретить такое большое количество радиоактивного излучения в потребительском продукте.

Advertisement

Оставьте ответ