Цифровой радиометр (дозиметр, индикатор радиоактивности)

В этой статье описано, как сделать самому цифровой радиометр (дозиметр, индикатор радиоактивности) буквально в домашних условиях. Внизу статьи есть схема дозиметра.

Олег Желюк

Развитие ядерной энергетики и широкое применение источников ионизирующих излучений в различных областях науки, техники, а также их возможное появление в бытовых условиях ставят перед необходимостью ознакомления со свойствами и методами регистрации альфа-, бета- и гамма-излучений, а также обретения соответствующих знаний и практических умений по защите от их воздействия. Ознакомление с методами регистрации радиоактивных излучений и их влиянием требует внедрения широко доступных технических средств. Знакомство с методами регистрации и исследования радиоактивных излучений, а также способов защиты от их воздействия могут быть наглядно и эффективно изученные в бытовых условиях при исследовании предметов окружения и естественного фона радиоактивного излучения.

Цифровой радиометр

Рис. 1. Цифровой радиометр

Оценку и проведение исследования характеристик радиоактивных источников удобно проводить с использованием приборов, которые обеспечивают количественное измерение параметров альфа-, бета- и гамма-излучения, а также их числовое отображение. Особенность измерения малых доз ионизирующего излучения (меньше 25 мкР/час) и проведения анализа в бытовых условиях требует использования соответственной технической базы и способов, отличительных от тех которые может обеспечить элементарный индикатор частичек на основе газоразрядной трубки Гейгера-Мюллера. Таким прибором может быть цифровой радиометр (рис. 1). Радиометр не содержит дефицитных комплектующих и прост в изготовлении. Он может быть собран радиолюбителем средней квалификации самостоятельно в домашних условиях или учащимися учебных заведений на занятиях кружков физико-технического профиля.

Цифровой радиометр может пополнить перечень типичных измерительных приборов, которые постоянно используются в бытовых условиях для регистрации реальных текущих физических параметров окружающей среды, подобно к таким, как часы, термометр, барометр-анероид, гигрометр, а также использоваться при выполнении познавательных экспериментов. Поучительной может быть эксплуатация радиометра на практике для определения естественной радиоактивности растений, продуктов питания, полезных ископаемых, а также излучения в бытовых помещениях.

Для обеспечения наглядных качеств, в отличие от подобных конструкций промышленного производства с малоразмерными дисплеями и неудовлетворительными демонстрационными характеристиками, в цифровом радиометре используются газоразрядные индикаторы “ИН — 18”, линейные размеры цифр которых позволяют проводить наблюдения в бытовых условиях с расстояния в несколько метров. Датчиком ионизирующего бета- и гамма-излучения в радиометре есть газоразрядная трубка Гейгера-Мюллера типа СТС-8 или другая желательно с фоновым значением 60-80 Беккерель, что позволяет уменьшить время измерения, погрешность и повысить результативность исследования. Для измерения интенсивности альфа излучения в качестве датчика излучения можно использовать искровой детектор или датчик как промышленного, так и самостоятельного изготовления.

Схема цифрового радиометра (рис. 2) разработана на основе микросхем серии К155 и обеспечивает демонстрацию, контроль и измерение ионизационного бета- и гамма-излучения со спектром, который ограничен снизу значениями 0,5 и 0,05 МеВ соответственно. Прибор отображает результат измерения в единицах естественного радиационного фона и регистрирует его изменение. Индикация измерений происходит на цифровом дисплее. Разработка обеспечивает фиксацию регистрированных частичек в аудио и визуальный форме, а также значение радиоактивного фона в мкР/час или мЗ/час. В отличие от промышленных радиометров работающих на основе постоянного счета импульсов с периодическим сбросом и индикацией промежуточных результатов, где вывод измеряемого значения фона фиксируется незначительное время, в цифровом радиометре используется запоминающее устройство для вывода текущих значений и исключается постоянное изменения показаний дисплея.

