|
Чем бы Вы ни занимались, вопрос об измерении или хотя бы об индикации
ионизирующих излучений время от времени всплывает. Хотя бы при покупке
продуктов питания на рынке в небезопасных по этой части регионах. Не будешь
ведь собственную жизнь ставить на доверие продавцу. А значит, нужен и прибор,
способный эту самую "радиацию" чуять...
Не сказать, чтоб такой прибор было сложно купить. Совсем напротив, рынок
прямо таки изобилует дозиметрами "всех форм и расцветок". Неплохой обзор
приборов представлен, например, здесь. Вот только после просмотра доступного
ассортимента впечатление остается какое-то... странное... Приборы либо совсем
убогие, либо до смешного дорогие. Причем те, которые убогие, для своей
убогости тоже до смешного дорогие... Наживаются люди на нашей с Вами радиофобии.
Самодельщику в такой ситуации унывать - грех, голову тут же посещает мысль: "Да ну их всех нафиг, проще свой собственный прибор сделать. При нынешних то
ценах на Ардуины и дисплейчеги это не должно быть сильно дорого."
Ан нет. Внезапно выясняется, что сам чувствительный элемент: трубка
гейгер-мюллера, фотоумножитель со сцинтиллятором или полупроводниковый детектор
стоят почти столько же, сколько стоит готовый прибор.
Следующий шаг: "А нельзя ли самому сделать чувствительный элемент? И
как-нибудь его потом откалибровать. А если нормально откалибровать не удастся,
то хотя бы просто использовать, как индикатор, показывающий где больше, а где
меньше."
Беглый серфинг по просторам сети в поисках того, что нам может предложить "DIY-шная промышленность" принес следующие результаты:
♦ На первый взгляд, самым надежным вариантом кажется использование PIN-диода.
С него и начнем.
Приведенная в инструкциях по ссылке выше схема прибора показана на рис 1.
(перерисовано мной в LTSpice):
Рисунок 1. Предложенная здесь схема индикатора радиоактивности на основе
PIN-диода BPW34. В оригинале вместо резисторов R2, R3 использован потенциометр.
Первое, что настораживает - использование MOSFET'а с напряжением открытия
около четырех вольт в качестве устройства, считывающего сигнал с PIN-диода.
Если сигнал с фотодиода велик, в этом ничего страшного нет. Но вот достаточно
ли он велик на самом деле - предстояло проверить.
Следующий момент - что на качество монтажа каскада, содержащего BPW34 и
MOSFET нужно обращать пристальное внимание. Токи там текут маленькие (обратите
внимание на десятимегаомный резистор) и всяческие остатки флюса, жировые
загрязнения ("пальчики") и прочие утечки могут запросто привести к потере
сигнала. Благо, хоть схема низковольтная - бороться с коронным разрядом нет
необходимости.
Схема была отмакетирована. Каскад на 2N7000 и BPW34, как и рекомендовано, был
собран навесным монтажом. Остальная же часть схемы - на "хлебной доске"
(англ. "breadboard"). По результатам макетирования получено следующее:
- Схема ведет себя так, как будто она работает. Светодиод на выходе иногда
вспыхивает, причем вспышки нерегулярные - очень напоминающие счет частиц.
- Потенциометром (на рисунке 1 изображен как пара резисторов R2, R3) можно
установить среднюю "скорость счета" равной практически любому наперед
заданному значению.
- На приближение источника радиоактивного излучения (использовался старый
авиационный прибор с циферблатом, покрытым радиоактивной светящейся краской) "скорость счета" не реагирует никак. От слова совсем.
В принципе такое поведение схемы вполне объяснимо. Приведенные в начале
описания схемы слова о том, что "прибор чувствителен к альфа и бета излучению",
следует понимать буквально. Не так, как мы обычно понимаем: "что уж если
чувствует альфу, то бету тем более зарегистрирует, а гамму и подавно", нет.
А именно "прибор чувствителен только к альфа и бета излучениям." Только
попадание тяжелой альфа частицы в фотодиод BPW34 позволяет надеяться на
достаточный уровень сигнала для открытия 2N7000. Возможно на это еще способны
малоэнергетические бета частицы (электроны). Регистрация высокоэнергетических
электронов с большой проникающей способностью с помощью этого датчика уже под
очень большим сомнением.
К сожалению проверить эти утверждения я не могу. Альфа и бета источников у
меня нет. Циферблат уже упомянутого авиационного прибора находится под стеклом
с достаточной толщиной, чтобы надежно блокировать и альфу и бету. А ломать
прибор, представляющий историческую (да и техническую тоже) ценность мне не
хочется. Датчики же дыма, которые все сплошь и рядом советуют использовать в
качестве тестового источника, благополучно поисчезали с прилавков и заменились
на фотоэлектрические - RoHS тщательно заботится о том, чтобы мы с Вами не
сделали что-нибудь не то.
