Теория радиационного мониторинга

Этот топик фактически является ответом на топик Непрерывный мониторинг радиационного фона в Москве. Надеюсь он поможет желающим организовать собственный мониторинг.

Дело в том, что по роду деятельности я занимаюсь мониторингом радиационной обстановки. Изначально детекторы гамма-излучения были установлены как дополнительные детекторы на двух станциях нейтронных мониторов. Однако, получаемые с них данные оказались достаточно интересными в научном плане, поэтому мы начали потихоньку разрабатывать эту тему.
Вообще из простых и относительно доступных методов регистрации радиации можно выделить два:
1. при помощи счётчиков Гейгера
2. при помощи сцинтиляторов

1. Счётчики Гейгера

Об устройстве счётчика Гейгера можно прочитать в Википедии, однако начинающие дозиметристы обычно упускают два момента.

1.1. Физические параметры счётчика.
Счётчики Гейгера бывают очень разные. Для мониторинга радиации в первую очередь надо обратить внимание на толщину стенок и фоновый счёт.
Толщина стенок зависит от марки счётчика и определяет его эффективность при регистрации радиации. В этом плане наиболее пригодными для наших целей являются счётчики СБМ-20 и СБМ-21, которые легко добываются из советских дозиметров. Также часто попадаются счётчики типа СТС-5. Они имеют слишком тонкие стенки, однако их можно обернуть фольгой ~0.5мм и получится пристойный детектор. Иначе он будет считать вторичные электроны из окружающей среды.
Фоновый (натуральный) счёт детектора должен быть достаточно низким. Обычно 25-50 импульсов в минуту. Более высокий счёт приводит к плохой статистике и сложности в регистрации небольших вариаций. Например, у СТС-6 фоновый счёт составляет уже 110 имп/мин. Однако, с этим можно бороться включая параллельно несколько счётчиков с получением на выходе либо суммарного счёта, либо усредняя данные с нескольких каналов регистрации.

1.2. Параметры окружающей среды.
Место установки счётчика нужно выбирать с умом. Если вы хотите измерять радиационный фон, то стоит вынести счётчик на улицу, а не просто установить его на окно. Бетонные стены хорошо поглощают радиацию, поэтому установленный на окно счётчик будет измерять радиацию только в направлении взгляда из окна.
Влияние изменения давления на счёт также следует принимать во внимание при долговременных измерениях. При росте давления можно заметить, что счёт падает, а при падении давления — растёт.
Компенсируется этот эффект следующей формулой: N=No*exp(k*(h-1000))
где No — текущий счёт, h — текущее давление в миллибарах, k — барометрический коэффициент для данного счётчика.
Барометрический коэффициент не влияет на рентгеновский фон, однако счётчики Гейгера регистрируют по большей части вторичные электроны и мюоны, которые подвержены этому влиянию. Поэтому барометрический коэффициент должен рассчитываться для разных типов счётчиков Гейгера, поскольку точно не известен состав излучения, регистрируемый счётчиком. Однако, часто это сложно сделать из-за низкой статистической стабильности счёта и необходимости набора большого количества данных в «спокойные дни» для точного вычисления коэффициента.
Это вызывает необходимость установки параллельно со счётчиком датчика давления и калибровки данного датчика.

Вообще основной проблемой счётчиков Гейгера является то, что они регистрируют заряженные частицы (электроны и мюоны), а эффективность регистрации собственно радиации у них не высока. Частично это можно решить добавлением к счётчику «чехлов» из металлов различной толщины. Однако тогда возникает вопрос о расчёте толщин этих чехлов.

Основным-же достоинством счётчиков Гейгера является их относительная доступность и огромное количество готовых схем и решений для их подключения.

Вот наша сборка на основе счётчиков 16-и счётчиков СТС-6, расположенных в два ряда с промежуточным слоем алюминия:



2. Сцинтилляторы

Вышеописанных проблем лишены регистраторы на основе сцинтилляторов. Общие понятия о сцинтилляторах можно опять-же прочитать в Википедии. Однако, тут имеются свои недостатки.
Во-первых (и в-главных для нас) сцинтилляторы сложно достать. Во-вторых к кристаллу необходимо подобрать ФЭУ. В-третьих этот ФЭУ нужно запитать, а это уже не 400 В как в гейгерах, а до 1500 В, что уже не так просто получить. Ну, и наконец, в-четвёртых эту всю конструкцию нужно поместить в светонепроницаемый корпус. Зато нам не надо размышлять о барометрических эффектах, поскольку высокий темп счёта гамма-квантов забивает счёт электронов, что подтверждается экспериментально. Кроме того, сцинтиллятор работает в пропорциональном режиме, что означает что он, в отличии от счётчика Гейгера, позволяет зарегистрировать не только сам факт прихода частицы, но и измерить её энергию. Это даёт нам возможность построить энергетический спектр излучения и если на датчик выпадет что-то радиоактивное (тьфу-тьфу-тьфу), то и попытаться определить по спектру что это.

