Тест дозиметров: какой выбрать? Счетчик Гейгера-Мюллера: история создания, принципы работы и назначение Датчик радиации сбм 20.

29.07.2023

В связи с экологическими последствиями деятельности человека, связанной с атомной энергетикой, а также промышленностью (в том числе военной), использующую радиоактивные вещества как компонент или основу своей продукции изучение основ радиационной безопасности и радиационной дозиметрии становится сегодня достаточно актуальной темой. Помимо природных источников ионизирующего излучения с каждым годом все больше и больше появляется мест, загрязненных радиацией впоследствии человеческой деятельности. Таким образом, чтобы сохранить свое здоровье и здоровье своих близких необходимо знать степень зараженности той или иной местности или предметов и пищи. В этом может помочь дозиметр – прибор для измерения эффективной дозы или мощности ионизирующего излучения за некоторый промежуток времени.

Прежде чем приступать к изготовлению (или же покупке) данного устройства необходимо иметь представление о природе измеряемого параметра. Ионизирующее излучение (радиация) – это потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество. Разделяется на несколько видов. Альфа-излучение представляет собой поток альфа частиц – ядер гелия-4, альфа-частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде, могут быть легко остановлены листом бумаги, поэтому опасность представляет в основном при попадании внутрь организма. Бета-излучение – это поток электронов, возникающих при бета-распаде, для защиты от бета-частиц энергией до 1 МэВ достаточно алюминиевой пластины толщиной в несколько миллиметров. Гамма-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, поскольку состоит из высокоэнергичных фотонов, не обладающих зарядом, для защиты эффективны тяжелые элементы (свинец и т.п.) слоем в несколько сантиметров. Проникающая способность всех видов ионизирующего излучения зависит от энергии.

Для регистрации ионизирующего излучения в основном используются счетчики Гейгера-Мюллера. Это простое и эффективное устройство обычно представляет собой цилиндр металлический или стеклянный металлизированный изнутри и тонкой металлической нити, натянутой по оси этого цилиндра, сам цилиндр наполняется разреженным газом. Принцип работы основан на ударной ионизации. При попадании на стенки счетчика ионизирующего излучения выбивают из него электроны, электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, приводящая к размножению первичных носителей. При достаточно большой напряженности поля энергии этих ионов становится достаточной, чтобы порождать вторичные лавины, способные поддерживать самостоятельный разряд, в результате чего ток через счетчик резко возрастает.

Не все счетчики Гейгера могут регистрировать все виды ионизирующего излучения. В основном они чувствительны к одному излучению – альфа, бета или гамма-излучению, но часто так же в некоторой степени могут регистрировать и другое излучение. Так, например, счетчик Гейгера СИ-8Б предназначен для регистрации мягкого бета-излучения (да, в зависимости от энергии частиц излучение может разделяться на мягкое и жесткое), однако данный датчик так же в некоторой степени чувствителен к альфа-излучению и к гамма-излучению.

Однако, приближаясь все-таки к конструкции статьи, наша задача сделать максимально простой, естественно портативный, счетчик Гейгера или вернее сказать дозиметр. Для изготовления этого устройства мне удалось раздобыть только СБМ-20. Этот счетчик Гейгера предназначен для регистрации жесткого бета- и гамма излучения. Как и большинство других счетчиков, СБМ-20 работает при напряжении 400 вольт.

Основные характеристики счетчика Гейгера-Мюллера СБМ-20 (таблица из справочника):

Данный счетчик обладает относительно невысокими показателями точности измерения ионизирующего излучения, но достаточными для определения превышения допустимой для человека дозы излучения. СБМ-20 применяется во многих бытовых дозиметрах в настоящее время. Для улучшения показателей часто используется сразу несколько трубок. А для увеличения точности измерения гамма-излучения дозиметры оснащаются фильтрами бета-излучения, в этом случае дозиметр регистрирует только гамма-излучение, но зато достаточно точно.

При измерении дозы радиации необходимо учитывать некоторые факторы, которые могут быть важны. Даже при полном отсутствии источников ионизирующего излучения счетчик Гейгера будет давать некоторое количество импульсов. Это так называемый собственный фон счетчика. Сюда так же относится несколько факторов: радиоактивное загрязнение материалов самого счетчика, спонтанная эмиссия электронов из катода счетчика и космическое излучение. Все это дает некоторое количество «лишних» импульсов в единицу времени.

