Töötav Geigeri loendur minimaalsete osadega: 4 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:46

Siin on minu teada kõige lihtsam toimiv Geigeri loendur, mille saate ehitada. See kasutab Venemaal toodetud SMB-20 Geigeri toru, mida juhib elektroonilisest kärbsepurustajast röövitud kõrgepinge suurendusskeem. See tuvastab beetaosakesed ja gammakiirguse, andes klõpsu iga tuvastatud radioaktiivse osakese või gammakiirguse korral. Nagu ülaltoodud videost näete, klõpsab see taustkiirgusest iga paari sekundi tagant, kuid elustub tõesti, kui kiirgusallikad, näiteks uraaniklaas, tooriumi laternamantlid või suitsuandurite ameerikumi nupud lähedale tuuakse. Ehitasin selle loenduri, et aidata mul tuvastada radioaktiivseid elemente, mida mul on vaja oma elementide kogu täitmiseks, ja see töötab suurepäraselt! Selle loenduri ainus tõeline puudus on see, et see ei ole väga vali ja see ei arvuta ega kuva tuvastatavat kiirguse kogust minutis. See tähendab, et te ei saa tegelikke andmepunkte, vaid üldist ettekujutust radioaktiivsusest kuuldavate klikkide arvu põhjal.

Kuigi võrgus on saadaval mitmesuguseid Geigeri loendurikomplekte, saate õigete komponentide olemasolul oma nullist üles ehitada. Alustame!

Samm: Geigeri loendurid ja kiirgus: kuidas see kõik toimib

Geigeri loendur (või Geiger-Mülleri loendur) on kiirgusdetektor, mille on välja töötanud Hans Geiger ja Walther Müller 1928. aastal. Tänapäeval on peaaegu igaüks tuttav klõpsavate helidega, mida see teeb, kui see midagi tuvastab, mida sageli peetakse heli kiirgus. Seadme süda on Geiger-Mülleri toru, metallist või klaasist silinder, mis on täidetud inertsete gaasidega madalal rõhul. Toru sees on kaks elektroodi, millest üks on kõrgepinge potentsiaaliga (tavaliselt 400–600 volti), teine on ühendatud maandusega. Kui toru on puhkeolekus, ei suuda ükski vool hüpata toru sees oleva kahe elektroodi vahelist tühimikku ja seega vool ei voola. Kui aga torusse siseneb radioaktiivne osake, näiteks beetaosake, ioniseerib osake torus olevat gaasi, muutes selle juhtivaks ja võimaldades voolul lühikeseks ajaks elektroodide vahele hüpata. See lühike vool käivitab vooluahela detektoriosa, mis annab kuuldava klõpsatuse. Rohkem klikke tähendab rohkem kiirgust. Paljud Geigeri loendurid on võimelised loendama ka klikkide arvu ja loendama minutis ehk CPM -i ning kuvama selle valimis- või näiduekraanil.

Vaatame Geigeri loenduri toimimist teisiti. Geigeri loenduri võtmepõhimõte on Geigeri toru ja see, kuidas see tekitab ühele elektroodile kõrgepinge. See kõrgepinge on nagu järsk mäenõlv, mis on kaetud sügava lumega, ja laviini käivitamiseks on vaja vaid pisikest kiirgusenergiat (mis sarnaneb suusatajaga, kes laskub nõlvast alla). Järgnenud laviin kannab endaga palju rohkem energiat kui osake ise, piisavalt energiat, et ülejäänud Geigeri loendusahel seda tuvastada.

Kuna paljud meist on ilmselt juba mõnda aega klassiruumis istunud ja kiirgust tundma õppinud, on siin kiire värskendus.

Aine ja aatomi struktuur

Kogu aine koosneb väikestest osakestest, mida nimetatakse aatomiteks. Aatomid ise koosnevad veelgi väiksematest osakestest, nimelt prootonitest, neutronitest ja elektronidest. Prootonid ja neutronid on koondunud aatomi keskele - seda osa nimetatakse tuumaks. Elektronid tiirlevad ümber tuuma.

