Durante mucho tiempo no ha sido un problema comprar un dispositivo con el nombre clave "dosímetro doméstico" (habría dinero, en este sentido, la fobia a la radio de Fukushima y el radiophile (TM) lo habían estropeado), pero creo que sería interesante hacer este dispositivo usted mismo.
El corazón de nuestro dispositivo será un contador Geiger. Sabemos, por supuesto, que este detector tiene muchas deficiencias y, en general, "el dispositivo debe ser centelleante", pero el radiómetro de centelleo es mucho más complicado y tengo la siguiente publicación. Además, el contador Geiger-Muller tiene una serie de ventajas indiscutibles.
Entonces comencemos.
Detector
Entonces, el contador Geiger-Muller. (Fig. 1) El dispositivo más simple, que consta de dos electrodos colocados en un medio gaseoso a baja presión, es un cátodo con un área grande y un ánodo en forma de un cable más o menos delgado, que crea un campo local de alta tensión. en el cual se desarrolla el proceso de multiplicación de iones, debido a que un solo par de iones puede causar una poderosa avalancha de ionización e ignición de una descarga independiente.
Fig. 1. Contador Geiger-Muller. 1 - ánodo, 2 - cátodo, 3 - globo, 4 - cable de cátodo, 5, 6 - resortes, tensando el hilo del cátodo.De hecho, el contador funciona como un tiratrón con un cátodo frío, solo la descarga en él se enciende por ionización, causada no por un pulso de la red, sino por una partícula cargada que vuela a través del gas. Después de que se haya encendido la descarga, debe extinguirse eliminando el voltaje del ánodo o ... O se apagará por sí solo. Pero para esto, es necesario introducir algo en el medio gaseoso del medidor, que, bajo la acción de la descarga, se transformará en una forma que hará que el gas se vuelva opaco a la radiación ultravioleta y, debido a esto, desaparecerá uno de los factores que respaldan el mantenimiento de una descarga independiente, la emisión de fotoelectrones. Hay dos de estos aditivos: alcohol y halógenos (cloro, bromo y yodo). El primero en la descarga se descompone, convirtiéndose, en términos generales, en hollín, y luego no vuelve a convertirse en alcohol, y después de varias decenas de miles de pulsos, el contador terminará. Y los halógenos se vuelven atómicos a partir de los moleculares, y el proceso es reversible. También terminan, debido al hecho de que los halógenos atómicos reaccionan fácilmente con cualquier cosa horrible, incluidas las paredes del mostrador, pero con mayor frecuencia logran recombinarse entre sí, por lo que los contadores de halógeno son mucho más duraderos y soportan miles de millones de pulsos. Estamos principalmente interesados en los contadores de halógeno, porque:
a) son más duraderos,
b) funcionan a 400-500 V, y no a mil y medio, como el alcohol,
c) son simplemente los más comunes.
En la tabla 1, he enumerado varios contadores Geiger comunes y sus parámetros principales.
Tabla 1.
Los parámetros principales de algunos contadores Geiger-Muller.
Notas: 1 - la sensibilidad a la radiación alfa no está regulada; 2 - contador de lotes pequeños, los datos son escasos.Sensibilidad
Al elegir un contador Geiger para nuestro dosímetro, primero debe observar su sensibilidad. Después de todo, es poco probable que desee un dispositivo que muestre algo solo donde hace un par de horas explotó la Madre Kuzkina. Pero hay muchos de esos medidores, y por su inutilidad casi completa para la persona promedio, son muy baratos. Estos son todo tipo de SI-3BG, SI-13G y otros "contadores del día del juicio final", que se colocan en dosímetros del ejército para trabajar en el límite superior de las mediciones. Cuanto más sensible sea el contador, más pulsos por segundo dará al mismo nivel de radiación. El contador clásico SBM-20 (también llamado STS-5 de versiones anteriores), que tradicionalmente se colocó en todos los "sonajeros" de Perestroika-Chernobyl, con un fondo natural de 12 μR / h, produce aproximadamente 18 pulsos por minuto. De esta figura es conveniente bailar, considerando la sensibilidad del contador en el SBM-20.