Итак, схема простого дозиметра на основе счетчика Гейгера СБМ-20:

Схему собираю на макетной плате:

Схема не содержит дефицитных деталей (кроме, естественно, самого счетчика) и не содержит программируемых элементов (микроконтроллеров), что позволит собрать схему в течении короткого времени без особого труда. Однако такой дозиметр не содержит шкалы, и определять дозу радиации необходимо на слух по количеству щелчков. Такой вот классический вариант. Схема состоит из преобразователя напряжения 9 вольт – 400 вольт.

На микросхеме NE555 выполнен мультивибратор, частота работы которого составляет примерно 14 кГц. Для увеличения частоты работы можно уменьшить номинал резистора R1 примерно до 2,7 кОм. Это будет полезно, если выбранный вами дроссель (а может и изготовленный) будет издавать писк – при увеличении частоты работы писк исчезнет. Дроссель L1 необходим номиналом 1000 – 4000 мкГн. Быстрее всего можно найти подходящий дроссель в сгоревшей энергосберегающей лампочке. Такой дроссель и применен в схеме, на фото выше он намотан на сердечнике, которые обычно используют для изготовления импульсных трансформаторов. Транзистор T1 можно использовать любой другой полевой n-канальный с напряжением сток-исток не менее 400 вольт, а лучше больше. Такой преобразователь даст всего несколько миллиампер тока при напряжении 400 вольт, но для работы счетчика Гейгера этого хватит с головой несколько раз. После отключения питания от схемы на заряженном конденсаторе C3 схема будет работать еще примерно секунд 20-30, учитывая его небольшую емкость. Супрессор VD2 ограничивает напряжение на уровне 400 вольт. Конденсатор C3 необходимо использовать на напряжение не менее 400 - 450 вольт.

В качестве Ls1 можно использовать любой пьезодинамик или динамик. При отсутствии ионизирующего излучения ток через резисторы R2 – R4 не протекает (на фото на макетной плате пять резисторов, но общее их сопротивление соответствует схеме). Как только на счетчик Гейгера попадет соответствующая частица внутри датчика происходит ионизация газа и его сопротивление резко уменьшается вследствие чего возникает импульс тока. Конденсатор С4 отсекает постоянную часть и пропускает на динамик только импульс тока. Слышим щелчок.

В моем случае в качестве источника питания используется две аккумуляторных батареи от старых телефонов (две, так как необходимое питание должно быть более 5,5 вольт для запуска работы схемы в силу примененной элементной базы).

Итак, схема работает, изредка пощелкивает. Теперь как это использовать. Самый простой вариант – это пощелкивает немного – все хорошо, щелкает часто или вообще непрерывно – плохо. Другой вариант – это примерно подсчитываем количество импульсов за минуту и переводим количество щелчков в мкР/ч. Для этого из справочника необходимо взять значение чувствительности счетчика Гейгера. Однако в разных источника всегда немного разные цифры. В идеальном случае необходимо провести лабораторные замеры для выбранного счетчика Гейгера с эталонными источниками излучения. Так для СБМ-20 значение чувствительности варьируется в пределах от 60 до 78 имп/мкР по разным источникам и справочникам. Так вот, подсчитали количество импульсов за одну минуту, далее это число умножаем на 60 для аппроксимации числа импульсов за один час и все это разделить на чувствительность датчика, то есть на 60 или 78 или что у вас ближе к действительности получается и в итоге получаем значение в мкР/ч. Для более достоверного значения необходимо сделать несколько замеров и посчитать между ними среднеарифметическое значение. Верхний предел безопасного уровня радиации составляет примерно 20 - 25 мкР/ч. Допустимый уровень составляет примерно до 50 мкР/ч. В разных странах цифры могут отличаться.

P.S. На рассмотрение этой темы меня подтолкнула статья о концентрации газа радон, проникающего в помещения, воду и т.д. в различных регионах страны и его источниках.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
IC1	Программируемый таймер и осциллятор	NE555	1		В блокнот
T1	MOSFET-транзистор	IRF710	1		В блокнот
VD1	Выпрямительный диод	1N4007	1		В блокнот
VD2	Защитный диод	1V5KE400CA	1		В блокнот
C1, C2	Конденсатор	10 нФ	2		В блокнот
C3	Электролитический конденсатор	2.7 мкФ	1		В блокнот
C4	Конденсатор	100 нФ	1	400В

Однажды в телевизоре появился бледный как смерть Министр Финансов и заявил:

Финансовый кризис нас не затронет. Потому что. Я вам точно говорю.
Население, знающее толк в заявлениях официальных лиц, выматерилось негромко и отправилось закупать соль, спички и сахар. М.Жванецкий

В последнее время в американских (и не только) СМИ популярна тема грядущей Третьей мировой войны. Некоторые даже догадываются, что она будет атомная (типичный пример The United States and Russia Are Prepping for Doomsday ) и произойдет в ближайшие полгода или около того. Если вы уже проверили аптечку, купили крупы, мыло, соль, спички и сахар, то пора подумать о таком важном атрибуте встречи Doomsday, как дозиметр. Предлагаемая схема дозиметра отличается высокой чувствительностью и простотой изготовления из-за отсутствия необходимости наматывать трансформатор высокого напряжения. Также к достоинствам конструкции относится применение широко распространенных деталей, и возможность работать от разных источников питания (надеюсь все помнят как сделать батарейки из картошки), поэтому с ремонтом и эксплуатацией в постапокалиптическом мире будет не слишком сложно.

*Интенсиметр - дозиметр плотности потока энергии ионизирующих частиц.

Дозиметр построен на четырех счетчиках Гейгера-Мюллера (далее в тексте как «трубка» или не совсем корректно «счетчик») - популярных и доступных трубках СБМ-20. При покупке следует обратить внимание на дату изготовления.

Трубка чувствительна к у и ограничено β , и не чувствительна к α -излучению.

Характеристики СБМ-20

СБМ-20 изготовлен в виде герметичной тонкостенной гофрированной металлической трубки, из которой откачан воздух, а вместо него добавлен инертный газ под небольшим давлением, с добавлением примеси (Ne + Br 2 + Ar). По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. И трубка и проволока являются электродами: трубка – катод, а проволока – анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду – через очень большое постоянное сопротивление – плюс от источника постоянного напряжения. При попадании в счетчик заряженной частицы некоторое количество газа ионизируется, и под воздействием напряжения между катодом и анодом ионы и электроны начинают двигаться - в трубке возникает кратковременный ток. Напряжение на аноде трубки кратковременно падает - получаем инвертированный импульс.

СБМ-20 имеет контакты под цокольное соединение. Ни в коем случае не припаивайтесь к ним . Для подключения СБМ-20 подходят гибкие контакты для печатной платы, предназначенные для трубчатых плавких предохранителей диаметром 6,3 мм.

Схемы старых армейских дозиметров основаны, прежде всего, на требованиях к устойчивости оборудования к воздействию электромагнитного импульса от близкого ядерного взрыва, питания от широко распространенных элементов питания (двух угольно-цинковых или щелочных типоразмера D (LR20)). Индикация радиоактивности - или звуковая в наушниках либо в наушниках и одновременно на микроамперметр со шкалой с несколькими диапазонами и проверкой источника питания. Первоначально в дозиметрах (IBG-58T) применялся вибрационный преобразователь напряжения, а затем генератор на транзисторе и ферритовом трансформаторе, для стабилизации напряжения применялась лампа - коронный стабилизатор.

Схема армейского индикатора радиоактивности чехословацкой армии IBG-58T

Большинство схем в Интернет построено на преобразователе напряжения с использованием трансформатора на ферритовом сердечнике, что часто останавливает желающих сделать дозиметр. А питающее напряжение обычно повышено до 12 вольт.

Мои основные требования к схеме были:

в применении напряжений используемых в схемах с микроконтроллерами - 5 вольт или ниже;
легкодоступные индуктивности или трансформаторы;
масштабируемость и возможность использования других счетчиков Гейгера-Мюллера путем регулирования напряжения в пределах, по крайней мере, 200-460 вольт;
состоящая из отдельных функциональных блоков, соединенных последовательно;
конструкция может быть легко отремонтирована.

Схема дозиметра с логическим выходом на микроконтроллер. Функциональные «блоки» выделены желтым и белым фоном.

Первый блок представляет собой генератор колебаний с постоянной частотой около 1,5 кГц и скважностью примерно 1:1. Генератор построен на таймере 555 (в CMOS версии - питание от 3 вольт). Подстроечный резистор позволяет регулировать частоту в диапазоне от 1,1 до 5,2 кГц, поэтому возможно регулировать стабилизацию напряжения в самых широких пределах. По умолчанию установлено высокое сопротивление подстроечного резистора, что соответствует низкой генерируемой частоте.