Впрочем, если нас с Вами интересует самодельный дозиметр, а не выяснение
деталей того, как и почему та или иная схема не работает, то отсутствие
подходящего источника в данном случае ни на что не влияет. Дело в том, что
прибор, чувствующий альфу и бету и не чувствующий гамму, в общем-то непригоден
в качестве бытового дозиметра. Когда прибор чувствует гамму, то способность
чувствовать еще и бету и альфу является, безусловно, приятным дополнением.
Но вот если прибор гамму не чувствует... Представьте себе ситуацию: Вам
на рынке продавец протягивает рыбу в толстом полиэтиленовом пакете. Если
толщина пакета более 130 мкм, срезанными оказываются все альфа частицы
до 10 МэВ включительно. (Кстати говоря, если при изготовлении датчика Вы
завернули PIN-диод в алюминиевую фольгу толщиной в каких-нибудь 16 мкм, Вы уже
лишили себя возможности детектирования альфа частиц с энергиями до 4 МэВ.)
[по данным из книги Краткий справочник инженера-физика. Ядерная физика,
атомная физика. Составитель Н.Д. Федоров, М.,Госатомиздат, 1961, стр 311.]
Еще большие проблемы будут при покупке вин и соков. Упаковка их, как правило,
толстая (пакет или бутылка) и не оставляет надежд не только на регистрацию
альфа-излучения, но даже и на выход высокоэнергетической бета составляющей.
С другой стороны гамма излучение даже сравнительно низких энергий свободно
проникает сквозь такие преграды. Можно задать вопрос, чем нам поможет гамма
детектор, если та же рыба, например, загрязнена только бета излучающим
изотопом? Ответ на этот вопрос таков: на практике очень трудно найти чистый
альфа или бета излучатель. Почти всегда имеется сопутствующее гамма излучение.
Возникает оно за счет разных процессов: в виде тормозного излучения (как в
рентгеновской трубке, когда бета частица тормозится хотя бы и в материале
самого источника), в результате снятия остаточного возбуждения с атомного
ядра после ядерной реакции, в результате рекомбинации электронов на
освобожденные при ядерной реакции нижние оболочки и т.д. К примеру даже
такой, практически "чистый альфа излучатель", как Po-210 дает по гамма кванту
на каждые 1e4 распадов. И именно по этому сопутствующему гамма излучению и
удается "засечь заразу" даже если она и скрыта глубоко и тщательно под
упаковкой.
Так что, "одной бетой сыт не будешь". Пригодный для практического
использования радиометр просто обязан чувствовать и гамму тоже. По счастью
PIN фотодиод BPW34 вполне на такое способен. Только вот сигнал при этом гораздо
меньше, и приведенная выше схема становится непригодной. Пришлось городить
схему более чувствительного усилителя.
На рисунке 2 показана схема, с помощью которой удалось достичь надежного
счета гамма-квантов.
Рисунок 2. Схема включения PIN диода BPW34 в качестве датчика, способного
регистрировать гамма излучение. Показано вместе с предварительным усилителем.
Схема представляет собой двухкаскадный усилитель с непосредственной связью
с коэффициентом усиления по напряжению порядка тысячи и с подключенным к его
входу входным каскадом на малошумящем малосигнальном полевом транзисторе КП303И.
КП303И во входном каскаде может быть заменен на КП307Е или на 2N3819. При
замене, возможно, потребуется подобрать номинал резистора нагрузки в стоке R7.
Транзисторы КТ3102е в предварительном усилителе можно заменить на BC337S,
2N5088, 2N5089 и т.п.
В отличие от оригинальной схемы нагрузочное сопротивление диода здесь не
так велико. Всего 300 килоом. Это дает меньшую чувсвительность к утечкам и
позволяет монтировать всю схему на печатной плате не заморачиваясь с навесным
монтажом и тщательной очисткой от остатков флюса.
Амплитуда полезного сигнала на выходе (точка "out" на схеме) составляет
-60..-120 mV. Шум 10..20 mV. Выход схемы может подключаться к микрофонному
входу аудиоусилителя (будут слышны щелчки на фоне шума), к осциллографу или
к мигалке со светодиодом, аналогичной той, что собрана на микросхеме LM358
на рисунке 1. Питание схемы лучше делать стабилизированным (батарейка с
КРЕНкой) в противном случае уровень сигнала плывет и приходится корректировать
триггер осциллографа или уровень срабатывания светодиодной мигалки. Понятно,
что если такое происходит, то ни о какой точности измерений и речи быть не
может.
