Счетчик Гейгера-Мюллера: принцип работы и назначение

В 1908 году физик из Германии Ганс Гейгер трудился в химических лабораториях, принадлежащих Эрнсту Резерфорду. Там же им было предложено испытать счетчик заряженных частиц, представлявший собой ионизированную камеру. Камера являлась электро-конденсатором, который наполняли газом под высоким давлением. Еще Пьер Кюри применял это устройство на практике, изучая электричество в газах. Идея Гейгера – обнаруживать излучения ионов — была связана с их влиянием на уровень ионизации летучих газов. В 1928 г. немецкий ученый Вальтер Мюллер, работавший с Гейгером и под его началом, создал несколько счетчиков, регистрирующих ионизирующие частицы. Устройства были нужны для дальнейшего исследования радиации. Физика, будучи наукой экспериментов, не могла бы существовать без измерительных конструкций. Были открыты только несколько излучений: γ, β, α. Задача Гейгера состояла в том, чтобы измерить чувствительными приборами все виды излучения.

Счетчик Гейгера-Мюллера — простой и дешевый радиоактивный датчик. Это не точный инструмент, который фиксирует отдельные частицы. Техника измеряет общую насыщенность ионизирующего излучения. Физики используют его с другими датчиками, чтобы добиться точности расчетов при проведении экспериментов.

Немного об ионизирующих излучениях

Можно было бы сразу перейти к описанию детектора, но его работа покажется непонятной, если вы мало знаете об ионизирующих излучениях. При излучении происходит эндотермическое влияние на вещество. Этому способствует энергия. К примеру, ультрафиолет или радиоволна к таким излучениям не относятся, а вот жесткий ультрафиолетовый свет – вполне. Здесь определяется граница влияния. Вид именуется фотонным, а сами фотоны – это γ-кванты.

Эрнст Резерфорд поделил процессы испускания энергии на 3 вида, используя установку с магнитным полем:

• γ – фотон;
• α – ядро атома гелия;
• β – электрон с высокой энергией.

От частиц α можно защититься бумажным полотном. β проникают глубже. Способность проникновения γ самая высокая. Нейтроны, о которых ученые узнали позже, являются опасными частицами. Они воздействуют на расстоянии нескольких десятков метров. Имея электрическую нейтральность, они не вступают в реакцию с молекулами разных веществ.

Устройство и принцип работы счетчика Гейгера

Прибор состоит из металлической или стеклянной трубки, в которую закачан благородный газ (аргоново-неоновая смесь либо вещества в чистом виде). Воздуха в трубке нет. Газ добавляется под давлением и имеет примесь спирта и галогена. По всей трубке протянута проволока. Параллельно ей располагается железный цилиндр.

Проволока называется анодом, а трубка – катодом. Вместе они – электроды. К электродам подводится высокое напряжение, которое само по себе не вызывает разрядных явлений. В таком состоянии индикатор будет пребывать, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации. От источника питания к трубке подключается минус, а к проволоке – плюс, направленный через высокоуровневое сопротивление. Речь идет о постоянном питании в десятки сотен вольт.

Когда в трубку попадает частица, с ней сталкиваются атомы благородного газа. При соприкосновении выделяется энергия, отрывающая электроны от атомов газа. Затем образуются вторичные электроны, которые тоже сталкиваются, порождая массу новых ионов и электронов. На скорость электронов по направлению к аноду влияет электрическое поле. По ходу этого процесса образуется электрический ток.

При столкновении энергия частиц теряется, запас ионизированных атомов газа подходит к концу. Когда заряженные частицы попадают в газоразрядный счетчик Гейгера, сопротивление трубки падает, что немедленно снижает напряжение средней точки деления. Затем сопротивление вновь растет — это влечет за собой восстановление напряжения. Импульс становится отрицательным. Прибор показывает импульсы, а мы можем их сосчитать, заодно оценив количество частиц.

Из счетчика Гейгера, спичек и ардуины. Часть первая — теория

Давно не проблема купить прибор под условным названием «бытовой дозиметр» (были б деньги — в этом смысле, Фукусима радиофобам и радиофилам (TM) подгадила), но думаю, что этот прибор было бы интересно сделать своими руками.

Сердцем нашего прибора будет счетчик Гейгера. Мы знаем, конечно, что у этого детектора есть куча недостатков и вообще «прибор должен быть сцинтилляционным», но сцинтилляционный радиометр существенно сложнее и у меня под него задуман следующий пост. Тем более, у счетчика Гейгера-Мюллера есть и ряд неоспоримых достоинств.