Действие радиометра основывается на том, что значение фоновой активности трубки Гейгера-Мюллера, причиной которого есть природная радиоактивность Земли и Космоса — паспортизированная характеристика конкретного датчика и может служить критерием измерения. Радиометр целесообразно эксплуатировать с промышленными счетчиками Гейгера-Мюллера, которые обеспечивают лучшие демонстрационные и наглядные качества, а также необходимое быстродействие прибора. Для использования можно посоветовать газоразрядные счетчики типа СТС-6, СТС-8, или СИ-22Г значения фоновой активности которых находится в пределах 60-80 имп/мин, то есть в обычных условиях они формируют в среднем от 60 до 80 импульсов за минуту, в зависимости от конкретного использованного прибора и условий. Основываясь на том, что при постоянных условиях, в среднем, такое количество импульсов будет зарегистрировано за любую минуту измерения, можно выбрать такое время регистрации, когда количество зафиксированных импульсов будет численно равно значению естественного радиоактивного фона. Использованный метод измерения положен в основу действия многих аналогичных промышленных разработок и обеспечивает точность измерения достаточную для проведения и анализа результатов познавательного эксперимента. При таком подходе не требуется специализированных калибровочных приборов и тщательного поверочного процесса. Калибровку можно провести в бытовых условиях по известному среднему значению активности фона для данной местности. Следует отметить, что паспортизированная инструментальная погрешность измерения значений радиоактивного излучения приборами на основе газоразрядной трубки Гейгера-Мюллера достигает 30%.

Индикатором радиоактивного излучения в цифровом радиометре (рис. 2) есть датчик BD1, питание которого осуществляется от источника с удвоителем напряжения на диодах VD1, VD2 и конденсаторах C3, C4. Через конденсатор С2 и резистор R4 зафиксированные импульсы от датчика BD1 поступают на формирующие элементы DD2.1 и DD2.2 триггера Шмидта и счетчики А1-А3. Для обеспечения аудио сопровождения с триггера Шмидта сигнал также поступает на инвертор DD2.3 и через разделительный конденсатор С5 на телефон BF1. Счетчиками A1-A3 управляет тактовый генератор инфранизкочастотных колебаний на элементах DD1.1 — DD1.3 и полевом транзисторе VT1. Управление происходит с использованием элементов, которые формируют сигналы записи (DD2.4, C6, R8, R9) и сброса (DD1.4-DD1.6, VD5, C7, C8, R7, R10, R11). Схемы счетчиков А1-А3 идентичные. Их количество выбирается в зависимости от необходимой разрядности дисплея (желательно из трех или четырех индикаторов). В состав счетчика входят микросхемы: DD3 — четырех разрядный десятичный счетчик, DD4 — элементы памяти на D-триггерах, DD5 — высоковольтный десятичный дешифратор и газоразрядный индикатор HG1.

При безошибочном монтаже схема работает безотказно. Настройка цифрового радиометра сводится к установке резистором R1 такой частоты генератора, при которой за время регистрации количество зафиксированных импульсов будет численно равно среднему значению естественного радиоактивного фона.

Принципиальная схема цифрового радиометра.

Рис. 1. Принципиальная схема цифрового радиометра.

3

Рис. 3.

4

Рис. 4.

5

Рис. 5.

 

Все элементы цифрового радиометра, кроме блока питания, излучателя BF1 и газоразрядной трубки Гейгера-Мюллера BD1 собраны на плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 — 2 мм. Для уменьшения соединительных проводников и упрощения монтажа газоразрядные индикаторы 1HG1 — 4HG1 крепятся с помощью панелей или же непосредственно на плате. Вид платы со стороны монтажа изображен на рисунке 3, со стороны деталей — рисунок 4, расположение деталей на плате — рисунок 5. На рисунках изображена печатная плата для четырехразрядного дисплея, при необходимости можно отказаться от четвертого или даже третьего разряда, соответственно не устанавливая радиоэлементы 4DD3 — 4DD5, 4HG1 и 3DD3 — 3DD5, 3HG1 при этом, не забыв установить соответствующие перемычки на месте отсутствующих соединительных выводов микросхем. На печатной плате предусмотрены места для установки блокировочных конденсаторов Cb (на принципиальной схеме не указаны), емкостью 10 — 68 нФ.