Однако, нам повезло и у нас имеется целая пачка различных сцинтилляционных детекторов. Поэтому они были пристроены к нелёгкому делу дозиметрии. Вот парочка из них (без дополнительной электроники):



Данные непрерывных измерений в течении двух лет выявили некоторые занимательные закономерности. Например, существует годичная вариация фона, связанная, как полагается, с выделением радиоактивного газа Радона летом и невозможностью его выделения из промёрзшей земли зимой. Один из пунктов наблюдения, расположенный близ шахты по добыче угля, регистрирует постепенный рост фона со временем и резкие провалы после осадков. Вероятно угольная пыль осаждается на датчике и периодически смывается дождём. А также была выявлена крайне интересная зависимость между регистрируемым гамма-излучением, и атмосферными осадками. Почти всегда во время осадков регистрируется повышение мягкого гамма-излучения (которое как-раз плохо регистрируется счётчиками Гейгера). Однако, это уже тема для научной работы…

Я не стал приводить электронных схем, поскольку большинство из них достаточно тривиальны и могут быть найдены в интернете. Однако по необходимости, я могу дополнить данную статью и дать ответы, если сообщество сочтёт тему интересной.
Ads
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More

Comments 25

    +13
    Как приятно читать статью, где производят измерение с описанием как измерять, что измерять, и какие сторонние влияния.
    Когда смотришь как прицепляют 20тилетнюю термопару к готовой «всё-в-одном-на-заводе-калибровано» микросхеме и утверждают что поверенный прибор из термосопротивления врёт — хочется тихонечко вздохнуть.
      +2
      Именно по этому в технических ВУЗах есть курс метрологии :)
        +1
        Приматам его не дают :( Но зато читают теорию ведения эксперимента. По-моему в рамках численных методов нам его читали.
        Но на хабре тут была неделя идиотских испытаний — измерение не пойми чего, не пойми чем, с непонятно какой трактовкой никаких результатов. Грустно это.
          0
          Хм… а нам давали Метрологию. Но краткий курс, на пол года по-моему. Примат МГТУ ГА.
      0
      Вообще основной проблемой счётчиков Гейгера является то, что они регистрируют заряженные частицы (электроны и мюоны), а эффективность регистрации собственно радиации у них не высока.

      А как бы Вы хотели «собственно радиацию» напрямую измерять? :)

      Поправьте меня, но в счетчиках Гейгера как раз и считают пробои, вызванные пролетом электронов, выбитых гамма-квантами из стенок. Больше там считать особо нечего — а ионизация, конечно, будет, хотя бы тепловая.

      Везде используются вторичные эффекты и измерение их косвенных параметров, ибо дешевле, проще и надежнее. Сцинтилляторы те же, фотоэмульсии и проч.
        +2
        Да, «радиацию» напрямую не измерить, но в гейгере гамма-частицы выбивают электроны примерно в 1% событий. В то время как в сцинтилляторе фотон выбьется почти в 100% случаев — тут уже зависит от толщины — слишком энергичная частица пробьёт кристалл насквозь не выбив фотона.
        +2
        Вспоминаются лабы в которых приходилось работать с сцинтилляторами.
        В любом случае спасибо за статью! Думаю очень полезным было бы разработать типовую схему на основе сцинтилятора, которую можно подключить к компьютеру, и написать своеобразное пошаговое TODO с инструкцией по сборке и расчётом стоимости.
          +2
          Сейчас система собирает данные в компьютер через специальные платы расширения ADLINK. Вообще они для другого дела поставлены, но раз уж есть свободные каналы на сборщике то использую их. Я заинтересовался первой статьёй по причине того, что тоже есть задумка собрать что-нибудь для счёта импульсов и записи их по USB. Пока кошусь в сторону Ardunio, но сейчас просто нет времени на изучение.
            +1
            Могу посоветовать LCard — достаточно дешевые вешающиеся на USB калиброванные и поверенные АЦП. Я на них подцеплял электронный микроскоп — вместо монитора оператора. Няшно :)
          • UFO just landed and posted this here
              0
              у счетчиков есть параметр «мертвое время», т.е. время между двумя импульсами, в которое не может быть зарегистрирован третий, обычно его пишут в документации к счетчику, оно зависит от типа прибора, зная мертвое время можно посчитать максимально возможные потоки.
              • UFO just landed and posted this here
                  0
                  Видимо «разрядов в микросекунду»
                0
                Нельзя, ибо в плане сигналл\шум и чувствительности между фэу и полупроводниковыми фотодиодами\транзисторами просто бездна. Фэу без особых напрягов может считать отдельные кванты света!
                  +1
                  Похоже Вы собираетесь запускать шар с гейгером на борту? Наши соседи по институту на полигоне пару раз в неделю развлекаются подобным.