Второй блок представляет собой повышающий преобразователь с легкодоступным для покупки миниатюрным дросселем 33 мГ (Matsutami 09P-333J). На выходе которого, до умножителя напряжения, получается почти 300 вольт. По этой причине выбран транзистор 2N6517 с максимальным напряжением (К-Э) 350 вольт. Напряжение во время работы приведено ниже на осциллограмме:

Осциллограмма

В умножителе напряжения используются металлопленочные конденсаторы 22н 400В. На выходном электролитическом конденсаторе 1 мкф напряжение может составлять 450 вольт, если параллельно подключить цепочку из стабилитронов BZX83V075 (75V х5), без которых напряжение может достигать 600 вольт и в этом случае необходимо применить конденсатор на 630 вольт. При измерении высокого напряжения необходимо принимать во внимание, что новый электролитический конденсатор имеет более высокую утечку и должен быть формован. В течении 15 минут работы нового конденсатора напряжение стабилизируется.

Вид собранного устройства на макетной плате

Напряжение на трубке стабилизируется на 375 вольтах. Это ниже, чем, рекомендуемые производителем и другими инструкциями по изготовлению дозиметров, 400 вольт. Я пытался измерить зависимость чувствительности трубки при изменении напряжения, и в диапазоне 330-460 вольт изменение напряжения не приводит к существенному изменению чувствительности, а при около 300 вольт наблюдается небольшой спад. Работа трубки резко изменяется при напряжении около 270 вольт.

Преобразователь напряжения достаточно нежный источник и подключение 10 МОм-ного вольтметра приводит к заметному просаживанию напряжения. Влияние вольтметра будет незначительно при его сопротивлении около 100 МОм. Такой импровизированный вольтметр можно сделать, подключив 10 МОм-ный вольтметр через последовательно соединенные девять(9) резисторов по 10МОм. Измеренное напряжение необходимо умножить на 10.

Чувствительность СБМ-20 при разном анодном напряжении.

Анодный резистор счетчика Гейгера составлен из пяти резисторов по 1 МОм. В цепь катода счетчика включен резистор 100кОм, с которого снимаются инвертированные выходные импульсы, и затем транзистором приводятся к логическому уровню 5В. Импульсы имеют длительность около 250 микросекунд. Эти импульсы обрабатываются входом микроконтроллера (можно обрабатывать смартфоном, добавив разделительный конденсатор - как в публикации MaxFactor "Как сделать дозиметр и привязать его к Android " ).

Если целью является только индикация интенсивности излучения без дальнейшей обработки, то мы поставим еще одну микросхему 555, длительность выходных импульсов которой устанавливаются подстроечным резистором в пределах 2,5 мс - 25 мс. На низких уровнях интенсивности излучения мигающий светодиод гораздо более заметен. Также заметнее, чем обычное «потрескивание», звуковой тон активного динамика (buzzer) KPE222A с частотой собственного сигнала 3,2 кГц.

Дополнительный блок световой и звуковой индикации.

Напряжение на трубке в 375 вольт сохраняется постоянным при изменении питающего напряжения в пределах 3,8 до 5,5 В. Потребление преобразователя составляет 12 мА при 5 вольт, что не составит проблем запитать его от источника питания микроконтроллера. Как отдельное устройство дозиметр может работать от 4-х никель-металлогидридных элементов, 3 Ni-Zn элементов, или от стабилизатора 5 В от любого источника с напряжением до 24 В.

При создании первой версии устройства на макетной плате выяснилось, что необходимо уделить внимание на тщательную очистку платы от флюса. Например остатки паяльной пасты Pro"sKit вызывали токи утечки, снизившие напряжение на выходе преобразователя напряжения до 120 вольт. Классическая канифоль намного лучше, но и в этом случае уместна очистка платы.

Если трубка счетчика Гейгера-Мюллера расположена далеко от платы, то следует обратить внимание на кабель т.к. характеристики не каждого подходят для напряжения 400 вольт. Я столкнулся с пробоем на старом коаксиальном кабеле, что отражалось на измерении импульсов. Важной также является ёмкость кабеля, у самой трубки ёмкость 4пФ и кабель влияет на время необходимое трубке для восстановления после прохождения частицы и соответственно влияет на линейность и верхний предел измерений. Желательно чтобы кабель имел ёмкость как можно меньше.

Металлический корпус для счетчика Гейгера-Мюллера

Трубки могут быть размещены непосредственно на плате или внутри корпуса. Они будут измерять уровень радиации в космосе, но вряд ли смогут изучить точечный источник радиации, к тому же они потеряют большую часть чувствительности к слабым источникам радиации, которая сильно зависит от минимального расстояния от источника до трубки.