Итак, начнем.

Детектор

Итак, счетчик Гейгера-Мюллера. (рис.1) Простейшее устройство, состоящее из двух электродов, помещенных в газовую среду при низком давлении — катод, имеющий большую площадь, и анод в виде более-менее тонкой проволоки, создающий локальное поле большой напряженности. в котором развивается процесс размножения ионов, за счет которого единственная ионная пара может вызвать мощную лавину ионизации и зажигание самостоятельного разряда.

Рис. 1. Счетчик Гейгера-Мюллера. 1 — анод, 2 — катод, 3 — баллон, 4 — вывод катода, 5, 6 — пружины, натягивающие нить катода.

По сути счетчик работает, как тиратрон с холодным катодом, только разряд в нем зажигается от ионизации, вызванной не импульсом с сетки, а пролетевшей через газ заряженной частицей. После того, как разряд загорелся, его нужно погасить либо снятием с анода напряжения, либо… Либо он погаснет сам. Но для этого в газовую среду счетчика надо ввести что-то, что под действием разряда перейдет в форму, которая сделает газ непрозрачным для ультрафиолетового излучения и из-за этого исчезнет один из факторов поддержания самостоятельного разряда — фотоэлектронная эмиссия. Таких добавок две: спирт и галогены (хлор, бром и йод). Первый в разряде разлагается, превращаясь, грубо говоря, в сажу, и потом обратно в спирт не превращается, и через несколько десятков тысяч импульсов кончится и счетчику конец. А галогены становятся из молекулярных атомарными, причем процесс обратим. Они тоже кончаются — из-за того, что атомарные галогены с легкостью реагируют со всем попало, включая стенки счетчика, но чаще они успевают рекомбинировать друг с другом, поэтому галогенные счетчики гораздо более долговечны, выдерживая миллиарды импульсов. Нас интересуют в первую очередь галогенные счетчики, потому что:

а) они долговечнее, б) они работают при 400-500 В, а не при полутора тысячах, как спиртовые, в) они просто наиболее распространены. В таблице 1 я привел несколько распространенных счетчиков Гейгера и их основные параметры.

Таблица 1. Основные параметры некоторых счетчиков Гейгера-Мюллера.

Примечания: 1 — чувствительность к альфа-излучению не регламентирована; 2 — мелкосерийный счетчик, данные по нему скудны.

Чувствительность

Выбирая счетчик Гейгера для нашего дозиметра, нужно в первую очередь смотреть на его чувствительность. Ведь вряд ли вы хотите прибор, который что-то покажет только там, где пару часов назад взорвалась «Кузькина мать». А таких счетчиков, между тем, предостаточно, и за их почти полной бесполезностью для обывателя, они очень дешево стоят. Это всевозможные СИ-3БГ, СИ-13Г и прочие «счетчики судного дня», стоящие в армейских дозиметрах для работы на верхнем пределе измерений. Чем счетчик чувствительнее, тем больше импульсов в секунду он при одном и том же уровне радиации даст. Классический счетчик СБМ-20 (он же более ранних выпусков носил название СТС-5), который традиционно ставили во все перестроечно-постчернобыльские «трещалки», при естественном фоне в 12 мкР/ч дает около 18 импульсов в минуту. От этой цифры удобно плясать, считая чувствительность счетчика в «СБМ-20». Что нам дает чувствительность счетчика? Точность и скорость реакции. Дело в том, что частицы радиоактивных излучений прилетают к нам не по расписанию, а как придется, да и счетчик какую-то из них пропустит, а от какой-то сработает (от фотонов гамма-излучения — примерно от одного из нескольких сотен). Так что импульсы от счетчика Гейгера (да и от любого счетного

Альфа, бета, гамма и конструкция счетчиков

А счетчики СБТ-10 и СИ-8Б (а также новомодные и малодоступные из-за ломовых цен Бета-1,2 и 5) вместо сплошной стальной оболочки имеют обширное окно из тонкой слюды. Через это окно способны проникнуть бета-частицы с энергией свыше 100-150 кэВ, что позволяет увидеть загрязнение углеродом-14, которое абсолютно невидимо для стальных счетчиков. Также окно из слюды позволяет счетчику чувствовать альфа-частицы. Правда, в отношении последних надо смотреть на толщину слюды конкретных счетчиков. Так, СБТ-10 с его толстой слюдой его практически не видит, а у Беты-1 и 2 слюда тоньше, что дает эффективность регистрации альфа-частиц плутония-239 около 20%. СИ-8Б — где-то посередине между ними.

