В первой части своего повествования я рассказал о производителях, без сомнения, ТОП-овых белорусских дозиметров. Несмотря на все их достоинства, основные недостатки — отсутствие в розничной продаже и высокая цена даже на вторичном рынке — сводят полезность упомянутых приборов для рядового пользователя к нулю. Основная претензия к оборудованию для контроля радиационного фона со стороны обывателя — должно быть просто и дешево. Поэтому сегодня я попробую описать свое видение простых, сделанных на коленке сигнализаторов радиоактивности. Никаких там сцинцилляторов за сотни и тысячи долларов, намотки трансформаторов и травления печатных плат. Сегодня под катом то, что под силу каждому человеку обладающему стандартным уровнем технической грамотности.
В последнее время, особенно в свете событий в Северодвинске, стали высказываться идеи о т.н. народном мониторинге радиационной обстановки (веб-камера + дозиметр+вещание). Создатели таких концептов искренне верят в то, что если в станциях слежения связь внезапно пропала после инцидента, то с ихними немногочисленными устройствами такого уж точно не произойдет. На мой субъективный взгляд, лучший «народный мониторинг» = телеграмм-канал+смартфон с камерой и геолокацией + любой (!) дозиметр.Сразу хотел написать IRC сеть, вспомнив онлайн трансляцию обстрела Белого дома. При минимальных усилиях и наличии волонтеров, с таким оснащением вполне возможно наладить функционирование realtime карты радиационной обстановки в отдельно взятом городе или даже стране. «бутылочное горлышко» в этой системе — дозиметр. Так как несмотря даже на то, что "дозиметров Мастер-1 было выпущено более миллиона штук", через 30 лет после ЧАЭС в столице республики наиболее пострадавшей от аварии в розницу невозможно нигде купить дозиметр. Никакой.
Хотя стоит признать, что все чаще начинают звучать голоса «о бесполезной радиофобии». Притом иногда эти «анти радиофобы» доходят до абсурда. Чего стоит хотя бы различные опусы от «товарищей ученых, доцентов с кандидатами». В частности, доктор исторических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем международной безопасности, доцент МГУ Алексей Валерьевич Фененко (под псевдонимом Валерий Алексеев) яро доказывает, например, что ядерная война - это гуманно, хэхэ.
Я же вспоминая раннее свое детство и годы «постчернобыльского ссср-а», почему то помню только чувство отчаяния от беспомощности у родителей. Когда все вокруг захлебывается от обилия слухов, вранья, домыслов и никто не знает, что на самом деле делать. Все вокруг куда-то в панике бегут «потому что радиация» и ты не в силах оценить масштабы этой радиации, и не знаешь куда бежать и стоит ли бежать… Именно из детских лет я для себя вынес аксиому «Лучшее успокоение — знать и уметь!».
Так что, дальше о детекторах на пальцах.
Для абсолютного большинства людей минимум дозиметрического оборудования — это сигнализатор срабатывающий на превышение гамма-фона. Энтузиастам уже нужны точные цифровые значения, высокая чувствительность, накопленная доза и т.п. Бытовой дозиметр минимального функционала просто обязан детектировать гамма-излучение и жесткое бета-излучение и иметь поисковый режим (т.е. пикает/вибрирует на каждый случай регистрации кванта/частицы). Хороший бытовой дозиметр — должен чувствовать и мягкое бета-излучение, а лучше — еще и альфа-излучение в придачу. Схожим с хорошим дозиметром функционалом должен обладать и прибор для оценки радиоактивности продуктов. Продукты, кстати, это вообще отдельный разговор. Ибо в отличие от спонтанным выбросов и аварий, те же чернобыльские радиоизотопы давно уже поменяли свою прописку. Рассеявшись, переместившись в продукты питания, они предельно сблизились с «нутром» человека и тысячекратно (1/квадрат расстояния) увеличили свою опасность для всех эти продукты употребляющих. Об этом еще поговорим отдельно. Пока же введение в детекторы радиации.
Предназначение распространенных детекторов показано в таблице ниже (привет аспиранту проф. Давыдова ;), если прочитает статью).
Видно, что для определения самых распространенных типов излучения счетчики Гейгера-Мюллера вполне подходят. Правда их чувствительность к различному излучению будет отличаться в зависимости от конструкции счетчика. Выглядит это следующим образом:
α-частицы (ядра гелия) — счетчики Гейгера-Мюллера со слюдяным окном (т.н. «блинчики»)
β-частицы (электроны) — счетчики Гейгера-Мюллера со слюдяным окном («мягкая β»), цилиндрические счетчики Гейгера-Мюллера («жесткая β»)
γ-кванты (рентгеновские лучи) — цилиндрические счетчики Гейгера-Мюллера
Нейтроны — сцинтилляторные детекторы
Из всего этого следует, что для проживающих на пост-советских (=с тысячами армейских баз и складов) территориях людей стоит не искать на aliexpress китайский «якобы дозиметр» за пару долларов, а спрашивать у знакомых «дедов» на предмет счетчика Гейгера. Исполнять, так сказать, заветы легендарного Ю.А. Виноградова (из книги Ионизирующая радиация: обнаружение, контроль, защита):
«на каждый день» стоит искать СБМ-20 (СТС-5), а «на перспективу» — слюдяные счетчики СИ-8Б, СБТ-10, СБТ-11. Если найти/выменять/купить удалось — читаем дальше.
Ни один, даже самый распрекрасный и супердорогой радиометрический прибор не работает «в реальном времени». Ему надо измерить количество событий (щелчков квантов) за единицу времени, проинтегрировать эти значения и выдать результат по заложенному в него алгоритму. Вне зависимости от программного обеспечения и используемых даже в самых новомодных дозиметрах математических моделях, основной рабочей лошадкой является устройство, которому уже больше ста лет. Это счетчик Гейгера. По своей сути, устройство, в 1908 году предложеное немецким физиком Гансом Гейгером, являлось продолжением ионизационной камеры, с которой работал еще Пьер Кюри, и представляло собой электрический конденсатор, наполненный газом при небольшом давлении. В 1928 году Вальтер Мюллер, под началом Гейгера, создает несколько типов счетчиков радиации, предназначенных для регистрации различных ионизирующих частиц. Эта модификация прибора — счетчик Гейгера-Мюллера.
При всей своей НЕизбирательности к различным типам излучения, датчик и сегодня прекрасно подходит для общего измерения интенсивности ионизирующих излучений.
Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, как правило, выполняется в виде хорошо вакуумированной герметичной стеклянной или металлической трубки. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое бета- и гамма-излучение, имеет обычно форму цилиндра, изготовленного из нержавеющей стали с толщиной стенки 0,05–0,3 мм. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно». Входное окно счетчика, чувствительного к альфа- и мягкому бета-излучениям, выполняют из слюды или майлара толщиной 3–17 мкм. Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового — из кварцевого стекла.
В случае тонкостенной металлической трубки ее дополнительно гофрируют для придания жесткости и устойчивости к внешнему атмосферному давлению, которая не позволяла бы ей сжиматься. На торцах трубки расположены герметизирующие изоляторы из стекла или термореактивной пластмассы. В них же находятся выводы-колпачки для подключения к схеме приборов. По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. На картинке ниже — внутреннее устройство «народного» счетчика СБМ-20
И трубка и проволока являются электродами: трубка-катод, а проволока-анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду — через большое постоянное сопротивление R — плюс от источника постоянного напряжения.
Электрически получается делитель напряжения, в средней точке которого (место соединения сопротивления и анода счетчика) напряжение практически равно напряжению на источнике. Напряжение на счетчике (обычно 300–500 В) подбирается так, чтобы самостоятельного разряда не было и ток через счетчик отсутствовал.
Работа счетчика основана на ударной ионизации. кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь внутри колбы и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из них вторичные 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. Под действием электрического поля, электроны ускоряются в направлении анода, а положительно заряженные ионы газа — к катоду трубки. Таким образом, электрический ток, протекающий через счетчик мгновенно возрастает, а сопротивление трубки снижается (а вместе с ним и напряжение в средней точке делителя напряжения). При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный заряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается настолько чтобы прекратить разряд, и счетчик через доли миллисекунды снова готов к работе.
В газонаполненных счетчиках положительные ионы проходят весь путь до катода и нейтрализуются вблизи него, вырывая электроны из металла. Эти дополнительные электроны могут привести к возникновению следующего разряда, если не принять мер для его предупреждения и гашения. Следует помнить, что счётчиком Гейгера-Мюллера называется именно несамогасящийся счётчик, а те самогасящиеся счётчики, что сейчас активно используются, являются модификацией, предложенной Тростом, и отличаются составом наполняющей газовой смеси. Самогасящиеся счетчики обладают более высоким быстродействием и при их использовании не возникает проблема гашения разряда. Для гашения разряда в несамогасящемся счетчике необходимо включить в цепь анода сопротивления порядка 10 ГОм (!). Но все равно, существенным недостатком такой схемы будет ее низкая временная разрешающая способность, порядка 10−3 с и более.
