Von einem Geigerzähler Streichhölzer und Arduine. Erster Teil - Theorie

Es war lange Zeit kein Problem, ein Gerät unter dem Codenamen „Haushaltsdosimeter“ zu kaufen (es würde Geld geben - in diesem Sinne haben Fukushima-Radiophobie und Radiophile (TM) einen Fehler gemacht), aber ich denke, dass es interessant wäre, dieses Gerät mit eigenen Händen herzustellen.


Das Herzstück unseres Gerätes wird ein Geigerzähler sein. Wir wissen natürlich, dass dieser Detektor viele Mängel aufweist und im Allgemeinen „das Gerät muss Szintillation sein“, aber das Szintillationsradiometer ist viel komplizierter und ich habe den folgenden Beitrag dafür. Darüber hinaus bietet der Geiger-Müller-Zähler eine Reihe unbestreitbarer Vorteile.

Also fangen wir an.

Detektor

Also der Geiger-Müller-Zähler. (Abb. 1) Die einfachste Vorrichtung, die aus zwei Elektroden besteht, die in einem gasförmigen Medium bei niedrigem Druck angeordnet sind, ist eine großflächige Kathode und eine Anode in Form eines mehr oder weniger dünnen Drahtes, die ein lokales Hochspannungsfeld erzeugt. in dem sich der Prozess der Ionenvermehrung entwickelt, aufgrund dessen ein einzelnes Ionenpaar eine starke Lawine der Ionisierung und Zündung einer unabhängigen Entladung verursachen kann.


Abb. 1. Geiger-Müller-Zähler. 1 - Anode, 2 - Kathode, 3 - Ballon, 4 - Kathodenleitung, 5, 6 - Federn, Spannen des Kathodenfadens.

Tatsächlich arbeitet der Zähler wie ein Thyratron mit einer kalten Kathode, nur die Entladung in ihm wird durch Ionisation entzündet, die nicht durch einen Impuls aus dem Gitter verursacht wird, sondern durch ein geladenes Teilchen, das durch das Gas fliegt. Nachdem sich die Entladung entzündet hat, muss sie entweder durch Entfernen der Spannung von der Anode gelöscht werden oder ... Entweder geht sie von selbst aus. Dazu muss jedoch etwas in das Gasmedium des Messgeräts eingeführt werden, das sich unter der Wirkung der Entladung in eine Form umwandelt, die das Gas für ultraviolette Strahlung undurchlässig macht, und aufgrund dessen einer der Faktoren, die die Aufrechterhaltung einer unabhängigen Entladung unterstützen, die Photoelektronenemission, verschwindet. Es gibt zwei solche Additive: Alkohol und Halogene (Chlor, Brom und Jod). Der erste in der Entladung zersetzt sich, verwandelt sich grob gesagt in Ruß und verwandelt sich dann nicht wieder in Alkohol, und nach mehreren Zehntausenden von Impulsen endet der Zähler. Und Halogene werden von molekularen atomar, und der Prozess ist reversibel. Sie enden auch - aufgrund der Tatsache, dass atomare Halogene leicht mit allem Schrecklichen reagieren, einschließlich der Gegenwände, aber häufiger schaffen sie es, sich wieder miteinander zu verbinden, so dass Halogenzähler viel haltbarer sind und Milliarden von Impulsen standhalten. Wir sind hauptsächlich an Halogenzählern interessiert, weil:

a) sie sind haltbarer,
b) sie arbeiten bei 400-500 V und nicht bei tausendeinhalb wie Alkohol,
c) Sie sind einfach die häufigsten.
In Tabelle 1 habe ich einige gängige Geigerzähler und ihre Hauptparameter aufgelistet.

Tabelle 1.
Die Hauptparameter einiger Geiger-Müller-Zähler.


Anmerkungen: 1 - Die Empfindlichkeit gegenüber Alphastrahlung ist nicht reguliert. 2 - Kleinserienzähler, Daten darauf sind rar.