Prootonid on positiivselt laetud osakesed, elektronid on negatiivse laenguga ja neutronid ei kanna laengut ja on seetõttu neutraalsed, sellest ka nende nimi. Neutraalses olekus sisaldab iga aatom võrdset arvu prootoneid ja elektrone. Kuna prootonid ja elektronid kannavad võrdseid, kuid vastupidiseid laenguid, annab see aatomile neutraalse netolaengu. Kui aga aatomi prootonite ja elektronide arv ei ole võrdne, saab aatomist laetud osake, mida nimetatakse iooniks. Geigeri loendurid suudavad tuvastada ioniseerivat kiirgust, mis on kiirguse vorm, millel on võime muuta neutraalsed aatomid ioonideks. Kolm erinevat tüüpi ioniseerivat kiirgust on alfaosakesed, beetaosakesed ja gammakiired.

Alfaosakesed

Alfaosake koosneb kahest neutronist ja kahest omavahel ühendatud prootonist ning on samaväärne heeliumi aatomi tuumaga. Osake tekib siis, kui see lihtsalt aatomituumast lahti murrab ja lendab. Kuna sellel pole negatiivselt laetud elektrone, mis tühistaksid kahe prootoni positiivse laengu, on alfaosake positiivselt laetud osake, mida nimetatakse iooniks. Alfaosakesed on ioniseeriva kiirguse vorm, kuna neil on võime varastada oma ümbrusest elektrone ja muuta seejuures varastatud aatomid ioonideks. Suurtes annustes võib see kahjustada rakke. Radioaktiivse lagunemise tagajärjel tekkivad alfaosakesed on aeglaselt liikuvad, suhteliselt suured ja nende laengu tõttu ei saa need teistest asjadest kergesti läbi. Osake võtab lõpuks keskkonnast mõned elektronid ja muutub seda tehes legitiimseks heeliumi aatomiks. Nii toodetakse peaaegu kogu maa heelium.

Beetaosakesed

Beetaosake on kas elektron või positron. Positron on nagu elektron, kuid sellel on positiivne laeng. Beeta-miinusosakesed (elektronid) eralduvad, kui neutron laguneb prootoniks, ja beeta-plussosakesed (positronid), kui prooton laguneb neutroniks.

Gamma kiired

Gammakiired on suure energiaga footonid. Gammakiired asuvad elektromagnetilises spektris, väljaspool nähtavat valgust ja ultraviolettkiirgust. Neil on suur läbitungimisvõime ja nende ioniseerimisvõime tuleneb asjaolust, et nad suudavad elektronid aatomilt maha lüüa.

Toru SMB-20, mida me selle ehituse jaoks kasutame, on tavaline Venemaal toodetud toru. Sellel on õhuke metallkest, mis toimib negatiivse elektroodina, samal ajal kui toru keskpunkti pikuti läbiv metalltraat toimib positiivse elektroodina. Selleks, et katseklaas tuvastaks radioaktiivseid osakesi või gammakiiri, peab see osake või kiir kõigepealt toru õhukesest metallkestast läbi tungima. Tavaliselt ei suuda alfaosakesed seda teha, kuna tavaliselt peatavad need toru seinad. Teistel Geigeri tuubidel, mis on mõeldud nende osakeste tuvastamiseks, on sageli spetsiaalne aken, mida nimetatakse alfa -aknaks, mis võimaldab neil osakestel torusse siseneda. Aken on tavaliselt valmistatud väga õhukesest vilgukihist ja Geigeri toru peab olema alfa -allikale väga lähedal, et osakesed enne ümbritseva õhu imendumist üles võtta. * Ohke* Nii et kiirgusest piisab, hakkame selle asja üles ehitama.

Samm: koguge tööriistad ja materjalid

Vajalikud tarvikud:

• SMB-20 Geigeri toru (saadaval eBays umbes 20 USD eest)
• Kõrgepinge alalisvooluahela, röövitud odavalt elektrooniliselt kärbsepüüdjalt. See on konkreetne mudel, mida ma kasutasin:
• Zeneri dioodid, mille koguväärtus on umbes 400 V (neli 100 V oleks ideaalsed)
• Takistid koguväärtusega 5 Megohm (kasutasin viit 1 Megohmi)
• Transistor - NPN tüüpi, kasutasin 2SC975
• Piezo kõlari element (röövitud mikrolaineahjust või mürarikast elektroonilisest mänguasjast)
• 1 x AA patarei
• AA patareihoidik
• Sisse-/väljalüliti (kasutasin elektroonilise lendvoolu SPST hetkelist lülitit)
• Purustage elektrijuhtmete tükid
• Puidujäätmete, plasti või muu elektrit mittejuhtiva materjali tükk, mida kasutada ahela ehitamiseks substraadina