Для людей, искушенных в моделировании, приведу еще и схему с эквивалентным
источником сигнала. В LTspice мне удалось подобрать параметры источника, более
или менее адекватно моделирующего сигнал с диода BPW34 в режиме счета гамма
квантов (см рисунок 3).
Рисунок 3. Схема, аналогичная схеме с риунка 2, но с эмулятором сигнала,
выдаваемого PIN диодом BPW34 под воздействием гамма излучения. Источник тока
I1 моделирует полезный сигнал, источник тока B1 моделирует шум. Индуктивность
L1 моделирует паразитные параметры батарейки и используется для анализа
стабильности схемы при ее разряде. (скачать схему)
Зная характеристики сигнала, Вы и сами сможете подобрать подходящий усилитель
для работы с ним.
Чувствительность получившегося датчика, прямо скажем "не очень". При
поднесении вплотную к лицевому стеклу авиационного прибора он дает в среднем
1 отсчет в 15 секунд. Для сравнения, промышленный счетчик Гейгера типа СБМ-20
дает на том же месте счет около 200 cpm (counts per minute - отсчетов в минуту).
Единственным выходом здесь видится набор множества схем, типа показанной на
рис 2, с объединением выхода перед считающим устройством. А еще лучше -
с подачей сигнала на различные каналы многоканального считающего устройства.
(На разные порты Arduino, например.) Для получения приемлемых характеристик,
таких схем нужно, наверное, с десяток. К сожалению нельзя объединить только
диоды - поставить десяток BPW34 на входе одного усилителя. Если так поступить,
то шум от диодов сложится, а вот полезный сигнал - нет. В итоге произойдет
потеря счета. Полезный сигнал мог бы сложиться, если бы пролетающий гамма квант
вызывал бы сигнал сразу во всех "протыкаемых" им диодах. К сожалению, в отличие
от тяжелых частиц, гамма квант не оставляет ионизационного следа. Все три
основных вида реакций гамма кванта с веществом (фотоэффект, комптон и
образование пар) "точечные". Был гамма квант, вступил в реакцию, и нет гамма
кванта. При комптон эффекте, правда, может излучиться другой, с энергией
поменьше, но вероятность того, что он даст реакцию внутри нашей стопки диодов
почти такая же, как и для первого кванта - т.е. "никакая".
В итоге вердикт таков: схема весьма привлекательна и обещает высокую
стабильность чувствительности. Точность измерения может быть сравнима с
точностью профессиональных приборов. Однако сама по себе величина
чувствительности для одиночного PIN-диода совершенно неприемлема для применения
в бытовом дозиметре. Использование же множества каналов с PIN-диодами делает
схему сложной и дорогой. Затраты на ее создание могут превысить стоимость
коммерческого дозиметра даже средней ценовой категории.
Другим немаловажным недостатком является то, что усилители микровольтного
уровня чувствительности чувствительны и к электромагнитным помехам. При
разработке прибора, пригодного для практического применения, потребуется
тщательная экранировка сигнальных цепей, причем просто завернуть их в фольгу
не прокатит - все соединения экранов с общим проводом должны быть тщательно
пропаяны.
♦ Следующей на очереди идет самодельная ионизационная камера.
Рис 4. Схема самодельной ионизационной камеры.
Схема ее подкупающе проста (см. рис. 4), а видеоролики ее работы на Youtube
завораживают своей эффектностью. Руки сами тянутся повторить. И тут выясняется
одна пикантная подробность: в схеме используются довольно-таки экзотические
Darlington транзисторы типа MPSW45A, простодушно названные в гайде "обычными".
Ладно, дарлингтонов в пределах досягаемости нет, есть "супербеты" - транзисторы
КТ3102е с большим (400+) коэффициентом усилиения по току. Пробуем собрать
ионизационную камеру на супербете.
Результат - нулевой. Ионизационная камера с супербета транзистором в качестве
усилительного элемента не демонстрирует не только чувствительности к источнику
излучений (в виде упомянутого выше авиационного прибора) но и описанной во всех
гайдах чувствительности к температуре и другим внешним факторам (сотрясениям,
потокам воздуха и т.п.).
Столь же стабильно нулевой результат демонстрирует и вариант камеры с
усилительным элементом в виде двух супербета транзисторов, включенных по схеме
составного транзистора (см. рис. 5).
Рис 5. Вариант самодельной ионизационной камеры с самодельным дарлингтоном -
двумя супербета транзисторами включенными по схеме составного транзистора.