Empfindlichkeit

Wenn Sie einen Geigerzähler für unser Dosimeter auswählen, müssen Sie zuerst dessen Empfindlichkeit überprüfen. Schließlich ist es unwahrscheinlich, dass Sie ein Gerät wollen, das nur dort etwas anzeigt, wo vor ein paar Stunden die Kuzkina-Mutter explodiert ist. Aber es gibt viele solcher Zähler, und wegen ihrer fast vollständigen Nutzlosigkeit für den Durchschnittsmenschen sind sie sehr billig. Dies sind alle Arten von SI-3BG, SI-13G und anderen "Doomsday-Zählern", die in Armeedosimetern stehen, um an der oberen Messgrenze zu arbeiten. Je empfindlicher der Zähler ist, desto mehr Impulse pro Sekunde werden bei gleichem Strahlungspegel abgegeben. Der klassische Zähler SBM-20 (in früheren Versionen auch STS-5 genannt), der traditionell in allen „Rasseln“ von Perestroika-Tschernobyl mit einem natürlichen Hintergrund von 12 μR / h eingesetzt wurde, liefert etwa 18 Impulse pro Minute. Von dieser Figur aus ist es bequem zu tanzen, wenn man die Empfindlichkeit des Zählers im SBM-20 berücksichtigt.

Was gibt uns die Empfindlichkeit des Zählers? Die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Reaktion. Tatsache ist, dass Partikel radioaktiver Strahlung nicht nach dem Zeitplan bei uns eintreffen, sondern nach Bedarf, und einige von ihnen werden vom Zähler übersehen, andere funktionieren (von Gammastrahlenphotonen - von etwa einem von mehreren hundert). Die Impulse vom Geigerzähler (und von jedem zählbaren Strahlungsdetektor) gehen also zu absolut zufälligen Zeiten mit unvorhersehbaren Intervallen zwischen ihnen. Wenn wir die Anzahl der Impulse in einer Minute, einer weiteren und einer dritten zählen, erhalten wir unterschiedliche Werte. Die Standardabweichung dieser Werte, dh der Fehler bei der Bestimmung der Zählrate, ist proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der aufgezeichneten Impulse. Je mehr Impulse vorhanden sind, desto geringer ist der relative Fehler (in Prozent des gemessenen Werts) ihrer Berechnung:

$$

$${{\ \ sigma_N} \ über {N}} = {{\ sqrt N} \ über {N}} = {{1} \ über {\ sqrt N}}$$

.
Wenn wir einen Detektor haben - die erwähnte "Referenz" SBM-20 und die Zählzeit - 40 Sekunden (dies wurde in einfachen Haushaltsdosimetern durchgeführt, die direkt die Anzahl der gezählten Impulse als Dosisleistungsniveau in μR / h anzeigen), beträgt die Anzahl der Impulse vor einem natürlichen Hintergrund ~ 10 Stück Dies bedeutet, dass die Standardabweichung etwa drei beträgt. Und der Fehler bei einem Konfidenzniveau von 95% ist doppelt so groß, dh 6 Impulse. Wir haben also ein trauriges Bild: Die Dosimeterwerte von 10 μR / h bedeuten, dass die Dosisleistung irgendwo zwischen 4 und 16 μR / h liegt. Und wir können nur dann über die Erkennung einer Anomalie sprechen, wenn das Dosimeter eine Abweichung von drei Sigma anzeigt, dh mehr als 20 μR / h ...

Um die Genauigkeit zu erhöhen, können Sie die Zählzeit erhöhen. Wenn wir dies drei Minuten lang tun, dh viermal so viel, vervierfachen wir die Anzahl der Impulse, was bedeutet, dass wir die Genauigkeit verdoppeln. Aber dann verlieren wir die Reaktion des Geräts auf kurze Strahlungsstöße, zum Beispiel auf Ihre „Exzellenz“, die Sie nach Szintigraphie oder Radiojodtherapie erhalten haben, oder umgekehrt, wenn Sie mit der SPD auf der Funkbasis an der Uhr vorbeikommen. Wenn wir einen viermal empfindlicheren Detektor (4 parallel geschaltete SBM-20, einen SBM-19, SBT-10 oder SI-8B) nehmen und die Messzeit gleich lassen, erhöhen wir die Genauigkeit und halten die Reaktionsgeschwindigkeit aufrecht.

