Самодельный датчик гейгера взамен сбм 20. Внимание, радиация. Строим свой интенсиметр* в ожидании Doomsday. Собственный фон счетчика

В данном обзоре приводится описание несложного и достаточно чувствительного дозиметра, регистрирующего даже незначительное бета- и гамма- излучение. В качестве датчика радиационного излучения выступает отечественный типа СБМ-20.

Внешне он выглядит как металлический цилиндр диаметром 12 мм и длинной около 113 мм. Его рабочее напряжение составляет 400 вольт. Аналогом ему может послужить зарубежный датчик ZP1400, ZP1320 или ZP1310.

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.

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, на КТ342А. Телефонный капсюль необходимо выбрать с сопротивлением акустический катушки более 50 Ом. Микроамперметр с током полного отклонения 50 мкА.

Счетчик Гейгера - Мюллера

Д ля определения уровня радиации применяется специальный прибор – . И для таких приборов бытового и большинства профессиональных устройств дозиметрического контроля, в качестве чувствительного элемента используется счетчик Гейгера . Это часть радиометра позволяет достаточно точно определить уровень радиации.

История появления счетчика Гейгера

В первые, устройство для определения интенсивности распада радиоактивных материалов появилось на свет в 1908 году, его изобрел немецкий физик Ганс Гейгер . Спустя двадцать лет, совместно с еще одним физиком Вальтером Мюллером прибор был усовершенствован, и в честь этих двух ученых и был назван.

В период развития и становления ядерной физики в бывшем советском союзе, также были созданы соответствующие устройства, которые широко применялись в вооруженных силах, на атомных электростанциях, и в специальных группах радиационного контроля гражданской обороны. В состав таких дозиметров, начиная с семидесятых годов прошлого века, входил счетчик, основанный на принципах Гейгера, а именно СБМ-20 . Данный счетчик, ровно, как и еще один его аналог СТС-5 , широко применяется и по настоящий момент, а также входит в состав современных средств дозиметрического контроля .

Рис.1. Газоразрядный счетчик СТС-5.

Рис.2. Газоразрядный счетчик СБМ-20.

Принцип работы счетчика Гейгера – Мюллера

И дея регистрации радиоактивных частиц предложенной Гейгером относительно проста. Она основана на принципе появления электрических импульсов в среде инертного газа под действием высокозаряженной радиоактивной частицы или кванта электромагнитных колебаний. Чтобы подробней остановиться на механизме действия счетчика, остановимся немного на его конструкции и процессах происходящих в нем, при прохождении радиоактивной частицы через чувствительный элемент прибора.

Р егистрирующее устройство представляет собой герметичный баллон или контейнер, который наполняется инертным газом, это может быть неон, аргон и т.д. Такой контейнер может быть изготовлен из металла или стекла, причем газ в нем находиться под низким давлением, это делается специально, чтобы упростить процесс регистрации заряженной частицы. Внутри контейнера расположены два электрода (катод и анод) на которые подается высокое напряжение постоянного тока через специальный нагрузочный резистор.

Рис.3. Устройство и схема включения счетчика Гейгера.

П ри активации счетчика в среде инертного газа на электродах не возникает разряда за счет высокого сопротивления среды, однако ситуация меняется если в камеру чувствительного элемента прибора попадает радиоактивная частица или квант электромагнитных колебаний. В этом случае частица, имеющая заряд достаточно высокой энергии, выбивает некоторое количество электронов из ближайшего окружения, т.е. из элементов корпуса или физически самих электродов. Такие электроны, оказавшись в среде инертного газа, под действием высокого напряжения между катодом и анодом, начинают двигаться в сторону анода, по пути ионизируя молекулы этого газа. В результате они выбивают из молекул газа вторичные электроны, и этот процесс растет в геометрических масштабах, пока между электродами не происходит пробой. В состоянии разряда цепь замыкается на очень короткий промежуток времени, а это обуславливает скачок тока в нагрузочном резисторе, и именно этот скачок и позволяет зарегистрировать прохождение частицы или кванта через регистрационную камеру.

Т акой механизм позволяет зарегистрировать одну частицу, однако в среде, где ионизирующее излучение достаточно интенсивно, требуется быстрое возвращение регистрационной камеры в исходное положение, для возможности определения новой радиоактивной частицы . Это достигается двумя различными способами. Первый из них заключается в том, чтобы на короткий промежуток времени прекратить подачу напряжения на электроды, в этом случае ионизация инертного газа резко прекращается, а новое включение испытательной камеры, позволяет начать регистрацию с самого начала. Такой тип счетчиков носит название несамогасящиеся дозиметры . Второй тип устройств, а именно самогасящиеся дозиметры, принцип их действия заключается в добавлении в среду инертного газа специальных добавок на основе различных элементов, к примеру, бром, йод, хлор или спирт. В этом случае их присутствие автоматически приводит к прекращению разряда. При таком строении испытательной камеры в качестве нагрузочного резистора используются сопротивления иногда на несколько десятков мегаом. Это позволяет во время разряда резко уменьшить разность потенциалов на концах катода и анода, что прекращает токопроводящий процесс и камера возвращается в исходное состояние. Стоит отметить, что напряжение на электродах менее 300 вольт автоматически прекращает поддержание разряда.

