Darba Geigera skaitītājs ar minimālām daļām: 4 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Šeit ir, cik man zināms, vienkāršākais funkcionējošais Geigera skaitītājs, ko varat izveidot. Šajā tiek izmantota Krievijā ražota SMB-20 Geigera caurule, ko darbina augstsprieguma pastiprināšanas ķēde, kas aplaupīta no elektroniskā mušas sitēja. Tas nosaka beta daļiņas un gamma starus, izdodot klikšķi par katru konstatēto radioaktīvo daļiņu vai gammas staru pārrāvumu. Kā redzat iepriekš redzamajā videoklipā, tas ik pēc dažām sekundēm noklikšķina no fona starojuma, bet patiešām atdzīvojas, kad starojuma avoti, piemēram, urāna stikls, torija laternas apvalki vai dūmu detektoru amerikāņu pogas tiek tuvināti. Es izveidoju šo skaitītāju, lai palīdzētu man identificēt radioaktīvos elementus, kas nepieciešami, lai aizpildītu savu elementu kolekciju, un tas darbojas lieliski! Vienīgais šī skaitītāja patiesais trūkums ir tas, ka tas nav ļoti skaļš, un tas neaprēķina un nerāda uztveramā starojuma daudzumu minūtēs. Tas nozīmē, ka jūs nesaņemat nekādus faktiskus datu punktus, tikai vispārēju priekšstatu par radioaktivitāti, pamatojoties uz dzirdēto klikšķu skaitu.

Lai gan tīklā ir pieejami dažādi Geigera skaitītāju komplekti, jūs varat izveidot savu no nulles, ja jums ir pareizās sastāvdaļas. Sāksim!

1. darbība: Geigera skaitītāji un radiācija: kā tas viss darbojas

Geigera skaitītājs (vai Geigera-Millera skaitītājs) ir starojuma detektors, ko 1928. gadā izstrādāja Hanss Geigers un Volters Millers. Mūsdienās gandrīz visi ir pazīstami ar klikšķu skaņām, ko tas rada, kad tiek atklāts kaut kas, ko bieži uzskata par skaņu. starojums. Ierīces sirds ir Geigera-Millera caurule, metāla vai stikla cilindrs, kas piepildīts ar inertām gāzēm un tiek turēts zemā spiedienā. Caurules iekšpusē ir divi elektrodi, no kuriem viens tiek turēts ar augstsprieguma potenciālu (parasti 400–600 volti), bet otrs ir pievienots elektriskai zemei. Kad caurule atrodas miera stāvoklī, neviena strāva nespēj pārlēkt spraugu starp diviem caurules iekšpusē esošajiem elektrodiem, tāpēc strāva neplūst. Tomēr, kad caurulē nokļūst radioaktīva daļiņa, piemēram, beta daļiņa, daļiņa jonizē gāzi caurules iekšpusē, padarot to vadošu un ļaujot strāvai īsu brīdi pārlēkt starp elektrodiem. Šī īsa strāvas plūsma izraisa ķēdes detektora daļu, kas izdod dzirdamu “klikšķi”. Vairāk klikšķu nozīmē lielāku starojumu. Daudziem Geigera skaitītājiem ir arī iespēja saskaitīt klikšķu skaitu un aprēķināt skaitu minūtē jeb MPT un parādīt to ciparnīcā vai rādījuma displejā.

Aplūkosim Geigera skaitītāja darbību citā veidā. Galvenais Geigera skaitītāja darbības princips ir Geigera caurule un tas, kā tas izveido augstspriegumu uz viena elektroda. Šis augstspriegums ir kā stāva kalna nogāze, kas klāta dziļā sniegā, un viss, kas nepieciešams, ir niecīgs starojuma enerģijas daudzums (līdzīgs slēpotājam, kas dodas lejup pa nogāzi), lai sāktu lavīnu. Sekojošā lavīna sevī nes daudz vairāk enerģijas nekā pati daļiņa, pietiekami daudz enerģijas, lai to varētu noteikt pārējā Geigera skaitītāja ķēde.

Tā kā, iespējams, ir pagājis kāds laiks, kopš daudzi no mums sēdēja klasē un uzzināja par radiāciju, šeit ir ātra atsvaidzināšana.

Matērija un atoma uzbūve

Visa matērija sastāv no sīkām daļiņām, ko sauc par atomiem. Atomi paši sastāv no vēl mazākām daļiņām, proti, protoniem, neitroniem un elektroniem. Protoni un neitroni ir salikti kopā atoma centrā - šo daļu sauc par kodolu. Elektroni riņķo ap kodolu.