А вот теперь что касается пролета насквозь. Дело в том, что альфа- и бета-частицы счетчик Гейгера регистрирует практически все, что смогли проникнуть внутрь. А вот с гамма-квантами все печально. Чтобы гамма-квант вызвал импульс в счетчике, он должен выбить из его стенки электрон. Этот электрон должен преодолеть толщу металла от точки, где произошло взаимодействие, до внутренней поверхности, и поэтому «рабочий объем» детектора, где происходит его взаимодействие с фотонами гамма-излучения — это тончайший, в несколько микрон, слой металла. Отсюда ясно, что эффективность счетчика для гамма-излучения очень мала — в сто и более раз меньше, чем для бета-излучения.

Питание

Для работы счетчик Гейгера требует высоковольтного питания. Типичные галогенные приборы советского-российского производства требуют напряжения около 400 В, многие западные счетчики рассчитаны на 500 или 900 В. Некоторые счетчики требуют напряжения до полутора киловольт — это старые счетчики со спиртовым гашением типа МС и ВС, счетчики рентгеновского излучения для рентгеноструктурного анализа, нейтронные. Нас они не будут сильно интересовать. Питание на счетчик подается через балластное сопротивление в несколько мегаом — оно ограничивает импульс тока и снижает напряжение на счетчике после прохождения импульса, облегчая гашение. Величина этого сопротивления приводится в справочных данных на конкретный прибор — его слишком малая величина сокращает жизнь детектора, а слишком большая — увеличивает мертвое время. Обычно его можно взять около 5 МОм. При увеличении напряжения от нуля счетчик Гейгера сначала работает, как обыкновенная ионизационная камера, а затем, как пропорциональный счетчик: каждая из пар ионов, которые образовались при пролете частицы, порождает небольшую ионов, увеличивая ионный ток в сотни и тысячи раз. При этом на нагрузочном сопротивлении в цепи счетчика уже можно обнаружить очень слабые, измеряемые милливольтами, импульсы. С ростом напряжения лавины становятся все больше, и в какой-то момент самые сильные из них начинают поддерживать сами себя, зажигая самостоятельный разряд. В этот момент вместо слабых, милливольтовых импульсов от лавин, проходящих через межэлектродное пространство и исчезающих на электродах, появляются гигантские, амплитудой в несколько десятков вольт! И их частота с ростом напряжения быстро растет, пока вспышку разряда не начнет вызывать каждая лавина

Очевидно, что при дальнейшем росте напряжения скорость счета должна перестать расти. Так оно и происходит: на зависимости чувствительности от напряжения наблюдается плато .

Все же рост напряжения не оставляет скорость счета неизменной: разряд может возникнуть и просто так, от спонтанной эмиссии. И с ростом напряжения вероятность такого разряда только увеличивается. Поэтому плато получается наклонным, а начиная с некоторого напряжения скорость счета начинает быстро расти, а затем разряд переходит в непрерывный. В таком режиме, понятное дело, счетчик не только не выполняет своей функции, но и быстро выходит из строя.

Рис. 2. Зависимость скорости счета счетчика Гейгера от напряжения питания.

Наличие плато существенно облегчает питание счетчика Гейгера — ему не требуются высокостабильные источники высокого напряжения, какие требуются для сцинтилляционных счетчиков. Длина этого плато для низковольтных счетчиков — 80-100 В. Во многих советских бытовых дозиметрах кооперативного происхождения и практически во всех любительских конструкциях того времени питание счетчика было сделано от преобразователя напряжения на основе блокинг-генератора без всякого намека на стабилизацию. Расчет был таким: при свежей батарейке напряжение на аноде счетчика соответствовало верхней границе плато, так что нижней границы плато высокое напряжение достигало уже при изрядно разряженной батарейке.

Фон и мертвое время

При измерении фона следует учитывать, что свинцовый «домик» не оказывает никакого препятствия для космических мюонов. Их поток составляет ~0,015 . Например, через счетчик СБМ-20 эффективной площадью ~8 пройдет 0,12 или 7,2 . Из-за большой энергии эффективность регистрации космических мюонов практически любым счетчиком Гейгера можно принимать за 100%, и эту величину следует вычесть из темнового фона.