В распространенных газоразрядных счетчиках из колбы откачан воздух (чтобы легче происходил электрический пробой), а вместо него добавлен инертный газ ( инертный, потому что газовая среда используемая для счетчиков должна обладать достаточно малым коэффициентом прилипания электронов) под небольшим давлением, с примесью гасящей добавки. В качестве гасящей добавки раньше использовался спирт, а позднее — галогены (хлор, бром). Переход от спирта к галогенам, несмотря на удорожание линии по производству таких счетчиков, дает выигрыш в продолжительности жизни детектора. В процессе гашения многоатомные молекулы спирта распадаются на молекулы ацетилена, метана, кислорода и др.). В счетчике средних геометрических размеров имеется около 1020 молекул спирта. Так как при каждом разряде в таком счетчике диссоциирует ∼1010 ионов спирта, то через 1010 импульсов все молекулы распадутся. Это приведет к старению счетчика, изменению его свойств (увеличение потенциала зажигания разряда, увеличению наклона плато и т.п.). Часто встречаются счетчики, которые при проверке постоянно начинает «звенеть» и не может работать в предусмотренном режиме. Вызвано это явление критическим расходом гасящей добавки в составе газовой смеси, что может быть показателем серьёзной наработки таких счётчиков. Теоретически, если «выгорела» вся гасящая добавка и счетчик стал несамогасящимся, его можно реанимировать с помощью сопротивления в 10 ГОм, как описано выше.
В галогенных счетчиках Гейгера–Мюллера к благородному газу добавляется небольшое количество галогена (брома или хлора). Обычно добавляют 0,1% хлора. Механизм гашения в галогенных счетчиках аналогичен этому же процессу в счетчиках с органическими гасящими смесями с той разницей, что гасящий газ в процессе гашения не расходуется. При гашении разряда двухатомные молекулы галогена диссоциируют, однако благодаря процессу рекомбинации количество галогенного газа все время поддерживается на постоянном уровне. Кроме того, счетчики с галогенным гашением функционируют при низком рабочем напряжении (∼300 В). Такие низковольтные устройства помимо неона, содержат внутри колбы по 0,1% аргона и галогена). На приведенной ниже картинке указано, чем заполняется колба распространенного счетчика СБМ-20.
Кстати, замечание для тех, кто думает, что счетчики которые хранились в гараже у деда — исчерпали свой ресурс. Это не так. Ресурс считается только в том случае, если к счетчику приложено рабочее напряжение. Если счетчик просто хранится, этот спирт не расходуется.
На случай полной распродажи запасов советских СБМ-20, и огромнейшей цены на новые — небольшая ремарка про самодеятельность.
Если рассмотреть доступные на рынке цилиндрические счетчики Гейгера, то абсолютным лидером по установке в персональные дозиметры (в том числе и в советские бытовые) станет упомянутый уже детектор СБМ-20(U) (еще встречается СТС-5, для замены которого, к слову, дешевле купить аналоги от Phillips, вроде ZP1400, ZP 1310, ZP1320).
В качестве потенциальной замены СБМ-20 может выступать СИ29БГ. На фото — сравнение с СБМ-20. Размером поменьше, ценой подешевле, чувствительность повыше. Другая, более удобная для использования в различных самоделках, компоновка.
Что касается торцевых счетчиков Гейгера со слюдяным окном (т.н. pancake GM, «блинчик» по-нашему), то здесь абсолютным must have-ом можно назвать СИ8Б.
А также СБТ11 (версия с индексом А показывает, что детектор обладает более тонким слюдяным окном, по сравнению с детектором без индекса). Данный детектор «должен быть в каждом доме», так как благодаря своей чувствительности (=«широкополосности») к мягкому бета-излучению (и альфа-излучению) может выступать в качестве подспорья при оценке радиоактивности продуктов питания (как с его помощью это сделать я напишу в последующих статьях). По электрическим характеристикам и гамма-чувствительности этот счетчик близок к СБМ-20, но в отличие от СБМ-ки позволяет по желанию отключать какие-то из своих сегментов (при высоких скоростях счета, например).
Близким по чувствительности к СИ8Б может быть и датчик СБТ10. Площадь слюдяного окна у этих детекторов практически одинаковая, разница в том, что СБТ10 позволяет отключать счетные элементы в любом порядке (на случай высоких скоростей счета), ну и собственный шум повыше чем у СИ8Б (но только у ревизий без индекса А).
Из зарубежных аналогов можно упомянуть LND712 («золотой стандарт для PC GM»), LND 7313 (аналог СИ8Б), LND 7317. 712-й обладает небольшим размером, хорошей чувствительностью к бета/гамма излучению и лучшей — по отношению к альфа.
Отдельно хотелось бы упомянуть такой счетчик, как СБТ-9, который активно использовался вместе с СБМ-20 и до сих пор периодически встречается на барахолках.
По сравнению с СБМ-20 он обладал одним неоспоримым преимуществом — слюдяным окошком (=чувствительность к мягкому бета излучению). На естественном гамма фоне из-за меньшего размера СБТ-9 проиграет СБМ-20 по числу имп/мин. Но зато СБТ-9 «видит» альфа-излучение и мягкое бета-излучение.
В последнее время кстати, гораздо дешевле стало купить американский слюдяной датчик (вроде LND 712). Продавцы на постсоветском пространстве просто как с цепи сорвались, и требуют за СБТ-11 какой-нибудь 90-х годов по 10-12 тысяч рублей. При этом ребята не учитывают, что за время хранения атмосфера внутри счетчика могла через слюду улетучится. Так что, всегда такие штуки проверяйте при покупке (как — читать ниже).
С устройством счетчика Гейгера-Мюллера разобрались. Теперь самое время рассказать о том, как простому человеку проверить работоспособность этого датчика в бытовом дозиметре. Очевидно, что одним китайским мультиметром просто так прозвонить устройство не удастся. Измерять высокое напряжение на счётчиках Гейгера нужно электростатическим вольтметром (например С50, С507-508 и т.п.) или приложить смекалку.
В своем недавнем интервью, посвященному фильму «Чернобыль» уже упомянутая в эпиграфе статьи Л.А. Антоновская примерно описала устройство, которое можно использовать для проверки работоспособности счетчика Гейгера-Мюллера.
Примечание от комментаторов: 1) Людмила Александровна забыла упомянуть про выскоомный гасящий резистор (в случае СБМ-20 он должен быть не менее 5 МОм. 2)напряжение у полевого телефона 10 в, 300 в — у анодной батареи.
Примерно такое же устройство, схема которого была описана в газете Аргументы и факты за 1990 год можно смело считать первой схемой дозиметра, опубликованной на пост-советской территории.
И в первом и втором устройстве — источник высоковольтного напряжения — основной дефицитный элемент в любой схеме. Ни у всех дома есть батарея от полевого телефона, ни каждый может намотать самостоятельно трансформатор или сделать схему блокинг-генератора.
Меж тем, существует несколько достаточно простых способов собрать несложный источник высокого напряжения и с помощью резистора номиналом 5-10 МОм и пьезодинамика убить двух зайцев: проверить работоспособность счетчика Гейгера и получить простейший гамма-сигнализатор.
Для тех, кто не дружит с силовой электроникой совсем, можно приобрести на aliexpress High Voltage DC-DC Boost Converter вольт на 400 (вроде такого):
А можно из «спичек и желудей» за пять минут собрать вот такую схему с простейшим удвоителем напряжения. Специально разложил as is чтобы мог повторить человек не умеющий читать принципиальные схемы
В схеме используются любые выпрямительные диоды рассчитанные на ток до 1 Ампера и с допустимым обратным напряжением до 1000 Вольт, например IN4007 выпаянные из старого блока питания (отечественный аналог КД258Д). Дополнительно нужно два высоковольтных пленочных конденсатора (0,047–0,47 мкф), выпаянных из того же блока и конечно резистор на 5–10 МОм, без которого счетчик не сможет функционировать (номиналы для разных счетчиков близки и указаны в таблице ниже).
В итоге может получится что-то вроде показанного ниже.
ВНИМАНИЕ: схема несмотря на свою простоту, оперирует сетевым напряжением 230 В. Готовое устройство необходимо всесторонне заизолировать или поместить в корпус и не включать, пока снаружи есть хотя бы одна доступная пользователю токонесущая часть. Или использовать для подключения развязывающий трансформатор. Кроме того, как мне уже несколько раз упомянули в комментариях, лучше не использовать низковольтные резисторы (на 200 в, как у меня на демонстрационной фотографии). Нужно поискать в блоках питания высоковольтный вариант, отличающийся даже внешне:
Или использовать цепочку из несколько обычных низковольтных резисторов меньшего сопротивления, соединенных последовательно (= вместо одного на 5МОм, подключаем последовательно 5 штук по 1МОм). Конденсатор — на полтора рабочих напряжения схемы (не ниже 600В).
Дополнение от читателя VT100 представляет собой более безопасный вариант моей схемы (удвоитель напряжения работает на зарядку конденсатора, т.е. 230 В подключено не постоянно).
Работающий счетчик после подключения начинает потрескивать с различной частотой (в зависимости от фоновой радиоактивности в помещении). Для ориентира цифры (на примере счетчика СТС-5):
Естественный фон - 8–20 мкРн/час в среднем ~ 16–40 имп/мин~ 1 импульс в 1,5–4 сек.