Protoni ir pozitīvi lādētas daļiņas, elektroni ir negatīvi lādēti, un neitroniem nav lādiņa, un tāpēc tie ir neitrāli, līdz ar to arī to nosaukums. Neitrālā stāvoklī katrs atoms satur vienādu protonu un elektronu skaitu. Tā kā protoniem un elektroniem ir vienādi, bet pretēji lādiņi, tas atomam piešķir neitrālu neto lādiņu. Tomēr, ja atomu protonu un elektronu skaits nav vienāds, atoms kļūst par lādētu daļiņu, ko sauc par jonu. Geigera skaitītāji spēj noteikt jonizējošo starojumu - starojuma veidu, kas spēj pārveidot neitrālos atomus jonos. Trīs dažādi jonizējošā starojuma veidi ir alfa daļiņas, beta daļiņas un gamma stari.

Alfa daļiņas

Alfa daļiņa sastāv no diviem neitroniem un diviem kopā savienotiem protoniem, un tā ir ekvivalents hēlija atoma kodolam. Daļiņa rodas, kad tā vienkārši atdalās no atomu kodola un lido. Tā kā tai nav neviena negatīvi lādēta elektrona, lai atceltu abu protonu pozitīvo lādiņu, alfa daļiņa ir pozitīvi lādēta daļiņa, ko sauc par jonu. Alfa daļiņas ir jonizējošā starojuma veids, jo tām piemīt spēja nozagt elektronus no apkārtējās vides un tādējādi pārveidojot atomus, no kuriem tie nozog, paši par joniem. Lielās devās tas var izraisīt šūnu bojājumus. Radioaktīvās sabrukšanas radītās alfa daļiņas ir lēnas kustības, salīdzinoši lielas, un to lādiņa dēļ tās nevar viegli iziet cauri citām lietām. Daļiņa galu galā no vides uztver dažus elektronus, un, to darot, kļūst par likumīgu hēlija atomu. Tādā veidā tiek ražots gandrīz viss zemes hēlijs.

Beta daļiņas

Beta daļiņa ir elektrons vai pozitrons. Pozitrons ir kā elektrons, bet tam ir pozitīvs lādiņš. Beta-mīnus daļiņas (elektroni) tiek emitētas, kad neitrons sadalās protonā, un Beta-plus daļiņas (pozitroni), kad protons sadalās neitronā.

Gamma stari

Gamma stari ir augstas enerģijas fotoni. Gamma stari atrodas elektromagnētiskajā spektrā, ārpus redzamās gaismas un ultravioletā starojuma. Viņiem ir liela iespiešanās jauda, un to spēja jonizēt ir saistīta ar faktu, ka viņi var izsist elektronus no atoma.

SMB-20 caurule, kuru mēs izmantosim šai konstrukcijai, ir izplatīta Krievijā ražota caurule. Tam ir plāna metāla apvalks, kas darbojas kā negatīvais elektrods, bet metāla stieple, kas gareniski iet caur caurules centru, kalpo kā pozitīvais elektrods. Lai caurule varētu noteikt radioaktīvās daļiņas vai gamma starus, šai daļiņai vai staram vispirms jāiekļūst caurulītes plānā metāla ādā. Alfa daļiņas parasti to nespēj, jo parasti tās aiztur caurules sienas. Citām Geigera caurulēm, kas paredzētas šo daļiņu noteikšanai, bieži ir īpašs logs, ko sauc par alfa logu, kas ļauj šīm daļiņām iekļūt caurulē. Logs parasti ir izgatavots no ļoti plāna vizlas slāņa, un Geigera caurulei jābūt ļoti tuvu Alfa avotam, lai uzņemtu daļiņas, pirms tās absorbē apkārtējais gaiss. * Nopūta* Tātad ar starojumu pietiek, ķersimies pie šīs lietas veidošanas.

2. darbība: apkopojiet instrumentus un materiālus

Nepieciešamie materiāli:

• SMB-20 Geigera caurule (eBay pieejama par aptuveni 20 USD)
• Augstsprieguma līdzstrāvas pastiprināšanas ķēde, kas aplaupīta no lēta elektroniska mušas muca. Šis ir konkrētais modelis, kuru es izmantoju:
• Zener diodes ar kopējo kopējo vērtību aptuveni 400v (ideāli būtu četras 100v)
• Rezistori ar kopējo kopējo vērtību 5 Megohm (es izmantoju piecus 1 Megohm)
• Tranzistors - NPN tips, es izmantoju 2SC975
• Pjezo skaļruņu elements (atņemts no mikroviļņu krāsns vai trokšņainas elektroniskas rotaļlietas)
• 1 x AA baterija
• AA bateriju turētājs
• Ieslēgšanas/izslēgšanas slēdzis (es izmantoju SPST mirkļa slēdzi no elektroniskā mušas)
• Izgrieziet elektrības vadu gabalus
• Koka, plastmasas vai cita nevadoša materiāla lūžņu gabals, ko izmantot kā pamatni ķēdes veidošanai