Если собственный фон — источник погрешностей при низких уровнях, то мертвое время сказывается при больших уровнях радиации. Сущность явления состоит в том, что сразу после импульса емкость счетчика еще не зарядилась до первоначального напряжения через нагрузочное сопротивление. Кроме того, в счетчике только погас разряд — но гасящая присадка еще не успела вернуться в первоначальное состояние. Поэтому у счетчика на 150-200 мкс возникает состояние, когда он оказывается нечувствителен к следующей частице, после чего он постепенно восстанавливает чувствительность. (рис. 3)

Рис. 3. Мертвое время счетчика Гейгера

От скорости счета к дозе. Ход с жесткостью и прочие нехорошие вещи

Рис. 4. Энергетическая зависимость дозовой чувствительности счетчика Гейгера-Мюллера (слева) и результат ее компенсации с помощью фильтра.

К счастью, при высоких энергиях (выше 0,5-1 МэВ) эффективность счетчика Гейгера к гамма-излучению почти пропорциональна энергии. А значит, энергетическая зависимость дозовой чувствительности там невелика. А горб при малых энергиях легко убрать с помощью фильтра из свинца толщиной около 0,5 мм. Толщина фильтра подбирается таким образом, чтобы при энергии, соответствующей максимальной чувствительности детектора (это 50-100 кэВ в зависимости от толщины входного окна детектора) кратность поглощения составляла бы величину этого пика. Чем энергия больше, тем меньше поглощения в свинце, и при 500-1000 кэВ, где чувствительность детектора выравнивается сама, оно уже практически незаметно.

Более точной коррекции можно добиться, используя многослойный фильтр из разных металлов, который нужно подбирать к конкретному счетчику.

Такой фильтр сокращает «ход с жесткостью» до величины в 15-20% во всем диапазоне 50-3000 кэВ и превращает показометр (ну ладно, поисковый радиометр-индикатор) в дозиметр.

Такой фильтр обычно делают съемным, поскольку он делает датчик нечувствительным к альфа- и бета-излучению.

***

В общем-то, это все, что нужно знать про счетчик Гейгера-Мюллера конструктору приборов на его основе. Как видите, прибор и впрямь несложный, хотя ряд тонкостей имеется. В следующей серии мы на его основе что-нибудь полезное сконструируем.

Виды счётчиков Гейгера

По конструкции счетчики Гейгера бывают 2 видов: плоский и классический.

Классический

Сделан из тонкого гофрированного металла. За счет гофрирования трубка приобретает жесткость и устойчивость к внешнему воздействию, что препятствует ее деформации. Торцы трубки оснащены стеклянными или пластмассовыми изоляторами, в которых находятся колпачки для вывода к приборам.

На поверхность трубки нанесен лак (кроме выводов). Классический счетчик считается универсальным измерительным детектором для всех известных видов излучений. Особенно для γ и β.

Плоский

Чувствительные измерители для фиксации мягкого бета-излучения имеют другую конструкцию. Из-за малого количества бета-частиц, их корпус имеет плоскую форму. Есть окошко из слюды, слабо задерживающее β. Датчик БЕТА-2 – название одного из таких приборов. Свойства других плоских счетчиков зависят от материала.

Синхронизация с различными устройствами

Вывод показаний в Radiation Logger под WINDOWS (через Arduino)

Существует возможность подключить устройство к ПК под Windows, выводить показания на интерфейс и даже выстраивать графики. Приложение называется Radiation Logger.

Распиновка подключения такая:

VIN (плата) — вывод 2 (Arduino) 5V (плата) — 5V (Arduino) GND (плата) — GND (Arduino)

Чтобы связка «плата -> Arduino -> ПК» заработала и успешно определилась в программе, в плату Arduino нужно закачать специальный скетч через ArduinoIDE:

Скетч для работы в Radiation Logger

#include #define LOG_PERIOD 20000 //период вывода CPM в миллисекундах, рекомендуется 15000-60000 #define MAX_PERIOD 60000 //маскимальный период мониторинга unsigned long counts; //переменная для записи количества импульсов с трубки unsigned long cpm; //переменная для CPM (количество распадов минуту) unsigned int multiplier; //множитель для подсчёта CPM unsigned long previousMillis; //переменная для записи времени void tube_impulse(){ //обработчик внешнего прерывания, counts++; //где идёт подсчёт импульсов за отрезок LOG_PERIOD } void setup(){ //Предварительные настройки counts = 0; //обнулить счётчик импульсов cpm = 0; //обнулить CPM multiplier = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; //расчёт множителя для перевода импульсов в CPM Serial.begin(9600); //скорость порта 9600 pinMode(2, INPUT); //вывод 2 сделать входным attachInterrupt(0, tube_impulse, FALLING); //внешнее прерывание на выводе 2 при смене уровня с 1 на 0 } void loop(){ //Цикл unsigned long currentMillis = millis(); if(currentMillis — previousMillis > LOG_PERIOD){ //если разность переменных больше LOG_PERIOD, то выводим CPM в порт previousMillis = currentMillis; cpm = counts * multiplier; //CPM = количество импульсов * множитель Serial.print(cpm); //Отправить в порт рассчитанный CPM для Radiation Logger Serial.write(‘ ‘); //Отправить пробел для разделения величин counts = 0; //Сбросить счётчик импульсов } }

Пояснения по величинам и данным в скетче

С модуля по последовательному порту через Arduimo в компьютер будут отправляться импульсы — CPM (количество распадов в минуту), на основе которых в программе Radiation Logger будут формироваться логи и выстраиваться графики. MAX_PERIOD 60000 — этот время в миллисекундах, актуальное для подсчёта CPM. LOG_PERIOD 20000 — время обновления результатов подсчёта CPM, т.е. не обязательно ждать минуту, когда можно подсчитать распады/мин например за 15 секунд, а результат умножить на частное MAX_PERIOD 60000/LOG_PERIOD 15000 (60сек / 15сек). Однако, чем меньше время измерения, тем выше погрешность (ниже я это покажу). Для уменьшения погрешности замеры нужно производить дольше, желательно 1мин, а результаты сгладить, используя скользящую среднюю. В LOG_PERIOD можно задать другие промежутки вывода результатов подсчёта, например 20000 или 30000.

Имеются опции и настройки: — логирование измерений в файл (а также построение графика по логам) — логирование измерений на сервисы в Xively и Radmon — Alert Threshold — порог тревоги — Коэффициент Conversion Factor для перевода CPM в мкЗв/ч (uSv/h) (для счётчика СБМ20 — коэффциент равен 0.0057, а для счётчиков J305/M4011, по информации из сети — 0.0081)

В пункте меню File -> Settings

надо выбрать порт, к которому подключено Arduino с модулем, протестировать подключения, сохранить. После чего нажать на кнопку Start Log и данные будут поступать и логироваться, а табло соотвественно начнут выдавать показания.

Далее приведу скриншоты с графиками при разном времени обновления результатов измерения: 15c, 30c, 60c. Время обновления в скетче меняется в строке LOG_PERIOD. Например 15 секунд — это 15000, или 60 секунд — 60000

Во всех трёх случаях измерение производил в течении 1 часа. На графиках вы увидете «пилу» в нижней части — измерение фона и явно высокую точку подъёма — в этот момент я подносил к счётчику бусы. Сам же счётчик всегда лежал в одном и том же месте. По нижним графикам видно, что чем выше время обновления, тем точнее показания и ровнее графики

15 секунд

30 секунд

60 секунд

Чешские бусы сделаны из ураносодержащего стекла, которое излучает гамма+бета. Они имеют бледно-зеленоватый оттенок. В ультрафиолете начинают светится кислотно-зелёным цветом.

[НАВЕРХ]

Вывод показаний в монитор порта Arduino IDE под WINDOWS (через Arduino)

— упрощённый вариант вывода показаний, прямо в монитор порта ArduinoIDE. Скорость приёмо-передачи должна быть установлена на отметке 9600.

(!!!) Чтобы перевести импульсы CPM в микроЗиверты, для каждого счётчика существует свой коэффициент, например для СБМ-20 это множитель 0.0057, а вот для счётчиков J305/M4011 производитель рекомендует CPM делить на число 151 — в скетчах ниже оно встречается в виде значения 151.0