Весь описанный механизм позволяет регистрировать огромное количество радиоактивных частиц за короткий промежуток времени.

Виды радиоактивного излучения

Ч тобы понимать, что именно регистрируют счетчики Гейгера – Мюллера , стоит остановиться на том, и какие виды ее существуют. Сразу стоит оговориться, что газоразрядные счетчики, которые входят в состав большинства современных дозиметров, способны только зарегистрировать количество радиоактивных заряженных частиц или квантов, но не могут определить, ни их энергетических характеристик, ни тип излучения. Для этого дозиметры делают более многофункциональными и целевыми, и чтобы правильно их сравнивать следует более точно понимать их возможности.

П о современным представлениям ядерной физики радиационное излучение можно разделить на два типа, первый в виде электромагнитного поля , второй в виде потока частиц (корпускулярное излучение). К первому типу можно отнести поток гамма-частиц или рентгеновское излучение . Главной их особенностью является способность распространяться в виде волны на очень большие расстояния, при этом они достаточно легко проходят через различные предметы и могут без труда проникать в самые различные материалы. Для примера, если человеку нужно спрятаться от потока гамма-лучей, вследствие ядерного взрыва, то укрывшись в подвале дома или бомбоубежища, при условии его относительной герметичности, он сможет обезопасить себя от этого типа излучения только на 50 процентов.

Рис.4. Кванты рентгеновского и гамма-излучения.

Т акой тип излучения носит импульсный характер и характеризуется распространением в окружающей среде в виде фотонов или квантов, т.е. коротких вспышек электромагнитного излучения. Такое излучение может иметь различные энергетические и частотные характеристики, к примеру, рентгеновское излучение имеет в тысячи раз меньшую частоту, чем гамма–лучи. Поэтому гамма-лучи существенно более опасны для человеческого организма и их воздействие носит значительно более разрушительный характер.

И злучение, основанное на корпускулярном принципе, это альфа и бета частицы (корпускулы). Они возникают в результате ядерной реакции, при которой происходит превращение одних радиоактивных изотопов в другие с выделением колоссального количества энергии. При этом бета-частицы представляют собой поток электронов, а альфа-частицы, существенно более крупные и более устойчивые образования, состоящие из двух нейтронов и двух протонов связанных друг с другом. По сути, такое строение имеет ядро атома гелия, поэтому вполне можно утверждать, что поток альфа-частиц это поток ядер гелия.

П ринята следующая классификация , наименьшей проникающей способностью обладают альфа-частицы, чтобы от них защититься, человеку достаточно и плотного картона, большей проникающей способностью обладают бета-частицы, чтобы человек мог обезопасить себя от потока такого излучения ему потребуется уже металлическая защита в несколько миллиметров толщиной (к примеру, алюминиевый лист). От гамма - квантов практически не существует защиты, и они распространяются на значительные расстояния, затухая по мере отдаления от эпицентра или источника, и подчиняясь законам распространения электромагнитных волн.

Рис.5. Радиоактивные частицы альфа и бета типа.

К оличество энергии, которой обладают все эти три типа излучения, также различны, и наибольшей из них обладает поток альфа частиц. Для примера, энергия, которой обладают альфа частицы в семь тысяч раз больше, чем энергия бета-частиц , т.е. проникающая способность различных типов радиации, находится в обратно пропорциональной зависимости от их проникающей способности.

Д ля человеческого организма наиболее опасным типом радиоактивного излучения считаются гамма кванты , за счет высокой проникающей способности, а затем по убывающей, бета-частицы и альфа-частицы. Поэтому, определить альфа-частицы достаточно трудно, если сказать невозможно обычным счетчиком Гейгера - Мюллера , так как для них является препятствием практически любой объект, не говоря уже о стеклянном или металлическом контейнере. Определить бета-частицы таким счетчиком можно, но лишь в том случае, когда их энергии достаточно для прохождения через материал контейнера счетчика.

Для бета-частиц с малыми энергиями обычный счетчик Гейгера – Мюллера неэффективен.

О братная ситуация с гамма-излучением, есть вероятность, что они насквозь пройдут через контейнер, не запустив реакцию ионизации. Для этого в счетчиках устанавливают специальный экран (из плотной стали или свинца), который позволяет снизить энергию гамма-квантов и активировать, таким образом, разряд в камере счетчика.

Базовые характеристики и отличия счетчиков Гейгера – Мюллера

С тоит также осветить некоторые базовые характеристики и отличия различных дозиметров, оборудованных газоразрядными счетчиками Гейгера – Мюллера . Для этого следует сравнить некоторые из них.