Заказ транзисторов через интернет - это очень долго. К тому времени, когда
они приходят, часто отпадает и сама необходимость в той схеме для которой они
были заказаны. Так что для начала были предприняты поиски по окрестным
магазинам. Единственные сигнальные дарлингтоны, которые удалось найти, были
MPSA64 c коэффициентом усиления 5000 и с полярностью типа pnp. Без особых
надежд новоприобретенные транзисторы инсталлируются в ионизационную камеру.
Результат: впервые на индикаторе появилось хоть что-то отличное от нуля.
Показания, как им и положено, колеблются от потоков воздуха и от механических
сотрясений. Впрочем, чувствительность к излучению радиоактивного источника
так и не появилась. Схема не реагирует и на облучение внутренности
измерительного стакана излучением ультрафиолетовой лампы.
Здесь меня можно упрекнуть, что я зря трачу время, свое и читателей. Раз
сказано, что нужно ставить MPSW45A, значит ставь только его и никакой другой.
В свое оправдание могу сказать то, что ожидаемый уровень сигнала с камеры
мне неизвестен даже по порядку величины. Я понятия не имею, сколько пар ионов
в объеме стакана должен родить гамма квант от имеющегося у меня источника,
равно как и сколько этих квантов там вылетает на самом деле. С другой стороны,
если ограничиваться использованием одного единственного типа транзистора,
повторяемость конструкции сильно пострадает.
Впрочем информацию, на предмет ожидаемого сигнала, можно попытаться
повысасывать из пальца. Как уже отмечалось, счетчик СБМ-20 вблизи моего
источника дает скорость счета около 200 cpm. Размеры счетчика: диаметр 10 мм,
длина 100 мм. Стало быть имеем 200 реакций ионизации в минуту на 7.8
кубического сантиметра газа. Если объем стакана ионизационной камеры 200 мл,
то количество реакций в нем должно быть примерно в 25 раз больше, чем в объеме
счетчика. Учтем еще и то, что счетчик заполнен газом под пониженным давлением.
Скажем 0.1 бар. Тогда отношение количества реакций в стакане ионизационной
камеры к количеству реакций в счетчике станет уже не 25 раз, а 250.
(В принципе, линейный пересчет по объему и давлению газа не совсем корректен.
Известно, например, что вероятность гамма кванту произвести фотоэффект в среде
пропорциональна Z^5. Вероятность образования пар пропорциональна Z^2, а
вероятность комптон-эффекта пропорциональна Z, где Z - средний атомный номер
вещества, с которым реагируют гамма кванты. Для воздуха, заполняющего
ионизационную камеру, Z=7.2. Счетчик же заполнен неоном, имеющим Z=10, так что
даже при одном и том же давлении и объеме количество реакций, вызываемых гамма
квантами в воздухе и неоне будет различно. Численную же величину отношения
количества реакций не так просто сосчитать, поскольку неизвестно, какую долю
реакций составляет фотоэффект, какую образование пар, а какую - комптон. Еще
большую неопределенность вносит то, что на самом деле не весь объем счетчика
эффективно работает, а только некоторая зона вокруг нити-анода. Размер этой
зоны тоже неизвестен. Таким образом, к оценкам количества реакций путем
линейного пересчета по объему и давлению можно относиться лишь как к имеющим
точность до двух-трех порядков величины.)
Умножив в 250 раз скорость счета СБМ-20 на оцененный коэффициент
пропорциональности получим: 250 x 200 cpm = 50000 cpm = 833 реакции в секунду.
Следующий вопрос: сколько пар ионов дает каждая реакция? Неизвестно. Вот вам
и еще один источник погрешностей оценок. Считая, что каждая реакция дает одну
пару, можно сразу же от скорости реакций перейти к ожидаемой величине тока.
Достаточно лишь умножить на заряд электрона:
833 cps x 1.9e-19 C = 1.58e-16 Amp = 0.16 fA.
Как видим, ток получился экстремально маленьким. Для оценок ожидаемого тока
можно зайти и с другого конца. Со стороны доз. Доза в 1 рентген по определению
соответствует суммарному заряду ионов, образовавшихся в единице массы вещества
в 2.579e-4 Кулон на килограмм [Физическая Энциклопедия, статья: "Рентген"].
Принимая плотность воздуха приближенно равной 1 грамм на литр, получим, что
1 рентген соответствует 2.579e-10 кулон на кубический сантиметр.
Типовой природный фон составляет около 15 микрорентген в час, т.е. 4.16e-9
рентген в секунду. Ток, соответствующий природному фону для банки, объемом
250 ml будет: 4.16e-9 R/sec x 250 ml x 2.579e-10 C/(R ml) = 2.68e-16 Amp.
Т.е. природному фону соответствует ток в 0.26 фемтоампера.