Повышенный, но допустимый - 20–35 мкРн/час ~ 40–70 имп/мин ~ 1 импульс в 1–1,5 сек.
Максимально допустимый - 60–80 мкРн/час ~ 120–140 имп/мин ~ 2 импульса в сек.
Опасный - более 100 мкРн/час ~ 200 и более имп/мин ~ 3 и более импулься в сек.
С помощью такого приспособления мне удалось определить, что 2 из 4 счетчиков в старом добром АНРИ 01–02 Сосна приказали долго жить.
Дополнение от Neuromantix со схемой «школьного сигнализатора»:
Для тех, кто брезгует работать без гальванической развязки, есть способ попроще. Следующая схема позволяет не только без проблем проверять счетчики с минимальным количеством деталей, но и сделать простейший ардуино-сигнализатор (можно добавить туда экранчик-шилд и т.п.).
Принципиальная схема представлена ниже:
Помимо любой Arduino, нужен абсолютный минимум деталей:
Схема работает следующим образом: сигнал ШИМ прямоугольной формы с килогерцовой частотой поступает с контроллера и включает и выключает высоковольтный транзистор MPSA44. Напряжение зависит от ширины импульса прямоугольной волны, т.е. схема допускает переделку на другие напряжения (выше 400 в) заменой пары строчек в скетче. Стоит отметить, что используемый MPSA44 и так работает на пределе своей «высоковольтности», при повышении напряжения — необходим транзистор с напряжением коллектор-эмиттер около 500+ вольт (дополнение: резисторы тоже лучше ставить высоковольтные, или ставить цепочку из последовательно соединенных обычных, о чем уже упоминалось выше, при описании схемы умножителя). Например, STN0214. Комбинация MPSA44, индуктивности на 15 миллиГенри и высоковольтного конденсатора выступает как повышающий преобразователь. Далее полученное напряжение выпрямляется диодом 1N4007, а конденсатор сглаживает пульсации. Импульсы тока из трубки генерируют падение напряжения на резисторе 100 кОм, который включает транзистор BC546. Напряжение через резистор 10К притягивается к земле каждый раз когда трубка счетчик обнаруживает квант или частицу. На контакте «вывод импульса» изменяется уровень «высокий-низкий-высокий». Это вызывает прерывание на Arduino и регистрацию события. Вход шим подключается к выводу №5 для arduino на 8 МГц (вроде Mini или Nano), или к выводу №9 для 16 МГц arduino (Uno, Mega и их клоны). Вывод импульсов подключается к контакту №2.
По-умолчанию, контроллер выводит через последовательный порт значение cpm за 10 секунд. Копнув спецификацию детектора, можно настроить выдачу данных в микрорентгенах в час. Пока же — только так:
Комментарии и предложения по оптимизации схемы/скетча приветствуются :) Ну и если кто-то предложит в комментариях еще более простые способы создания простейшего сигнализатора на основе счетчика Гейгера-Мюллера — с удовольствием дополню статью.
Чтобы не создавать однобокого впечатления (=детекторы радиации — это сугубо электронные девайсы) расскажу о приборах, функционирующих на основе других физических принципов.
Радиолюминесценция
Простейшим индикатором повышенной радиоактивности окружающей среды может быть предмет покрытый светонакопительной (фосфоресцирующей) краской. Естественно, что от материалов с повышенным фоном естественной радиации (фарфор, фаянс, красный кирпич, гранит и т.п. ) такой индикатор светиться не будет. Основано это все на таком явлении, как радиолюминесценция.
Химические индикаторы радиации
Химические детекторы были первыми детекторами, которые позволили радиацию обнаружить. В частности, хроморадиометр Гольцкнехта (G. Holzknecht) — прибор для измерения дозы рентгеновского излучения, основанный на изменении под его воздействием цвета двойной соли платиноцианистого бария (=тетрацианоплатинат(II) бария Ba[Pt(CN)4]·4H2O). На картинке ниже — хроморадиометр или «дозиметр Гольцкнехта»
Принцип устройства химических приборов основан на свойстве двойной соли цианистого бария и платины при облучении рентгеновскими лучами изменять свой светло-зеленый цвет в буро-коричневый. Кристаллогидрат под действием ультрафиолета и ионизирующего излучения светится жёлто-зелёным цветом. Экраны, покрытые слоем кристаллов тетрацианоплатината бария, использовались для изучения ультрафиолетового света, а также в ранних исследованиях ионизирующего излучения и радиоактивности. Случайно замеченное свечение такого экрана позволило Рентгену открыть лучи, позже названные его именем. Логическое продолжение хроморадиометры нашли в т.н. радиохромных пленках. Пленка содержит краситель, который меняет цвет при воздействии ионизирующего излучения. В отличие от рентгеновской пленки, процесс проявления не требуется, и результаты могут быть получены практически мгновенно, в то время как он нечувствителен к видимому свету (что облегчает работу с ним). В отличие от других типов детекторов излучения, радиохромная пленка может использоваться для абсолютной дозиметрии. Для получения результатов после экспозиции пленка просто сканируется на планшетном сканере и обрабатывается с помощью графического анализа. По изменению оптической плотности красителя оценивают степень воздействия. Типичная радиохромная пленка имеет точность до 2% при дозах 0,2–100 Грэй (Гр). В последнее время радиохромные пленки активно используются в технике lab-in-fiber для создания дозиметра реального времени.
Наверное самый широко известный в узких кругах химический дозиметр — это ИД-11 (индивидуальный измеритель дозы). Известен он тем, что именно эти «брелки» носили на груди многие из ликвидаторов. Проверить сколько ты накопил можно было только с помощью специального прибора (т.н. измерительного устройста ИУ-1 или ГО-32). По сути сам брелок представлял собой керамическую пластинку из алюмофосфатной связки, активированной серебром. Стекло могло регистрировать воздействие гамма- и смешанного гамма-нейтронного излучения в диапазоне доз от 10 до 1500 рад. Доза излучения суммировалась при периодическом облучении и могла сохранятся в дозиметре в течение 12 месяцев.
Существуют и современные химические дозиметры. Необходимость таких дозиметров и возникла после появления мощных источников с активностями в десятки кюри. Ферросульфитные дозиметры пригодны при измерении дозы излучения 5⋅104 P, а дозиметры с сернокислым церием дают хорошие показатели до значений ~106 P. Химическими дозиметрами с борированным водным раствором йодистого натрия контролируют потоки медленных нейтронов из ядерных реакторов до 1015 нейтрон/(см2*c).
Дозиметры с использованием статического электричества
Советские дозиметры ИД-1 и упомянутые мной в первой части уникальные статьи Ракета — функционируют на том же самом электростатическом принципе.
В простейшем применении, таким дозиметром может выступать любой электроскоп. Например, аттракцион с заряженными шариками . Кстати, дарю бесплатную идею всем организаторам фестивалей науки, может получится отличный уличный дозиметр.
Принцип работы такого устройства прост: шарики держатся за счёт электростатического притяжения. Если воздух сильно ионизирован то заряд стекает и шарики отваливаются. Можно крутануть барабан и шарики вновь накопят заряд, по скорости стекания заряда можно судить о мощности дозы. Прибор работает в диапазоне примерно 0.1–500 Р\ч. (до 5 Зв, как полимастеровский РМ1603А). Самый важный недостаток электростатических индикаторов радиоактивности — их нужно периодически подзаряжать (а еще они не работают во влажном воздухе).
В следующей статье я расскажу как с этим бороться и что интересное можно на подобных принципах сделать. Пока же — даю время реализовать описанные в статье приборы и агрегаты.
Важно! Все обновления и промежуточные заметки из которых потом плавно формируются хабра-статьи теперь можно увидеть в моем телеграм-канале lab66. Подписывайтесь, чтобы не ожидать очередную статью, а сразу быть в курсе всех изысканий :)
Проблема заключается в том, что радиации не видно, но это не значит, что ее нет. У каждой семьи дома есть термометр, хотя мама может положить руку на лоб ребенку и почувствовать, если температура повышена. Но ни у кого дома нет дозиметра, хотя радиация не менее опасна, чем повышенная температура, а ощутить ее ни один из органов чувств не может.
Л.А. Антоновская (Polimaster) в интервью журналу Оffice Life
В последнее время, особенно в свете событий в Северодвинске, стали высказываться идеи о т.н. народном мониторинге радиационной обстановки (веб-камера + дозиметр+вещание). Создатели таких концептов искренне верят в то, что если в станциях слежения связь внезапно пропала после инцидента, то с ихними немногочисленными устройствами такого уж точно не произойдет. На мой субъективный взгляд, лучший «народный мониторинг» = телеграмм-канал+смартфон с камерой и геолокацией + любой (!) дозиметр.
Хотя стоит признать, что все чаще начинают звучать голоса «о бесполезной радиофобии». Притом иногда эти «анти радиофобы» доходят до абсурда. Чего стоит хотя бы различные опусы от «товарищей ученых, доцентов с кандидатами». В частности, доктор исторических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем международной безопасности, доцент МГУ Алексей Валерьевич Фененко (под псевдонимом Валерий Алексеев) яро доказывает, например, что ядерная война - это гуманно, хэхэ.