Наиболее распространенные счетчики Гейгера – Мюллера оборудованы цилиндрическими или торцевыми датчиками . Цилиндрические похожи на продолговатый цилиндр в виде трубки с небольшим радиусом. Торцевая ионизационная камера имеет округлую или прямоугольную форму небольших размеров, но со значительной торцевой рабочей поверхностью. Иногда встречаются разновидности торцевых камер с удлиненной цилиндрической трубкой с небольшим входным окном с торцевой стороны. Различные конфигурации счетчиков, а именно самих камер, в состоянии регистрировать разные типы излучений, или же их комбинации, (к примеру, комбинации гамма и бета лучей, или всего спектра альфа, бета и гамма). Такое становится возможным благодаря специально разработанной конструкции корпуса счетчика, а также материала, из которого он изготавливается.

Е ще одной важной составляющей для целевого применения счетчиков это площадь входного чувствительного элемента и рабочей зоны . Другими словами это сектор, через который будут попадать, и регистрироваться интересующие нас радиоактивные частицы. Чем больше эта площадь, тем больше счетчик будет в состоянии уловить частиц, и тем сильнее будет его чувствительность к радиации. В паспортных данных к указывается площадь рабочей поверхности, как правило, в квадратных сантиметрах.

Е ще один важный показатель, который указывается в характеристиках к дозиметру, это величина шума (измеряется в импульсах в секунду). Другими словами, этот показатель можно назвать величиной собственного фона. Его можно определить в лабораторных условиях, для этого прибор помещают в хорошо защищенном помещении или камере, как правило, с толстыми стенками из свинца, и регистрируют уровень радиации, который испускает само устройство. Понятно, что если такой уровень будет достаточно существенным, то эти наведенные шумы непосредственно отразятся на погрешности измерений.

Каждый профессиональный и радиации обладает такой характеристикой, как радиационная чувствительность, также измеряется в импульсах в секунду (имп/с), или в импульсах на микрорентген (имп/мкР). Такой параметр, а точнее его использование, напрямую зависит от источника ионизирующего излучения, на который настраивается счетчик, и по которому будет проводиться дальнейшее измерение. Часто настройку производят по источникам, включающим такие радиоактивные материалы как, радий – 226, кобальт – 60, цезий – 137, углерод – 14 и другие.

Е ще один показатель, по которому стоит сравнивать дозиметры, это эффективность регистрации ионного излучения или радиоактивных частиц. Существование этого критерия связано с тем, что не все пройденные через чувствительный элемент дозиметра радиоактивные частицы будут зарегистрированы. Это может происходить в случае, когда квант гамма-излучения не вызвал ионизацию в камере счетчика, или количество прошедших частиц и вызвавших ионизацию и разряд столь велико, что устройство неадекватно их подсчитывает, и по некоторым другим причинам. Чтобы точно определить данную характеристику конкретного дозиметра, его тестируют при помощи некоторых радиоактивных источников, к примеру, плутония- 239 (для альфа-частиц), или таллия – 204, стронция – 90, иттрия - 90 (бета-излучатель), а также других радиоактивных материалов.

С ледующий критерий, на котором необходимо остановиться, это диапазон регистрируемых энергий . Любая радиоактивная частица или квант излучения обладают различной энергетической характеристикой. Поэтому, дозиметры рассчитаны на измерение не только конкретного типа излучения, но и на их соответствующую энергетическую характеристику. Такой показатель измеряется в мегаэлектронвольтах или килоэлектронвольтах, (МэВ, КэВ). К примеру, если бета-частицы не обладают достаточной энергией, то они не смогут выбить электрон в камере счетчика, и поэтому не будут зарегистрированы, или, только высокоэнергетические альфа-частицы смогут пробиться через материал корпуса счетчика Гейгера – Мюллера и выбить электрон.

И сходя из всего вышеизложенного, современные производители дозиметров радиации выпускают широкий ассортимент приборов для различных целевых назначений и конкретных отраслей промышленности. Поэтому стоит рассмотреть конкретные разновидности счетчиков Гейгера.

Различные варианты счетчиков Гейгера – Мюллера

П ервый вариант дозиметров, это устройства, рассчитанные на регистрацию и обнаружение гамма-фотонов и высокочастотного (жесткого) бета-излучения. На данный диапазон измерений рассчитаны практически все из ранее произведенных и современных, как бытовых например: , так и профессиональных дозиметров радиации, например: . Такое излучение обладает достаточной энергией и большой проникающей способностью, чтобы камера счетчика Гейгера смогла их зарегистрировать. Такие частицы и фотоны легко проникают через стенки счетчика и вызывают процесс ионизации, а это легко регистрируется соответствующей электронной начинкой дозиметра.

Д ля регистрации такого типа радиации прекрасно подходят популярные счетчики типа СБМ-20 , имеющие датчик в виде цилиндрической трубки-баллона с расположенными коаксиально проволочными катодом и анодом. Причем, стенки трубки датчика служат одновременно катодом и корпусом, и изготовлены из нержавеющей стали. Данный счетчик имеет следующие характеристики:

• площадь рабочей зоны чувствительного элемента 8 квадратных сантиметров;
• радиационная чувствительность по гамма излучению порядка 280 имп/с, или 70 имп/мкР (тестирование проводилось по цезию – 137 при 4 мкР/с);
• собственный фон дозиметра составляет порядка 1 имп/с;
• датчик рассчитан на регистрацию гамма-излучения с энергией в диапазоне от 0,05МэВ до 3МэВ, и бета-частиц с энергией 0,3МэВ по нижней границе.