Далее по паспорту на СБМ-20 его скорость счета, соответствующая природному
фону составляет 15 cpm. А от источника, который я использую в качестве
эталонного СБМ-20 считает со скоростью 200 cpm. Т.е, чтобы получить ожидаемое
значение измеряемого тока нужно 0.26 фемтоампера домножить на 200/15.
В итоге получаем, что ожидаемый ток составляет 3.6 фемтоампера.
С учетом сделанных замечаний относительно точности первой оценки, можно
сказать, что вторая оценка вполне сходится с первой. На фоне ожидаемой
погрешности в два - три порядка, разница в каких-нибудь двадцать раз смотрится
вполне прилично. Занятно, однако, не это. Если взять любую из приведенных выше
оценок и сравнить, ну скажем с паспортными значениями шума Darlington
транзисторов MPSW45A (несколько десятых пикоампера), или с токами утечки
затворов "электрометрических" транзисторов 2N4117 (тоже, кстати, несколько
десятых пикоампера), то ожидаемые токи получаются заведомо неизмеримыми.
И тем не менее, если верить многочисленным инструкциям по сборке и видеороликам
с YouTube, все работает. Значит сделанные оценки недотягивают до реального
положения вещей еще порядка три. Вот, собственно, что я и имею в виду, говоря,
что ожидаемый уровень сигнала с ионизационной камеры мне неизвестен даже по
порядку величины.
После долгих месяцев ожидания выполнения интернет-заказа транзисторы MPSW45A наконец то до меня доковыляли. Один из них был вставлен в макет ионизационной камеры. Результат, я думаю, Вы уже предвидите. Да, камера показывает какие-то ненулевые значения. Да, как-то реагирует на поднесение предметов (в том числе и авиационного прибора). Но однозначно связать их с действием гамма излучения не удается. На излучение ртутно-кварцевой лампы реакция тоже двусмысленная. В принципе, камера довольно четко реагирует на засветку от искрового разряда, но боюсь, что это просто электромагнитные наводки.
Единственная схема ионизационной камеры, показавшая хоть сколько-нибудь положительные результаты - это схема мостового усилителя (взятая с сайта Mad scientist hut).
После включения ионизационная камера довольно долго (до получаса) выходит на стационарный режим. Мультиметр показывает при этом около 2 - 2.5 мВ. При поднесении радиоактивного прибора вплотную к заэкранированному торцу камеры мгновенной реакции нет. Однако через несколько минут показания начинают расти и минут через десять достигают нового стационарного значения. Около 4 - 5 мВ. Реакция четкая и воспроизводимая. Но с учетом того, что показания еще и плавают плюс минус милливольт вокруг стационарного значения, нормальными измерениями это назвать нельзя.
♦ Самодельный счетчик Гейгера-Мюллера. Reverse Engineering
Понятно, что можно взять трубочку из тонкого металла,
-вогнать по торцам две диэлектрические пробочки,
-натянуть по оси трубки тонкую проволочку,
-загерметизировать все это хозяйство,
-добавить тонкий стеклянный капилляр для наполнения и откачки,
-а потом наполнить чем-нибудь навроде сварочного аргона с примесью паров
медицинской йодной настойки.
Останется только включить это дело в классическую схему включения счетчика
Гейгера - мюллера и, подавая разные напряжения питания, снять счетную
характеристику. Попытки с третьей - пятой Вы будете иметь счетчик, мало чем
уступающий коммерческим образцам (рис 7).
Рисунок 7. Устройство и включение трубки Гейгера-Мюллера. 1 - диэлектрическая
пробка, 2 - тонкая металлическая нить - анод, 3 - тонкостенная металлическая
трубка - катод. Заполнение объема трубки обычно делается инертным газом (неон,
аргон, гелий) с примесью малоактивного галогена (бром, йод). Схема показана с
выходом на высокоомный динамик или головной телефон. В таком виде схема
представляет собой классический "щелкун". Вместо динамика выход схемы может
быть подключен к электронному счетному устройству.
Однако, для того, чтобы все это успешно проделать, у Вас в гараже должна
быть изрядная свалка технического хлама: необходимо иметь и аргон и вакуумный
насос, уметь хорошо герметизировать и запаивать... Другими словами: "нужна
технологическая база." Как выясняется, вполне можно обойтись без всего этого.
В гайде Y.Onodera
приведено описание самодельного счетчика Гейгера на атмосферном
воздухе. Т.е. Вам не потребуются ни экзотические газы ни вакуумные технологии.
Счетчик вполне может быть негерметичным.
Пробная сборка выявила следующее: счетчик, как это ни удивительно, считает.
Если Вы находитесь в тихом месте, щелчки счета вполне различимы на слух безо
всякого дополнительного оборудования. Безо всяких усилителей и динамиков.