Скетч для вывода данных в монитор морта Arduino IDE

#include #define LOG_PERIOD 20000 //период вывода CPM в миллисекундах, рекомендуется 15000-60000 #define MAX_PERIOD 60000 //маскимальный период мониторинга unsigned long counts; //переменная для записи количества импульсов с трубки unsigned long cpm; //переменная для CPM (количество распадов минуту) unsigned int multiplier; //множитель для подсчёта CPM unsigned long previousMillis; //переменная для записи времени float mkzvHours = 0.0; // мкЗв/ч void tube_impulse(){ //обработчик внешнего прерывания, counts++; //где идёт подсчёт импульсов за отрезок LOG_PERIOD } void setup(){ //Предварительные настройки counts = 0; //обнулить счётчик импульсов cpm = 0; //обнулить CPM multiplier = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; //расчёт множителя для перевода импульсов в CPM Serial.begin(9600); //скорость порта 9600 pinMode(2, INPUT); //вывод 2 сделать входным attachInterrupt(0, tube_impulse, FALLING); //внешнее прерывание на выводе 2 при смене уровня с 1 на 0 } void loop(){ //Цикл unsigned long currentMillis = millis(); if(currentMillis — previousMillis > LOG_PERIOD){ //если разность переменных больше LOG_PERIOD, то выводим CPM в порт previousMillis = currentMillis; cpm = counts * multiplier; //CPM = количество импульсов * множитель mkzvHours = cpm / 151.0; //перевод CPM в мкЗв/час Serial.print(«CPM: «); Serial.print(cpm); // Вывод CPM в монитор порта Serial.print(» | «); Serial.print(mkzvHours); // Вывод дозы в мкЗв в монитор порта Serial.print(» uSv/h»); Serial.print(«rn»); counts = 0; //Сбросить счётчик импульсов } }

Разбег (разность максимального и минимального значения) показаний на счётчике J305 оказался побольше, чем на другом наборе со счётчиком СБМ-20. У вас эти разбеги показаний на анаголичных наборах могут отличаться, так как точность измерений сильно зависит от качества изготовления самих счётчиков.

15 сек — 0.29 мкЗв/ч 30 сек — 0.18 мкЗв/ч 60 сек — 0.10 мкЗв/ч

[НАВЕРХ]

Вывод показаний на дисплей Nokia 5110 (через Arduino)

Чтобы работать с дисплеем 5110, необходимо сперва скачать библиотеку LCD5110_Basic.h и поместить её по пути Arduino/Libraries .

Скетч, с подключённой библиотекой, для вывода данных на дисплей LCD5110

#include #include //Базовая библиотека для работы с LCD5110 #define LOG_PERIOD 20000 //период вывода CPM в миллисекундах, рекомендуется 15000-60000 //чем дольше, тем точнее #define MAX_PERIOD 60000 //маскимальный период мониторинга // Назначение выводов (SCK, MOSI, DC, RST, CS) LCD5110 myGLCD(3,4,5,6,7); // порты в Ардуино для подключения LCD5110 // Шрифты extern uint8_t SmallFont[]; extern uint8_t MediumNumbers[]; extern uint8_t BigNumbers[]; unsigned long counts; //переменная для записи количества импульсов с трубки unsigned long cpm; //переменная для CPM (количество распадов минуту) unsigned int multiplier; //множитель для подсчёта CPM unsigned long previousMillis; //переменная для записи времени unsigned long currentMillis; //переменная, засекающая мс float mkzvHours = 0.0; // мкЗв/ч void tube_impulse(){ //обработчик внешнего прерывания, counts++; //где идёт подсчёт импульсов за отрезок LOG_PERIOD } void setup(){ //Предварительные настройки counts = 0; //обнулить счётчик импульсов cpm = 0; //обнулить CPM multiplier = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; //расчёт множителя для перевода импульсов в CPM Serial.begin(9600); //скорость порта 9600 pinMode(2, INPUT); //вывод 2 сделать входным myGLCD.InitLCD(65); //задать контрастность LCD5110 myGLCD.clrScr(); //очистить дисплей myGLCD.setFont(SmallFont); //использовать мелкий шрифт myGLCD.print(«test example», CENTER, 8); //вывести надпись на 2-й строке myGLCD.print(«GEIGER COUNTER», CENTER, 24); //вывести надпись на 4-й строке delay(2000); //пауза 2 сек myGLCD.clrScr(); //очистить дисплей myGLCD.print(«Counting…», CENTER, 24); //вывести в attachInterrupt(0, tube_impulse, FALLING); //внешнее прерывание на выводе 2 при смене уровня с 1 на 0 } void loop(){ //Цикл currentMillis = millis(); if(currentMillis — previousMillis > LOG_PERIOD){ //если разность переменных больше LOG_PERIOD, то выводим CPM в порт previousMillis = currentMillis; cpm = counts * multiplier; //CPM = количество импульсов * множитель mkzvHours = cpm / 151.0; //перевод CPM в мкЗв/час myGLCD.clrScr(); myGLCD.setFont(SmallFont); //использовать мелкий шрифт myGLCD.print(«uSv», RIGHT, 32); //вывести ед.измерения млЗв/ч на 5-й строке справа if (cpm > 99){ //если CPM > 99, myGLCD.print(«CPM», RIGHT, 8); //то ед.измерения CPM сдвинуть к правому краю } else{ //в остальных случаях myGLCD.print(«CPM», CENTER, 8); //ед.измерения CPM будет в центре } myGLCD.setFont(MediumNumbers); //использовать средний шрифт myGLCD.printNumI(cpm, LEFT, 0); //вывести величину CPM слева myGLCD.setFont(BigNumbers); //использовать крупный шрифт myGLCD.printNumF(float(mkzvHours), 2, LEFT, 20); //вывести величину мкЗв/ч слева counts = 0; //Сбросить счётчик импульсов } }