Рис.6. Устройство счетчика Гейгера СБМ-20.

У данного счетчика существовали различные модификации, к примеру, СБМ-20- 1 или СБМ-20У , которые имеют похожие характеристики, но отличаются принципиальной конструкцией контактных элементов и измерительной схемой. Другие модификации этого счетчика Гейгера – Мюллера, а это СБМ-10, СИ29БГ, СБМ-19, СБМ-21, СИ24БГ имеют похожие параметры также, многие из них встречаются в бытовых дозиметрах радиации, которые можно найти в магазинах и на сегодняшний день.

С ледующая группа дозиметров радиации рассчитана на регистрацию гамма-фотонов и рентгеновского излучения . Если говорить о точности таких устройств, то следует понимать, что фотонное и гамма излучение представляет собой кванты электромагнитного излучения, которые движутся со скоростью света (порядка 300 000 км/с), поэтому зарегистрировать подобный объект представляется достаточно трудной задачей.

Эффективность работы таких счетчиков Гейгера составляет порядка одного процента.

Ч тобы повысить ее требуется увеличение поверхности катода. По сути, гамма-кванты регистрируются косвенным способом, благодаря выбитым ими электронам, которые участвуют в последствие в ионизации инертного газа. Чтобы максимально эффективно способствовать этому явлению, специально подбираются материал и толщина стенок камеры счетчика, а также размеры, толщина и материал катода. Здесь, большая толщина и плотность материала могут снизить чувствительность регистрационной камеры, а слишком малая позволит легко попадать высокочастотному бета-излучению в камеру, а также увеличит количество естественных для прибора радиационных шумов, что заглушит точность определения гамма-квантов. Естественно, что точные пропорции подбираются производителями. По сути, на данном принципе, изготавливаются дозиметры на основании счетчиков Гейгера – Мюллера для прямого определения гамма излучения на местности, при этом такой прибор исключает возможность определения любых других видов излучения и радиоактивного воздействия, что позволяет точно определить радиационную загрязненность и уровень негативного воздействия на человека только по гамма-излучению.

В отечественных дозиметрах, которые оснащены цилиндрическими датчиками, устанавливаются следующие их типы: СИ22Г, СИ21Г, СИ34Г, Гамма 1-1, Гамма – 4, Гамма – 5, Гамма – 7ц, Гамма – 8, Гамма – 11 и многие другие. Причем в некоторых типах устанавливается специальный фильтр на входном, торцевом, чувствительном окне, который специально служит для отсечения альфа и бета-частиц, и дополнительно увеличивающий площадь катода, для более эффективного определения гамма-квантов. К таким датчикам можно отнести Бета – 1М, Бета – 2М, Бета – 5М, Гамма – 6, Бета – 6М и прочие.

Ч тобы понять более наглядно принцип их действия стоит подробней рассмотреть один из таких счетчиков. К примеру, торцевой счетчик с датчиком Бета – 2М , который имеет округлую форму рабочего окна, составляющего порядка 14 квадратных сантиметров. При этом радиационная чувствительность к кобальту - 60 составляет порядка 240 имп/мкР. Данный тип счетчика имеет очень низкие показатели собственного шума , который составляет не более 1 импульса в секунду. Это возможно за счет толстостенной свинцовой камеры, которая в свою очередь рассчитана на регистрацию фотонного излучения с энергией в диапазоне от 0,05 МэВ до 3 МэВ.

Рис.7. Торцевой гамма-счетчик Бета-2М.

Для определения гамма излучения вполне можно использовать счетчики для гамма-бета импульсов, которые рассчитаны на регистрацию жестких (высокочастотных и высокоэнергетических) бета-частиц и гамма-квантов. К примеру, модель СБМ – 20. Если в этой модели дозиметра вы хотите исключить регистрацию бета-частиц, то для этого достаточно установить свинцовый экран, или щит из любого другого металлического материала (свинцовый экран эффективнее). Это наиболее распространенный способ, каким пользуются большинство разработчиков при создании счетчиков для гамма и рентгеновского излучения.

Регистрация «мягкого» бета-излучения.

К ак мы уже ранее упоминали, регистрация мягкого бета излучения (излучение с низкими энергетическими характеристиками и сравнительно небольшой частоты), достаточно трудная задача. Для этого требуется обеспечить возможность более легкого их проникновения в регистрационную камеру. Для этих целей, изготавливается специальное тонкое рабочее окно, как правило, из слюды или полимерной пленки, которое практически не создает препятствий для проникновения бета-излучения этого типа в ионизационную камеру. При этом катодом может выступать непосредственно сам корпус датчика, а анод представляет собой систему линейных электродов, которые равномерно распределены и смонтированы на изоляторах. Регистрационное окно выполнено в торцевом варианте, и на пути бета-частиц в таком случае оказывается только тонкая слюдяная пленка. В дозиметрах с такими счетчиками регистрация гамма излучения идет, как приложение и по сути, как дополнительная возможность. А если требуется избавиться от регистрации гамма-квантов, то необходимо минимизировать поверхность катода.