не смог удержаться от цитаты
Исходя из всего сказанного выше, можно ответить на вопрос, почему ЯО (прим. — ядерное оружие) не применяется уже 74 года: тогда «угроза» перестанет быть «угрозой». Мир, в котором развеются локальные ядерные грибы и потери окажутся сопоставимыми с войнами так называемой доядерной эпохи, станет другим. Мы с интересом увидим, что ЯО — это просто мощное оружие, имеющее свои схемы применения и военные задачи, а также что никаких «глобальных похолоданий» и «расколов Земли» не произошло. Мы, подобно повзрослевшим детям, узнаем, что у нас не было и нет оружия, способного «уничтожить цивилизацию» или «покончить с человечеством». В таком мире нельзя будет кричать, что «ядерное оружие удержит нас от войны». Никто не будет повторять очевидных глупостей, что «четвертая мировая война будет на камнях и дубинках». (Утверждать подобное — это все равно, что в 1930-х гг. говорить «всех отравят газами»).
Возможно, миф о фантастической мощи ЯО был нужен человечеству, измученному двумя мировыми войнами. Но теперь, когда человечество набралось сил, он начинает переходить в разряд сомнительных мифов. Суть ядерного сдерживания — угроза. Но угроза может быть действенной только когда, когда она кажется большой и ужасной. Опыт локального применения ЯО и ядерных испытаний эту угрозу не подтверждает. Значит, остается держать ее на виртуальном уровне. России надо постоянно поддерживать и совершенствовать свой ядерный арсенал — хотя бы для того, чтобы в случае чего ответить США адекватным оружием. Однако при этом надо помнить: все угрозы нанести с помощью ЯО противнику неприемлемый ущерб — это пока еще гипотеза, и может ли ЯО стать боевым оружием — вопрос открытый.
Возможно, миф о фантастической мощи ЯО был нужен человечеству, измученному двумя мировыми войнами. Но теперь, когда человечество набралось сил, он начинает переходить в разряд сомнительных мифов. Суть ядерного сдерживания — угроза. Но угроза может быть действенной только когда, когда она кажется большой и ужасной. Опыт локального применения ЯО и ядерных испытаний эту угрозу не подтверждает. Значит, остается держать ее на виртуальном уровне. России надо постоянно поддерживать и совершенствовать свой ядерный арсенал — хотя бы для того, чтобы в случае чего ответить США адекватным оружием. Однако при этом надо помнить: все угрозы нанести с помощью ЯО противнику неприемлемый ущерб — это пока еще гипотеза, и может ли ЯО стать боевым оружием — вопрос открытый.
Я же вспоминая раннее свое детство и годы «постчернобыльского ссср-а», почему то помню только чувство отчаяния от беспомощности у родителей. Когда все вокруг захлебывается от обилия слухов, вранья, домыслов и никто не знает, что на самом деле делать. Все вокруг куда-то в панике бегут «потому что радиация» и ты не в силах оценить масштабы этой радиации, и не знаешь куда бежать и стоит ли бежать… Именно из детских лет я для себя вынес аксиому «Лучшее успокоение — знать и уметь!».
Так что, дальше о детекторах на пальцах.
Про типы ионизирующих излучений и способы их детектирования
Для абсолютного большинства людей минимум дозиметрического оборудования — это сигнализатор срабатывающий на превышение гамма-фона. Энтузиастам уже нужны точные цифровые значения, высокая чувствительность, накопленная доза и т.п. Бытовой дозиметр минимального функционала просто обязан детектировать гамма-излучение и жесткое бета-излучение и иметь поисковый режим (т.е. пикает/вибрирует на каждый случай регистрации кванта/частицы). Хороший бытовой дозиметр — должен чувствовать и мягкое бета-излучение, а лучше — еще и альфа-излучение в придачу. Схожим с хорошим дозиметром функционалом должен обладать и прибор для оценки радиоактивности продуктов. Продукты, кстати, это вообще отдельный разговор. Ибо в отличие от спонтанным выбросов и аварий, те же чернобыльские радиоизотопы давно уже поменяли свою прописку. Рассеявшись, переместившись в продукты питания, они предельно сблизились с «нутром» человека и тысячекратно (1/квадрат расстояния) увеличили свою опасность для всех эти продукты употребляющих. Об этом еще поговорим отдельно. Пока же введение в детекторы радиации.
Предназначение распространенных детекторов показано в таблице ниже (привет аспиранту проф. Давыдова ;), если прочитает статью).
Видно, что для определения самых распространенных типов излучения счетчики Гейгера-Мюллера вполне подходят. Правда их чувствительность к различному излучению будет отличаться в зависимости от конструкции счетчика. Выглядит это следующим образом:
α-частицы (ядра гелия) — счетчики Гейгера-Мюллера со слюдяным окном (т.н. «блинчики»)
β-частицы (электроны) — счетчики Гейгера-Мюллера со слюдяным окном («мягкая β»), цилиндрические счетчики Гейгера-Мюллера («жесткая β»)
γ-кванты (рентгеновские лучи) — цилиндрические счетчики Гейгера-Мюллера
Из всего этого следует, что для проживающих на пост-советских (=с тысячами армейских баз и складов) территориях людей стоит не искать на aliexpress китайский «якобы дозиметр» за пару долларов, а спрашивать у знакомых «дедов» на предмет счетчика Гейгера. Исполнять, так сказать, заветы легендарного Ю.А. Виноградова (из книги Ионизирующая радиация: обнаружение, контроль, защита):
Вопрос ведущего: И какой же вы видите выход из этого положения (прим. мое — отсуствие адекватного контроля за радиацией)? Что вы предлагаете?
Ответ Ю.А. Виноградова: Есть у меня, конечно, и предложения. <…> И все они — на это я обращаю особое внимание! - не требуют от казны ни денег, ни материальных вложений. Вот они:
<…>Немедленно начать открытую продажу счетчиков Гейгера на внутреннем рынке страны. Все, что еще не продано за границу и не поставлено в дозиметрические приборы отечественного производства, должно лечь на прилавки магазинов.
<…>Принудительно изъять из Минатомэнергопрома всю технологическую документацию на производство счетчиков Гейгера и предложить ее всем желающим наладить производство этой продукции.
«на каждый день» стоит искать СБМ-20 (СТС-5), а «на перспективу» — слюдяные счетчики СИ-8Б, СБТ-10, СБТ-11. Если найти/выменять/купить удалось — читаем дальше.
Cчетчик Гейгера — универсальный и простейший детектор радиации
Ни один, даже самый распрекрасный и супердорогой радиометрический прибор не работает «в реальном времени». Ему надо измерить количество событий (щелчков квантов) за единицу времени, проинтегрировать эти значения и выдать результат по заложенному в него алгоритму. Вне зависимости от программного обеспечения и используемых даже в самых новомодных дозиметрах математических моделях, основной рабочей лошадкой является устройство, которому уже больше ста лет. Это счетчик Гейгера. По своей сути, устройство, в 1908 году предложеное немецким физиком Гансом Гейгером, являлось продолжением ионизационной камеры, с которой работал еще Пьер Кюри, и представляло собой электрический конденсатор, наполненный газом при небольшом давлении. В 1928 году Вальтер Мюллер, под началом Гейгера, создает несколько типов счетчиков радиации, предназначенных для регистрации различных ионизирующих частиц. Эта модификация прибора — счетчик Гейгера-Мюллера.
При всей своей НЕизбирательности к различным типам излучения, датчик и сегодня прекрасно подходит для общего измерения интенсивности ионизирующих излучений.
Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, как правило, выполняется в виде хорошо вакуумированной герметичной стеклянной или металлической трубки. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое бета- и гамма-излучение, имеет обычно форму цилиндра, изготовленного из нержавеющей стали с толщиной стенки 0,05–0,3 мм. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно». Входное окно счетчика, чувствительного к альфа- и мягкому бета-излучениям, выполняют из слюды или майлара толщиной 3–17 мкм. Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового — из кварцевого стекла.
В случае тонкостенной металлической трубки ее дополнительно гофрируют для придания жесткости и устойчивости к внешнему атмосферному давлению, которая не позволяла бы ей сжиматься. На торцах трубки расположены герметизирующие изоляторы из стекла или термореактивной пластмассы. В них же находятся выводы-колпачки для подключения к схеме приборов. По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. На картинке ниже — внутреннее устройство «народного» счетчика СБМ-20
И трубка и проволока являются электродами: трубка-катод, а проволока-анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду — через большое постоянное сопротивление R — плюс от источника постоянного напряжения.
Электрически получается делитель напряжения, в средней точке которого (место соединения сопротивления и анода счетчика) напряжение практически равно напряжению на источнике. Напряжение на счетчике (обычно 300–500 В) подбирается так, чтобы самостоятельного разряда не было и ток через счетчик отсутствовал.
Работа счетчика основана на ударной ионизации. кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь внутри колбы и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из них вторичные электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация.