Для разделения у и β -излучений, к которым чувствителен счетчик, может быть использован алюминиевый корпус с диафрагмой, как на предыдущей фото. у и β свободно проходят через прорези, и только у проникает через 5 мм алюминиевый корпус. При установке в корпус трубка должна быть правильно сориентирована, корпус заземлен, провод заизолирован. Для наших экспериментов достаточно использовать только трубку с заизолированными выводами.

Собранный и включенный дозиметр зарегистрировал фон около 20 импульсов в минуту. Надежно реагировал на шарик из уранового стекла, приложенный к трубке и даже на калильную сетку (Торий-232) с расстояния 10 см. Более слабые источники радиации как зола или стиральный порошок обычно не очень хорошо распознаются на слух, но убедительно определяются графической регистрацией результатов измерения. Далее мы будем подключать чувствительный дозиметр с Arduino и «исследовать» радиоактивное излучение от предметов домашнего обихода.

Подключение к Arduino

В ближайшее время наша цель будет завершить создание удобного измерительного устройства с дисплеем, с пересчетом дозы радиационного воздействия при долгосрочном наблюдении, с графическим отображением или контролем предустановленных уровней интенсивности излучения и сигнализацией тревоги при превышении уровней. Пока же мы сконцентрируемся на простой графической индикации. Высокая чувствительность и более высокая фильтрация помех позволит нам проводить эксперименты с более слабыми источниками радиоактивного излучения.

И так соедините выход устройства с Arduino Uno на пин D2. Одиночные импульсы суммируются в переменной через обработку прерывания, и графически отображается количество импульсов в минуту. Для начала опытов такой программы нам достаточно. Даже одна трубка может измерять достаточно точно, но потребуется достаточно много времени для проведения измерений. Необходимо потратить на циклы десятки минут и одно измерение из нескольких циклов может занять несколько часов. Другой способ сделать тоже самое мы можем наблюдать в приборах серийного производства - это делается увеличением количества счетчиков Гейгера-Мюллера включенных параллельно, что увеличит количество захваченных частиц. Как подключить несколько трубок показывает эта схема:

Параллельное подключение нескольких трубок

//Радиационные измерения бета / гамма int pocet; // переменная для подсчета частиц unsigned long time; // время наблюдения void setup() { pinMode(2, INPUT); // pin 2 вход от счетчика Гейгера attachInterrupt(0, nacti, RISING); // настройка прерывания Serial.begin(9600); // настройка скорости передачи данных по последовательному интерфейсу Serial.println(" "); // Новая строка при ресете } void nacti() { pocet = pocet++; // обработка int0 } void loop() { pocet = 0; // новое измерение time = millis() + 60000; // время конца измерения while (time > millis()) {} // ожидание 1 минуту if (pocet < 10) Serial.print(" "); // форматировать согласно количества цифр if (pocet < 100) Serial.print(" "); if (pocet < 1000) Serial.print(" "); Serial.print(pocet); // написать количество распадов/мин Serial.print(" "); for (int i = 0; i < pocet; i++) { // графический вывод Serial.print("#"); } Serial.println(" "); // окончание строки }
На следующем рисунке показан результат измерения излучения линзы от старого мощного проектора. Оптическое стекло в сравнении с урановым стеклом имеет очень низкую активность. При «прослушивании» была отмечена некая активность, но сложно было оценить, насколько она велика.

Измерение активности оптической линзы

На записи одна решетка (#) соответствует одному импульсу. Первые 20 минут записывался радиоактивный фон. Наименьшее количество зарегистрированных импульсов было 13, максимум - 36. Красная линия показывает среднее значение, в данном случае, 23 импульса в минуту.

Запись измерения активности оптической линзы

После 16 минут записи с линзой лежащей на трубке, среднее значение стало 46 импульсов в минуту. Ровно в два раза больше. Мы можем сделать вывод, что оптическая линза внесла свой вклад в количестве 23 импульсов в минуту, хотя этот результат является лишь приблизительным и статистически не совсем надежным. Мы можем даже попытаться измерить слабые источники излучения такие, как стиральный порошок, пепел, тропические фрукты, металлические сплавы, магниты или что-нибудь еще. Аналогично мы можем попытаться обнаружить присутствие источников излучения на небольших расстояниях, но, возможно, и на 10, 30 или 100 см. Аналогичный результат, как упоминаемый объектив, обеспечивает также измерение старого тахометра на расстоянии 0,5 метра или проверка старых отвалов рудника возле Мнишек-под-Брди.