Рис.8. Устройство торцевого счетчика Гейгера.

С тоит отметить, что счетчики для определения мягких бета-частиц были созданы уже достаточно давно и с успехом применялись во второй половине прошлого века. Среди них наиболее распространенными были датчики типа СБТ10 и СИ8Б , которые имели тонкостенные слюдяные рабочие окна. Более современный вариант такого прибора Бета-5 имеет площадь рабочего окна порядка 37 кв/см, прямоугольной формы из слюдяного материала. Для таких размеров чувствительного элемента, прибор в состоянии регистрировать около 500 имп/мкР, если измерять по кобальту – 60. При этом эффективность определения частиц составляет до 80 процентов. Прочие показатели этого прибора выглядят следующим образом: собственный шум составляет 2,2 имп/с., диапазон определения энергий от 0,05 до 3 МэВ, при этом нижний порог определения мягкого бета-излучения составляет 0,1 МэВ.

Рис.9. Торцевой бета-гамма-счетчик Бета-5.

И естественно, стоит упомянуть о счетчиках Гейгера – Мюллера , способных регистрировать альфа-частицы. Если регистрация мягкого бета-излучения представляется достаточно сложной задачей, то зафиксировать альфа-частицу, даже имеющую высокие энергетические показатели, еще более сложная задача. Такую проблему можно решить только соответствующим уменьшением толщины рабочего окна до толщины, которой будет достаточно для прохождения альфа-частицы в регистрационную камеру датчика, а также практически полным приближением входного окна к источнику излучения альфа-частиц. Такое расстояние должно равняться 1 мм. Понятно, что такое устройство автоматически будет регистрировать любые другие типы излучения, и, причем с достаточно высокой эффективностью. В этом есть и положительная и отрицательная сторона:

Положительная – такой прибор можно использовать для самого широкого спектра анализа радиоактивного излучения

Отрицательная – за счет повышенной чувствительности, будет возникать значительное количество шумов, которые затруднят анализ полученных регистрационных данных.

К роме того, слишком тонкое слюдяное рабочее окно хотя и повышает возможности счетчика, однако в ущерб механической прочности и герметичности ионизационной камеры, тем более что само окно имеет достаточно большую площадь рабочей поверхности. Для сравнения, в счетчиках СБТ10 и СИ8Б, о которых мы упоминали выше, при площади рабочего окна около 30 кв/см, толщина слюдяного слоя составляет 13 – 17 мкм, а при необходимой толщине для регистрации альфа-частиц в 4-5 мкм, входное окно можно сделать лишь не более 0,2 кв/см., речь идет о счетчике СБТ9.

О днако, большую толщину регистрационного рабочего окна можно компенсировать близостью к радиоактивному объекту, и наоборот при сравнительно небольшой толщине слюдяного окна, появляется возможность зарегистрировать альфа-частицу на уже большем расстоянии, чем 1 -2 мм. Стоит привести пример, при толщине окна до 15 мкм, приближение к источнику альфа-излучения должно составлять менее 2 мм, при этом под источником альфа-частиц понимается излучатель плутоний – 239 с энергией излучения 5 МэВ. Продолжим, при толщине входного окна до 10 мкм, зарегистрировать альфа-частицы возможно уже на расстоянии до 13 мм, если сделать слюдяное окно толщиной до 5 мкм, то альфа-излучение будет регистрироваться на расстоянии 24 мм, и т.д. Еще один важный параметр, который напрямую влияет на возможность обнаружения альфа-частиц, это их энергетический показатель. Если энергия альфа-частицы больше чем 5 МэВ, то соответственно увеличиться расстояние ее регистрации для толщины рабочего окна любого типа, а если энергия меньше, то и расстояние требуется уменьшать, вплоть до полной невозможности зарегистрировать мягкое альфа-излучение.

Е ще одним важным моментом, позволяющим увеличить чувствительность альфа счетчика, это уменьшение регистрационной способности для гамма-излучения. Чтобы сделать это, достаточно минимизировать геометрические размеры катода, и гамма-фотоны будут проходить через регистрационную камеру не вызывая ионизации. Такая мера позволяет уменьшить влияние на ионизацию гамма-квантов в тысячи, и даже десятки тысяч раз. Устранить влияние бета-излучения на регистрационную камеру уже не представляется возможным, однако из этой ситуации есть довольно простой выход. Вначале регистрируется альфа и бета излучение суммарного типа, затем устанавливается фильтр из плотной бумаги, и совершается повторный замер, который зарегистрирует только бета-частицы. Величина альфа-излучения в этом случае рассчитывается как разность общего излучения и отдельного показателя расчета бета-излучения.

