Dari penghitung Geiger, korek api dan arduins. Bagian Satu - Teori

Sudah lama tidak ada masalah untuk membeli perangkat dengan nama kode "dosimeter rumah tangga" (akan ada uang - dalam hal ini, fobia radio dan radiofil Fukushima (TM) telah merusaknya), tetapi saya pikir akan menarik untuk membuat perangkat ini dengan tangan Anda sendiri.


Jantung perangkat kami akan menjadi penghitung Geiger. Kita tahu, tentu saja, bahwa detektor ini memiliki banyak kekurangan dan secara umum "perangkat harus kilau", tetapi radiometer kilau jauh lebih rumit dan saya memiliki posting berikut untuk itu. Selain itu, penghitung Geiger-Muller memiliki sejumlah keunggulan yang tak terbantahkan.

Jadi mari kita mulai.

Detektor

Jadi, gerai Geiger-Muller. (Gbr. 1) Perangkat paling sederhana, yang terdiri dari dua elektroda yang ditempatkan dalam medium gas dengan tekanan rendah, adalah katoda dengan area besar dan anoda dalam bentuk kawat yang lebih atau kurang tipis, yang menciptakan medan lokal dengan tegangan tinggi. di mana proses penggandaan ion berkembang, karena pasangan ion tunggal dapat menyebabkan longsoran ionisasi yang kuat dan pengapian pelepasan independen.


Fig. 1. Penghitung Geiger-Muller. 1 - anoda, 2 - katoda, 3 - balon, timah 4 - katoda, 5, 6 - pegas, menegang benang katoda.

Bahkan, penghitung bekerja seperti thyratron dengan katoda dingin, hanya pelepasan di dalamnya dinyalakan oleh ionisasi, yang disebabkan bukan oleh pulsa dari grid, tetapi oleh partikel bermuatan yang terbang melalui gas. Setelah debit dinyalakan, itu harus dipadamkan dengan melepas tegangan dari anoda, atau ... Entah itu akan keluar dengan sendirinya. Tetapi untuk ini, sesuatu perlu dimasukkan ke dalam media gas meteran, yang, di bawah tindakan pembuangan, akan berubah menjadi bentuk yang akan membuat gas buram terhadap radiasi ultraviolet dan, karena ini, salah satu faktor yang mendukung mempertahankan pelepasan independen, emisi fotoelektron, akan menghilang. Ada dua aditif seperti itu: alkohol dan halogen (klorin, bromin, dan yodium). Yang pertama dalam cairan itu terdekomposisi, berubah, berbicara kasar, menjadi jelaga, dan kemudian tidak berubah menjadi alkohol, dan setelah beberapa puluh ribu pulsa penghitung akan berakhir. Dan halogen menjadi atom dari molekul, dan prosesnya dapat dibalik. Mereka juga berakhir - karena fakta bahwa halogen atom mudah bereaksi dengan sesuatu yang mengerikan, termasuk dinding penghitung, tetapi lebih sering mereka berhasil bergabung kembali satu sama lain, sehingga penghitung halogen jauh lebih tahan lama, menahan miliaran pulsa. Kami terutama tertarik pada penghitung halogen, karena:

a) mereka lebih tahan lama,
b) mereka bekerja pada 400-500 V, dan bukan pada setengah setengah, seperti alkohol,
c) mereka adalah yang paling umum.
Dalam tabel 1, saya telah membuat daftar beberapa penghitung Geiger umum dan parameter utamanya.

Tabel 1.
Parameter utama dari beberapa penghitung Geiger-Muller.


Catatan: 1 - sensitivitas terhadap radiasi alfa tidak diatur; 2 - penghitung batch kecil, data di atasnya langka.

Kepekaan

Memilih penghitung Geiger untuk dosimeter kami, Anda harus terlebih dahulu melihat sensitivitasnya. Lagi pula, kecil kemungkinan Anda menginginkan perangkat yang hanya akan menunjukkan sesuatu di mana beberapa jam yang lalu Ibu Kuzkina meledak. Tetapi ada banyak meter seperti itu, dan untuk kegunaan mereka yang hampir lengkap untuk orang kebanyakan, harganya sangat murah. Ini semua jenis SI-3BG, SI-13G dan "counter kiamat" lainnya, berdiri dalam dosimeter tentara untuk bekerja pada batas atas pengukuran. Semakin sensitif penghitung, semakin banyak pulsa per detik yang akan diberikan pada tingkat radiasi yang sama. Penghitung klasik SBM-20 (juga disebut STS-5 dari rilis sebelumnya), yang secara tradisional ditempatkan di semua "Guncang" Perestroika-Chernobyl, dengan latar belakang alami 12 μR / jam, memberikan sekitar 18 pulsa per menit. Dari gambar ini mudah untuk menari, mengingat sensitivitas penghitung di SBM-20.

Apa yang memberi kita sensitivitas penghitung? Keakuratan dan kecepatan reaksi. Faktanya adalah partikel-partikel radiasi radioaktif datang kepada kita tidak sesuai dengan jadwal, tetapi seperti yang harus Anda lakukan, dan beberapa di antaranya akan terlewatkan oleh penghitung, tetapi beberapa akan bekerja (dari foton sinar gamma - dari sekitar satu dari beberapa ratus). Jadi pulsa dari penghitung Geiger (dan dari setiap detektor radiasi yang dapat dihitung ) pergi pada waktu yang benar-benar acak dengan interval tak terduga di antara mereka. Dan menghitung jumlah pulsa dalam satu menit, yang lain, ketiga, kita mendapatkan nilai yang berbeda. Dan standar deviasi dari nilai-nilai ini, yaitu, kesalahan dalam menentukan tingkat penghitungan, akan sebanding dengan akar kuadrat dari jumlah pulsa yang direkam. Semakin banyak pulsa, semakin sedikit kesalahan relatif (dalam persentase dari nilai yang diukur) dari perhitungan mereka:

$$

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

.
Ketika kami memiliki detektor - "referensi" SBM-20 yang disebutkan, dan waktu penghitungan - 40 detik (ini dilakukan dalam dosimeter rumah tangga sederhana, secara langsung menunjukkan jumlah pulsa yang dihitung sebagai tingkat tingkat dosis dalam μR / jam), dengan latar belakang alami jumlah pulsa ~ 10 buah Dan ini berarti simpangan baku sekitar tiga. Dan kesalahan pada tingkat kepercayaan 95% dua kali lipat, yaitu, 6 pulsa. Dengan demikian, kami memiliki gambaran yang menyedihkan: pembacaan dosimeter 10 μR / jam berarti tingkat dosis di suatu tempat dari 4 hingga 16 μR / jam. Dan kita dapat berbicara tentang deteksi anomali hanya ketika dosimeter menunjukkan penyimpangan tiga sigma, yaitu lebih dari 20 μR / jam ...

Untuk meningkatkan akurasi, Anda dapat menambah waktu penghitungan. Jika kita melakukannya selama tiga menit, yaitu empat kali lipat, kita akan melipatgandakan jumlah pulsa, yang berarti kita akan menggandakan akurasi. Tetapi kemudian kita akan kehilangan respons perangkat terhadap ledakan singkat radiasi, misalnya, pada "keunggulan" Anda yang melewati Anda setelah terapi scintigraphy atau radioiodine, atau sebaliknya, ketika Anda melewati jam dengan SPD di pangkalan radio. Dan dengan menggunakan detektor sensitif empat kali lebih banyak (4 SBM-20 yang terhubung paralel, satu SBM-19, SBT-10 atau SI-8B) dan meninggalkan waktu pengukuran yang sama, kami akan meningkatkan akurasi dan mempertahankan laju reaksi.

Desain alfa, beta, gamma, dan kontra

Radiasi alfa tertunda oleh selembar kertas. Radiasi beta dapat dilindungi oleh selembar kaca plexiglass. Dan dari radiasi gamma yang keras, Anda perlu membangun dinding bata timah. Mungkin semua orang tahu ini. Dan semua ini berhubungan langsung dengan penghitung Geiger: baginya untuk merasakan radiasi, perlu bahwa setidaknya menembus di dalam. Namun itu tidak seharusnya terbang menembus, seperti neutrino menembus Bumi.

Counter type SBM-20 (dan kakaknya SBM-19 dan SBM-10 yang lebih muda dan SBM-21) memiliki case logam di mana tidak ada jendela masuk khusus. Karena itu, tidak ada pertanyaan tentang sensitivitas terhadap radiasi alpha. Sinar beta dia merasa cukup baik, tetapi hanya jika mereka cukup kaku untuk menembus di dalam. Ini adalah suatu tempat dari 300 keV. Tapi dia merasakan radiasi gamma, dimulai dengan beberapa keV.

Dan penghitung SBT-10 dan SI-8B (serta bermodel baru dan tidak dapat diakses karena harga memo Beta-1,2 dan 5), bukannya shell baja padat memiliki jendela mika tipis yang luas. Partikel beta dengan energi di atas 100-150 keV mampu menembus melalui jendela ini, yang memungkinkan untuk melihat polusi karbon-14, yang sama sekali tidak terlihat oleh meter baja. Juga, jendela mika memungkinkan penghitung untuk merasakan partikel alfa. Benar, dalam kaitannya dengan yang terakhir, seseorang harus melihat pada ketebalan mika dari penghitung tertentu. Jadi, SBT-10 dengan mika yang tebal praktis tidak melihatnya, sementara Beta-1 dan 2 memiliki mika yang lebih tipis, yang memberikan efisiensi deteksi partikel plutonium-239 alpha sekitar 20%. SI-8B - di suatu tempat di tengah di antara mereka.

Dan sekarang untuk peralihan melalui dan melalui. Faktanya adalah partikel alfa dan beta, penghitung Geiger mendaftarkan hampir semua yang bisa masuk. Tetapi dengan sinar gamma, semuanya menyedihkan. Agar sebuah gamma quantum menyebabkan pulsa di penghitungnya, ia harus menjatuhkan elektron dari dindingnya. Elektron ini harus mengatasi ketebalan logam dari titik di mana interaksi terjadi ke permukaan bagian dalam, dan oleh karena itu "volume kerja" dari detektor, di mana ia berinteraksi dengan foton sinar gamma, adalah lapisan logam tertipis dengan ketebalan beberapa mikron. Dari sini jelas bahwa efisiensi penghitung untuk radiasi gamma sangat kecil - seratus kali atau lebih kecil daripada untuk radiasi beta.

Nutrisi

Untuk operasi, penghitung Geiger membutuhkan daya bertegangan tinggi. Perangkat halogen Soviet-Rusia yang khas membutuhkan tegangan sekitar 400 V, banyak meter barat dirancang untuk 500 atau 900 V. Beberapa meter memerlukan tegangan hingga satu setengah kilovolt - ini adalah meter lama dengan pendinginan alkohol seperti MS dan BC, penghitung sinar-X untuk analisis sinar-X, neutron . Mereka tidak akan menarik minat kita. Daya disuplai ke meter melalui pemberat beberapa megaohm - ini membatasi pulsa saat ini dan mengurangi tegangan pada meter setelah pulsa telah lewat, sehingga lebih mudah padam. Nilai resistansi ini diberikan dalam data referensi untuk perangkat tertentu - nilainya terlalu kecil mempersingkat masa pakai detektor, dan terlalu besar - meningkatkan waktu mati. Biasanya bisa memakan waktu sekitar 5 megohms.

Ketika tegangan meningkat dari nol, penghitung Geiger pertama-tama berfungsi sebagai ruang ionisasi biasa, dan kemudian sebagai penghitung proporsional: masing-masing pasangan ion yang terbentuk selama perjalanan partikel menghasilkan ion kecil, meningkatkan arus ion ratusan dan ribuan kali. Pada saat yang sama, pulsa yang sangat lemah yang diukur dengan millivolt sudah dapat dideteksi pada tahanan beban di sirkuit penghitung. Dengan meningkatnya tegangan, longsoran menjadi semakin banyak, dan pada titik tertentu yang terkuat dari mereka mulai mendukung diri mereka sendiri, memicu pelepasan independen. Pada saat ini, alih-alih lemah, pulsa milivolt dari longsoran melewati ruang interelektroda dan menghilang pada elektroda, pulsa raksasa muncul, dengan amplitudo beberapa puluh volt! Dan frekuensi mereka meningkat dengan cepat dengan meningkatnya voltase, sampai setiap longsoran mulai menyebabkan kilatan pelepasan.Tentu saja, dengan peningkatan tegangan lebih lanjut, laju penghitungan harus berhenti tumbuh. Dan begitulah yang terjadi: dataran tinggi diamati pada ketergantungan sensitivitas pada tegangan.

Namun demikian, peningkatan tegangan tidak membuat laju penghitungan tidak berubah: pelepasan dapat terjadi begitu saja, dari emisi spontan. Dan dengan meningkatnya voltase, probabilitas pelepasan seperti itu hanya meningkat. Oleh karena itu, dataran tinggi ternyata cenderung, dan mulai dari tegangan tertentu, laju penghitungan mulai tumbuh dengan cepat, dan kemudian debit menjadi kontinu. Dalam mode ini, tentu saja, penghitung tidak hanya tidak memenuhi fungsinya, tetapi juga gagal dengan cepat.


Fig. 2. Ketergantungan tingkat penghitung penghitung Geiger pada tegangan suplai.

Kehadiran dataran tinggi sangat memudahkan pasokan daya konter Geiger - tidak memerlukan sumber tegangan tinggi yang sangat stabil, yang diperlukan untuk penghitung kilau. Panjang dataran tinggi ini untuk meter tegangan rendah adalah 80-100 V. Dalam banyak dosimeter rumah tangga Soviet yang berasal dari koperasi dan di hampir semua konstruksi amatir pada waktu itu, meter itu ditenagai oleh konverter tegangan berdasarkan generator penghambat tanpa ada petunjuk stabilisasi. Perhitungannya adalah sebagai berikut: dengan baterai baru, tegangan pada anoda konter sesuai dengan batas atas dataran tinggi, sehingga tegangan tinggi mencapai batas bawah dataran tinggi bahkan dengan baterai yang cukup kosong.

Latar Belakang dan Waktu Mati

Detektor radiasi apa pun selalu memiliki beberapa sinyal gelap yang direkam ketika tidak ada radiasi yang terjadi pada detektor. Penghitung Geiger-Muller tidak terkecuali. Salah satu sumber dari latar belakang gelap adalah emisi spontan yang disebutkan di atas. Yang kedua adalah radioaktivitas penghitung itu sendiri, yang sangat penting untuk penghitung dengan jendela mika, karena mika alami pasti mengandung kotoran uranium dan thorium. Dan jika yang terakhir praktis tidak tergantung pada apa pun dan merupakan konstanta untuk contoh detektor ini, maka latar belakang dari emisi spontan tergantung pada besarnya tegangan tinggi, suhu, dan "usia" penghitung. Karena itu, menjadi ide buruk untuk memasok tegangan tidak stabil ke meter, yang akan kita gunakan terutama ketika mengukur tingkat radiasi rendah: latar belakang meter itu sendiri tergantung pada tegangan suplai sangat signifikan.

Kecepatan penghitungan dari latar belakang intrinsik mencapai tingkat penghitung Geiger yang sesuai dengan 3-10 μR / jam, yaitu, itu adalah fraksi yang terlihat dari kecepatan penghitungan dalam kondisi radiasi normal. Terutama hebat adalah latar belakang sensor mika - SBT-10, SI-8B, Beta. Jadi itu harus dikurangkan dari hasil pengukuran. Tapi untuk ini perlu Anda ketahui. Referensi tidak membantu di sini: hanya nilai maksimum yang diberikan di sana. Untuk mengukur latar belakang Anda sendiri, Anda membutuhkan "rumah" timah dengan ketebalan minimal 5 cm, sedangkan permukaan bagian dalam harus dilapisi lembaran tembaga setebal 2-3 mm dan Plexiglas 5 mm. Faktanya adalah bahwa "rumah" akan mendapat sorotan dari sinar kosmik, yang menjadikan rumah itu sendiri sumber radiasi x-ray, terutama dalam garis karakteristik timah. Dan jika Anda membuat perlindungan hanya dari timah, ini adalah "cahaya" neon dan "penghitung" akan "melihat" - bukan "kegelapan" total. Dan plexiglass diperlukan dari elektron yang terlempar keluar dari ruang yang sama dari timah dan tembaga, yang energinya juga cukup untuk deteksi oleh penghitung Geiger.

Saat mengukur latar belakang, harus diingat bahwa "rumah" utama tidak menimbulkan hambatan bagi ruang angkasa. Aliran mereka ~ 0,015 $$$frequent / cm ^ 2 \ cdot dengan$. Misalnya, melalui penghitung SBM-20 dengan area efektif ~ 8 $$$cm ^ 2$0,12 akan berlalu $$$sering / s$atau 7.2 $$$ppm$. Karena energi tinggi, efisiensi perekaman muon ruang oleh hampir semua penghitung Geiger dapat diambil sebagai 100%, dan nilai ini harus dikurangi dari latar belakang gelap.

Jika latar belakang intrinsik adalah sumber kesalahan pada level rendah, maka dead time mempengaruhi pada level radiasi yang tinggi. Inti dari fenomena ini adalah bahwa segera setelah pulsa, kapasitas meter belum dibebankan ke tegangan awal melalui hambatan beban. Selain itu, debit dalam meteran hanya keluar - tetapi aditif pendinginan belum punya waktu untuk kembali ke keadaan semula. Oleh karena itu, penghitung muncul pada 150-200 μs ketika tidak sensitif terhadap partikel berikutnya, setelah itu secara bertahap mengembalikan sensitivitas. (gbr. 3)


Fig. 3. Waktu mati penghitung Geiger

Koreksi waktu mati ditemukan dengan rumus:

$$

$$n = {m \ lebih dari 1 + m \ tau},$$

di mana m dan n, masing-masing, tingkat penghitungan yang diukur dan disesuaikan, dan $$$\ tau$- waktu mati.

Pada tingkat radiasi yang sangat tinggi, banyak penghitung Geiger (juga tergantung pada sisa rangkaian) memiliki efek yang tidak menyenangkan dan berbahaya: ionisasi konstan mencegah pembentukan pulsa individu. Penghitung mulai "membakar" terus menerus dengan debit konstan dan laju penghitungan turun tajam ke nilai yang sangat kecil. Alih-alih turun skala, dosimeter menunjukkan beberapa angka yang cukup tinggi, atau bahkan hampir normal. Sementara itu, puluhan dan ratusan sinar-X bersinar di sekitar Anda per jam dan Anda harus berlari, tetapi Anda diyakinkan oleh dosimeter. Itulah sebabnya dalam dosimeter tentara hampir selalu ada, selain yang sensitif utama, penghitung kiamat, sangat tidak sensitif, tetapi mampu mencerna ribuan R / jam.

Dari tingkat penghitungan hingga dosis. Kekakuan dan hal-hal buruk lainnya

Secara umum, penghitung Geiger tidak mengukur tingkat dosis. Kami hanya mendapatkan kecepatan penghitungan - berapa pulsa per menit atau detik yang diberikan oleh penghitung. Untuk dosis - energi yang diserap dalam satu kilogram tubuh manusia (atau sesuatu yang lain) ini memiliki hubungan yang sangat jauh. Pertama-tama - sehubungan dengan prinsip aksi: penghitung Geiger sama sekali tidak peduli tentang sifat partikel dan energinya. Impuls dari foton energi, partikel beta, muon, positron, proton - akan sama. Tetapi efektivitas registrasi berbeda.

Seperti yang sudah saya katakan, radiasi beta direkam oleh penghitung Geiger dengan efisiensi puluhan persen. Dan gamma-gamma-quanta - hanya sebagian kecil dari persen. Dan semua ini menyerupai meteran lipat dengan kilogram, dan bahkan dengan koefisien yang berubah-ubah. Selain itu, sensitivitas penghitung terhadap radiasi gamma tidak sama pada energi yang berbeda (Gbr. 4). Sensitivitas dosis terhadap radiasi energi yang berbeda dapat berbeda hampir berdasarkan urutan besarnya. Sifat fenomena ini dapat dimengerti: radiasi gamma berenergi rendah memiliki peluang lebih besar untuk diserap oleh lapisan materi yang tipis, sehingga semakin rendah energinya, semakin tinggi efisiensinya (sampai penyerapan mulai mempengaruhi dinding penghitung). Sebaliknya, di wilayah berenergi tinggi: dengan meningkatnya energi, efisiensi deteksi meningkat, yang merupakan fenomena yang agak tidak biasa di antara detektor radiasi pengion.


Fig. 4. Ketergantungan energi pada sensitivitas dosis penghitung Geiger-Muller (kiri) dan hasil kompensasinya menggunakan filter.

Untungnya, pada energi tinggi (di atas 0,5-1 MeV), efisiensi penghitung Geiger untuk radiasi gamma hampir sebanding dengan energi. Jadi, ketergantungan energi dari sensitivitas dosis ada sedikit. Dan punuk pada energi rendah mudah dihilangkan dengan filter timah setebal 0,5 mm.Ketebalan filter dipilih sehingga pada energi yang sesuai dengan sensitivitas maksimum detektor (ini adalah 50-100 keV, tergantung pada ketebalan jendela input detektor), rasio penyerapan akan menjadi besarnya puncak ini. Semakin besar energi, semakin sedikit penyerapan dalam timbal, dan pada 500-1000 keV, di mana sensitivitas detektor menyelaraskan dirinya, itu hampir tak terlihat.

Koreksi yang lebih akurat dapat dicapai dengan menggunakan filter multilayer dari berbagai logam, yang harus dipilih untuk meter tertentu.

Filter semacam itu mengurangi "goresan dengan kekakuan" ke nilai 15-20% dari seluruh rentang 50-3000 keV dan mengubah indikator tampilan (well, search radiometer indicator) menjadi dosimeter.

Filter semacam itu biasanya dibuat dapat dilepas karena membuat sensor tidak sensitif terhadap radiasi alfa dan beta.

***

Secara umum, ini adalah semua yang perlu Anda ketahui tentang penghitung Geiger-Muller untuk perancang instrumen berdasarkan itu. Seperti yang Anda lihat, perangkat ini memang tidak rumit, meskipun ada beberapa kehalusan. Dalam seri berikutnya, kita akan membangun sesuatu yang bermanfaat berdasarkan itu