Широкая трубка счетчика, закрытая с торца мембраной и сама по себе вполне
работоспособна как излучатель звука. (Вспоминая старинные граммофоны, так и
хочется добавить рупор.)
Далее выяснилось, что счетчик демонстрирует вполне заметную скорость счета
в условиях обычного естественного фона. При этом скорость счета существенно
(в разы) увеличивается при поднесении пробного источника - авиационного
прибора.
При повторении устройства имеется две трудности. Первое - требуется серьезное
напряжение питания (4..5 kV). Второе - конструкция и схема включения счетчика,
приведенные в оригинале,
довольно своеобразны и сильно отличаются от
классической конструкции и схемы включения трубки Гейгера Мюллера (рисунок 7).
Это затрудняет понимание принципа работы и не дает возможности выделить,
какие элементы конструкции являются главными, а какие при повторении можно
и изменить.
Трудности с получением необходимого высокого напряжения обходятся легко, если
использовать готовый высоковольтный модуль. Подойдет например
модуль от шокера, только питать его придется от полутора вольт, иначе
выходное напряжение будет слишком большим.
При питании счетчика от блока питания от электрошокера есть правда один нюанс: блок электрошокера дает помехи. И Вам либо придется связаться с экранированием, либо с защитой той схемы, к которой Вы подключие счетчик, от помех. Но есть выход и проще: зарядить конденсатор блоком питания от электрошокера, а потом блок питания отключить. И питать счетчик от заряженного конденсатора.
Такая схема питания показана на рисунке 8.
Рисунок 8. Использование самодельного счетчика Гейгера совместно с модулем от электрошокера и радиоприемником в качестве "щелкуна".
Высоковольтный диод перед конденсатором нужен, чтобы конденсатор не разряжался при выключенном блоке питания через встроенные в него резисторы саморазряда. Стабилитрон на выходе защищает последующую схему от проскока высокого напряжения. Он, конечно, менее эффективен чем диодная вилка, зато не требует отдельного питания.
Очень привлекательно смотрится вариант использования высоковольтного модуля
от электрической зажигалки для газовых плит. Выбирайте тип зажигалки с питанием
от батареек. В тех, которые без батареек, высоковольтного модуля нет. Модуль
от зажигалки значительно дешевле шокерного, да и выходное напряжение сразу
будет примерно таким, как надо. Однако надо иметь в виду, что многие зажигалки
не снабжены встроенным выпрямителем, а значит придется запастись еще и
выскововольтным диодным столбом и высоковольтным конденсатором.
Что касается второго обстоятельства (замысловатость конструкции), то попытки
разобраться, что к чему, привели к выводу, что счетчик Гейгера на атмосферном
воздухе является несамогасящимся. И это несмотря на обилие в воздухе такого
электроотрицательного газа как кислород.
Для осуществления внешнего гашения сопротивление R1 на схеме на рисунке 7
должно быть очень большим: 1...100 гигаом. Емкость же конденсатора С1, напротив,
должна быть очень малой - десятки пикофарад. К сожалению использование
промышленных высоковольтных керамических конденсаторов (типов КВИ-1, КВИ-2)
показало, что утечки в них слишком велики для данной схемы, и даже после
протирки спиртом при значении R1 уже в 10 гигаом необходимое напряжение на
счетчике развить не удается. Проблему, наверное, можно было бы решить с
использованием самодельного конденсатора вроде небольшой лейденской банки, но
такое решение некрасиво и увеличивает габариты схемы. По-видимому именно от
скрещивания классической конструкции счетчика Гейгера-Мюллера и лейденской
банки сигнального конденсатора и родился приведенный в гайде Y.Onodera столь изощренный
дизайн.
По счастью схема включения, приведенная на рисунке 8 не единственная.
Существует, например, схема со снятием сигнала через резистивный делитель
(рисунок 9).
Рисунок 9. Схема включения счетчика Гейгера Мюллера со снятием сигнала через
резистивный делитель. Показано вместе со входным каскадом последующего
усилительного или счетного устройства (обведен пунктиром). Обратите внимание
на защиту входного каскада от чрезмерного напряжения. Здесь использована
диодная вилка D1, D2, хотя это и не единственно возможное решение.
Как выясняется, при включении по схеме, показанной на рисунке 8, при
надлежащем выборе балластного резистора R4, вполне работоспособным оказывается
счетчик классической конструкции, состоящий из металлической трубки - катода
и центральной проволоки - анода. При конструировании счетчика классической
конструкции с воздушным заполнением обращать внимание надо на следующие моменты:
- На качество изоляции. Центральная проволока должна быть очень хорошо
изолирована от трубки. Поскольку подводимый через балластный резистор ток
очень мал, даже малые утечки могут нарушить работу счетчика. Изоляторы
должны быть сухими и обезжиренными. Изготовляться они должны из диэлектриков
с минимальной собственной проводимостью (оргстекло, эбонит, полиэтилен) -
выбирать можно все те диэлектрики, которые Вы бы выбрали для опытов с
электростатикой. Материалы с заметной собственной проводимостью, такие, как
например бумага, использовать для изоляции нельзя.