Для примера , стоит предложить характеристики современного счетчика Бета-1, который позволяет зарегистрировать альфа, бета, гамма излучения. Вот эти показатели:

• площадь рабочей зоны чувствительного элемента 7 кв/см;
• толщина слюдяного слоя 12 мкм, (расстояние эффективного обнаружения альфа-частиц по плутонию – 239, порядка 9 мм,. По кобальту - 60 радиационная чувствительность достигается порядка 144 имп/мкР);
• эффективность измерения радиации для альфа-частиц - 20% (по плутонию - 239), бета-частиц – 45% (по таллию -204), и гамма-квантов – 60% (по составу стронций – 90, иттрий – 90);
• собственный фон дозиметра составляет порядка 0,6 имп/с;
• датчик рассчитан на регистрацию гамма-излучения с энергией в диапазоне от 0,05МэВ до 3МэВ, и бета-частиц с энергией более 0,1 МэВ по нижней границе, и альфа-частиц с энергией 5МэВ и более.

Рис.10. Торцевой альфа-бета-гамма-счетчик Бета-1.

К онечно, существует еще достаточно широкий ряд счетчиков , которые предназначены для более узкого и профессионального использования. Такие приборы имеют ряд дополнительных настроек и опций (электрические, механические, радиометрические, климатические и пр.), которые включают в себя множество специальных терминов и возможностей. Однако на них мы концентрироваться не будем. Ведь для понимания базовых принципов действия счетчиков Гейгера – Мюллера , описанных выше моделей вполне достаточно.

В ажно также упомянуть, что существуют специальные подклассы счетчиков Гейгера , которые специально сконструированы для определения различных видов другого излучения. К примеру, для определения величины ультрафиолетового излучения, для регистрации и определения медленных нейтронов, которые функционируют по принципу коронного разряда, и другие варианты, которые не относятся к данной теме напрямую, и рассматриваться не будут.

Измерение уровня радиоактивного фона осуществляется с помощью специального прибора – дозиметра. Его можно приобрести в специализированном магазине, но домашних умельцев привлечет другой вариант — сделать дозиметр своими руками. Бытовую модификацию можно собрать в нескольких вариациях, например, из подручных средств или с установкой счетчика СБМ-20.

Естественно, профессиональный или многофункциональный дозиметр собрать будет довольно сложно. Бытовые портативные или индивидуальные приборы регистрируют бета или гамма излучение. Радиометр предназначен для исследования конкретных объектов и считывают уровень радионуклидов. Фактически дозиметр и радиометр – это два разных устройства, но бытовые версии часто совмещают в себе и первое, и второе. Тонкая терминология играет роль только для специалистов, потому даже комбинированные модели называют обобщенно – дозиметр.

Выбрав одну из предложенных схем для сборки, пользователь получит простейшее устройство с низкой чувствительностью. Польза в таком приборе все же есть: он способен регистрировать критичные дозы радиации, это будет свидетельствовать о реальной угрозе здоровью человека. Несмотря на то, что самодельное устройство в разы уступает любому бытовому дозиметру из магазина, для защиты собственной жизни его вполне можно использовать.

Перед тем, как выбрать для себя одну из схем сборки, ознакомьтесь с общими рекомендациями по изготовлению прибора.

1. Для аппарата собственной сборки выбирают 400 вольтовые счетчики , если преобразователь рассчитан на 500 вольт, то нужно корректировать настройку цепи обратной связи. Допустимо подобрать иную конфигурацию стабилитронов и неоновых ламп, смотря, какая схема дозиметра применяется при изготовлении.
2. Выходное напряжение стабилизатора замеряется вольтметром с входным сопротивлением от 10 Мом. Важно проверить, что оно фактически равно 400 вольт, заряженные конденсаторы потенциально опасны для человека, несмотря на малую мощность.
3. Вблизи счетчика в корпусе делается несколько мелких отверстий для проникновения бета-излучений. Доступ к цепям с высоким напряжением должен быть исключен, это нужно учесть, при установке прибора в корпус.
4. Схему измерительного узла подбирают на основании входного напряжения преобразователя. Подключение узла осуществляется строго при отключенном питании и разряженном накопительном конденсаторе.
5. При естественном радиационном фоне самодельный дозиметр будет выдавать порядка 30 – 35 сигналов за 60 секунд. Превышение показателя свидетельствует о высоком ионном излучении.

Схема №1 — элементарная

Чтобы сконструировать детектор для регистрации бета и гамма-излучений «быстро и просто», этот вариант подойдет как нельзя лучше. Что понадобится до конструирования:

• пластиковая бутылка, а точнее – горлышко с крышкой;
• консервная банка без крышки с обработанными краями;
• обычный тестер;
• кусок стальной и медной проволоки;
• транзистор кп302а или любой кп303.

Для сборки нужно отрезать горлышко от бутылки таким образом, чтобы оно плотно вошло в консервную банку. Лучше всего подойдет узкая, высокая банка, как от сгущенки. В пластиковой крышке делается два отверстия, куда нужно вставить стальную проволоку. Один ее край загибают петлей в виде буквы «С», чтобы она надежно держалась за крышку, второй конец стального прута не должен касаться банки. После крышка закручивается.

Ножку затвора КП302а прикручивают к петле стальной проволоки, а к стоку и истоку подсоединяют клеммы тестера. Вокруг банки нужно обкрутить медную проволоку и одним концом закрепить к черной клемме. Капризный и недолговечный полевой транзистор можно заменить, например, соединить несколько других по схеме Дарлингтона, главное – суммарный коэффициент усиления должен быть равен 9000.