Manis izmantotie rīki:

• Lodāmurs "Zīmulis"
• Maza diametra kolofonija serde lodēšanai elektriskiem nolūkiem
• Karstās līmes pistole ar atbilstošiem līmes spieķiem
• Stiepļu griezēji
• Stiepļu noņēmēji
• Skrūvgriezis (elektroniskā mušas plūsmas nojaukšanai)

Lai gan šī ķēde ir veidota ap SMB-20 cauruli, kas spēj noteikt beta daļiņas un gamma starus, to var viegli pielāgot dažādu cauruļu izmantošanai. Vienkārši pārbaudiet konkrētās caurules darba sprieguma diapazonu un citas specifikācijas un attiecīgi pielāgojiet sastāvdaļu vērtības. Lielākas caurules ir jutīgākas nekā mazākas, vienkārši tāpēc, ka tās ir lielāki mērķi daļiņām trāpīt.

Lai izmantotu Geigera caurules, ir nepieciešams augsts spriegums, tāpēc mēs izmantojam līdzstrāvas pastiprināšanas ķēdi no elektroniskās mušas, lai palielinātu akumulatora 1,5 voltu spriegumu līdz aptuveni 600 voltiem (sākotnēji mušas vārsts darbojās 3 volti, izvadot aptuveni 1200 V. zapping mušas. Palaidiet to ar lielāku spriegumu, un jums būtu taser). SMB-20 patīk braukt ar 400 V spriegumu, tāpēc mēs izmantojam zener diodes, lai regulētu spriegumu līdz šai vērtībai. Es izmantoju trīspadsmit 33 V zenerus, bet citas kombinācijas darbotos tikpat labi, piemēram, 4 x 100 V zeners, ja vien zeneru vērtību kopsumma ir mērķa spriegums, šajā gadījumā 400.

Rezistorus izmanto, lai ierobežotu caurules strāvu. SMB-20 patīk anoda (pozitīvās puses) rezistors ar aptuveni 5M omi, tāpēc es izmantoju piecus 1M omu rezistorus. Jebkuru rezistoru kombināciju var izmantot, ja vien to vērtības ir aptuveni 5M omi.

Pjezo skaļruņu elements un tranzistors veido ķēdes detektora daļu. Pjezo skaļruņa elements izstaro klikšķu troksni, un garie vadi ļauj turēt to tuvāk ausij. Man ir paveicies, izglābjot viņus no tādām lietām kā mikroviļņu krāsns, modinātājs un citas lietas, kas rada kaitinošus pīkstienus. Atrastajam ir jauks plastmasas korpuss, kas palīdz pastiprināt no tā radušos skaņu.

Tranzistors palielina klikšķu skaitu. Jūs varat izveidot ķēdi bez tranzistora, taču ķēdes radītie klikšķi nebūs tik skaļi (ar to es domāju tik tikko dzirdamus). Es izmantoju 2SC975 tranzistoru (NPN tips), bet daudzi citi tranzistori, iespējams, darbotos. 2SC975 burtiski bija tikai pirmais tranzistors, ko izvilku no savas izglābto komponentu kaudzes.

Nākamajā solī mēs nojauksim elektrisko mušu plūsmu. Neuztraucieties, tas ir viegli.

3. solis: izjauciet mušas svaidītāju

Elektronisko mušu plātņu konstrukcija var nedaudz atšķirties, taču, tā kā mēs atrodamies tikai pēc elektronikas iekšpusē, vienkārši saplēšiet to un izvelciet iekšas. Iepriekš redzamajos attēlos redzamais pūtējs patiesībā ir nedaudz atšķirīgs no tā, ko es iebūvēju skaitītājā, jo šķiet, ka ražotājs ir mainījis savu dizainu.

Sāciet, noņemot visas redzamās skrūves vai citus stiprinājumus, kas to tur kopā, un nepievērsiet uzmanību uzlīmēm vai tādām lietām kā akumulatora pārsegs, kas varētu slēpt papildu stiprinājumus. Ja lieta joprojām netiek atvērta, tas var aizņemt kādu skrūvgriezi gar šuvju plastmasas korpusa šuvēm.