                  Про барометрический коэффициент:
                  В качестве теории «почему» я лично читал Л.И. Дорман «Метеорологические эффекты космических лучей».
                  В качестве теории «как» мне просто один раз показали. Набираются данные в спокойные дни, строится распределение зависимости «логарифм счёта/давление», облако точек аппроксимируется прямой и тангенс угла наклона этой прямой и будет барометрическим коэффициентом к упомянутой выше формуле. В качестве иллюстрации: img52.imageshack.us/img52/4792/baromkoef.png
                  сверху сцинтиллятор — наклона фактически нет — коэффициента нет.
                  снизу гейгеры — наклон есть — коэффициент есть.
                  У нас используются электронные датчики давления. На борту шаров-зондов обычно стоит барограф с раздувающимся сосудом и механическим замыканием контактов по порогам. Он намного менее точен, зато дешёвый и его не жалко потерять.

                  Про предельный счёт:
                  Да, его можно вычислить из мёртвого времени, но т.к. распределение импульсов не периодическое, то реальный предел будет несколько ниже. В реальных условиях и с правильным питанием счёт никогда не достигает предела. Перегрузить счётчик можно только, пожалуй, сунув его в ядерный реактор.

                  Про высокое напряжение:
                  Я тоже не знаю других, кроме указанных двух. Использовал в работе оба. По потреблению — не замерял, т.к. обычно замеряем полное потребление прибора, а туда входит не только блок высокого. Вес фактически одинаков, особенно если набор диодов заменить готовой сборкой типа К299ЕВ2 или ей подобными. Сборка обычно даёт более высокое напряжение на выходе, чем система на ОУ. Плывёт напряжение у обоих, обычно для контроля этого либо ставится система обратной связи и коррекции (в серьёзных многодневных запусках) или на это забивается (в ежедневных запусках на пару часов) и система просто получше запаковывается в пенопласт.

                  Про сцинтилляторы:
                  У органических ниже чувствительность и световыход и выше цена. Зато они проще в работе.
                  Матрицу использовать нельзя, по уже указанными здесь причинам.
                  • UFO just landed and posted this here
                      0
                      Соседи накачивают обычный метеозонд водородом и привязывают к нему сборку из двух счётчиков гейгера, разделённых слоем алюминия. Считают потоки мюонов на разных высотах. Схема там простая как 5 копеек — блокинг-генератор на 400В, схема логики из 2-х микросхем, формирователь и простенький передатчик.

                      Приведённая схема вызывает смутное недоверие, но сформулировать его точно не могу. Просто не видел таких схем ни разу. Трансы я тоже сам мотать не люблю, благо у нас есть умельцы и запас ферритов. Ферритовый транс ни разу не большой и не тяжёлый.

                      Кстати, если собираетесь запускать на большие высоты, то следует хорошо изолировать высоковольтную часть. Иначе при падении давления может случиться пробой.
                        0
                        Схема эта дурацкая, не советую её повторять. Она находится на грани пробоя транзистора и будет нестабильна.
                        Очень правильная и экономичная схема приведена тут: www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/3757?sisint.

                    0
                    Сборка из 16 счетчиков внушает :)
                      0
                      Эту статью нужно сделать вводной, той предыдущей. Так как без теории — практика кривая
                        0
                        глупый возможно вопрос, но есть ли какие нибудь более портативные датчики радиации? =)
                          0
                          Конечно. Счётчик гейгера типа стс-5 размером с мизинец и блокинг-генератор на ОУ. Индикация на 4-х светодиодных 8-и элементных индикаторах. Питание от одной «Кроны». Всё размером с пару сигаретных пачек. Работы максимум на неделю. Схем полно в интернете.
                            0
                            спасибо большое, а как у этого всего с точностью измерений?
                              0
                              Смотря для чего хотите применять. Продукты проверить или камень подозрительный — хватит. Вообще точность больше от счётчика зависит. СТС на самом деле плохой пример — лучше СБМ для бытовых измерений. Шумов меньше.
                          0
                          Где бы прикупить\надыбать сцинтилляционный детектор?

                          Only users with full accounts can post comments. Log in, please.