Самодельный дозиметр готов, но его нужно откалибровать. Для этого используют лабораторный источник радиации, как правило, на ней указана единица его ионного излучения.

Схема № 2 — установка счетчика

Для того, чтобы собрать дозиметр своими руками, подойдет обычный счетчик СБМ-20 — его придется купить в специализированном магазине радиодеталей. Сквозь герметичную трубку-катод по оси проходит анод – тонкая проволока. Внутреннее пространство при малом давлении наполнено газом, что создает оптимальную среду для электрического пробоя.

Напряжение СБМ-20 порядка 300 – 500 В, его необходимо настроить так, чтобы исключить произвольный пробой. Когда попадает радиоактивная частица, она ионизирует газ в трубке, создавая большое количество ионов и электронов между катодом и анодом. Подобным образом счетчик срабатывает на каждую частицу.

Важно знать! Для самодельного аппарата подойдет любой счетчик, рассчитанный на 400 вольт, но СБМ-20 – самый подходящий, можно приобрести популярный СТС-5, но он менее долговечный.

Схема дозиметра представляет собой два блока: индикатор и сетевой выпрямитель, которые собирают в коробочках из пластика и соединяют разъемом. Блок питания подключают к сети на небольшой промежуток времени. Конденсатор заряжается до напряжения 600 Вт и является источником питания устройства.

Блок отключают от сети и от индикатора, а к контактам разъемам подсоединяют высокоомные телефоны . Конденсатор следует выбрать хорошего качества, это продлит время работы дозиметра. Самодельный аппарат может функционировать в течение 20 минут и больше.

Технические особенности:

• резистор выпрямителя оптимально подобрать с рассеивающей мощностью до 2 вт;
• конденсаторы могут быть керамические или бумажные, с соответствующим напряжением;
• счетчик можно выбрать любой;
• исключите вероятность прикосновения руками к контактам резистора

Естественный радиационный фон будет регистрироваться как редкие сигналы в телефонах, отсутствие звуков означает, что нет питания.

Схема № 3 с двухпроводным детектором

Можно сконструировать самодельный дозиметр с двухпроводным детектором, для этого нужна пластиковая емкость, проходной конденсатор, три резистора и одноканальный демпфер.

Сам демпфер снижает амплитуду колебаний и устанавливается за детектором, непосредственно рядом с проходным конденсатором, который измеряет дозу. Для такой конструкции подойдут только резонансные выпрямители , а вот расширители практически не используются. Прибор будет более чувствителен к радиации, но потребует больше времени для сборки.

Существуют и другие схемы, как сделать дозиметр самостоятельно. Радиолюбители разработали и протестировали множество вариаций, но большинство из них основывается на схемах, описанных выше.

Обычно схемы дозиметров собраны с применением микроконтроллеров или микросхем простой логики. Но во многих случаях нам нужен лишь простой дозиметр. В рамках этой статьи рассмотрим две элементарные конструкции сигнализаторов радиоактивного излучения собранные своими руками, в которых самым сложным компонентов является самый распространенный счетчик Гейгера СБМ-20.

Собрать своими руками простой счетчик Гейгера, который использует вместо СБМ-20 ,обычный фотодиод в роли детектора излучения сможет любой радиолюбитель. Дозиметр способен фиксировать только альфа- и бета излучение. К сожалению рентгеновский диапазон он обнаружить не сможет. Схема устройства собирается на небольшой печатной плате, и размещается в подходящем корпусе. Медные трубки и фольга необходима для отфильтровки радиочастотных помех.

Список необходимых радиокомпонетов

BPW34 фотодиод, LM358 Операционный усилитель, транзисторы 2N3904, 2N7000; конденсаторы 100 нФ (2шт), 100 мкФ, 10 нФ, 20 нФ; Резисторы 10 Мом, 1.5 Мом (2 шт), 56 ком резистор, 150 ком, 1 ком (2 шт), 250 ком потенциометр; Пьезодинамик, Тумблер

После сборки проверьте, что полярность динамика и светодиода, подключены правильно. Наденьте на фотодиод медные трубки и изоленту. Они должны очень плотно прилегать.

Просверливаем отверстие в боковой части алюминиевого корпуса для тумблера включения питания, а сверху для фотодатчика, светодиода и регулятора чувствительности. После монтожа радикомпонентов, вставьте батарейки. Изоленту накрутите вокруг медных трубок, чтобы они не смещались. Это также уменьшит количество световых квантов воздействующих на фотодиод.

Проверить работоспособность получившегося устройства можно на любом тестовом источнике радиации, который должен быть в специальных лабораториях или в школьных кабинетах по физике. Ну или скататься на великах в Чернобыльскую зону.

Питание прибора для упрощения конструкции будем осуществлять от стандартной сети переменного тока на 220 вольт

Высокое напряжения поступает с удвоителя построенного на диодах и конденсаторах, затем оно поступает на счетчик Гейгера СБМ 20. Последовательно с ним подключено сопротивление R1. При каждом проходе через счетчик радиационной частицы на его выходе и соответственно на резисторе R1 генерируется электрический импульс, который через резистор R2 попадает на звукоизлучающее устройство в результате чего слышен щелчок.