При проведении измерительного цикла в течении 5 минут, и проведении 10 циклов без источника (замер фона), а затем 10 циклов с источником возможно обнаружить активность бананов. К сожалению, я не смог определить конкретно происхождение бананов, активность которых от этого зависит достаточно сильно. Одно только измерение длительностью 100 минут не показательно - увеличение количество импульсов относительно фона около 20%. И это можно было бы свести к статистической ошибке, но при проведении четырех измерений подряд (два измерения фона, источника и два измерения в обратном порядке) становится достаточно очевидно, что «там что-то есть» и мы можем даже оценить насколько это интенсивно. Средний вклад банана составил 4 обнаруженных частицы в минуту, что будет соответствовать 8

Индикатор предназначен для сигнализации о радиоактивности. Он не является измерительным прибором, показывающимуровень радиоактивности, он только предупреждает о его повышении, издавая звуковой и световой сигнал при каждом пролете радиоактивной частицы сквозь датчик - счетчик Гейгера. Здесь работает счетчик СБМ-20.

По его паспортным данным получается, что при нормальной естественной радиации должно быть не более 15-20 писков - вспышек в минуту. Если прибор пищит и вспыхивает чаще при приближении к некоторому месту или предмету, это говорит о зараженности данного места или предмета. Переход на постоянный писк говорит о существенном превышении. Как уже сказано, это не измерительный прибор, а индикатор, поэтому определить по нему значение радиоактивного уровня не возможно. Только узнать что здесь радиация выше, а здесь ниже, а здесь очень много.

Для работы счетчика Гейгера нужно чтобы на его выводы через токоограничительный резистор поступало постоянное напряжение 400V.

Обычно в схемах дозиметров и индикаторов радиоактивности применяют для питания счетчиков Гейгера источники на основе однотранзисторного блокинг-генератора. Конечно, такая схема проста, но у неё есть и недостатки - практически полное отсутствие стабилизации выходного напряжения, которое поступает на анод счетчика Гейгера.

А ведь чувствительность счетчика Гейгера напрямую зависит от напряжения между его электродами. Кроме того, есть трудности с налаживанием схемы источника высокого напряжения, потому что выходное напряжение никак не регулируется, и если его величина не соответствует необходимой, приходится перематывать вторичную обмотку импульсного трансформатора.

Принципиальная схема

Поэтому здесь источник питания счетчика Гейгера сделан на схеме повышающего DC/DC преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивающей регулировку выходного напряжения и его поддержание стабильным, на микросхеме МС34063 с трансформаторным выходом. Почти по типовой схеме её включения.

Интересно то, что микросхема будет поддерживать выходное напряжение 400V стабильным при значительном изменении питающего напряжения. Именно по этому данную схему индикатора радиоактивности можно питать любым постоянным напряжением в пределах от 5 до 15V. То есть, источником питания может быть и USB-порт персонального компьютера или зарядного устройства для сотовых телефонов, и напряжение 13V с разъема прикуривателя автомобиля.

Рис. 1. Принципиальная схема индикатора-сигнализатора радиоактивности на основе датчика СБМ20.

При этом чувствительность к радиации меняться не будет, что особенно важно в полевых или рабочих условиях.

Принцип работы МС34063 многократно описан в различной литературе, и останавливаться здесь на нем нет смысла. Напомню, что стабилизация осуществляется подачей пониженного резистивным делителем напряжения с выхода на компараторный вход микросхемы (на вывод 5). И от соотношения плеч этого делителя напряжения как раз и зависит величина выходного напряжения. Здесь делитель образован резисторами R3 и R1. А выходное напряжение 400V выставляется подстроечным резистором R1.

Напряжение 400V поступает на счетчик Гейгера U1 через токоограничительный резистор R5. Этот резистор нужен потому, что в ждущем состоянии сопротивление счетчика Гейгера стремится к бесконечности. Но при пролете сквозь него заряженной частицы происходит его короткий пробой, во время которого его сопротивление низко.

Нагрузкой счетчика Гейгера U1 служит резистор R6. В ждущем состоянии напряжение на нем низко, фактически на уровне логического нуля. Но при пролете сквозь U1 заряженной частицы напряжение резко возрастает, и величину его роста ограничивает только диод VD2, который не допускает его рост выше напряжения питания, плюс прямое падение на этом диоде.