- На отсутствие острых краев. Любое острие - это коронный разряд, а коронный
разряд - это недопустимые утечки. Края фольг должны быть сркуглены и/или
скатаны. Оловянные сопли паек должны быть затуплены надфилем. Обкусанные
концы проволок должны быть либо скручены в петельки с острыми краями
спрятанными внутри, либо опаяны до округлой формы.
- На соответствие размеров, и, в первую очередь - диаметра проволоки.
Когда диаметр цетральной проволоки анода пренебрежимо мал по сравнению с
диаметром трубки катода, именно диаметр проволоки задает и рабочее
напряжение счетчика и размер его чувствительной зоны. Изменив диаметр
проволки, будьте готовы ввязаться в поиски требуемого напряжения питания и
величины балластного резистора, при которых счетчик окажется работоспособен.
При напряжении питания в 4 kV лучше всего работает проволока диаметром
0.8 мм. Проволока диаметром в 1 мм требует напряжения в 5 киловольт.
Проволока слишком малого диаметра вместо ожидаемого снижения напряжения
питания дает тенденцию к зажиганию непрерывной короны. Не рекомендую
использовать проволоку диаметром менее 0.3 мм.
В качестве мультигигаомного балластного резистора (R4 на рисунке 9) с успехом
может быть применен отрезок писчей бумаги длиной в сантиметр-два. Удобно зажать
полоску бумаги между двумя зажимами типа "крокодил". Меняя расстояние между
крокодилами, легко менять величину балластного сопротивления (рисунок 10).
Рисунок 10. Схема устройства и схема включения самодельного счетчика Гейгера
на атмосферном воздухе. Между "крокодилами" зажата полоска обычной писчей
бумаги, - она служит резистором на 1e9 - 1e10 Ом. Петелька на конце проволоки
анода служит для предотвращения коронного разряда. Пример использования
сигнала с точки "OUT" схемы был показан на рисунке 9.
Основным и несомненным достоинством воздушного счетчика Гейгера является его
высокая чувсвительность к гамма квантам. А если его корпус снабжен окном
(открытым или затянутым тонкой пленкой) то к этому добавляется еще и
чувствительность к бета и альфа частицам. Вторым достоинством является высокий
уровень выходного сигнала, который во-первых упрощает схему включения счетчика,
а во-вторых позволяет работать в условиях довольно сильных внешних помех.
Теперь о недостатках.
Самым главным недостатком воздушного счетчика является короткое плато. (Плато
это участок счетной характеристики, на котором скорость счета практически не
зависит от напряжения питания.) По данным самого Yasuyuki Onodera (автора
оригинальной конструкции счетчика) протяженность плато составляет 80 вольт, а
это всего два процента от подводимого напряжения. Сравнимо с точностью даже
неплохих стабилизированных источников питания. Что еще хуже - положение этого
плато смещается в зависимости от атмосферного давления, температуры и даже
влажности воздуха. Т.е. при фиксированной интенсивности источника излучения
скорость счета будет гулять с изменением внешних условий. Если на основе этого
счетчика делать измерительный прибор, то он должен быть оснащен еще и датчиками
давления, температуры и влажности, и, на основании собранной с этих датчиков
информации, он должен вносить поправки в измеренную скорость счета. Причем
одной только коррекцией напряжения питания тут не отъедешь, поскольку с
изменением температуры и давления изменяется и количество вещества в объеме
счетчика, (вспоминаем уравнение Менделеева-Клапейрона) а значит, изменяется и
сама эффективность счета.
Интересно, что сам Onodera приводит результаты подтверждающие нестабильность
скорости счета с изменением атмосферного давления, хотя и неверно их
интерпретирует. Так при подъеме с высоты 2020 метров на высоту 2305 метров
скорость счета у него изменяется более чем втрое: от 1027 cpm до 3270 cpm.
А при подъеме от 1596 метров до 2305 метров - почти на порядок: с 455 до
3270 cpm. Onodera объясняет это "повышением эффективности счетчика с
уменьшением давления в нем". На самом деле, с уменьшением давления
эффективность может только понизиться - уменьшается количество молекул
газа в объеме счетчика, с которыми гамма квант имеет шанс провзаимодействовать.