Tööriistad, mida kasutasin:

• "Pliiats" jootekolb
• Väikese läbimõõduga kampol-südamikuga joodis elektriliseks otstarbeks
• Kuumliimipüstol koos sobivate liimipulkadega
• Traadilõikurid
• Traadi eemaldajad
• Kruvikeeraja (elektroonilise kärbsevee lammutamiseks)

Kuigi see vooluring on ehitatud ümber SMB-20 toru, mis suudab tuvastada beetaosakesi ja gammakiiri, saab seda hõlpsasti kohandada erinevate torude kasutamiseks. Lihtsalt kontrollige oma konkreetse toru konkreetset tööpingevahemikku ja muid spetsifikatsioone ning reguleerige vastavalt komponentide väärtusi. Suuremad torud on tundlikumad kui väiksemad lihtsalt seetõttu, et need on osakeste tabamiseks suuremad sihtmärgid.

Geigeri torud vajavad töötamiseks kõrget pinget, nii et me kasutame elektroonilise kärbsepiiriku alalisvoolu suurenduslülitust, et tõsta aku 1,5 volti kuni umbes 600 voltini (algselt lendas kärbsenäpp 3 volti, andes välja umbes 1200 volti) kärbeste koputamiseks. Käivitage see kõrgematel pingetel ja teil on taser). SMB-20-le meeldib sõita 400 V pingel, seega kasutame pinge reguleerimiseks selle väärtuseni zeneri dioode. Ma kasutan kolmteist 33 V zenerit, kuid muud kombinatsioonid toimiksid sama hästi, näiteks 4 x 100 V zenerid, kui zenerite väärtuste kogusumma võrdub sihtpingega, antud juhul 400.

Takisteid kasutatakse toru voolu piiramiseks. SMB-20-le meeldib anood (positiivne külg) takisti umbes 5M oomi, seega kasutan viit 1M oomi takistit. Mis tahes takistite kombinatsiooni saab kasutada seni, kuni nende väärtused on umbes 5 M oomi.

Piezo kõlari element ja transistor sisaldavad vooluahela detektoriosa. Piezo kõlari element tekitab klõpsatavaid müra ja selle pikad juhtmed võimaldavad seda kõrva lähemale hoida. Mul on olnud õnne päästa neid sellistest asjadest nagu mikrolaineahjud, äratuskellad ja muu, mis teeb tüütu piiksu. Selle, mille leidsin, ümber on kena plastkorpus, mis aitab võimendada sellest tulevat heli.

Transistor suurendab klikkide mahtu. Saate vooluringi ehitada ilma transistorita, kuid ahela tekitatud klõpsud ei ole nii valjud (selle all pean silmas vaevu kuuldavaid). Kasutasin 2SC975 transistorit (NPN tüüpi), kuid ilmselt töötaksid paljud teised transistorid. 2SC975 oli sõna otseses mõttes esimene transistor, mille oma päästetud komponentide hunnikust välja tõmbasin.

Järgmise sammuna teeme elektrilise kärbsevee lammutamise. Ärge muretsege, see on lihtne.

3. samm: võtke kärbselapp lahti

Elektrooniliste kärbsenäppide ehitus võib veidi erineda, kuid kuna me oleme alles pärast elektroonikat sees, rebige see lihtsalt lahti ja tõmmake sisikond välja. Ülaltoodud piltidel olev löök on tegelikult pisut erinev sellest, mille ma leti sisse ehitasin, kuna tundub, et tootja muutis nende disaini.

Alustuseks eemaldage kõik nähtavad kruvid või muud kinnitusdetailid, mis hoiavad seda koos, hoides silma peal kleebiste või muude asjade eest, nagu aku kaas, mis võivad varjata täiendavaid kinnitusvahendeid. Kui asi ikka lahti ei lähe, võib kulumisseadme plastkorpuse õmblustes kuluda veidi kruvikeerajaga.