Работа счетчика Гейгера-Мюллера-Троста на примере счетчика со слюдяным окном
Возникает лавина ионов. Под действием электрического поля, электроны ускоряются в направлении анода, а положительно заряженные ионы газа — к катоду трубки. Таким образом, электрический ток, протекающий через счетчик мгновенно возрастает, а сопротивление трубки снижается (а вместе с ним и напряжение в средней точке делителя напряжения). При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный заряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается настолько чтобы прекратить разряд, и счетчик через доли миллисекунды снова готов к работе.
В газонаполненных счетчиках положительные ионы проходят весь путь до катода и нейтрализуются вблизи него, вырывая электроны из металла. Эти дополнительные электроны могут привести к возникновению следующего разряда, если не принять мер для его предупреждения и гашения. Следует помнить, что счётчиком Гейгера-Мюллера называется именно несамогасящийся счётчик, а те самогасящиеся счётчики, что сейчас активно используются, являются модификацией, предложенной Тростом, и отличаются составом наполняющей газовой смеси. Самогасящиеся счетчики обладают более высоким быстродействием и при их использовании не возникает проблема гашения разряда. Для гашения разряда в несамогасящемся счетчике необходимо включить в цепь анода сопротивления порядка 10 ГОм (!). Но все равно, существенным недостатком такой схемы будет ее низкая временная разрешающая способность, порядка 10−3 с и более.
В распространенных газоразрядных счетчиках из колбы откачан воздух (чтобы легче происходил электрический пробой), а вместо него добавлен инертный газ ( инертный, потому что газовая среда используемая для счетчиков должна обладать достаточно малым коэффициентом прилипания электронов) под небольшим давлением, с примесью гасящей добавки. В качестве гасящей добавки раньше использовался спирт, а позднее — галогены (хлор, бром). Переход от спирта к галогенам, несмотря на удорожание линии по производству таких счетчиков, дает выигрыш в продолжительности жизни детектора. В процессе гашения многоатомные молекулы спирта распадаются на молекулы ацетилена, метана, кислорода и др.). В счетчике средних геометрических размеров имеется около 1020 молекул спирта. Так как при каждом разряде в таком счетчике диссоциирует ∼1010 ионов спирта, то через 1010 импульсов все молекулы распадутся. Это приведет к старению счетчика, изменению его свойств (увеличение потенциала зажигания разряда, увеличению наклона плато и т.п.). Часто встречаются счетчики, которые при проверке постоянно начинает «звенеть» и не может работать в предусмотренном режиме. Вызвано это явление критическим расходом гасящей добавки в составе газовой смеси, что может быть показателем серьёзной наработки таких счётчиков. Теоретически, если «выгорела» вся гасящая добавка и счетчик стал несамогасящимся, его можно реанимировать с помощью сопротивления в 10 ГОм, как описано выше.
В галогенных счетчиках Гейгера–Мюллера к благородному газу добавляется небольшое количество галогена (брома или хлора). Обычно добавляют 0,1% хлора. Механизм гашения в галогенных счетчиках аналогичен этому же процессу в счетчиках с органическими гасящими смесями с той разницей, что гасящий газ в процессе гашения не расходуется. При гашении разряда двухатомные молекулы галогена диссоциируют, однако благодаря процессу рекомбинации количество галогенного газа все время поддерживается на постоянном уровне. Кроме того, счетчики с галогенным гашением функционируют при низком рабочем напряжении (∼300 В). Такие низковольтные устройства помимо неона, содержат внутри колбы по 0,1% аргона и галогена). На приведенной ниже картинке указано, чем заполняется колба распространенного счетчика СБМ-20.
сборочный чертеж СБМ-20 целиком
Кстати, замечание для тех, кто думает, что счетчики которые хранились в гараже у деда — исчерпали свой ресурс. Это не так. Ресурс считается только в том случае, если к счетчику приложено рабочее напряжение. Если счетчик просто хранится, этот спирт не расходуется.
На случай полной распродажи запасов советских СБМ-20, и огромнейшей цены на новые — небольшая ремарка про самодеятельность.
как самому сделать счетчик Гейгера?
Пруф
При отсутствии нормального счётчика можно попытаться сотворить его самому <...>. Главное, чтобы конструкция была герметичной. Я использовал тонкостенную трубку из нержавеющей стали, так как она, в отличие от алюминиевой трубки легко поддаётся пайке; нить я ввёл через заглушки из фольгированного стеклотекстолита, наружный ободок из фольги я герметично припаял к залуженным концам трубки. Нить припаивалась к внутренней контактной площадке на заглушке. Заглушки имеют форму диска. Фольга между кольцом и контактной площадкой срезана по окружности на токарном станке ( можно и травлением). С одного конца нити сделан анодный вывод, катодный вывод сделан непосредственно от корпуса. Для подключения счётчика к газовой системе ( она несложная, и состоит в основном, из компрессора от холодильника ) в стенке счётчика сделано отверстие, на которое герметично припаяна откачная трубка. Откачная трубка изнутри обильно облужена. Счётчик наполняется смесью воздуха с гасящей добавкой. В качестве гасящей добавки используется метан, или пары спирта. Для того, чтобы счётчик мог нормально работать при относительно низком напряжении, газовая смесь должна находиться под низким давлением (200 мм рт.ст). Для этого газ, находящийся внутри счётчика необходимо разрядить, для чего откачную трубку соединяют с всасывающей трубкой компрессора.Сделать это лучше мягкой трубкой, одев её на конец медной откачной трубки счётчика. После сборки счётчика его проверяют на герметичность при помощи течеискателя или мыльной пены, предварительно наполнив его газом под небольшим (2–3 атм.) давлением. Не допускается ни малейшей течи! Внутри счётчика и откачной трубки не должно быть ни каких остатков загрязнения ( масло, канифоль, пыль), в противном случае счётчик не будет работать. Всё нужно делать максимально аккуратно. Перед созданием внутри счётчика газовой смеси его предварительно включают в испытательную схему, состоящую из осциллографа и регулируемого источника высокого напряжения. Медицинский шприц наполняется гасящей добавкой (пары спирта или метан), и на него надевается тонкая игла. Все компоненты газовой смеси должны быть сухими! Пары воды могут сделать счётчик неработоспособным. Воздух внутри счётчика также должен быть сухим, для чего счётчик продувается воздухом, предварительно осушенным при помощи силикагеля, или другого водопоглощающего агента. Сигнал на осциллограф подают с участка делителя, так как амплитуда импульсов может быть высокой. Включаем высокое напряжение, и начинаем откачку счётчика. Когда давление внутри счётчика станет достаточно низким, мягкая трубка перекрывается зажимом. Плавно поднимаем напряжение. При некотором его значении появятся импульсы. Сопротивление в цепи анода должно быть достаточно большим, так как счётчик работает в несамогасящемся режиме. Не изменяя напряжение, в трубку вкалывается шприц с гасящей добавкой. Газ вводится, и тут же, выше места вкола накладывается второй зажим <...>, игла остаётся вколотой в трубку, а шприц отсоединяется. Сделано это для того, чтобы в трубке не образовывалось дырок. Игла должна быть вколота между двумя зажимами. Свободный объём между зажимами должен быть минимальным. Напряжение увеличивают, и если импульсы не стали короче, вводят новые порции газа. Когда газовая смесь примет нужный состав (счётчик начнёт гаситься самостоятельно - импульсы станут короткие, а гашение будет происходить и при меньшем сопротивлении нагрузки), трубку тщательно пережимают во избежание утечек, и снимают счётную характеристику счётчика, и если на ней просматривается рабочий участок с небольшим наклоном, счётчик запаивают- сильно сгибают медную откачную трубку (залуженную внутри), поворачивают счётчик таким образом, чтобы сгиб оказался внизу ( это надо для того, чтобы расплавленный припой надёжно залил просвет трубки в месте изгиба), и, не отсоединяя счётчик от компрессора, нагревают место сгиба. При этом просвет трубки запаивается. На место пайки трубки со стенкой счётчика во избежание нарушения пайки наматывается мокрая ткань. Если внутри трубки не было грязи, в камеру не должно ни чего попасть. Затем проверяем работу счётчика - если она не меняется при повторном подключении компрессора, или при разгерметизации откачного контура - значит пайка произведена качественно. Трубка выше места пайки откусывается кусачками, и еще раз быстро пропаивается, но так, чтобы предыдущая пайка не нарушилась. Вариантов запайки трубки может быть много, в этом лучше соображают специалисты по ремонту холодильников - эта технология отработана многими годами. Счётчик, изготовленный по данной технологии может иметь вполне пригодную характеристику - это зависит от мастерства и аккуратности. Габариты обычно получаются большие - такой счётчик имеет большую рабочую площадь. Мой счётчик имел габариты 20Х200 мм. В общем, изготовить счётчик Гейгера в полукустарных условиях вполне реально <...>
Пруф
Если рассмотреть доступные на рынке цилиндрические счетчики Гейгера, то абсолютным лидером по установке в персональные дозиметры (в том числе и в советские бытовые) станет упомянутый уже детектор СБМ-20(U) (еще встречается СТС-5, для замены которого, к слову, дешевле купить аналоги от Phillips, вроде ZP1400, ZP 1310, ZP1320).