Для питания микросхем радиометра используют стабилизированный источник с напряжением 5В и током не меньше 1А. В качестве такого источника удобно использовать широко распространенные блоки питания на основе микросхемы К142ЕН5. Газоразрядные индикаторы и трубка Гейгера-Мюллера питаются от источника переменного тока напряжением 220 В и максимальным током до 25 мА. Следует помнить, что при питании цифрового радиометра непосредственно от бытовой сети существует угроза поражения током, поэтому для безопасного применения желательно использовать разделительный трансформатор или иной источник питания, отвечающий требованиям техники безопасности.

Рассмотрим примеры использования цифрового радиометра в исследовательском эксперименте. Для проведения исследований необходимы источники радиоактивного излучения, а поскольку их использование имеет ограничения технического и медицинского характера и может повлечь нежелательные последствия для этих целей можно рекомендовать природные малоактивные источники ионизирующего излучения (ИИИ) такие как гранит, торф, калийные соли, некоторые бытовые предметы и пр. Излучение этих препаратов незначительные, допустимые санитарно-гигиеническими нормами и в большинстве случаев превышают естественный фон (12-18 мкР/час) не больше чем на 10-40 %.

Измерение естественного фона радиоактивного излучения и интенсивности природных малоактивных источников

Включить радиометр, после появления индикации на дисплее подождать 10-20 секунд для изменения показаний, зафиксировать зарегистрированное значение естественного радиоактивного фона. После чего наблюдают за результатами измерений на дисплее в течение 3-5 минут. Запоминают значения, зафиксированные на индикаторе. Находят среднее значение естественного радиоактивного фона, обращают внимание на случайный, спонтанный характер работы прибора на базе счетчика Гейгера-Мюллера.

Для дальнейшего исследования используют природные малоактивные ИИИ (торф, гранит, калийные соли, золу, пыль и пр.). Знакомство со свойствами, распространением и особенностями ионизационного излучения предлагается проводить при сравнении интенсивности малоактивных ИИИ с естественным фоном, или другими относительно стабильными ИИИ. К датчику поочередно подносят природные ИИИ. Проводят ряд опытов аналогичных измерению интенсивности естественного радиоактивного фона. Делают заключения об активности природных ИИИ.

Исследование зависимости интенсивности ионизационного излучения от расстояния к источнику

Подключить цифровой радиометр к источнику питания. Провести измерения интенсивности естественного радиоактивного фона, повторить измерения несколько раз и определить его среднее значение. Аналогично повторяют измерение, расположив малоактивный ИИИ вблизи счетчика Гейгера-Мюллера, наблюдать за изменениями показаний на дисплее цифрового радиометра. Отдаляя ИИИ от счетчика Гейгера-Мюллера, наблюдают за изменением показаний цифрового радиометра, делают вывод об обратной зависимости интенсивности ионизирующего излучения от расстояния к радиоактивному источнику. Аналогично проводят исследования с иными препаратами.

Определение зависимости поглощающей способности от рода веществ и их толщины

Для проведения исследований используют пластинки различных веществ (алюминий, железо, свинец …) равной толщины и пластинки одного вещества, но разной толщины.

Размещают природный малоактивный ИИИ вблизи трубки Гейгера-Мюллера цифрового радиометра. Наблюдают за показаниями на дисплее, находят среднее значение интенсивности радиоактивного излучения за 3-5 мин. Между ИИИ и датчиком размещают поочередно пластинки с различных веществ. Наблюдают за показаниями на дисплее радиометра, находят среднее значение интенсивности излучения. Делают выводы о зависимости поглощающей способности вещества, через которое проникает излучение. Повторяют исследования, используя пластинки одного и того же вещества, но различной толщины. Делают выводы о зависимости поглощающей способности вещества от ее толщины.

О. Желюк, г. Ровно, Украина

 Все права защищены. Перепечатка, публикование данной статьи в любых других источниках без согласия автора запрещена.

 

26.01.2016 PGurov

 Метки:

Comments are closed.