В принципе, в диоде VD2 нет необходимости, потому что у микросхем серии CD40 или аналогов есть такие диоды, включенные между входами и шиной питания. Так что VD2 здесь на всякий случай.

Импульсы на счетчике Гейгера очень короткие. Если непосредственно их подать на звукоизлучатель (такие схемы бывают) звуки будут очень короткие, как одиночные щелчки, и не все из них будут достаточно хорошо слышимы. Что же касается светодиода, его мигание в таком случае вообще будет незаметно.

Чтобы информация более хорошо воспринималась органами чувств человека нужно длительность импульса растянуть, увеличить до некоторого оптимального размера. Этим здесь занимается микросхема D1 типа CD4001, на которой сделано два одно-вибратора.

Первый одновибратор на элементах D1.1 и D1.2 работает на озвучивание работы счетчика Гейгера. При возникновении импульса в U1, он поступает на вывод 1 D1.1 и схема на D1.1 и D1.2 формирует импульс, длительность которого определена RC-цепью R7-C4. Этот импульс значительно длиннее входного.

Аналогично работает одновибратор на элементах D1.3 и D1.4. Но он формирует в десять раз более длительный импульс, потому что инерционность зрения человека куда более, чем слуха. Длительность этого импульса задана RC-цепью C5-R8. Импульс поступает на VТ2, в коллекторной цепи которого включен индикаторный светодиод HL1 типа АЛ307 (это может быть практически любой индикаторный светодиод).

Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце внешним диаметром 28 мм (можно больше или меньше, где-то от 20 до 30 мм). Первичная обмотка - 20 витков провода ПЭВ 0,43. Вторичная обмотка - 400 витков провода ПЭВ 0,12. Сначала наматывают вторичную обмотку, потом на неё - первичную.

Между обмотками проложить тонкую фторопластовую изоляцию (например, размотанную с провода МГТФ).

Налаживание

Налаживание требуется только источнику напряжения 400V.

Устанавливаем R1 в верхнее по схеме положение. Включаем питание. Если источник не заработал сразу - поменять местами выводы одной из обмоток трансформатора.

Затем, подключаем мультиметр к крайним выводами резистора R1 и поворачивая его ползунок устанавливаем напряжение 2,65V. При наличии высокоомного вольтметра можно измерить напряжение непосредственно на выходе, на СЗ, должно быть 400V.

Солонин В. РК-2016-03.

Бытовые дозиметры производства России и других стран СНГ занимают лидирующие позиции на мировом рынке, так что для редакционного теста были выбраны только такие приборы. Они проверялись в условиях лаборатории (альфа-, бета- и гамма-источники), а также на одном из мест радиоактивного заражения (радий-226, 0,92 мкЗв/ч) и в бытовых условиях (калийные удобрения, сварочные электроды с добавкой тория и ионизационные датчики дыма). Для контроля мы использовали гамма-спектрометр Exploranium GR-130. Все дозиметры измеряли уровень гамма-излучения (кроме мягкого) в пределах паспортной погрешности, а по другим типам излучения расхождения бывали существенными. Большинство тестируемых дозиметров используют классический счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-20 производства «Электрохимприбор». Увы, его чувствительность оставляет желать лучшего, и при низких уровнях радиации подсчет длится несколько минут. В дозиметрах размером с наручные часы используется счетчик СБМ-21, еще менее чувствительный (примерно в 10 раз). Более совершенные дозиметры используют торцевые счетчики. В нашем тесте участвовал дозиметр с таким счетчиком типа Бета-1 производства фирмы «Консенсус», примерно в два раза более чувствительный к гамма-излучению, чем СБМ-20, но и более дорогой.

Радэкс РД1503+

Датчик : СБМ-20 без фильтра. Измерения : завышает показания при низких энергиях гамма-излучения и смешанном гамма-бета-облучении. На некоторых источниках прибор зашкаливало — верхняя граница диапазона у него наименьшая из всех участников теста. Естественный фон завышает примерно в полтора раза. Для поиска небольших очагов заражения подходит плохо из-за низкой чувствительности датчика. Выводы : устройство имеет дружественный интерфейс; огорчает только частый немотивированный перезапуск цикла измерений, из-за чего получение точных результатов может затянуться.