¿Qué nos da la sensibilidad del contador? La precisión y velocidad de la reacción. El hecho es que las partículas de radiación radiactiva nos llegan no de acuerdo con el cronograma, sino como debe hacerlo, y algunas de ellas serán extrañadas por el contador, pero algunas funcionarán (de los fotones de rayos gamma, de aproximadamente uno de varios cientos). Entonces, los pulsos del contador Geiger (y de cualquier detector de radiación
contable ) van a tiempos absolutamente aleatorios con intervalos impredecibles entre ellos. Y contando el número de pulsos en un minuto, otro, tercero, obtenemos valores diferentes. Y la desviación estándar de estos valores, es decir, el error al determinar la tasa de conteo, será proporcional a la raíz cuadrada del número de pulsos registrados. Cuantos más pulsos haya, menor será el error relativo (en porcentaje del valor medido) de su cálculo:
.
Cuando tenemos un detector, la SBM-20 de "referencia" mencionada, y el tiempo de conteo, 40 segundos (esto se hizo en dosímetros domésticos simples, mostrando directamente el número de pulsos contados como el nivel de tasa de dosis en μR / h), en un contexto natural, el número de pulsos es ~ 10 piezas Y esto significa que la desviación estándar es de aproximadamente tres. Y el error al 95% de nivel de confianza es el doble, es decir, 6 pulsos. Por lo tanto, tenemos una imagen triste: las lecturas del dosímetro de 10 μR / h significan que la tasa de dosis oscila entre 4 y 16 μR / h. Y podemos hablar sobre la detección de una anomalía solo cuando el dosímetro muestra una desviación de tres sigma, es decir, más de 20 μR / h ...
Para aumentar la precisión, puede aumentar el tiempo de conteo. Si lo hacemos durante tres minutos, es decir, cuatro veces más, cuadruplicaremos el número de pulsos, lo que significa que duplicaremos la precisión. Pero luego perderemos la respuesta del dispositivo a ráfagas cortas de radiación, por ejemplo, a su "excelencia" que pasa por usted después de la gammagrafía o la terapia con yodo radiactivo, o viceversa, cuando pasa el reloj con el SPD en la base de la radio. Y tomando un detector cuatro veces más sensible (4 SBM-20 conectados en paralelo, uno SBM-19, SBT-10 o SI-8B) y dejando el tiempo de medición igual, aumentaremos la precisión y mantendremos la velocidad de reacción.
Diseño alfa, beta, gamma y contador
La radiación alfa se retrasa por un pedazo de papel. La radiación beta puede protegerse con una lámina de plexiglás. Y a partir de la radiación gamma dura, necesita construir un muro de ladrillos de plomo. Quizás todos lo sepan. Y todo esto está directamente relacionado con los contadores Geiger: para que él sienta la radiación, es necesario que al menos penetre en su interior. Y, sin embargo, no debería volar como un neutrino a través de la Tierra.
El mostrador tipo SBM-20 (y su hermano mayor SBM-19 y el SBM-10 y SBM-21 más jóvenes) tienen una carcasa metálica en la que no hay ventanas de entrada especiales. De esto se deduce que no se trata de ninguna sensibilidad a la radiación alfa. Los rayos beta se sienten bastante bien, pero solo si son lo suficientemente rígidos como para penetrar en su interior. Esto está en algún lugar de 300 keV. Pero siente radiación gamma, comenzando con un par de decenas de keV.
