Рабочий счетчик Гейгера с минимальными деталями: 4 шага (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Вот, насколько мне известно, простейший работающий счетчик Гейгера, который вы можете построить. В нем используется трубка Гейгера SMB-20 российского производства, управляемая повышающей схемой высокого напряжения, отобранной у электронной мухобойки. Он обнаруживает бета-частицы и гамма-лучи, издавая щелчок для каждой обнаруженной радиоактивной частицы или гамма-всплеска. Как вы можете видеть в приведенном выше видео, он щелкает каждые несколько секунд из-за фонового излучения, но действительно оживает, когда приближаются источники излучения, такие как урановое стекло, ториевые кожухи фонаря или америциевые кнопки от детекторов дыма. Я построил этот счетчик, чтобы помочь мне идентифицировать радиоактивные элементы, которые мне нужны для заполнения моей коллекции элементов, и он отлично работает! Единственным реальным недостатком этого счетчика является то, что он не очень громкий, и он не вычисляет и не отображает количество обнаруживаемого излучения в единицах отсчета в минуту. Это означает, что вы не получаете никаких фактических данных, а только общее представление о радиоактивности, основанное на количестве слышимых вами щелчков.

Хотя в сети доступны различные наборы счетчиков Гейгера, вы можете создать свой собственный с нуля, если у вас есть подходящие компоненты. Давайте начнем!

Шаг 1. Счетчики Гейгера и излучение: как все это работает

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, когда что-то обнаруживает, часто рассматриваемый как «звук» радиация. Сердцем устройства является трубка Гейгера-Мюллера, металлический или стеклянный цилиндр, наполненный инертными газами, находящимися под низким давлением. Внутри трубки находятся два электрода, один из которых находится под высоким потенциалом (обычно 400-600 вольт), а другой подключен к заземлению. Когда трубка находится в состоянии покоя, никакой ток не может перепрыгнуть через зазор между двумя электродами внутри трубки, поэтому ток не течет. Однако, когда в трубку попадает радиоактивная частица, такая как бета-частица, частица ионизирует газ внутри трубки, делая его проводящим и позволяя току прыгать между электродами на короткое время. Этот кратковременный ток вызывает срабатывание детекторной части схемы, которая издает слышимый «щелчок». Больше щелчков означает больше излучения. Многие счетчики Гейгера также имеют возможность подсчитывать количество кликов и вычислять счетчики в минуту, или CPM, и отображать их на циферблате или дисплее.

Давайте посмотрим на работу счетчика Гейгера с другой стороны. Ключевым принципом работы счетчика Гейгера является трубка Гейгера и то, как она создает высокое напряжение на одном электроде. Это высокое напряжение похоже на крутой склон горы, покрытый глубоким снегом, и все, что требуется, - это крошечный бит энергии излучения (как у лыжника, спускающегося по склону), чтобы вызвать лавину. Последовавшая за этим лавина несет в себе гораздо больше энергии, чем сама частица, - энергии, достаточной для обнаружения остальной частью схемы счетчика Гейгера.

Поскольку, вероятно, прошло много времени с тех пор, как многие из нас сидели в классе и узнали о радиации, вот вам быстрое напоминание.

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 одинаковые, но противоположные заряды, это дает атому чистый нейтральный заряд. 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. Частица образуется, когда она просто отрывается от атомного ядра и летит. Поскольку в ней нет отрицательно заряженных электронов, которые могли бы нейтрализовать положительный заряд двух протонов, альфа-частица - это положительно заряженная частица, называемая ионом. Альфа-частицы представляют собой форму ионизирующего излучения, потому что они обладают способностью красть электроны из своего окружения и при этом превращать атомы, у которых они крадут, 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 он несет положительный заряд. Бета-минусовые частицы (электроны) испускаются, когда нейтрон распадается на протон, а бета-плюс-частицы (позитроны) испускаются, когда протон распадается на нейтрон.

Гамма излучение

Гамма-лучи - это фотоны высоких энергий. Гамма-лучи находятся в электромагнитном спектре, за пределами видимого света и ультрафиолета. Они обладают высокой проникающей способностью, а их способность к ионизации обусловлена тем, что они могут сбивать электроны с атома.

Трубка СМБ-20, которую мы будем использовать в этой сборке, - обычная трубка российского производства. Он имеет тонкую металлическую оболочку, которая действует как отрицательный электрод, 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 обычно 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 делается из очень тонкого слоя слюды, а трубка Гейгера должна располагаться очень близко к источнику альфа, чтобы собирать частицы до того, как они будут поглощены окружающим воздухом. * Вздох * Так что достаточно о радиации, давайте приступим к созданию этой штуки.