Правильная распиновка подключения для этого скетча. Впрочем, при желании вы их можете изменить:

/* ПОДКЛЮЧЕНИЕ ДЛЯ Nokia_5110_Basic.h ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ: LCD5110 myGLCD(3,4,5,6,7); CLK (SCK) -> 3 DIN (MOSI) -> 4 DC -> 5 RST -> 6 CE (CS) -> 7 */

Скетч загружен, питание подано, замеры пошли. Живое видео смотрите в конце обзора.

[НАВЕРХ]

Вывод показаний через 3.5мм аудиоразъём

Скажу сразу своё мнение — фича откровенно слабая, но тем не менее, я покажу её реализацию. На модуле предусмотрен разъём аудиоджек. По задумке разработчика, он необходим, чтобы посредством комплектного AUX-кабеля подключиться к микрофонному входу компьютера/ноутбука, посылать импульсы и в приложении считывать импульсы, конвертируя их потом в любые величины. Но при этом он не предоставил софт. А найти таковой мне не удалось. В таком случае, буду пытаться реализовать эту задумку при помощи смартфона. В модуле от RHelectronix, который я обозревал в прошлом, распиновка аудиоразъёма 4-контактная и выполнена по стандарту CTIA, т.е. микрофонный (сигнальный) контакт — самый крайний.

А вот в китайском модуле разъём уже трёхконтактный. Крайний контакт — земля, средний контакт — сигнальный.

Так как в моём Android-смартфоне тоже используется 4-контактная распиновка CTIA, то пришлось паять свой переходник. После подключения кабеля в разъём смартфона, рядом с пиктограммой аккумулятора должен загореться значок наушников обязательно со значком микрофона.

Почему я сказал вначале про «слабую реализацию» — дело в имеющемся под Android софте, который до сих не может корректно подсчитывать приходящие на микрофонный вход импульсы, а настроек для гибкой подстройки входящего сигнала как-то не завезли. Для примера я всё-таки скачал и установил Android-приложение GeigerCounter (foxylab), — например в нём, при естественном фоне будут сильно завышаться показания CPM (количество импульсов = распадов в минуту).

Хотя приложение Radmeter 2.1 оказалось поинтереснее: здесь можно открыть вкладку с графиком и наблюдать частоту импульсов визуально. Естественный фон — щелчки редки, а как только подношу чешские бусы из ураносодержащего стекла, график сразу заштриховывается. На гиф-анимации можете это наблюдать. (в конце обзора будет видеоверсия этой гиф)

[НАВЕРХ]

Параметры и режимы работы счетчика Гейгера

Чтобы рассчитать чувствительность счетчика, оцените отношение количества микрорентген от образца к числу сигналов от этого излучения. Прибор не измеряет энергию частицы, поэтому не дает абсолютно точной оценки. Калибровка устройств происходит по образцам изотопных источников.

Также нужно смотреть на следующие параметры:

Рабочая зона, площадь входного окна

Характеристика площади индикатора, через которую проходят микрочастицы, зависит от его размеров. Чем шире площадь, тем большее число частиц будет поймано.

Рабочее напряжение

Напряжение должно соответствовать средним характеристикам. Сама характеристика работы — это плоская часть зависимости количества фиксированных импульсов от напряжения. Ее второе название – плато. В этом месте работа прибора достигает пиковой активности и именуется верхним пределом измерений. Значение – 400 Вольт.

Рабочая ширина

Рабочая ширина — разница между напряжением выхода на плоскость и напряжением искрового разряда. Значение – 100 Вольт.

Наклон

Величина измеряется в виде процента от количества импульсов на 1 вольт. Он показывает погрешность измерения (статистическую) в подсчете импульсов. Значение – 0,15 %.