Радэкс РД1706

Датчик : 2хСБМ-20 без фильтров. Измерения : завышает показания при облучении мягким гамма-излучением и при смешанном гамма-бета-облучении. Завышает естественный фон примерно в полтора раза. Для поиска небольших очагов заражения не идеален, но подходит: два датчика ускоряют его реакцию на изменение уровня радиации. Выводы: приятный интерфейс плюс удвоенная скорость измерений. Кроме того, этот прибор куда менее склонен к немотивированному перезапуску измерений.

Соэкс-01М

Датчик : СБМ-20 без фильтра. Измерения : завышает показания при облучении мягким гамма-излучением и смешанном гамма-бета-облучении. Завышает естественный фон примерно в полтора раза. Для поиска небольших очагов заражения подходит плохо из-за низкой чувствительности датчика. Выводы: очень компактный, легкий, с цветным дисплеем и возможностью подключения к компьютеру по USB. Палитра цветов и шрифты не всегда способствуют хорошей считываемости показаний. Отображает качественную оценку уровня фона и диаграмму изменения показаний со временем. Если производитель обновит прошивку, убрав совершенно ненужную анимацию при запуске и выключении, оптимизирует цвета и шрифты для наилучшей читаемости, получится один из лучших бытовых приборов.

МКС-05 Терра-П

Датчик : СБМ-20 с фильтром. Измерения : в целом показания не выходят за паспортную погрешность. Благодаря съемному фильтру Терра-П позволяет проводить приблизительные измерения плотности потока жесткого бета-излучения. Естественный фон завышает примерно в полтора раза. Для поиска небольших очагов заражения подходит плохо из-за низкой чувствительности датчика. Выводы : прибор выглядит приспособленным для полевой, а не только для нежной домашней эксплуатации. Фильтр весьма способствует точности и удобству измерений. К сожалению, прибор не запоминает настройки порога срабатывания сигнализации и сбрасывает ее на 0,3 мкЗв/ч.

Белвар РКС-107

Датчик: 2хСБМ-20 с фильтрами . Измерения : очень точно измеряет излучение от цезия-137, но мягкое гамма-излучение завышает почти в полтора раза. Отдельный режим измерения плотности потока бета-частиц позволяет не использовать никаких приблизительных коэффициентов пересчета. Завышает примерно в полтора раза естественный фон. Для поиска очагов заражения решительно непригоден, так как не умеет производить измерения непрерывно и не озвучивает регистрацию частиц. Выводы: суровое наследие советского прошлого. Этот прибор не умеет ничего, кроме как считать число импульсов за определенное время. Всю математическую обработку инструкция без стеснений предлагает провести пользователю, используя карандаш и бумагу. С другой стороны, это зарегистрированный в реестре прибор, который проходит индивидуальное тестирование, но при этом стоит как обычный бытовой дозиметр.

ДП-5В

Датчик : СБМ-20 для измерения повышенного, среднего и высокого уровня радиации, СИ3БГ для измерения огромных уровней радиации. Оснащен фильтром и контрольным источником на стронции-90. Измерения : при менее чем 0,5 мкЗв/ч стрелка медленно колеблется, затрудняя измерения. При высоких уровнях радиации показания прибора вполне стабильны в широком диапазоне энергий гамма-излучения. Низкая чувствительность датчика частично компенсируется размещением на раздвижной штанге, так что поиск пятен радиации с помощью ДП-5 проще, чем с помощью большинства других участников теста. Выводы: военное, а от того еще более суровое наследие советского прошлого. В некоторых случаях такой прибор можно заполучить за символическую цену. Но это скорее предмет для коллекции или реквизит.

Полимастер ДКГ-РМ1603А

Датчик : СБМ-21 без фильтра. Измерения : мягкое гамма-излучение дозиметр завышает примерно вдвое. К бета-излучению не чувствителен. Завышает естественный уровень радиации примерно на четверть. Обнаружить локальное загрязнение можно только случайно — прибор реагирует на изменение уровня радиации очень медленно. Выводы: не очень радует заторможенная реакция на изменения мощности дозы.

СНИИП Аунис МКС-01СА1М

Датчик : торцевой счетчик Бета-1, сдвижной фильтр. Измерения : единственный участник теста, оказавшийся способным адекватно измерить плотность потока бета-частиц от цезия-137 и измеряющий плотность потока альфа-частиц. Завышает естественный уровень радиации примерно в полтора раза. Благодаря датчику, самому чувствительному к гамма- и особенно бета-излучению, является наиболее подходящим прибором из всех протестированных для поиска радиоактивных пятен. Выводы: однозначно лучший прибор. Очень удобная система индикации относительной статистической погрешности при непрерывном уточнении результата.

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.