Y los contadores SBT-10 y SI-8B (además de nuevos e inaccesibles debido a los precios de la chatarra Beta-1,2 y 5) en lugar de una carcasa de acero sólido tienen una amplia ventana de mica delgada. Las partículas beta con energías superiores a 100-150 keV pueden penetrar a través de esta ventana, lo que permite ver la contaminación de carbono 14, que es absolutamente invisible para los medidores de acero. Además, una ventana de mica permite que el contador detecte partículas alfa. Es cierto que, en relación con este último, uno debe mirar el grosor de la mica de contadores específicos. Entonces, SBT-10 con su mica gruesa prácticamente no lo ve, mientras que Beta-1 y 2 tienen mica más delgada, lo que le da a la eficiencia de detección de partículas alfa de plutonio-239 aproximadamente un 20%. SI-8B: en algún punto intermedio entre ellos.
Y ahora para el paso de principio a fin. El hecho es que las partículas alfa y beta, un contador Geiger registra casi todo lo que podría entrar. Pero con los rayos gamma, todo es triste. Para que un gamma cuántico provoque un pulso en el contador, debe expulsar un electrón de su pared. Este electrón debe superar el grosor del metal desde el punto donde ocurrió la interacción con la superficie interna y, por lo tanto, el "volumen de trabajo" del detector, donde interactúa con los fotones de rayos gamma, es la capa metálica más delgada de unos pocos micrones de espesor. De esto queda claro que la eficiencia del contador para la radiación gamma es muy pequeña, cien o más veces menor que para la radiación beta.
Nutrición
Para su funcionamiento, un contador Geiger requiere energía de alto voltaje. Los dispositivos halógenos típicos ruso-soviéticos requieren un voltaje de aproximadamente 400 V, muchos medidores occidentales están diseñados para 500 o 900 V. Algunos medidores requieren voltajes de hasta un kilo y medio - estos son medidores antiguos con enfriamiento de alcohol como MS y BC, contadores de rayos X para análisis de rayos X, neutrones . No nos interesarán mucho. La energía se suministra al medidor a través de un balasto de varios megaohmios: limita el pulso actual y reduce el voltaje en el medidor después de que el pulso ha pasado, lo que facilita el apagado. El valor de esta resistencia se da en los datos de referencia para un dispositivo específico (su valor demasiado pequeño acorta la vida útil del detector y demasiado grande) aumenta el tiempo muerto. Por lo general, puede tomar alrededor de 5 megaohmios.
Cuando el voltaje aumenta desde cero, el contador Geiger funciona primero como una cámara de ionización ordinaria, y luego como un contador proporcional: cada uno de los pares de iones que se formaron durante el paso de una partícula genera un pequeño ion, aumentando la corriente de iones cientos y miles de veces. Al mismo tiempo, los pulsos muy débiles medidos por milivoltios ya se pueden detectar en la resistencia de carga en el circuito contador. Con el aumento del voltaje, las avalanchas se vuelven cada vez más, y en algún momento los más fuertes comienzan a sostenerse, encendiendo una descarga independiente. En este momento, en lugar de pulsos débiles de milivoltios de avalanchas que pasan a través del espacio entre electrodos y desaparecen en los electrodos, aparecen pulsos gigantes, ¡con una amplitud de varias decenas de voltios! Y su frecuencia aumenta rápidamente con el aumento del voltaje, hasta que
cada avalancha comienza a causar un destello de descarga. Obviamente, con un aumento adicional en el voltaje, la tasa de conteo debe dejar de crecer. Y así sucede: se observa una
meseta sobre la dependencia de la sensibilidad del voltaje.
Sin embargo, el aumento de voltaje no deja la tasa de conteo sin cambios: una descarga puede ocurrir así, por emisión espontánea. Y con el aumento de voltaje, la probabilidad de tal descarga solo aumenta. Por lo tanto, la meseta resulta inclinada y, a partir de un cierto voltaje, la tasa de conteo comienza a crecer rápidamente y luego la descarga se vuelve continua. En este modo, por supuesto, el contador no solo no cumple su función, sino que también falla rápidamente.