Шаг 2. Соберите инструменты и материалы

Необходимые материалы:

• SMB-20 Geiger Tube (доступен на eBay по цене около 20 долларов США)
• Повышающая цепь постоянного тока высокого напряжения, позаимствованная у дешевой электронной мухобойки. Это конкретная модель, которую я использовал:
• Стабилитроны с общим номиналом около 400 В (четыре 100 В были бы идеальными)
• Резисторы общей стоимостью 5 МОм (я использовал пять по 1 МОм)
• Транзистор - типа NPN, я использовал 2SC975
• Элемент пьезо-динамика (украден из микроволновой печи или шумной электронной игрушки)
• 1 батарейка типа АА
• Держатель батарейки AA
• Переключатель включения / выключения (я использовал переключатель мгновенного действия SPST от электронного мухобойки)
• Лом куски электрического провода
• Кусок обрезков дерева, пластика или другого непроводящего материала для использования в качестве подложки для построения схемы.

Инструменты, которые я использовал:

• Паяльник "Карандаш"
• Припой с канифольным сердечником малого диаметра для электрических целей
• Пистолет для горячего клея с соответствующими клеевыми стержнями
• Кусачки
• Инструмент для зачистки проводов
• Отвертка (для сноса электронного мухобойки)

Хотя эта схема построена на основе трубки SMB-20, которая способна обнаруживать бета-частицы и гамма-лучи, ее можно легко адаптировать для использования различных трубок. Просто проверьте конкретный диапазон рабочего напряжения и другие характеристики вашей конкретной лампы и соответствующим образом отрегулируйте значения компонентов. Трубки большего размера более чувствительны, чем трубки меньшего размера, просто потому, что они являются более крупными целями для частиц.

Для работы ламп Гейгера требуется высокое напряжение, поэтому мы используем повышающую цепь постоянного тока от электронной мухобойки, чтобы поднять 1,5 вольта от батареи до примерно 600 вольт (первоначально мухобойка работала от 3 вольт, выдавая около 1200 вольт). для уничтожения мух. Запустите его при более высоком напряжении, и у вас будет электрошокер). SMB-20 любит работать при напряжении 400 В, поэтому мы используем стабилитроны для регулирования напряжения до этого значения. Я использую 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 в лампе. SMB-20 любит анодный (положительный полюс) резистор примерно 5 МОм, поэтому я использую пять резисторов 1 МОм. Можно использовать любую комбинацию резисторов, если их значения в сумме составляют около 5 МОм.

Элемент пьезо-динамика и транзистор составляют детекторную часть схемы. Пьезо-динамик издает щелкающие звуки, а длинные провода на нем позволяют держать его ближе к уху. Мне повезло, что я спас их от таких вещей, как микроволновые печи, будильники и других вещей, которые издают раздражающие звуковые сигналы. Тот, который я нашел, имеет красивый пластиковый корпус, который помогает усилить исходящий от него звук.

Транзистор увеличивает громкость щелчков. Вы можете построить схему без транзистора, но щелчки, генерируемые схемой, не будут такими громкими (я имею в виду еле слышными). Я использовал транзистор 2SC975 (типа NPN), но многие другие транзисторы, вероятно, подойдут. 2SC975 был буквально первым транзистором, который я вытащил из груды утилизированных компонентов.

На следующем этапе мы проведем разборку электрического мухобойки. Не волнуйтесь, это просто.

Шаг 3: Разберите мухобойку

Электронные мухобойки могут немного отличаться по конструкции, но поскольку нам нужна только электроника внутри, просто разорвите ее и вытащите кишки, lol. Мухобойка на фотографиях выше на самом деле немного отличается от той, что я встроил в прилавок, поскольку кажется, что производитель изменил их дизайн.

Начните с удаления всех видимых винтов или других крепежных элементов, удерживающих его вместе, следя за наклейками или такими вещами, как крышка батарейного отсека, которые могут скрывать дополнительные крепления. Если вещь по-прежнему не открывается, возможно, потребуется немного поддеть отверткой швы на пластиковом корпусе мухобойки.

Как только вы откроете его, вам придется использовать кусачки, чтобы отрезать провода в сетке сетки fly zapper. Два черных провода (иногда другого цвета) исходят из одного и того же места на плате, каждый из которых ведет к одной из внешних решеток. Это отрицательные или «заземляющие» провода для высоковольтного выхода. Поскольку эти провода идут из одного и того же места на печатной плате, и нам нужен только один, отрежьте один на печатной плате, отложив лом провода для дальнейшего использования.

Во внутреннюю сеть должен быть один красный провод, и это положительный высоковольтный выход.

Остальные провода, идущие от печатной платы, идут к батарейному отсеку, а провод с пружиной на конце - это отрицательное соединение. Довольно просто.

Если вы разбираете головку мухобойки, возможно, чтобы отделить компоненты для вторичной переработки, обратите внимание на возможные острые края на металлической сетке.