Alpha, Beta, Gamma und Zähler Design

Alphastrahlung wird durch ein Stück Papier verzögert. Betastrahlung kann durch eine Plexiglasfolie abgeschirmt werden. Und aus harter Gammastrahlung müssen Sie eine Mauer aus Bleiziegeln bauen. Vielleicht weiß das jeder. Und das alles steht in direktem Zusammenhang mit Geigerzählern: Damit er die Strahlung spüren kann, muss sie zumindest in das Innere eindringen. Und doch sollte es nicht wie ein Neutrino durch die Erde fliegen.

Der Zählertyp SBM-20 (und sein älterer Bruder SBM-19 sowie der jüngere SBM-10 und SBM-21) haben ein Metallgehäuse, in dem keine speziellen Eingangsfenster vorhanden sind. Daraus folgt, dass von einer Empfindlichkeit gegenüber Alphastrahlung keine Rede ist. Beta-Strahlen fühlt er sich ganz gut, aber nur, wenn sie steif genug sind, um hinein zu dringen. Dies ist irgendwo von 300 keV. Aber er fühlt Gammastrahlung, beginnend mit ein paar zehn keV.

Und die SBT-10- und SI-8B-Zähler (sowie neu und aufgrund der Schrottpreise Beta-1,2 und 5 unzugänglich) anstelle einer massiven Stahlhülle haben ein großes Fenster aus dünnem Glimmer. Beta-Partikel mit Energien über 100-150 keV können dieses Fenster durchdringen, wodurch die für Stahlmeter absolut unsichtbare Kohlenstoff-14-Verschmutzung sichtbar wird. Ein Glimmerfenster ermöglicht es dem Zähler auch, Alpha-Partikel zu erfassen. In Bezug auf letztere muss man zwar die Dicke des Glimmers bestimmter Zähler betrachten. SBT-10 mit seinem dicken Glimmer sieht es also praktisch nicht, während Beta-1 und 2 dünneren Glimmer aufweisen, was die Detektionseffizienz von Plutonium-239-Alpha-Partikeln um etwa 20% ergibt. SI-8B - irgendwo in der Mitte zwischen ihnen.

Und jetzt zum Durchgang durch und durch. Tatsache ist, dass Alpha- und Betateilchen, ein Geigerzähler, fast alles registriert, was ins Innere gelangen könnte. Aber mit Gammastrahlen ist alles traurig. Damit ein Gamma-Quanten einen Impuls im Zähler verursacht, muss es ein Elektron aus seiner Wand schlagen. Dieses Elektron muss die Dicke des Metalls von dem Punkt an überwinden, an dem die Wechselwirkung mit der inneren Oberfläche auftrat, und daher ist das "Arbeitsvolumen" des Detektors, wo es mit Gammastrahlenphotonen wechselwirkt, die dünnste Metallschicht mit einer Dicke von einigen Mikrometern. Daraus ergibt sich, dass der Wirkungsgrad des Zählers für Gammastrahlung sehr gering ist - hundert- oder mehrmals weniger als für Betastrahlung.

Ernährung

Für den Betrieb benötigt ein Geigerzähler Hochspannungsstrom. Typische sowjetisch-russische Halogengeräte benötigen eine Spannung von ca. 400 V, viele westliche Messgeräte sind für 500 oder 900 V ausgelegt. Einige Messgeräte benötigen Spannungen von bis zu eineinhalb Kilovolt - dies sind alte Messgeräte mit Alkohollöschung wie MS und BC, Röntgenzähler für die Röntgenanalyse, Neutronen . Sie werden uns nicht viel interessieren. Das Messgerät wird über ein Vorschaltgerät mit mehreren Megaohm mit Strom versorgt. Es begrenzt den Stromimpuls und verringert die Spannung am Messgerät, nachdem der Impuls abgelaufen ist, wodurch das Löschen erleichtert wird. Der Wert dieses Widerstands ist in den Referenzdaten für ein bestimmtes Gerät angegeben - sein zu kleiner Wert verkürzt die Lebensdauer des Detektors und ein zu großer Wert erhöht die Totzeit. Normalerweise kann es ungefähr 5 Megaohm dauern.