Fig. 2. La dependencia de la tasa de conteo del contador Geiger de la tensión de alimentación.La presencia de una meseta facilita enormemente la fuente de alimentación del contador Geiger: no requiere las fuentes altamente estables de alto voltaje, que se requieren para los contadores de centelleo. La longitud de esta meseta para medidores de bajo voltaje es de 80-100 V. En muchos dosímetros domésticos soviéticos de origen cooperativo y en casi todas las construcciones de aficionados de esa época, el medidor funcionaba con un convertidor de voltaje basado en un generador de bloqueo sin ningún indicio de estabilización. El cálculo fue el siguiente: con una batería nueva, el voltaje en el ánodo del contador correspondía al límite superior de la meseta, de modo que el alto voltaje alcanzó el límite inferior de la meseta incluso con una batería bastante descargada.
Fondo y tiempo muerto
Cualquier detector de radiación siempre tiene alguna señal oscura registrada cuando no hay radiación incidente en el detector. El contador Geiger-Muller no es una excepción. Una de las fuentes del fondo oscuro es la emisión espontánea mencionada anteriormente. El segundo es la radiactividad del contador en sí, lo cual es especialmente importante para los contadores con una ventana de mica, ya que la mica natural inevitablemente contiene impurezas de uranio y torio. Y si este último prácticamente no depende de nada y es una constante para esta instancia del detector, entonces el fondo de la emisión espontánea depende de la magnitud del alto voltaje, la temperatura y la "edad" del contador. Debido a esto, se convierte en una mala idea suministrar un voltaje no estabilizado al medidor, que usaremos principalmente al medir niveles bajos de radiación: el fondo del medidor depende de manera muy significativa del voltaje de suministro.
La velocidad de conteo desde el fondo intrínseco alcanza el nivel de contadores Geiger correspondiente a 3-10 μR / h, es decir, es una fracción notable de la velocidad de conteo en condiciones normales de radiación. Especialmente genial es el fondo de los sensores de mica: SBT-10, SI-8B, Beta. Por lo tanto, debe restarse de los resultados de la medición. Pero para esto necesitas saber. La referencia no ayuda aquí: solo se dan los valores máximos allí. Para medir su propio fondo, necesita una "casa" de plomo con un espesor de al menos 5 cm, mientras que la superficie interna debe cubrirse con láminas de cobre de 2-3 mm de espesor y plexiglás de 5 mm. El hecho es que la "casa" estará bajo el fuego de los rayos cósmicos, que hacen de la casa una fuente de radiación de rayos X, principalmente en las líneas características de plomo. Y si solo protege contra el plomo, este es un "resplandor" fluorescente y el "contador" "verá", en lugar de la "oscuridad" total. Y se necesita plexiglás de los electrones eliminados del mismo espacio del plomo y el cobre, cuya energía también es suficiente para que un contador Geiger los detecte.
Al medir el fondo, debe tenerse en cuenta que la "casa" de plomo no representa ningún obstáculo para los muones espaciales. Su flujo es ~ 0.015
. Por ejemplo, a través de un contador SBM-20 con un área efectiva de ~ 8
0.12 pasará
o 7.2
. Debido a la alta energía, la eficiencia de grabar muones espaciales por casi cualquier contador Geiger se puede tomar como 100%, y este valor se debe restar del fondo oscuro.
Si el fondo intrínseco es una fuente de errores a niveles bajos, entonces el tiempo muerto afecta a niveles altos de radiación. La esencia del fenómeno es que inmediatamente después del pulso, la capacidad del medidor aún no se ha cargado al voltaje inicial a través de la resistencia de carga. Además, la descarga en el medidor solo se apagó, pero el aditivo de enfriamiento aún no había tenido tiempo de volver a su estado original. Por lo tanto, aparece un contador a 150-200 μs cuando es insensible a la siguiente partícula, después de lo cual restaura gradualmente la sensibilidad. (fig. 3)
Fig. 3. Tiempo muerto contador Geiger
La corrección por tiempo muerto se encuentra mediante la fórmula:
donde myn, respectivamente, las tasas de conteo medidas y ajustadas, y
- tiempo muerto.