В качестве потенциальной замены СБМ-20 может выступать СИ29БГ. На фото — сравнение с СБМ-20. Размером поменьше, ценой подешевле, чувствительность повыше. Другая, более удобная для использования в различных самоделках, компоновка.
А что внутри
Что касается торцевых счетчиков Гейгера со слюдяным окном (т.н. pancake GM, «блинчик» по-нашему), то здесь абсолютным must have-ом можно назвать СИ8Б.
Дополнительно
Схема подключения, чтобы не смущало количество выводов
и ламповые панели, которые используются для установки CИ8Б (внутренний диаметр 12 мм). Не смог найти ни их маркировки, ни в какой аппаратуре они встречались… Так что буду благодарен за подсказку.
и ламповые панели, которые используются для установки CИ8Б (внутренний диаметр 12 мм). Не смог найти ни их маркировки, ни в какой аппаратуре они встречались… Так что буду благодарен за подсказку.
А также СБТ11 (версия с индексом А показывает, что детектор обладает более тонким слюдяным окном, по сравнению с детектором без индекса). Данный детектор «должен быть в каждом доме», так как благодаря своей чувствительности (=«широкополосности») к мягкому бета-излучению (и альфа-излучению) может выступать в качестве подспорья при оценке радиоактивности продуктов питания (как с его помощью это сделать я напишу в последующих статьях). По электрическим характеристикам и гамма-чувствительности этот счетчик близок к СБМ-20, но в отличие от СБМ-ки позволяет по желанию отключать какие-то из своих сегментов (при высоких скоростях счета, например).
Близким по чувствительности к СИ8Б может быть и датчик СБТ10. Площадь слюдяного окна у этих детекторов практически одинаковая, разница в том, что СБТ10 позволяет отключать счетные элементы в любом порядке (на случай высоких скоростей счета), ну и собственный шум повыше чем у СИ8Б (но только у ревизий без индекса А).
Из зарубежных аналогов можно упомянуть LND712 («золотой стандарт для PC GM»), LND 7313 (аналог СИ8Б), LND 7317. 712-й обладает небольшим размером, хорошей чувствительностью к бета/гамма излучению и лучшей — по отношению к альфа.
Отдельно хотелось бы упомянуть такой счетчик, как СБТ-9, который активно использовался вместе с СБМ-20 и до сих пор периодически встречается на барахолках.
По сравнению с СБМ-20 он обладал одним неоспоримым преимуществом — слюдяным окошком (=чувствительность к мягкому бета излучению). На естественном гамма фоне из-за меньшего размера СБТ-9 проиграет СБМ-20 по числу имп/мин. Но зато СБТ-9 «видит» альфа-излучение и мягкое бета-излучение.
Почему твердотельные сцинтилляторы не смогут заменить слюдяные счетчики Гейгера
Одна из трудностей детектирования α-излучения твердотельными сцинтилляторами заключается в том, что этот датчик работает за счет детектирования весьма слабых вспышек света, а значит должен быть обязательно хорошо экранирован от света. Такой экран с высокой долей вероятности отсечет все α-излучение. Детектирование возможно только либо в объемах закрытых от попадания света, либо при использовании жидких (аля «ловцы нейтрино») и газообразных сцинтилляторов. Хотя стоит отметить, что торцевые слюдяные счетчики, это в все-таки в первую очередь детекторы бета-излучения (эффективность до 50%, в то время как для гамма-излучения ~ 1%), альфа-детекция для упомянутых выше датчиков (вроде СБТ-11) — это опция.
В последнее время кстати, гораздо дешевле стало купить американский слюдяной датчик (вроде LND 712). Продавцы на постсоветском пространстве просто как с цепи сорвались, и требуют за СБТ-11 какой-нибудь 90-х годов по 10-12 тысяч рублей. При этом ребята не учитывают, что за время хранения атмосфера внутри счетчика могла через слюду улетучится. Так что, всегда такие штуки проверяйте при покупке (как — читать ниже).
Проверка работоспособности счетчика Гейгера-Мюллера
С устройством счетчика Гейгера-Мюллера разобрались. Теперь самое время рассказать о том, как простому человеку проверить работоспособность этого датчика в бытовом дозиметре. Очевидно, что одним китайским мультиметром просто так прозвонить устройство не удастся. Измерять высокое напряжение на счётчиках Гейгера нужно электростатическим вольтметром (например С50, С507-508 и т.п.) или приложить смекалку.
В своем недавнем интервью, посвященному фильму «Чернобыль» уже упомянутая в эпиграфе статьи Л.А. Антоновская примерно описала устройство, которое можно использовать для проверки работоспособности счетчика Гейгера-Мюллера.
Дома буквально в течение получаса отец собрал простейший индикатор. Из завалявшегося где-то в его рабочем столе счетчика Гейгера - Мюллера, трехсотвольтовой батареи от военного полевого телефона, которая ждала своего времени, и обычной неоновой лампочки. Эти три элемента были соединены последовательно отрезками проводов, и неоновая лампочка тут же неритмично заморгала, фиксируя улавливаемые счетчиком гамма-излучение. Далее - небольшие расчеты по привязке известной из паспорта импульсной чувствительности счетчика ко времени измерения. Нужно было сосчитать, сколько раз моргнет неонка за 36 секунд. Сколько раз моргнет - такое и значение мощности дозы в мкР/ч.
Примечание от комментаторов: 1) Людмила Александровна забыла упомянуть про выскоомный гасящий резистор (в случае СБМ-20 он должен быть не менее 5 МОм. 2)напряжение у полевого телефона 10 в, 300 в — у анодной батареи.
Примерно такое же устройство, схема которого была описана в газете Аргументы и факты за 1990 год можно смело считать первой схемой дозиметра, опубликованной на пост-советской территории.
АИФ - Дозиметр сделаем сами
Алсо
Чтобы найти оригинальную публикацию с дозиметром Виноградова мне пришлось идти в Национальную библиотеку (в интернет-архиве АиФ отсутствовала картинка). Так вот, читая газету я натолкнулся на еще одну заметку. В том же 90-м году людей все так же волновали вопрос «а нельзя ли дозиметр подешевле».
Сейчас многие предприятия начинают выпускать дозиметры для населения. Но далеко не каждая семья может позволить себе купить прибор, который стоит под сто рублей, а то и больше. Почему такие высокие цены?
В. Науменко, Гомельская обл.
Наш корреспондент О. ИЗВЕКОВА обратилась во Всесоюзное объединение «Изотоп», которое занимается выпуском дозиметрических приборов.
ДЛЯ ПРИМЕРА возьмем индикатор гамма-излучения «Белла». При себестоимости 62 р. 82 к. его розничная цена 97 руб. (Прейскурант N 026 розничных цен на бытовые дозиметры и радиометры). Складывается из следующих затрат:
1. Сырье и материалы — 25 р. 93 к.
2. Заработная плата рабочих — 13 р. 69 к.
3. Заводские расходы — 17 р. 45 к.
4. Отчисления предприятия на соцстрах — 1 р. 50 к.
5. Государственная поверка — 1 р. 76 к.
6. Внепроизводственные расходы предприятия — 0 р. 18 к.
7. Сервисное обслуживание — 2 р. 31 к.
8. Прибыль предприятия — 16 р. 39 к.
9. Сбытовая наценка — 7 р. 12 к.
10. Торговая скидка — 10 р. 67 к.
ОТ РЕДАКЦИИ. Нельзя ли подешевле и попроще?
И в первом и втором устройстве — источник высоковольтного напряжения — основной дефицитный элемент в любой схеме. Ни у всех дома есть батарея от полевого телефона, ни каждый может намотать самостоятельно трансформатор или сделать схему блокинг-генератора.
Меж тем, существует несколько достаточно простых способов собрать несложный источник высокого напряжения и с помощью резистора номиналом 5-10 МОм и пьезодинамика убить двух зайцев: проверить работоспособность счетчика Гейгера и получить простейший гамма-сигнализатор.
Для тех, кто не дружит с силовой электроникой совсем, можно приобрести на aliexpress High Voltage DC-DC Boost Converter вольт на 400 (вроде такого):
А можно из «спичек и желудей» за пять минут собрать вот такую схему с простейшим удвоителем напряжения. Специально разложил as is чтобы мог повторить человек не умеющий читать принципиальные схемы
В схеме используются любые выпрямительные диоды рассчитанные на ток до 1 Ампера и с допустимым обратным напряжением до 1000 Вольт, например IN4007 выпаянные из старого блока питания (отечественный аналог КД258Д). Дополнительно нужно два высоковольтных пленочных конденсатора (0,047–0,47 мкф), выпаянных из того же блока и конечно резистор на 5–10 МОм, без которого счетчик не сможет функционировать (номиналы для разных счетчиков близки и указаны в таблице ниже).
Что делать в случае, если счетчик требует напряжение больше 400 вольт
Для этой цели можно использовать несимметричный умножитель Кокрофта-Уолтона.