Wenn die Spannung von Null ansteigt, arbeitet der Geigerzähler zuerst als gewöhnliche Ionisationskammer und dann als proportionaler Zähler: Jedes der Ionenpaare, die während des Durchgangs eines Partikels gebildet wurden, erzeugt ein kleines Ion, das den Ionenstrom um das Hunderttausende erhöht. Gleichzeitig können bereits sehr schwache Impulse, gemessen in Millivolt, am Lastwiderstand im Zählerkreis erfasst werden. Mit zunehmender Spannung werden die Lawinen immer mehr, und irgendwann beginnen sich die stärksten von ihnen zu stützen und entzünden eine unabhängige Entladung. In diesem Moment erscheinen anstelle schwacher Millivolt-Impulse von Lawinen, die durch den Zwischenelektrodenraum laufen und auf den Elektroden verschwinden, Riesenimpulse mit einer Amplitude von mehreren zehn Volt! Und ihre Frequenz steigt mit zunehmender Spannung schnell an, bis jede Lawine einen Entladungsblitz verursacht. Offensichtlich sollte die Zählrate mit einem weiteren Spannungsanstieg aufhören zu wachsen. Und so passiert es: Ein Plateau wird in Abhängigkeit von der Spannungsempfindlichkeit beobachtet.

Trotzdem lässt der Spannungsanstieg die Zählrate nicht unverändert: Eine Entladung kann einfach so durch spontane Emission erfolgen. Und mit zunehmender Spannung steigt nur die Wahrscheinlichkeit einer solchen Entladung. Daher stellt sich heraus, dass das Plateau geneigt ist, und ab einer bestimmten Spannung beginnt die Zählrate schnell zu wachsen, und dann wird die Entladung kontinuierlich. In diesem Modus erfüllt der Zähler natürlich nicht nur seine Funktion nicht, sondern fällt auch schnell aus.


Abb. 2. Die Abhängigkeit der Zählrate des Geigerzählers von der Versorgungsspannung.

Das Vorhandensein eines Plateaus erleichtert die Stromversorgung des Geigerzählers erheblich - es werden keine hochstabilen Hochspannungsquellen benötigt, die für Szintillationszähler erforderlich sind. Die Länge dieses Plateaus für Niederspannungsmessgeräte beträgt 80-100 V. In vielen sowjetischen Haushaltsdosimetern kooperativen Ursprungs und in fast allen Amateurkonstruktionen dieser Zeit wurde das Messgerät von einem Spannungswandler mit einem Sperrgenerator ohne Anzeichen einer Stabilisierung gespeist. Die Berechnung war wie folgt: Bei einer frischen Batterie entsprach die Spannung an der Anode des Zählers der oberen Grenze des Plateaus, so dass die Hochspannung auch bei einer ziemlich entladenen Batterie die untere Grenze des Plateaus erreichte.

Hintergrund und Totzeit

Jeder Detektor einer Strahlung hat immer ein dunkles Signal aufgezeichnet, wenn keine Strahlung auf den Detektor fällt. Der Geiger-Müller-Zähler ist keine Ausnahme. Eine der Quellen des dunklen Hintergrunds ist die oben erwähnte spontane Emission. Die zweite ist die Radioaktivität des Zählers selbst, die besonders für Zähler mit Glimmerfenster wichtig ist, da natürlicher Glimmer unweigerlich Verunreinigungen von Uran und Thorium enthält. Und wenn letzteres praktisch von nichts abhängt und eine Konstante für diesen Fall des Detektors ist, dann hängt der Hintergrund der spontanen Emission von der Größe der Hochspannung, der Temperatur und dem „Alter“ des Zählers ab. Aus diesem Grund wird es zu einer schlechten Idee, dem Messgerät eine nicht stabilisierte Spannung zuzuführen, die wir hauptsächlich bei der Messung niedriger Strahlungspegel verwenden werden: Der eigene Hintergrund des Messgeräts hängt sehr stark von der Versorgungsspannung ab.