Шаг 4: Постройте схему и используйте ее

Когда у вас есть компоненты, вам нужно будет спаять их вместе, чтобы сформировать схему, показанную на схеме. Я приклеил все к куску прозрачного пластика, который лежал вокруг. Это делает схему прочной и надежной, а также неплохо выглядит. Есть небольшая вероятность, что вы можете немного расслабиться, прикоснувшись к частям этой цепи, когда она находится под напряжением, например, соединение на пьезодинамике, но вы можете просто покрыть соединения горячим клеем, если есть проблема.

Когда у меня наконец были все компоненты, необходимые для построения схемы, я собрал их во второй половине дня. В зависимости от того, какие значения компонентов у вас есть, вы можете использовать меньше компонентов, чем я. Вы также можете использовать трубку Гейгера меньшего размера и сделать счетчик очень компактным. Кому-нибудь нужны наручные часы со счетчиком Гейгера?

Теперь вам может быть интересно, зачем мне счетчик Гейгера, если у меня нет ничего радиоактивного, на что можно было бы его направить? Счетчик будет щелкать каждые несколько секунд только из-за фонового излучения, которое состоит из космических лучей и тому подобного. Но есть несколько источников излучения, с которыми вы можете использовать свой счетчик:

Америций из детекторов дыма

Америций - это искусственный (не встречающийся в природе) элемент, который используется в детекторах дыма ионизационного типа. Эти детекторы дыма очень распространены, и у вас, вероятно, есть несколько в вашем доме. На самом деле это довольно легко определить, потому что все они содержат слова, содержащие радиоактивное вещество Am 241, отформованное в пластике. 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 золота или другого коррозионно-стойкого металла. Вы можете открыть детектор дыма и вытащить маленькую кнопку - обычно это несложно.

Почему радиация в дымовом извещателе?

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

Да, но разве это опасно?

Излучаемое излучение относительно мягкое, но в целях безопасности я рекомендую следующее:

• 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 - болезненный бледно-желтовато-зеленый, что в 1920-х годах привело к прозвищу «вазелиновое стекло» (на основании кажущегося сходства с внешним видом вазелинового масла в том виде, в каком он был сформулирован и коммерчески продавался в то время). Вы увидите его с надписью «Вазелиновый стакан» на блошиных рынках и в антикварных магазинах, и обычно вы можете попросить его под этим именем. Количество урана в стекле варьируется от следовых количеств до примерно 2% по весу, хотя некоторые изделия 20-го века были сделаны с содержанием урана до 25%! Большая часть уранового стекла очень слабо радиоактивна, и я не думаю, что с ним вообще опасно обращаться.

Вы можете подтвердить содержание урана в стекле с помощью черного света (ультрафиолетового света), так как все урановые стекла флуоресцируют ярко-зеленым цветом независимо от цвета, который стекло выглядит при нормальном освещении (который может широко варьироваться). Чем ярче светится кусок в ультрафиолетовом свете, тем больше в нем урана. Хотя куски уранового стекла светятся в ультрафиолетовом свете, они также излучают собственный свет при любом источнике света, содержащем ультрафиолет (например, солнечный свет). Высокоэнергетические ультрафиолетовые волны света ударяют по атомам урана, переводя их электроны на более высокий энергетический уровень. Когда атомы урана возвращаются к своему нормальному энергетическому уровню, они излучают свет в видимом спектре.

Почему 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 накидки для кемпинговых фонарей

Торий используется в мантии кемпинговых фонарей в виде диоксида тория. При первом нагревании полиэфирная часть мантии сгорает, а диоксид тория (вместе с другими ингредиентами) сохраняет форму мантии, но становится своего рода керамикой, которая светится при нагревании. Торий больше не используется для этого приложения, поскольку его производство было прекращено большинством компаний в середине 90-х годов, и он был заменен другими элементами, которые не являются радиоактивными. Торий использовался, потому что он заставляет мантии светиться очень ярко, и эта яркость не совсем соответствует более новым, нерадиоактивным мантии. Как узнать, действительно ли ваша мантия радиоактивна? Вот где приходит на помощь счетчик Гейгера. Мантия, с которой я столкнулся, сводит с ума счетчик Гейгера гораздо больше, чем урановое стекло или пуговицы америция. Дело не в том, что торий более радиоактивен, чем уран или америций, но в мантии фонаря гораздо больше радиоактивного материала, чем в других источниках. Вот почему действительно странно встретить такое большое количество излучения в потребительском продукте. Те же меры предосторожности, которые применяются к пуговицам из америция, применимы и к кожухам фонаря.

Спасибо за чтение! Если вам нравится эта инструкция, я участвую в конкурсе на создание инструмента и буду очень признателен за ваш голос! Я также хотел бы услышать от вас, если у вас есть комментарии или вопросы (или даже советы / предложения / конструктивная критика), поэтому не бойтесь оставлять их ниже.

Особая благодарность моему другу Лукке Родригес за создание красивой принципиальной схемы для этого руководства.