С помощью такой схемы вы можете повысить напряжение в нужное число раз. Устройство строится каскадами, от числа которых зависит сколько вольт на выходе вы получите. Ниже показана схема, позволяющая увеличить напряжение в 4 раза:
Или же в 6-8 раз соответственно:
Кстати, если вдруг необходимость в увеличении напряжения в N раз все-таки возникнет — рекомендую прочитать отличную хабрастатью, а то и воспользоваться методикой предложенной Ariman
С помощью такой схемы вы можете повысить напряжение в нужное число раз. Устройство строится каскадами, от числа которых зависит сколько вольт на выходе вы получите. Ниже показана схема, позволяющая увеличить напряжение в 4 раза:
Или же в 6-8 раз соответственно:
Кстати, если вдруг необходимость в увеличении напряжения в N раз все-таки возникнет — рекомендую прочитать отличную хабрастатью, а то и воспользоваться методикой предложенной Ariman
В итоге может получится что-то вроде показанного ниже.
ВНИМАНИЕ: схема несмотря на свою простоту, оперирует сетевым напряжением 230 В. Готовое устройство необходимо всесторонне заизолировать или поместить в корпус и не включать, пока снаружи есть хотя бы одна доступная пользователю токонесущая часть. Или использовать для подключения развязывающий трансформатор. Кроме того, как мне уже несколько раз упомянули в комментариях, лучше не использовать низковольтные резисторы (на 200 в, как у меня на демонстрационной фотографии). Нужно поискать в блоках питания высоковольтный вариант, отличающийся даже внешне:
Или использовать цепочку из несколько обычных низковольтных резисторов меньшего сопротивления, соединенных последовательно (= вместо одного на 5МОм, подключаем последовательно 5 штук по 1МОм). Конденсатор — на полтора рабочих напряжения схемы (не ниже 600В).
Дополнение от читателя VT100 представляет собой более безопасный вариант моей схемы (удвоитель напряжения работает на зарядку конденсатора, т.е. 230 В подключено не постоянно).
Выдержка из журнала Радиолюбитель за 1991 год
Работающий счетчик после подключения начинает потрескивать с различной частотой (в зависимости от фоновой радиоактивности в помещении). Для ориентира цифры (на примере счетчика СТС-5):
Естественный фон - 8–20 мкРн/час в среднем ~ 16–40 имп/мин~ 1 импульс в 1,5–4 сек.
Повышенный, но допустимый - 20–35 мкРн/час ~ 40–70 имп/мин ~ 1 импульс в 1–1,5 сек.
Максимально допустимый - 60–80 мкРн/час ~ 120–140 имп/мин ~ 2 импульса в сек.
Опасный - более 100 мкРн/час ~ 200 и более имп/мин ~ 3 и более импулься в сек.
С помощью такого приспособления мне удалось определить, что 2 из 4 счетчиков в старом добром АНРИ 01–02 Сосна приказали долго жить.
Дополнение от Neuromantix со схемой «школьного сигнализатора»:
Для тех, кто брезгует работать без гальванической развязки, есть способ попроще. Следующая схема позволяет не только без проблем проверять счетчики с минимальным количеством деталей, но и сделать простейший ардуино-сигнализатор (можно добавить туда экранчик-шилд и т.п.).
Принципиальная схема представлена ниже:
Помимо любой Arduino, нужен абсолютный минимум деталей:
В собранном виде на макетке
На макетной плате девайсина выглядит так:
Подцепил пьезо-пищалку
Подцепил пьезо-пищалку
Схема работает следующим образом: сигнал ШИМ прямоугольной формы с килогерцовой частотой поступает с контроллера и включает и выключает высоковольтный транзистор MPSA44. Напряжение зависит от ширины импульса прямоугольной волны, т.е. схема допускает переделку на другие напряжения (выше 400 в) заменой пары строчек в скетче. Стоит отметить, что используемый MPSA44 и так работает на пределе своей «высоковольтности», при повышении напряжения — необходим транзистор с напряжением коллектор-эмиттер около 500+ вольт (дополнение: резисторы тоже лучше ставить высоковольтные, или ставить цепочку из последовательно соединенных обычных, о чем уже упоминалось выше, при описании схемы умножителя). Например, STN0214. Комбинация MPSA44, индуктивности на 15 миллиГенри и высоковольтного конденсатора выступает как повышающий преобразователь. Далее полученное напряжение выпрямляется диодом 1N4007, а конденсатор сглаживает пульсации. Импульсы тока из трубки генерируют падение напряжения на резисторе 100 кОм, который включает транзистор BC546. Напряжение через резистор 10К притягивается к земле каждый раз когда трубка счетчик обнаруживает квант или частицу. На контакте «вывод импульса» изменяется уровень «высокий-низкий-высокий». Это вызывает прерывание на Arduino и регистрацию события. Вход шим подключается к выводу №5 для arduino на 8 МГц (вроде Mini или Nano), или к выводу №9 для 16 МГц arduino (Uno, Mega и их клоны). Вывод импульсов подключается к контакту №2.
Листинг скетча для 8/16 Мгц Arduino
long count = 0;
long countPerMinute = 0;
void setup() {
//uncomment this if runing on arduino 16mhz (uno, etc)
//setPwmFrequency(5,64);
setPwmFrequency(9,8); //pin 9 for 8Mhz. Comment this line if running on 16Mhz
analogWrite(9, 180); //starts PWM on pin 9. (replace 9 with 5 if runing on 16Mhz)
//calls 'countPulse' function when interupt pin goes low
//interupt 0 is pin 2 on the Arduino
attachInterrupt(0,countPulse,FALLING);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
delay(10000); //the count is incrementing during this delay
countPerMinute = 6 *count;
Serial.println(countPerMinute,DEC);
count=0; //reset the count
}
void setPwmFrequency(int pin, int divisor) {
byte mode;
if(pin == 5 || pin == 6 || pin == 9 || pin == 10) {
switch(divisor) {
case 1: mode = 0x01; break;
case 8: mode = 0x02; break;
case 64: mode = 0x03; break;
case 256: mode = 0x04; break;
case 1024: mode = 0x05; break;
default: return;
}
if(pin == 5 || pin == 6) {
TCCR0B = TCCR0B & 0b11111000 | mode;
} else {
TCCR1B = TCCR1B & 0b11111000 | mode;
}
} else if(pin == 3 || pin == 11) {
switch(divisor) {
case 1: mode = 0x01; break;
case 8: mode = 0x02; break;
case 32: mode = 0x03; break;
case 64: mode = 0x04; break;
case 128: mode = 0x05; break;
case 256: mode = 0x06; break;
case 1024: mode = 0x7; break;
default: return;
}
TCCR2B = TCCR2B & 0b11111000 | mode;
}
}
void countPulse(){
detachInterrupt(0);
count++;
while(digitalRead(2)==0){
}
attachInterrupt(0,countPulse,FALLING);
}По-умолчанию, контроллер выводит через последовательный порт значение cpm за 10 секунд. Копнув спецификацию детектора, можно настроить выдачу данных в микрорентгенах в час. Пока же — только так:
Комментарии и предложения по оптимизации схемы/скетча приветствуются :) Ну и если кто-то предложит в комментариях еще более простые способы создания простейшего сигнализатора на основе счетчика Гейгера-Мюллера — с удовольствием дополню статью.
Альтернативные способы детектирования радиации
Чтобы не создавать однобокого впечатления (=детекторы радиации — это сугубо электронные девайсы) расскажу о приборах, функционирующих на основе других физических принципов.
Радиолюминесценция
Простейшим индикатором повышенной радиоактивности окружающей среды может быть предмет покрытый светонакопительной (фосфоресцирующей) краской. Естественно, что от материалов с повышенным фоном естественной радиации (фарфор, фаянс, красный кирпич, гранит и т.п. ) такой индикатор светиться не будет. Основано это все на таком явлении, как радиолюминесценция.
Радиолюминесценция — люминесценция вещества, вызванная воздействием ионизирующего излучения. В технике для активации светосоставов постоянного действия (СПД) широко использовались радионуклиды, излучающие гамма-лучи, альфа- или бета-частицы. Например, торий или радий-226. Люминофор СПД изготавливался на базе сульфида цинка. Такие СПД способны излучать свет очень долго — в течение нескольких лет или даже десятилетий. Первые радиолюминесцентные краски начали применяться с 1910-х годов. Долгое время (приблизительно с 1920-х до 1950-х годов) именно радий-226 (а со второй половины XX века — и прометий-147) применялись в радиолюминесцентных красках для покрытия элементов циферблатов часов, приборов и другого оборудования. В специальных источниках относительно большой яркости часто использовался криптон-85. В настоящее время в радиолюминесцентных источниках света для приборов применяется тритий, радиоактивный изотоп водорода <...> RU Wikipedia
Про радиевых девушек
Впервые мысль использовать радиолюминесценцию пришла известной американской танцовщице Лои Фуллер — произошло это в начале 20-го века. Прочитав как-то в газете, что радий излучает свет, она решила сделать танцевальный костюм в виде крыльев бабочки, которые мерцали бы в темноте, изумляя публику. Лои обратилась к супругам Кюри с просьбой помочь ей. В таких количествах, которые потребовались бы на крылышки, радий представлял бы большую опасность для жизни самой танцовщицы. Но в то время безопасности уделялось мизерное внимание, поэтому прошло некоторое время и произошла история, описаная в романе Курта Воннегута «Рецидивист»:
Трагедия получила свое имя "радиевые девушки" или Radium Girls
Женщины, которые работали в компании United States Radium Corporation и наносили СПД составы на часы и шкалы приборов использовали светящуюся краску для подкрашивания бровей, губ, зубов и т.п.