Die Zählgeschwindigkeit aus dem intrinsischen Hintergrund erreicht das Geigerzählerniveau entsprechend 3-10 μR / h, dh sie ist ein signifikanter Bruchteil der Zählgeschwindigkeit unter normalen Strahlungsbedingungen. Besonders gut ist der Hintergrund der Glimmersensoren - SBT-10, SI-8B, Beta. Es muss also von den Messergebnissen abgezogen werden. Aber dafür müssen Sie wissen. Die Referenz hilft hier nicht weiter: Dort werden nur die Maximalwerte angegeben. Um Ihren eigenen Hintergrund zu messen, benötigen Sie ein Blei "Haus" mit einer Dicke von mindestens 5 cm, während die Innenfläche mit Kupferplatten von 2-3 mm Dicke und 5 mm Plexiglas bedeckt sein muss. Tatsache ist, dass das "Haus" von kosmischen Strahlen beschossen wird, was das Haus selbst zu einer Quelle für Röntgenstrahlung macht, hauptsächlich in den charakteristischen Linien von Blei. Und wenn Sie nur vor Blei schützen, ist dies ein fluoreszierendes „Leuchten“ und der „Zähler“ wird „sehen“ - anstelle der totalen „Dunkelheit“. Und Plexiglas wird von Elektronen benötigt, die aus Blei und Kupfer aus dem gleichen Raum geschlagen wurden, deren Energie auch für die Detektion durch einen Geigerzähler ausreicht.

Bei der Messung des Hintergrunds sollte berücksichtigt werden, dass das führende "Haus" kein Hindernis für Weltraummononen darstellt. Ihr Durchfluss beträgt ~ 0,015 $$$frequent / cm ^ 2 \ cdot mit$ . Zum Beispiel durch einen SBM-20-Zähler mit einer effektiven Fläche von ~ 8 $$$cm ^ 2$ 0,12 wird vergehen $$$frequent / s$ oder 7.2 $$$ppm$ . Aufgrund der hohen Energie kann die Effizienz der Aufzeichnung von Raummuonen durch fast jeden Geigerzähler als 100% angenommen werden, und dieser Wert sollte vom dunklen Hintergrund abgezogen werden.

Wenn der intrinsische Hintergrund bei niedrigen Pegeln eine Fehlerquelle darstellt, wirkt sich die Totzeit bei hohen Strahlungswerten aus. Die Essenz des Phänomens besteht darin, dass unmittelbar nach dem Impuls die Kapazität des Messgeräts noch nicht über den Lastwiderstand auf die Anfangsspannung aufgeladen wurde. Außerdem ging die Entladung im Messgerät nur aus - aber das Abschreckadditiv hatte noch keine Zeit gehabt, in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Daher erscheint ein Zähler bei 150-200 μs, wenn er gegenüber dem nächsten Partikel unempfindlich ist, wonach er die Empfindlichkeit allmählich wiederherstellt. (Abb. 3)


Abb. 3. Totzeit Geigerzähler

Die Korrektur für die Totzeit ergibt sich aus der Formel:

$$

$$n = {m \ über 1 + m \ tau},$$

wobei m bzw. n die gemessenen und angepassten Zählraten sind und $$$\ tau$ - Totzeit.

Bei sehr hohen Strahlungswerten wirken sich viele Geigerzähler (dies hängt auch vom Rest des Stromkreises ab) unangenehm und gefährlich aus: Eine konstante Ionisierung verhindert die Bildung einzelner Impulse. Der Zähler beginnt kontinuierlich mit einer konstanten Entladung zu "brennen" und die Zählrate fällt stark auf einen sehr kleinen Wert ab. Anstatt die Skala zu verlassen, zeigt das Dosimeter einige mäßig erhöhte oder sogar fast normale Zahlen. In der Zwischenzeit scheinen Dutzende und Hunderte von Röntgenstrahlen pro Stunde um Sie herum und Sie sollten rennen, aber das Dosimeter beruhigt Sie. Aus diesem Grund gibt es in Armeedosimetern neben dem Hauptempfindlichen fast immer einen Weltuntergangszähler, der sehr unempfindlich ist, aber Tausende von U / h verdauen kann.