Kui olete selle avanud, peate juhtmete lõikamiseks kärbse tõmbluku võrgusilma abil kasutama traatlõikureid. Kaks musta juhet (mõnikord ka teisi värve) pärinevad tahvli samast kohast, millest igaüks viib ühe välimise võre juurde. Need on kõrgepinge väljundi negatiivsed või "maandatud" juhtmed. Kuna need juhtmed pärinevad trükkplaadi samast kohast ja me vajame ainult ühte, jätkake ja katkestage üks trükkplaadilt, asetades vanaraua hilisemaks kasutamiseks kõrvale.

Sisemisse võrku peaks olema üks punane juhe ja see on positiivne kõrgepinge väljund.

Teised trükkplaadilt tulevad juhtmed lähevad akukasti juurde ja see, mille otsas on vedru, on negatiivne ühendus. Päris lihtne.

Kui võtate lammutamispea lahti, võib -olla osade ümbertöötlemiseks eraldamiseks, olge ettevaatlik metallvõrgu teravate servade suhtes.

Samm: konstrueerige vooluring ja kasutage seda

Kui olete oma komponendid saanud, peate need jootma, et moodustada skeemil näidatud vooluring. Ma liimisin kõik kuumalt läbipaistva plastitüki külge, mille ümber panin. See teeb tugeva ja usaldusväärse vooluringi ning näeb ka päris hea välja. On väike võimalus, et saate selle vooluahela osade puudutamisest natuke pinget saada, kui see on pingestatud, nagu pieso -kõlari ühendus, kuid probleemi korral võite ühendused lihtsalt kuuma liimiga katta.

Kui mul olid lõpuks kõik ringraja ehitamiseks vajalikud komponendid olemas, viskasin selle pärastlõunal kokku. Sõltuvalt sellest, millised komponentide väärtused teil on, võite lõpuks kasutada vähem komponente kui mina. Võite kasutada ka väiksemat Geigeri toru ja muuta loendur väga kompaktseks. Geigeri loenduri käekell, keegi?

Nüüd võite küsida, milleks mul Geigeri loendurit vaja on, kui mul pole midagi radioaktiivset, millele osutada? Loendur klõpsab iga paari sekundi tagant lihtsalt taustkiirgusest, mis koosneb kosmilistest kiirtest jms. Kuid loenduri kasutamiseks on mõned kiirgusallikad:

Americium suitsuanduritest

Americium on inimese loodud (mitte looduslikult esinev) element ja seda kasutatakse ionisatsioonitüüpi suitsuandurites. Need suitsuandurid on väga levinud ja tõenäoliselt on teil neid kodus vähe. Seda on tegelikult üsna lihtne öelda, sest neil kõigil on sõnad, mis sisaldavad plastiks vormitud radioaktiivset ainet Am 241. Ameerikium on ameerikiumdioksiidi kujul kaetud väikese metallist nööbiga, mis on paigaldatud väikesesse korpusesse, mida tuntakse ionisatsioonikambrina. Ameerikium on tavaliselt kaetud õhukese kulla või muu korrosioonikindla metalliga. Võite suitsuanduri avada ja väikese nupu välja võtta - see pole tavaliselt väga raske.

Miks kiirgus suitsuanduris?

Detektori ionisatsioonikambris on kaks metallplaati, mis asuvad üksteise vastas. Ühele neist on kinnitatud nupp americium, mis kiirgab pidevat alfaosakeste voogu, mis ületavad väikese õhupilu ja mida teine plaat neelab. Kahe plaadi vaheline õhk ioniseerub ja on seetõttu mõnevõrra juhtiv. See võimaldab plaatide vahel voolata väikest voolu ja seda voolu saab tunda suitsuanduri vooluringiga. Kui suitsuosakesed sisenevad kambrisse, neelavad nad alfaosakesi ja katkestavad vooluringi, käivitades häire.

Jah, aga kas see on ohtlik?