Kad esat to atvēris, jums būs jāizmanto stiepļu griezēji, lai nogrieztu vadus pie mušas rāvējslēdzēja tīkla režģa. Divi melni vadi (dažreiz citas krāsas) nāk no vienas vietas uz tāfeles, un katrs no tiem noved pie viena no ārējiem režģiem. Tie ir negatīvie jeb "zemējuma" vadi augstsprieguma izejai. Tā kā šie vadi nāk no vienas un tās pašas vietas uz shēmas plates, un mums vajag tikai vienu, dodieties uz priekšu un nogrieziet vienu pie shēmas plates, novietojot lūžņu vadu malā vēlākai lietošanai.

Ir jābūt vienam sarkanam vadam, kas ved uz iekšējo režģi, un tā ir pozitīvā augstsprieguma izeja.

Pārējie vadi, kas nāk no shēmas plates, nonāk akumulatora kārbā, un tas, kura galā ir atspere, ir negatīvais savienojums. Diezgan vienkārši.

Ja jūs nojaucat vālotāja galvu, iespējams, lai nodalītu detaļas otrreizējai pārstrādei, uzmanieties, vai metāla sietai nav asu malu.

4. solis: izveidojiet ķēdi un izmantojiet to

Kad esat iegādājies komponentus, tie ir jāpielodē kopā, lai izveidotu shēmu, kas parādīta diagrammā. Es visu karsti pielīmēju pie caurspīdīga plastmasas gabala, kas man bija uzlikts. Tas nodrošina izturīgu un uzticamu ķēdi, kā arī izskatās diezgan labi. Pastāv neliela iespēja, ka varat pieskarties šīs ķēdes daļām, kamēr tās ir pieslēgtas pie sprieguma, piemēram, savienojumam pie pjezo skaļruņa, taču, ja rodas problēma, varat vienkārši pārklāt savienojumus ar karstu līmi.

Kad man beidzot bija visas sastāvdaļas, kas vajadzīgas, lai izveidotu ķēdi, es to pēcpusdienā sametu kopā. Atkarībā no tā, kādas komponentu vērtības jums ir, jūs varētu izmantot mazāk komponentu nekā es. Varat arī izmantot mazāku Geigera cauruli un padarīt skaitītāju ļoti kompaktu. Geigera rokas pulkstenis, kāds?

Tagad jums varētu rasties jautājums: kam man vajadzīgs Geigera skaitītājs, ja man nav nekā radioaktīva, uz ko to norādīt? Skaitītājs ik pēc dažām sekundēm noklikšķinās tikai no fona starojuma, ko veido kosmiskie stari un tamlīdzīgi. Bet ir daži starojuma avoti, kurus varat izmantot, lai izmantotu savu skaitītāju:

Ameriks no dūmu detektoriem

Americium ir cilvēka radīts (nevis dabiski sastopams) elements, un to izmanto jonizācijas tipa dūmu detektoros. Šie dūmu detektori ir ļoti izplatīti, un, iespējams, jūsu mājās ir daži. Patiesībā to ir diezgan viegli pateikt, jo uz visiem tiem ir vārdi, kas satur radioaktīvo vielu Am 241, kas ielieta plastmasā. Americium americium dioksīda veidā ir pārklāts ar nelielu metāla pogu iekšpusē, kas uzstādīts nelielā korpusā, kas pazīstams kā jonizācijas kamera. Ameriku parasti pārklāj ar plānu zelta vai cita korozijizturīga metāla slāni. Jūs varat atvērt dūmu detektoru un izņemt mazo pogu - tas parasti nav ļoti grūti.

Kāpēc starojums dūmu detektorā?

Detektora jonizācijas kameras iekšpusē ir divas metāla plāksnes, kas atrodas viena otrai pretī. Vienai no tām ir pievienota poga americium, kas izstaro nemainīgu alfa daļiņu plūsmu, kas šķērso nelielu gaisa spraugu un pēc tam tiek absorbēta otrā plāksnē. Gaiss starp abām plāksnēm kļūst jonizēts un tāpēc ir nedaudz vadošs. Tas ļauj plūst nelielai strāvai starp plāksnēm, un šo strāvu var noteikt ar dūmu detektora shēmu. Kad dūmu daļiņas iekļūst kamerā, tās absorbē alfa daļiņas un pārtrauc ķēdi, izraisot trauksmi.

Jā, bet vai tas ir bīstami?