Von der Zählrate bis zur Dosis. Steifheit und andere schlechte Dinge

Im Allgemeinen misst ein Geigerzähler nicht die Dosisleistung. Wir erhalten nur die Zählgeschwindigkeit - wie viele Impulse pro Minute oder Sekunde der Zähler ausgegeben hat. Zur Dosis - der Energie, die in einem Kilogramm des menschlichen Körpers (oder etwas anderem) absorbiert wird, hat dies eine sehr entfernte Beziehung. Zuallererst - im Zusammenhang mit dem Wirkprinzip: Der Geigerzähler kümmert sich absolut nicht um die Natur des Teilchens und seine Energie. Impulse von Photonen jeglicher Energie, Betateilchen, Myonen, Positronen, Protonen - sind gleich. Die Wirksamkeit der Registrierung ist jedoch unterschiedlich.

Wie ich bereits sagte, wird Betastrahlung von einem Geigerzähler mit einem Wirkungsgrad von mehreren zehn Prozent aufgezeichnet. Und Gamma-Gamma-Quanten - nur ein Bruchteil eines Prozent. Und das alles ähnelt Faltmetern mit Kilogramm und sogar mit beliebigen Koeffizienten. Außerdem ist die Empfindlichkeit des Zählers gegenüber Gammastrahlung bei verschiedenen Energien nicht gleich (Abb. 4). Die Dosisempfindlichkeit gegenüber Strahlung unterschiedlicher Energien kann sich um fast eine Größenordnung unterscheiden. Die Natur dieses Phänomens ist verständlich: Gammastrahlung mit niedriger Energie hat eine viel größere Wahrscheinlichkeit, von einer dünnen Materieschicht absorbiert zu werden. Je niedriger die Energie, desto höher der Wirkungsgrad (bis die Absorption beginnt, die Gegenwände zu beeinflussen). Im Hochenergiebereich hingegen: Mit zunehmender Energie steigt die Detektionseffizienz, was unter Detektoren für ionisierende Strahlung ein eher ungewöhnliches Phänomen ist.


Abb. 4. Energieabhängigkeit der Dosisempfindlichkeit des Geiger-Müller-Zählers (links) und des Ergebnisses seiner Kompensation mit einem Filter.

Glücklicherweise ist bei hohen Energien (über 0,5-1 MeV) der Wirkungsgrad des Geigerzählers für Gammastrahlung nahezu proportional zur Energie. Die Energieabhängigkeit der dortigen Dosisempfindlichkeit ist also gering. Und der Buckel bei niedrigen Energien lässt sich mit einem etwa 0,5 mm dicken Bleifilter leicht entfernen.Die Dicke des Filters wird so gewählt, dass bei einer Energie, die der maximalen Empfindlichkeit des Detektors entspricht (dies sind 50-100 keV, abhängig von der Dicke des Eingangsfensters des Detektors), das Absorptionsverhältnis die Größe dieses Peaks ist. Je größer die Energie, desto weniger Blei absorbiert und bei 500-1000 keV, wo sich die Empfindlichkeit des Detektors selbst ausrichtet, ist sie fast nicht wahrnehmbar.

Eine genauere Korrektur kann mit einem Mehrschichtfilter aus verschiedenen Metallen erreicht werden, der für einen bestimmten Zähler ausgewählt werden muss.

Ein solcher Filter reduziert den „Hub mit Steifheit“ über den gesamten Bereich von 50–3000 keV auf einen Wert von 15–20% und verwandelt den Indikator (also Suchradiometer-Indikator) in ein Dosimeter.

Ein solcher Filter wird normalerweise entfernbar gemacht, weil er den Sensor unempfindlich gegenüber Alpha- und Betastrahlung macht.

***.

Im Allgemeinen ist dies alles, was Sie über den Geiger-Müller-Zähler für den darauf basierenden Instrumentendesigner wissen müssen. Wie Sie sehen können, ist das Gerät in der Tat unkompliziert, obwohl es eine Reihe von Feinheiten gibt. In der nächsten Reihe werden wir darauf basierend etwas Nützliches konstruieren.