Температура

Температура важна, поскольку счётчик часто приходится применять в сложных условиях. Например, в реакторах. Счетчики общего использования: от -50 до +70 С по Цельсию.

Рабочий ресурс

Ресурс характеризуется общим числом всех импульсов, зафиксированных до момента, когда показания прибора становятся некорректными. Если в устройстве есть органика для самогашения, количество импульсов составит один миллиард. Ресурс уместно подсчитывать только в состоянии рабочего напряжения. При хранении прибора расход останавливается.

Время восстановления

Это промежуток времени, за который устройство проводит электричество после реагирования на ионизирующую частицу. Существует верхний предел для частоты импульсов, ограничивающий интервал измерений. Значение – 10 микросекунд.

Из-за времени восстановления (его ещё называют мертвое время) прибор может подвести в решающий момент. Для предотвращения зашкаливания производители устанавливают свинцовые экраны.

Есть ли у счетчика фон

Фон измеряется в толстостенной свинцовой камере. Обычное значение – не более 2 импульсов за минуту.

Индивидуальный дозиметр с счетчиком Гейгера

Этот класс приборов обладает высокой чувствительностью в отличие от устаревших моделей с ионизационными камерами. Надежные модели предлагаются многими отечественными , «МКС-05», «ДКР», «Радэкс», «РКС». Это все автономные приборы с выводом данных на экран в стандартных единицах измерения. Есть режим показания накопленной дозы облучения, так и мгновенного уровня фона.

Перспективное направление — бытовой дозиметр-приставка к смартфону. Такие устройства выпускают зарубежные производители. У них богатые технические возможности, есть функция хранения показаний, калькуляции, пересчета и суммирования излучения за дни, недели, месяцы. Пока что из-за низких объемов производства стоимость этих приборов довольно высокая.

Кто и где применяет дозиметры радиации?

В промышленных масштабах выпускают много модификаций счетчиков Гейгера-Мюллера. Их производство началось во времена СССР и продолжается сейчас, но уже в Российской Федерации.

Устройство применяют:

• на объектах атомной промышленности;
• в научных институтах;
• в медицине;
• в быту.

После аварии на Чернобыльской АЭС дозиметры покупают и рядовые граждане. Во всех приборах установлен счетчик Гейгера. Такие дозиметры оснащают одной или двумя трубками.

История появления счетчика Гейгера — Мюллера

Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в одной из лабораторий Резерфорда, в 1908 году разработал и предложил принципиальную схему действия счетчика «заряженных частиц». Он представлял собой модификацию уже знакомой тогда ионизационной камеры, которая была представлена в виде электрического конденсатора, наполненного газом с небольшим давлением. Камеру применял еще Пьер Кюри, когда изучал электрические свойства газов. Гейгер придумал ее употребить для выявления ионизирующего излучения именно оттого, что это излучение оказывало непосредственное воздействие на уровень ионизации газов.

В конце 20-х годов Вальтер Мюллер под руководством Гейгера создал некоторые типы счетчиков радиации, при помощи которых можно было регистрировать самые разнообразные ионизирующие частицы. Работа над созданием счетчиков была весьма необходимой, потому что без них нельзя было исследовать радиоактивные материалы. Гейгеру с Мюллером пришлось целеустремленно поработать над сотворением таких счетчиков, которые были бы чувствительны к любой из выявленных на то время разновидностей излучений типа α, β и γ.

Счетчики Гейгера-Мюллера оказались простыми, надежными, дешевыми, а также практичными датчиками радиации. Это при том, что они не являлись самыми точными инструментами для изучения излучения или некоторых частиц. Зато очень хорошо подходили в качестве приборов для общих измерений насыщенности ионизирующего излучения. В сочетании с другими приборами они и сейчас употребляются физиками-практиками для более точных замеров в процессе экспериментирования.

Можно ли сделать счетчик Гейгера своими руками?

Изготовить счетчик самостоятельно сложно. Нужен датчик излучения, а его купить смогут далеко не все. Сама схема счетчика давно известна — в учебниках физики, например, её тоже печатают. Однако воспроизвести устройство в домашних условиях сумеет только настоящий «левша».

Талантливые мастера-самоучки научились делать счетчику заменитель, который также способен замерять гамма- и бета-излучения с помощью люминесцентной лампы и лампы накаливания. Также используют трансформаторы от сломанной техники, трубка Гейгера, таймер, конденсатор, различные платы, резисторы.