Kiirgus on suhteliselt healoomuline, kuid ohutuse huvides soovitan järgmist:

• Hoidke ameerika nupp lastest eemal turvalises kohas, eelistatavalt mingisuguses lastekindlas konteineris
• Ärge kunagi puudutage selle nupu nägu, millele ameerika on kaetud. Kui puudutate kogemata nupu nägu, peske käed

Uraani klaas

Uraani on kasutatud oksiidi kujul klaasi lisandina. Kõige tüüpilisem uraaniklaasi värv on haiglaselt kahvatukollakasroheline, mis tõi 1920. aastatel kaasa hüüdnime “vaseliinklaas” (mis põhineb tajutaval sarnasusel vaseliini välimusega sellisel kujul, nagu see tol ajal koostati ja kaubanduslikult müüdi). Näete seda kirbuturgudel ja antiigipoodides märgistusega „vaseliinklaas” ning tavaliselt saate seda selle nimega küsida. Uraani kogus klaasis varieerub jälgedest kuni umbes 2 massiprotsendini, kuigi mõned 20. sajandi tükid valmistati kuni 25% uraaniga! Enamik uraaniklaase on väga vähe radioaktiivsed ja ma arvan, et selle käsitsemine pole üldse ohtlik.

Klaasi uraanisisaldust saate kinnitada musta valgusega (ultraviolettvalgusega), kuna kogu uraaniklaas fluorestseerib erkroheliselt, olenemata värvist, mis klaas normaalse valguse korral välja paistab (see võib olla väga erinev). Mida heledam tükk helendab ultraviolettkiirguse all, seda rohkem uraani see sisaldab. Kuigi uraaniklaasi tükid helendavad ultraviolettkiirguse käes, eraldavad nad ka oma valgust mis tahes ultraviolettkiirgust sisaldava valgusallika all (nagu päikesevalgus). Suure energiaga ultraviolettkiirguse lainepikkused löövad uraani aatomitesse, surudes nende elektronid kõrgemale energiatasemele. Kui uraani aatomid naasevad normaalsele energiatasemele, kiirgavad nad nähtavas spektris valgust.

Miks just uraan?

Marie Curie avastatud ja isoleeritud raadium uraanimaagis (pitchblende) käivitas uraani kaevandamise arendamise raadiumi ekstraheerimiseks, mida kasutati pimedas helendavate värvide valmistamiseks kella- ja lennukikelladele. See jättis tohutu hulga uraani jäätmeteks, kuna ühe grammi raadiumi ekstraheerimiseks kulub kolm tonni uraani.

Tooriumi telkimislaternate mantlid

Tooriumi kasutatakse telkimislaternate mantlites tooriumdioksiidi kujul. Esmakordsel kuumutamisel põleb mantli polüesterosa ära, samal ajal kui tooriumdioksiid (koos teiste koostisosadega) säilitab vahevöö kuju, kuid muutub keraamikaks, mis kuumutamisel helendab. Tooriumi selle rakenduse jaoks enam ei kasutata, enamus ettevõtteid lõpetas selle 90ndate keskel ja see on asendatud muude elementidega, mis ei ole radioaktiivsed. Tooriumi kasutati seetõttu, et see tekitab väga eredalt helendavaid mantleid ja sellele heledusele ei vasta uuemad mitteradioaktiivsed mantlid. Kuidas teate, kas teie mantel on tõesti radioaktiivne? Sealt tuleb sisse Geigeri loendur. Mantiid, millega olen kokku puutunud, ajavad Geigeri loenduri hulluks, palju rohkem kui uraaniklaas või ameerika nupud. See pole nii palju, et toorium on radioaktiivsem kui uraan või ameerikium, kuid laternakattes on palju rohkem radioaktiivset materjali kui nendes teistes allikates. Sellepärast on tõesti imelik kohata tarbekaupades nii palju kiirgust. Samad ettevaatusabinõud, mis kehtivad ameerika nuppude suhtes, kehtivad ka laternaümbriste kohta.

Täname, et lugesite, kõik! Kui teile see juhendamine meeldib, siis osalen selle konkursil „Tööriista loomine” ja oleksin teie hääle eest väga tänulik! Mulle meeldiks kuulda ka teid, kui teil on kommentaare või küsimusi (või isegi näpunäiteid/ettepanekuid/konstruktiivset kriitikat), nii et ärge kartke neid allpool jätta.

Eriline tänu minu sõbrale Lucca Rodriguezile, kes tegi selle juhendi jaoks ilusa vooluringi.