Однако, при меньшем давлении счетчик требует и меньшего напряжения питания.
Если же напряжение питания оставлять постоянным, то счетчик легко выскочит за
пределы плато счетной характеристики в зону ложных срабатываний, что и
получилось у Onodera.
Следующим недостатком является... бумага. Да-да, та самая бумага, которая
составляет основу оригинальной конструкции счетчика, и которая работает
высокоомным балластным резистором в моей упрощенной версии. Дело в том, что
бумага обладает свойством промокать. И даже просто накапливать влагу из
воздуха. При этом сопротивление ее сильно меняется, что плохо влияет на
работу счетчика вплоть до полного срыва счета. А это значит - прибор не
возьмешь с собой на улицу в дождливую погоду, не возьмешь и на водную
прогулку. (То же самое, вообще говоря, относится и описанным выше ионизационным
камерам, которые не терпят даже пикоамперных утечек.)
Здесь могла бы помочь злостная герметизация прибора, но это, как минимум,
технически непросто, а кроме того конфликтует с желанием обеспечить максимально
возможную чувствительность к разного рода излучениям. В качестве альтернативы,
самодельный высокоомный резистор можно было бы сделать по дедовскому методу:
в виде заполненной спиртом стеклянной трубочки с двумя электродами. Хотя это
не снимет проблемы борьбы с утечками на проходных изоляторах (там, где
центральная нить счетчика крепится к трубке) в условиях воздействия влаги.
Третьим недостатком является ограниченная скорость счета. "Мертвое время"
счетчика определяется постоянной времени RC-цепи, в которой R - это есть
высокоомный зарядный резистор, C - собственная емкость счетчика (и подводящих
проводов). Когда емкость C зарядится через резистор R до напряжения питания -
счетчик готов к счету следующей частицы. Казалось бы здесь все в наших руках:
можем, если хотим, уменьшить емкость счетчика, можем, если хотим уменьшить
балластное сопротивление. К сожалению это не так. Балластный резистор
выбирается столь большим именно для того, чтобы дать время разряду в счетчике
нормально погаснуть. Если идти в сторону уменьшения балластного резистора (в
сторону уменьшения мертвого времени), то вначале счетчик начнет выдавать
сдвоенные импульсы счета на одну частицу, потом строенные, потом многократные,
а потом и вовсе перейдет в режим непрерывного горения. Это легко различимо
на слух. При правильном выборе балластного резистора счетчик издает тихие но
очень четко выраженные однократные щелчки. По мере уменьшения сопротивления
(или увеличения напряжения питания) щелчки сначала приобретают как бы эхо
(становятся двойными), затем начинают превращаться в трели (трель это
и есть многократный щелчок), а дальше остается только тихое похрустывание
коронного разряда. Возможно, кстати, что те, совершенно эпичные, скорости
счета, которые Onodera приводит в своих таблицах, и объясняются кратными
и ложными импульсами. (В противном случае он может поздравить себя с тем, что
в процессе настройки и испытаний своего счетчика, он схватил преизрядную дозу
радиации.)
Если при конструировании счетчика Вам не удается получить режим счета, а вместо этого Вы все время получаете непрерывный коронный разряд (или длинные трели при счете), подавить коронный разряд помогает обычная бумага. Просто сверните трубку из писчей бумаги и вставьте внутрь металлической (фольговой) трубки, так чтобы металл (и в особенности края) были покрыты слоем бумаги.
Практика показывает, что без особых затруднений удается подобрать постоянную
времени заряда счетчика такой, чтобы он не выдавал звона и был способен (на
некотором расстоянии от источника излучения) срабатывать один-два раза в
секунду. Это в три-шесть раз выше фоновой скорости счета. Надо сказать, что
оригинальная конструкция счетчика, точно так же, как и упрощенная, способна
выдавать кратные импульсы, и для подавления этого режима ее точно так же
приходится питать через (бумажный) резистор. Только подбор величины этого
резистора осложняется трудно поддающимися учету утечками с проволочной метелки
и распределенным сопротивлением бумажного катода.
С учетом сказнного понятно, что серьезный прибор на таком счетчике не
сделаешь. И все же он слишком хорош, чтоб просто взять и вынести вердикт, что
он не пригоден. Такой счетчик идеален в качестве индикатора. Поднес к объекту -
счет увеличился. Отнес - счет уменьшился. Сразу видно, заражен объект или нет.
Другое дело, что простому индикатору, наверное, необязательно иметь цифровое
управление, обработку и индикацию. Вполне подойдет и обычный "щелкун". А в
этом случае, все становится особенно просто. Схема может быть собрана с нуля
меньше чем за час из доступных любому самодельщику деталей.
Ниже следует видео его работы.
<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА |
