Há muito tempo, não era um problema comprar um dispositivo com o codinome “dosímetro doméstico” (haveria dinheiro - nesse sentido, a fobia de rádio de Fukushima e o radiophile (TM) o estragaram) -, mas acho que seria interessante fabricar você mesmo esse dispositivo.
O coração do nosso dispositivo será um contador Geiger. Sabemos, é claro, que esse detector tem muitas deficiências e, em geral, "o dispositivo deve ser cintilante", mas o radiômetro de cintilação é muito mais complicado e eu tenho o seguinte post para ele. Além disso, o contador Geiger-Muller tem várias vantagens indiscutíveis.
Então, vamos começar.
Detector
Então, o contador Geiger-Muller. (Fig. 1) O dispositivo mais simples, composto por dois eletrodos colocados em um meio gasoso a baixa pressão, é um cátodo com uma área grande e um ânodo na forma de um fio mais ou menos fino, que cria um campo local de alta tensão. no qual o processo de multiplicação de íons se desenvolve, devido ao qual um único par de íons pode causar uma poderosa avalanche de ionização e ignição de uma descarga independente.
Fig. 1. Contador Geiger-Muller. 1 - ânodo, 2 - cátodo, 3 - balão, fio de 4 - cátodo, 5, 6 - molas, tensionando a rosca do cátodo.De fato, o contador funciona como um tiratron com um cátodo frio, apenas a descarga nele é inflamada por ionização, causada não por um pulso da rede, mas por uma partícula carregada voando pelo gás. Depois que a descarga é acionada, ela deve ser extinta removendo a tensão do ânodo ou ... Ou ela se apaga sozinha. Mas para isso, algo precisa ser introduzido no meio de gás do medidor, que, sob a ação da descarga, se transformará em uma forma que tornará o gás opaco à radiação ultravioleta e, por isso, um dos fatores que sustentam a manutenção de uma descarga independente, a emissão de fotoelétrons, desaparecerá. Existem dois aditivos: álcool e halogênio (cloro, bromo e iodo). O primeiro da descarga se decompõe, transformando-se, grosso modo, em fuligem e depois não se transforma em álcool, e após várias dezenas de milhares de pulsos, o contador termina. E os halogênios se tornam atômicos a partir dos moleculares, e o processo é reversível. Eles também terminam - devido ao fato de que os halogênios atômicos reagem facilmente com qualquer coisa horrível, incluindo as paredes do balcão, mas mais frequentemente eles conseguem se recombinar, de modo que os contadores de halogênio são muito mais duráveis, suportando bilhões de pulsos. Estamos interessados principalmente nos contadores de halogênio, porque:
a) são mais duráveis,
b) trabalham a 400-500 V, e não a mil e meio, como álcool,
c) são simplesmente os mais comuns.
Na tabela 1, listei vários contadores Geiger comuns e seus principais parâmetros.
Quadro 1
Os principais parâmetros de alguns contadores Geiger-Muller.
Notas: 1 - a sensibilidade à radiação alfa não é regulada; 2 - contador de pequenos lotes, os dados são escassos.Sensibilidade
Ao escolher um contador Geiger para o nosso dosímetro, você deve primeiro analisar sua sensibilidade. Afinal, é improvável que você queira um dispositivo que mostre algo apenas onde, há algumas horas atrás, a Mãe Kuzkina explodiu. Mas existem muitos desses medidores e, por sua inutilidade quase completa para a pessoa comum, eles são muito baratos. Esses são todos os tipos de SI-3BG, SI-13G e outros "contadores do dia do juízo final", posicionados em dosímetros do exército para trabalhar no limite superior das medições. Quanto mais sensível o contador, mais pulsos por segundo serão emitidos no mesmo nível de radiação. O contador clássico SBM-20 (também chamado STS-5 de versões anteriores), que era tradicionalmente colocado em todos os “chocalhos” de Perestroika-Chernobyl, com um fundo natural de 12 μR / h, fornece cerca de 18 pulsos por minuto. A partir desta figura, é conveniente dançar, considerando a sensibilidade do contador no SBM-20.
O que nos dá a sensibilidade do balcão? A precisão e velocidade da reação. O fato é que partículas de radiação radioativa chegam até nós não de acordo com o cronograma, mas como você precisa, e algumas delas serão perdidas no balcão, mas algumas funcionarão (a partir de fótons de raios gama - de cerca de uma em várias centenas). Portanto, os pulsos do contador Geiger (e de qualquer detector de radiação
contável ) acontecem em momentos absolutamente aleatórios, com intervalos imprevisíveis entre eles. E contando o número de pulsos em um minuto, outro, terceiro, obtemos valores diferentes. E o desvio padrão desses valores, ou seja, o erro na determinação da taxa de contagem, será proporcional à raiz quadrada do número de pulsos registrados. Quanto mais pulsos houver, menor será o erro relativo (em porcentagem do valor medido) do seu cálculo:
.
Quando temos um detector - a mencionada “referência” SBM-20 e o tempo de contagem - 40 segundos (isso foi feito em dosímetros domésticos simples, mostrando diretamente o número de pulsos contados como o nível da taxa de dose em μR / h), num contexto natural, o número de pulsos é ~ 10 peças E isso significa que o desvio padrão é de cerca de três. E o erro no nível de confiança de 95% é o dobro, ou seja, 6 pulsos. Assim, temos uma imagem triste: as leituras do dosímetro de 10 μR / h significam que a taxa de dose está entre 4 e 16 μR / h. E podemos falar sobre a detecção de uma anomalia apenas quando o dosímetro mostra um desvio de três sigma, ou seja, mais de 20 μR / h ...
Para aumentar a precisão, você pode aumentar o tempo de contagem. Se fizermos isso por três minutos, ou seja, quatro vezes mais, quadruplicaremos o número de pulsos, o que significa que dobraremos a precisão. Mas então perderemos a resposta do dispositivo a breves rajadas de radiação, por exemplo, à sua “excelência” que passa por você após a cintilografia ou a terapia com radioiodo ou vice-versa, quando você passa o relógio com o SPD na base de rádio. E pegando um detector quatro vezes mais sensível (4 SBM-20 conectado em paralelo, um SBM-19, SBT-10 ou SI-8B) e deixando o tempo de medição o mesmo, aumentaremos a precisão e manteremos a taxa de reação.
Design alfa, beta, gama e contador
A radiação alfa é atrasada por um pedaço de papel. A radiação beta pode ser protegida por uma folha de plexiglás. E da radiação gama dura, você precisa construir uma parede de tijolos de chumbo. Talvez todo mundo saiba disso. E tudo isso está diretamente relacionado aos contadores de Geiger: para ele sentir a radiação, é necessário que pelo menos penetre no interior. E, no entanto, não deve voar diretamente, como um neutrino através da Terra.
O contador tipo SBM-20 (e seu irmão mais velho, SBM-19, e o mais novo SBM-10 e SBM-21) têm uma caixa de metal na qual não há janelas de entrada especiais. Daqui resulta que não há dúvida de qualquer sensibilidade à radiação alfa. Com raios beta, ele se sente muito bem, mas apenas se forem rígidos o suficiente para penetrar no interior. Isso é algo entre 300 keV. Mas ele sente a radiação gama, começando com algumas dezenas de keV.
E os contadores SBT-10 e SI-8B (além de novos e inacessíveis devido aos preços da sucata Beta-1,2 e 5), em vez de uma concha de aço sólida, possuem uma extensa janela de mica fina. Partículas beta com energias acima de 100-150 keV são capazes de penetrar através desta janela, o que possibilita a poluição por carbono-14, que é absolutamente invisível para medidores de aço. Além disso, uma janela de mica permite que o contador detecte partículas alfa. É verdade que, no que diz respeito a este último, é necessário observar a espessura da mica de contadores específicos. Portanto, o SBT-10 com sua mica espessa praticamente não o vê, enquanto o Beta-1 e o 2 têm mica mais fina, o que fornece à eficiência de detecção de partículas alfa de plutônio-239 cerca de 20%. SI-8B - em algum lugar no meio entre eles.
E agora para a passagem através e através. O fato é que as partículas alfa e beta, um contador Geiger registram quase tudo o que poderia entrar. Mas com raios gama, tudo é triste. Para que um gamma quântico cause um pulso no contador, ele deve derrubar um elétron de sua parede. Esse elétron deve superar a espessura do metal a partir do ponto em que a interação ocorreu com a superfície interna e, portanto, o "volume de trabalho" do detector, onde interage com os fótons de raios gama, é a camada de metal mais fina com alguns mícrons de espessura. A partir disso, fica claro que a eficiência do contador para radiação gama é muito pequena - cem ou mais vezes menos que a radiação beta.
Nutrição
Para operação, um contador Geiger requer energia de alta tensão. Os dispositivos típicos de halogênio russo-soviético exigem uma voltagem de cerca de 400 V, muitos medidores ocidentais são projetados para 500 ou 900 V. Alguns medidores exigem voltagens de até um quilômetro e meio - são medidores antigos com têmpera de álcool, como MS e BC, contadores de raios-X para análise de raios-X, nêutrons . Eles não vão nos interessar muito. A energia é fornecida ao medidor por meio de um reator de vários megaohms - limita o pulso atual e reduz a tensão no medidor após o pulso ter passado, facilitando a têmpera. O valor dessa resistência é dado nos dados de referência para um dispositivo específico - seu valor muito pequeno reduz a vida útil do detector e muito grande - aumenta o tempo morto. Normalmente, pode demorar cerca de 5 megaohms.
Quando a tensão aumenta de zero, o contador Geiger funciona primeiro como uma câmara de ionização comum e depois como um contador proporcional: cada um dos pares de íons formados durante a passagem de uma partícula gera um pequeno íon, aumentando a corrente de íons em centenas e milhares de vezes. Ao mesmo tempo, pulsos muito fracos medidos por milivolts já podem ser detectados na resistência de carga no circuito contrário. Com o aumento da tensão, as avalanches se tornam cada vez mais e, em algum momento, as mais fortes começam a se sustentar, provocando uma descarga independente. Neste momento, em vez de pulsos fracos de milivolts de avalanches que passam pelo espaço entre eletrodos e desaparecem nos eletrodos, pulsos gigantes aparecem, com uma amplitude de várias dezenas de volts! E sua frequência aumenta rapidamente com o aumento da tensão, até que
cada avalanche comece a causar um flash de descarga. Obviamente, com um aumento adicional na tensão, a taxa de contagem deve parar de crescer. E assim acontece: um
platô é observado na dependência da sensibilidade em relação à tensão.
No entanto, o aumento da tensão não deixa a taxa de contagem inalterada: uma descarga pode ocorrer exatamente assim, por emissão espontânea. E com o aumento da tensão, a probabilidade de uma descarga desse tipo aumenta apenas. Portanto, o platô acaba inclinado e, a partir de uma certa tensão, a taxa de contagem começa a crescer rapidamente e a descarga se torna contínua. Nesse modo, é claro, o contador não apenas não cumpre sua função, mas também falha rapidamente.
Fig. 2. A dependência da taxa de contagem do contador Geiger na tensão de alimentação.A presença de um platô facilita muito o suprimento de energia do contador Geiger - ele não requer fontes de alta tensão altamente estáveis, necessárias para os contadores de cintilação. O comprimento desse platô para medidores de baixa tensão é de 80 a 100 V. Em muitos dosímetros domésticos soviéticos de origem cooperativa e em quase todas as construções amadoras da época, o medidor era alimentado por um conversor de tensão baseado em um gerador de bloqueio sem qualquer sinal de estabilização. O cálculo foi o seguinte: com uma bateria nova, a voltagem no ânodo do contador correspondia ao limite superior do platô, de modo que a alta voltagem atingia o limite inferior do platô mesmo com uma bateria bastante descarregada.
Antecedentes e tempo morto
Qualquer detector de radiação sempre tem algum sinal escuro gravado quando nenhuma radiação é incidente no detector. O contador Geiger-Muller não é uma exceção. Uma das fontes do fundo escuro é a emissão espontânea mencionada acima. A segunda é a radioatividade do próprio contador, que é especialmente importante para os balcões com uma janela de mica, uma vez que a mica natural inevitavelmente contém impurezas de urânio e tório. E se o último praticamente não depende de nada e é uma constante para esta instância do detector, o fundo da emissão espontânea depende da magnitude da alta tensão, temperatura e "idade" do contador. Por causa disso, torna-se uma má idéia fornecer uma tensão não estabilizada ao medidor, que usaremos principalmente ao medir baixos níveis de radiação: o fundo do próprio medidor depende muito significativamente da tensão de alimentação.
A velocidade de contagem do fundo intrínseco atinge o nível dos contadores Geiger correspondente a 3-10 μR / h, ou seja, é uma fração significativa da velocidade de contagem em condições normais de radiação. Especialmente importante é o histórico dos sensores de mica - SBT-10, SI-8B, Beta. Portanto, ele deve ser subtraído dos resultados da medição. Mas para isso você precisa saber. A referência não ajuda aqui: apenas os valores máximos são dados lá. Para medir seu próprio plano de fundo, você precisa de uma "casa" de chumbo com uma espessura de pelo menos 5 cm, enquanto a superfície interna deve ser coberta com folhas de cobre com 2-3 mm de espessura e plexiglas de 5 mm. O fato é que a "casa" estará sob o fogo dos raios cósmicos, o que faz da própria casa uma fonte de radiação de raios-x, principalmente nas linhas características do chumbo. E se você proteger apenas o chumbo, esse é um "brilho" fluorescente e o "contador" será "visto" - em vez da "escuridão" total. E o plexiglás é necessário a partir de elétrons retirados do mesmo espaço do chumbo e do cobre, cuja energia também é suficiente para a detecção por um contador Geiger.
Ao medir o fundo, deve-se ter em mente que a "casa" principal não representa nenhum obstáculo para os múons espaciais. Seu fluxo é ~ 0,015
. Por exemplo, através de um contador SBM-20 com uma área efetiva de ~ 8
0,12 passará
ou 7.2
. Devido à alta energia, a eficiência de gravação de múons espaciais por quase todos os contadores Geiger pode ser considerada como 100%, e esse valor deve ser subtraído do fundo escuro.
Se o fundo intrínseco é uma fonte de erros em níveis baixos, o tempo morto afeta em altos níveis de radiação. A essência do fenômeno é que, imediatamente após o pulso, a capacidade do medidor ainda não foi carregada na tensão inicial através da resistência da carga. Além disso, a descarga no medidor só saiu - mas o aditivo de resfriamento ainda não teve tempo de retornar ao seu estado original. Portanto, um contador aparece a 150-200 μs quando é insensível à próxima partícula, após o que restaura gradualmente a sensibilidade. (fig. 3)
Fig. 3. Contador Geiger do tempo morto
A correção para o tempo morto é encontrada pela fórmula:
onde m e n, respectivamente, as taxas de contagem medidas e ajustadas, e
- tempo morto.
Em níveis de radiação muito altos, muitos contadores Geiger (também dependem do restante do circuito) têm um efeito desagradável e perigoso: a ionização constante impede a formação de pulsos individuais. O contador começa a "queimar" continuamente com uma descarga constante e a taxa de contagem cai acentuadamente para um valor muito pequeno. Em vez de sair da escala, o dosímetro mostra alguns números moderadamente elevados ou até quase normais. Enquanto isso, dezenas e centenas de raios-X estão brilhando ao seu redor por hora e você deve executar, mas você está seguro com o dosímetro. É por isso que nos dosímetros do exército quase sempre existe, além do principal sensível, um contador do dia do juízo final, muito insensível, mas capaz de digerir milhares de R / h.
Da taxa de contagem à dose. Rigidez e outras coisas ruins
De um modo geral, um contador Geiger não mede a taxa de dose. Temos apenas a velocidade de contagem - quantos pulsos por minuto ou segundo o contador emitiu. Para a dose - a energia absorvida em um quilograma do corpo humano (ou qualquer outra coisa), isso tem uma relação muito distante. Primeiro de tudo - em conexão com o princípio da ação: o contador Geiger não se importa absolutamente com a natureza da partícula e sua energia. Impulsos de fótons de qualquer energia, partículas beta, múons, pósitrons, prótons - serão os mesmos. Mas a eficácia do registro é diferente.
Como eu já disse, a radiação beta é registrada por um contador Geiger com uma eficiência de dezenas de por cento. E gama-gama-quanta - apenas uma fração de um por cento. E tudo isso se assemelha a metros dobráveis com quilogramas e até com coeficientes arbitrários. Além disso, a sensibilidade do contador à radiação gama não é a mesma em diferentes energias (Fig. 4). A sensibilidade da dose à radiação de diferentes energias pode diferir quase em uma ordem de magnitude. A natureza desse fenômeno é compreensível: a radiação gama de baixa energia tem uma chance muito maior de ser absorvida por uma fina camada de matéria; portanto, quanto menor a energia, maior a eficiência (até que a absorção comece a afetar as paredes do medidor). Na região de alta energia, pelo contrário: com o aumento da energia, a eficiência da detecção aumenta, o que é um fenômeno bastante incomum entre os detectores de radiação ionizante.
Fig. 4. Dependência energética da sensibilidade à dose do contador Geiger-Muller (esquerda) e o resultado de sua compensação usando um filtro.Felizmente, com altas energias (acima de 0,5-1 MeV), a eficiência do contador Geiger para radiação gama é quase proporcional à energia. Portanto, a dependência energética da sensibilidade à dose é pequena. E a corcova com baixas energias é fácil de remover com um filtro de chumbo com cerca de 0,5 mm de espessura.
A espessura do filtro é selecionada para que, com uma energia correspondente à sensibilidade máxima do detector (50-100 keV, dependendo da espessura da janela de entrada do detector), a taxa de absorção seja a magnitude desse pico. Quanto mais energia, menor absorção de chumbo e 500-1000 keV, onde a sensibilidade do detector se alinha, é quase imperceptível.Uma correção mais precisa pode ser obtida usando um filtro multicamada de metais diferentes, que deve ser selecionado para um contador específico.Esse filtro reduz o "curso com rigidez" para um valor de 15 a 20% em toda a faixa de 50 a 3000 keV e transforma o indicador (bem, indicador do radiômetro de busca) em um dosímetro.Esse filtro geralmente é removível porque torna o sensor insensível à radiação alfa e beta.***
Em geral, é tudo o que você precisa saber sobre o contador Geiger-Muller para o projetista de instrumentos com base nele. Como você pode ver, o dispositivo é realmente simples, embora haja várias sutilezas. Na próxima série, construiremos algo útil com base nisso.