Izstarotais starojums ir salīdzinoši labdabīgs, bet, lai būtu drošs, es iesaku:

• Glabājiet americium pogu drošā vietā prom no bērniem, vēlams kāda veida bērniem nepieejamā traukā
• Nekad nepieskarieties tās pogas sejai, uz kuras ir uzklāts amerikijs. Ja nejauši pieskaraties pogas sejai, nomazgājiet rokas

Urāna stikls

Urāns oksīda veidā ir izmantots kā stikla piedeva. Tipiskākā urāna stikla krāsa ir slimīgi gaiši dzeltenīgi zaļa, kas 20. gados radīja iesauku “vazelīna stikls” (balstoties uz līdzību ar vazelīna izskatu, kāds tajā laikā bija formulēts un komerciāli pārdots). Blusu tirgos un antikvariātu veikalos to redzēsiet kā “vazelīna stiklu”, un jūs parasti to varat lūgt ar šādu nosaukumu. Urāna daudzums stiklā svārstās no izsekojamības līmeņa līdz aptuveni 2% no svara, lai gan daži 20. gadsimta gabali tika izgatavoti ar līdz 25% urāna! Lielākā daļa urāna stikla ir ļoti nedaudz radioaktīvi, un es nedomāju, ka to ir bīstami apstrādāt.

Jūs varat apstiprināt stikla urāna saturu ar melno gaismu (ultravioleto gaismu), jo viss urāna stikls fluorescē spilgti zaļā krāsā neatkarīgi no tā, kādā krāsā stikls parādās normālā apgaismojumā (kas var ievērojami atšķirties). Jo spožāks gabals spīd ultravioletajā gaismā, jo vairāk tajā ir urāna. Kamēr urāna stikla gabali spīd ultravioletajā gaismā, tie arī izstaro savu gaismu zem jebkura gaismas avota, kas satur ultravioleto starojumu (piemēram, saules gaisma). Augstas enerģijas ultravioletie gaismas viļņu garumi skar urāna atomus, virzot to elektronus augstākā enerģijas līmenī. Kad urāna atomi atgriežas normālā enerģijas līmenī, tie izstaro gaismu redzamajā spektrā.

Kāpēc urāns?

Rādija atklāšana un izolēšana urāna rūdā (pitchblende), ko veica Marija Kirī, izraisīja urāna ieguves attīstību, lai iegūtu rādiju, kas tika izmantots tumsā mirdzošu krāsu ražošanai pulksteņu un lidmašīnu ciparnīcām. Tas atstāja milzīgu urāna daudzumu kā atkritumus, jo viena grama rādija iegūšanai nepieciešamas trīs tonnas urāna.

Torija kempinga laternu apvalki

Toriju izmanto kempinga laternu apvalkos torija dioksīda veidā. Pirmo reizi uzkarsējot, apvalka poliestera daļa izdeg, savukārt torija dioksīds (kopā ar citām sastāvdaļām) saglabā apvalka formu, bet kļūst par sava veida keramiku, kas kvēlo, kad tiek uzkarsēta. Torijs vairs netiek izmantots šai lietojumprogrammai, jo lielākā daļa uzņēmumu to pārtrauca 90. gadu vidū, un to aizstāja citi elementi, kas nav radioaktīvi. Torijs tika izmantots, jo tas padara apvalkus ļoti spoži mirdzošus, un šo spilgtumu gluži neatbilst jaunākajiem, neradioaktīvajiem apvalkiem. Kā zināt, vai jūsu mantija patiešām ir radioaktīva? Šeit ierodas Geigera skaitītājs. Mantijas, ar kurām esmu saskārusies, padara Geigera skaitītāju traku, daudz vairāk nekā urāna stikls vai amerikāņa pogas. Nav tik daudz, ka torijs ir radioaktīvāks nekā urāns vai amerikānis, bet laternas apvalkā ir daudz vairāk radioaktīvo materiālu nekā šajos citos avotos. Tāpēc patiešām dīvaini sastapt tik daudz starojuma patēriņa precēs. Tie paši drošības pasākumi, kas attiecas uz americium pogām, attiecas arī uz laternu apvalkiem.

Paldies visiem, ka lasījāt! Ja jums patīk šī pamācība, es piedalos konkursā “veidot rīku”, un es ļoti novērtētu jūsu balsojumu! Es arī labprāt uzklausīšu jūsu viedokli, ja jums ir komentāri vai jautājumi (vai pat padomi/ieteikumi/konstruktīva kritika), tāpēc nebaidieties atstāt tālāk minētos.

Īpašs paldies manam draugam Lukai Rodrigesam par skaisto shēmas shēmu šim pamācībai.