A niveles de radiación muy altos, muchos contadores Geiger (también depende del resto del circuito) tienen un efecto desagradable y peligroso: la ionización constante evita la formación de pulsos individuales. El contador comienza a "quemarse" continuamente con una descarga constante y la tasa de conteo cae bruscamente a un valor muy pequeño. En lugar de salir de la escala, el dosímetro muestra algunos números moderadamente elevados, o incluso casi normales. Mientras tanto, docenas y cientos de rayos X brillan a tu alrededor por hora y debes correr, pero el dosímetro te tranquiliza. Es por eso que en los dosímetros del ejército casi siempre hay, además del principal sensible, un contador del día del juicio final, muy insensible, pero capaz de digerir miles de R / h.
De la tasa de conteo a la dosis. Rigidez y otras cosas malas
En términos generales, un contador Geiger no mide la tasa de dosis. Solo obtenemos la velocidad de conteo: cuántos pulsos por minuto o segundo emitió el contador. Para la dosis, la energía absorbida en un kilogramo del cuerpo humano (o algo más) esto tiene una relación muy distante. En primer lugar, en relación con el principio de acción: el contador Geiger no se preocupa por la naturaleza de la partícula y su energía. Los impulsos de fotones de cualquier energía, partículas beta, muones, positrones, protones serán los mismos. Pero la efectividad del registro es diferente.
Como ya dije, la radiación beta es registrada por un contador Geiger con una eficiencia de decenas de por ciento. Y gamma-gamma-quanta, solo una fracción de un porcentaje. Y todo esto se parece a metros plegables con kilogramos, e incluso con coeficientes arbitrarios. Además, la sensibilidad del contador a la radiación gamma no es la misma a diferentes energías (Fig. 4). La sensibilidad a la dosis a la radiación de diferentes energías puede diferir en casi un orden de magnitud. La naturaleza de este fenómeno es comprensible: la radiación gamma de baja energía tiene muchas más posibilidades de ser absorbida por una capa delgada de materia, por lo que cuanto menor sea la energía, mayor será la eficiencia (hasta que la absorción comience a afectar las paredes del mostrador). En la región de alta energía, por el contrario: al aumentar la energía, aumenta la eficiencia de detección, que es un fenómeno bastante inusual entre los detectores de radiación ionizante.
Fig. 4. Dependencia energética de la sensibilidad a la dosis del contador Geiger-Muller (izquierda) y el resultado de su compensación utilizando un filtro.Afortunadamente, a altas energías (por encima de 0.5-1 MeV), la eficiencia del contador Geiger para la radiación gamma es casi proporcional a la energía. Entonces, la dependencia energética de la sensibilidad a la dosis allí es pequeña. Y la joroba a bajas energías es fácil de quitar con un filtro de plomo de aproximadamente 0,5 mm de espesor.
El grosor del filtro se selecciona de modo que a una energía correspondiente a la sensibilidad máxima del detector (esto es 50-100 keV, dependiendo del grosor de la ventana de entrada del detector), la relación de absorción sería la magnitud de este pico. Cuanta más energía, menor absorción de plomo, y a 500-1000 keV, donde la sensibilidad del detector se alinea, es casi imperceptible.Se puede lograr una corrección más precisa utilizando un filtro multicapa de diferentes metales, que debe seleccionarse para un contador específico.Tal filtro reduce el “golpe con rigidez” a un valor de 15–20% en todo el rango de 50–3000 keV y convierte el indicador de pantalla (bueno, indicador de búsqueda de radiómetro) en un dosímetro.Tal filtro generalmente se hace extraíble porque hace que el sensor sea insensible a la radiación alfa y beta.***
En general, esto es todo lo que necesita saber sobre el contador Geiger-Muller para el diseñador del instrumento basado en él. Como puede ver, el dispositivo es realmente sencillo, aunque hay una serie de sutilezas. En la próxima serie, construiremos algo útil basado en ello.