Спойлерить не буду, желающие сами смогут прочитать в Википедии, к чему это все привело…
- Помнишь этих несчастных женщин, которые раскрашивали часы? Вот их осмеивать не могу.
- А тебя никто и не заставляет, - ответила бабушка. - Ладно, идите.
Сара имела в виду наделавшую тогда много шума трагедию на часовом заводе. Семейство Сары было причастно к этой трагедии самым непосредственным образом и очень из-за нее переживало. Сара мне и раньше говорила, что просто вспоминать об этом не может, и то же самое говорил ее брат, живший со мной в одной комнате, и такое же чувство испытывали их родители. Трагедия разворачивалась исподволь, и едва появились первые ее предвестия, уже ничего нельзя было поделать, а происходило все на заводе фирмы «Уайет», одной из старейших фирм Соединенных Штатов, располагавшейся в Броктоне, штат Массачусетс. Вообще говоря, трагедия не была неизбежной. Уайеты и не пытались оправдаться, даже не стали нанимать адвокатов, которые бы сняли с них вину. Оправдания тут просто не существовало.
Дело было вот как: в двадцатые годы военный флот Соединенных Штатов заключил с фирмой «Уайет» контракт на производство нескольких тысяч пар стандартных корабельных часов со светящимися стрелками. Циферблат делали черным. А стрелки и цифры вручную покрывали белой краской, содержащей радиоактивный элемент - радий. В Броктоне для раскрашивания стрелок и цифр наняли с полсотни женщин, преимущественно родственниц штатных сотрудников фирмы «Уайет». Решили: пусть заработают на всякие мелочи. Тем, у кого были маленькие дети, разрешалось работать дома.
И вот теперь все эти женщины либо умерли, либо находились при смерти, причем умирали они ужасно: сгнивали, можно сказать, заживо. Так подействовал на них радий. На суде выяснилось, что подрядчик всем им сказал: чтобы краска не растекалась, надо время от времени кончик кисти смачивать языком, подправляя.
Нет, вы можете себе представить? Дочь одной из этих несчастных окажется среди тех четырех женщин, которых я по-настоящему любил в нашей юдоли слез, как любил я маму, и мою жену, и Сару Уайет. Имя этой женщины Мэри Кэтлин О'Луни.
Трагедия получила свое имя "радиевые девушки" или Radium Girls
Женщины, которые работали в компании United States Radium Corporation и наносили СПД составы на часы и шкалы приборов использовали светящуюся краску для подкрашивания бровей, губ, зубов и т.п.
Спойлерить не буду, желающие сами смогут прочитать в Википедии, к чему это все привело…
Химические индикаторы радиации
Химические детекторы были первыми детекторами, которые позволили радиацию обнаружить. В частности, хроморадиометр Гольцкнехта (G. Holzknecht) — прибор для измерения дозы рентгеновского излучения, основанный на изменении под его воздействием цвета двойной соли платиноцианистого бария (=тетрацианоплатинат(II) бария Ba[Pt(CN)4]·4H2O). На картинке ниже — хроморадиометр или «дозиметр Гольцкнехта»
Принцип устройства химических приборов основан на свойстве двойной соли цианистого бария и платины при облучении рентгеновскими лучами изменять свой светло-зеленый цвет в буро-коричневый. Кристаллогидрат под действием ультрафиолета и ионизирующего излучения светится жёлто-зелёным цветом. Экраны, покрытые слоем кристаллов тетрацианоплатината бария, использовались для изучения ультрафиолетового света, а также в ранних исследованиях ионизирующего излучения и радиоактивности. Случайно замеченное свечение такого экрана позволило Рентгену открыть лучи, позже названные его именем. Логическое продолжение хроморадиометры нашли в т.н. радиохромных пленках. Пленка содержит краситель, который меняет цвет при воздействии ионизирующего излучения. В отличие от рентгеновской пленки, процесс проявления не требуется, и результаты могут быть получены практически мгновенно, в то время как он нечувствителен к видимому свету (что облегчает работу с ним). В отличие от других типов детекторов излучения, радиохромная пленка может использоваться для абсолютной дозиметрии. Для получения результатов после экспозиции пленка просто сканируется на планшетном сканере и обрабатывается с помощью графического анализа. По изменению оптической плотности красителя оценивают степень воздействия. Типичная радиохромная пленка имеет точность до 2% при дозах 0,2–100 Грэй (Гр). В последнее время радиохромные пленки активно используются в технике lab-in-fiber для создания дозиметра реального времени.
Наверное самый широко известный в узких кругах химический дозиметр — это ИД-11 (индивидуальный измеритель дозы). Известен он тем, что именно эти «брелки» носили на груди многие из ликвидаторов. Проверить сколько ты накопил можно было только с помощью специального прибора (т.н. измерительного устройста ИУ-1 или ГО-32). По сути сам брелок представлял собой керамическую пластинку из алюмофосфатной связки, активированной серебром. Стекло могло регистрировать воздействие гамма- и смешанного гамма-нейтронного излучения в диапазоне доз от 10 до 1500 рад. Доза излучения суммировалась при периодическом облучении и могла сохранятся в дозиметре в течение 12 месяцев.
Существуют и современные химические дозиметры. Необходимость таких дозиметров и возникла после появления мощных источников с активностями в десятки кюри. Ферросульфитные дозиметры пригодны при измерении дозы излучения 5⋅104 P, а дозиметры с сернокислым церием дают хорошие показатели до значений ~106 P. Химическими дозиметрами с борированным водным раствором йодистого натрия контролируют потоки медленных нейтронов из ядерных реакторов до 1015 нейтрон/(см2*c).
Дозиметры с использованием статического электричества
Советские дозиметры ИД-1 и упомянутые мной в первой части уникальные статьи Ракета — функционируют на том же самом электростатическом принципе.
Напоминание что за они
В простейшем применении, таким дозиметром может выступать любой электроскоп. Например, аттракцион с заряженными шариками . Кстати, дарю бесплатную идею всем организаторам фестивалей науки, может получится отличный уличный дозиметр.
Принцип работы такого устройства прост: шарики держатся за счёт электростатического притяжения. Если воздух сильно ионизирован то заряд стекает и шарики отваливаются. Можно крутануть барабан и шарики вновь накопят заряд, по скорости стекания заряда можно судить о мощности дозы. Прибор работает в диапазоне примерно 0.1–500 Р\ч. (до 5 Зв, как полимастеровский РМ1603А). Самый важный недостаток электростатических индикаторов радиоактивности — их нужно периодически подзаряжать (а еще они не работают во влажном воздухе).
В следующей статье я расскажу как с этим бороться и что интересное можно на подобных принципах сделать. Пока же — даю время реализовать описанные в статье приборы и агрегаты.
Антидот - лучшее дополнение к дозиметру
Определить радиацию мало, нужно еще как-то от нее уберечься. Так что каждый раз встречая новость типа этой лучше перечитать мои «антидотные статьи». В одной из них я описывал т.н. "коллекцию адсорбентов №1", которая за время с публикации статьи трансформировалась (не без влияния пользователей) в «коллекцию адсорбентов №2». Именно ее я активно использую в качестве именного подарка :), ну или высылаю заинтересовавашимся читателям ;).
Вариант «семейный» — в «походном» формате. Набор защитных средств на 4-х человек. Защита от изотопов радиоактивного йода, стронция, цезия.
Вариант «индивидуальный» — для повседневного ношения с собой (или в составе автомобильной/производственной аптечки). Обеспечивает защиту для одного взрослого человека на протяжении одних суток.
За доп. информацией — стучите в ЛС или пишите в соцсетях. Количество ограничено.
Вариант «семейный» — в «походном» формате. Набор защитных средств на 4-х человек. Защита от изотопов радиоактивного йода, стронция, цезия.
Вариант «индивидуальный» — для повседневного ношения с собой (или в составе автомобильной/производственной аптечки). Обеспечивает защиту для одного взрослого человека на протяжении одних суток.
За доп. информацией — стучите в ЛС или пишите в соцсетях. Количество ограничено.
Важно! Все обновления и промежуточные заметки из которых потом плавно формируются хабра-статьи теперь можно увидеть в моем телеграм-канале lab66. Подписывайтесь, чтобы не ожидать очередную статью, а сразу быть в курсе всех изысканий :)
Используемая литература и источники
М.Л. Бараночников Приемники и детекторы излучений, М. 2017-1024 с.
Ю. А. Виноградов Ионизирующая радиация: обнаружение, контроль, защита
Давыдов А.В. Датчики ионизирующего излучения
Сидоренко В.В. Детекторы ионизирующих излучений на судах. Ленинград: «Судостроение», 1984
IO Blog
Ю. А. Виноградов Ионизирующая радиация: обнаружение, контроль, защита
Давыдов А.В. Датчики ионизирующего излучения
Сидоренко В.В. Детекторы ионизирующих излучений на судах. Ленинград: «Судостроение», 1984
IO Blog