При нормальном радиационном фоне подобные щелчки слышны 1-2 раза в секунду. С ростом уровня радиации частота щелчков сильно увеличивается и дажеможет перейти в непрерывный треск.

Существенным недостатком данной конструкции своими руками, является факт привязки к электросети. Поэтому рассмотрим еще оди вариант.

В этом устройстве индикатора радиации в роли источника высокого напряжения применен обычный блокинг-генератор генератор малой мощности на транзисторе. Переменное напряжение с вторичной повышающей обмотки трансформатора выпрямляется и поступает на счетчик Гейгера.

Трансформатор изготавливается на ферритовом кольце диаметром 16 мм. Затем осуществляем равномерную намотку первичной обмотки, 400 витками медного провода ПЭВ 0,12. Далее проводом ПЭВ диаметром 0,42 мм крутим вторую и третью обмотку из 8 и 3 витков соответственно.

В правильно собранной конструкции напряжение на емкости C3 должно быть около 400 вольт. Если вдруг меньше, то необходимо поменять местами концы повышающей обмотки. Если напряжение полностью отсутствует то, требуется поменять местами выводы третьей обмотки.

В связи с экологическими последствиями атомных взрывов в мирных целях на Новой Земле и в регионе Семипалатинского испытательного полигона, вследствие сбросов радиоактивных отходов в реку Теча на Южном Урале (1949-1956 гг.), особенно из-за загрязнений природной среды при эксплуатации АЭС (Чернобыльская авария, 1986 г. и другие), изучение основ радиационной безопасности и радиационной дозиметрии стало сегодня весьма актуальным. У населения возникла радиофобия, т. е. боязнь облучения даже в самых незначительных дозах, намного меньше любой научно обоснованной степени риска.

В этой статье найдете описание простых схем дозиметра на счетчике СБМ-20, обладающих достаточной чувствительностью и регистрирующих самые малые значения бета- и гамма- радиоактивных частиц. Схема дозиметра базируется на отечественном датчике радиационного излучения типа СБМ-20. Он похож на металлический цилиндр диаметром 12 мм и длинной около 113 мм. В случае необходимости его можно заменить на ZP1400, ZP1320 или ZP1310.

Подключена конструкция всего к одной пальчиковой батарейки типа АА. Как известно, рабочее напряжение датчика СБМ-20 400 вольт, поэтому возникает необходимость использовать преобразователь напряжения.

Повышающий преобразователь выполнен на основе простого блокинг-генератора. Высоковольтные импульсы с вторичной обмотки трансформатора, выпрямляются высокочастотным диодом.

Если счетчик СБМ-20 расположить вне зоны радиационного излучения оба транзистора VT2 и VT3 закрыты. Звуковая и световая сигнализация не активна. Как только на счетчик попадают радиоактивные частицы ионизируется находящийся внутри датчика газ, а на его выходе появляется импульс, который проходит на транзисторный усилитель и в телефонном динамике слышится щелчок и загорается светодиод.

При слабой естественной радиационной интенсивности, вспышки светодиода и щелчки повторяются через каждые 1…2 сек. Это говорит лишь о нормальной фоновой радиации. С возрастанием уровня радиоактивности щелчки станут чаще и при критических значениях сливаются в один непрерывный треск, а светодиод будет постоянно включен.

Так как радиолюбительская конструкция имеет микроамперметр, то подстроечным сопротивлением осуществляют подстройку чувствительности показаний.

Трансформатор преобразователя собран с использованием броневого сердечника имеющего диаметр 25 мм. Обмотки 1-2 и 3-4 из медного провода диаметром 0,25 мм и содержат соответственно 45 и 15 витков. Вторичная обмотка так же из медного провода, но диаметром 0,1 мм - 550 витков.

Датчиком дозиметра является счетчик Гейгера СБМ20. Блокинг-генератор формирует высокое напряжение на его аноде - с повышающей обмотки трансформатора импульсы следуют через диоды VD1, VD2 и заряжают емкость фильтра С1. Сопротивление R1 является нагрузкой счетчика.

Одновибратор выполнен на элементах DD1.1, DD1.2, СЗ и R4, преобразуют импульсы идущие с счетчика Гейгера и имеющие затянутый спад, в прямоугольные. На элементах DD1.3, DD1.4, С4 и R5, сделан генератор звуковой частоты. Пороговый усилитель, собран на микросхеме DD2.

От частоты следования импульсов со счетчика Гейгера зависит напряжение на емкости С9; по достижении им уровня открытия транзистора, входящего в DD2, загорается светодиод HL1 частота мигания которого будет возрастать с увеличением квантов радиации попадающих на датчик.

Трансформатор Т1 изготавливается своими руками на кольцевом сердечнике М3000НМ К16х10х4,5 мм. Первичная обмотка содержит 420 витков провода ПЭВ-2-0,07. Вторичная обмотка состоит из 8 витков провода диаметром 0,15…0,2 мм; третья обмотка 3 витка тем же проводом.