Pracovné Geigerovo počítadlo W/ minimálne diely: 4 kroky (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Pokiaľ je mi známe, toto je najjednoduchšie fungujúce Geigerovo počítadlo, ktoré môžete postaviť. Ten používa ruskú trubicu SMB-20 Geiger vyrobenú v Rusku poháňanú vysokonapäťovým zosilňovacím obvodom vylúpeným z elektronického plaváka. Detekuje beta častice a gama lúče, pričom vydá kliknutie na každú detegovanú rádioaktívnu časticu alebo gama lúč. Ako vidíte na vyššie uvedenom videu, každých pár sekúnd kliká na žiarenie pozadia, ale v skutočnosti ožije, keď sa priblížia zdroje žiarenia, ako sú uránové sklo, plášte tóriových lampášov alebo ameríciové tlačidlá z detektorov dymu. Postavil som toto počítadlo, aby mi pomohlo identifikovať rádioaktívne prvky, ktoré potrebujem na vyplnenie svojej zbierky prvkov, a funguje to skvele! Jedinou skutočnou nevýhodou tohto počítadla je, že nie je príliš hlasný a nevypočítava a nezobrazuje množstvo žiarenia, ktoré detekuje, v počtoch za minútu. To znamená, že nezískate žiadne skutočné údajové body, iba všeobecnú predstavu o rádioaktivite na základe počtu kliknutí, ktoré počujete.

Aj keď sú na internete k dispozícii rôzne súpravy Geigerových počítadiel, môžete si vytvoriť svoj vlastný od začiatku, ak máte správne komponenty. Začnime!

Krok 1: Geigerove počítadlá a žiarenie: Ako to všetko funguje

Geigerov počítač (alebo Geiger-Müllerov čítač) je detektor žiarenia vyvinutý Hansom Geigerom a Waltherom Müllerom v roku 1928. Dnes už takmer každý pozná zvuky cvakania, ktoré vydáva, keď niečo zistí, často sa považuje za „zvuk“žiarenie. Srdcom zariadenia je Geiger-Müllerova trubica, kovový alebo sklenený valec naplnený inertnými plynmi držanými pod nízkym tlakom. Vo vnútri trubice sú dve elektródy, z ktorých jedna je držaná na vysokonapäťovom potenciáli (zvyčajne 400-600 voltov), zatiaľ čo druhá je pripojená k elektrickému uzemneniu. Keď je trubica v pokojovom stave, žiadny prúd nie je schopný preskočiť medzeru medzi dvoma elektródami vo vnútri trubice, a preto netečie žiadny prúd. Keď však do trubice vstúpi rádioaktívna častica, ako napríklad beta častica, častica ionizuje plyn vo vnútri trubice, čím je vodivá a umožní na krátky okamih preskočiť prúd medzi elektródami. Tento krátky tok prúdu spustí detektorovú časť obvodu, ktorá vydá počuteľné „kliknutie“. Viac kliknutí znamená viac žiarenia. Mnoho počítadiel Geiger má tiež schopnosť počítať počet kliknutí a počítať za minútu alebo CPM a zobrazovať ich na displeji s číselníkom alebo odčítaním.

Pozrime sa na činnosť Geigerovho počítadla iným spôsobom. Kľúčovou zásadou činnosti Geigerovej počítadla je Geigerova trubica a spôsob, akým na jednej elektróde vytvára vysoké napätie. Toto vysoké napätie je ako strmý horský svah pokrytý hlbokým snehom a na spustenie lavíny stačí malý kúsok energie žiarenia (podobné lyžiarovi, ktorý ide dole svahom). Nasledujúca lavína nesie so sebou oveľa viac energie ako samotná častica, teda dostatok energie na to, aby ju zachytil zvyšok Geigerovho pultového obvodu.

Pretože asi už dávno nie je, pretože mnohí z nás sedia v triede a učia sa o radiácii, tu je rýchle osvieženie.

Hmota a štruktúra atómu

Celá hmota sa skladá z malých častíc nazývaných atómy. Atómy sa skladajú z ešte menších častíc, konkrétne z protónov, neutrónov a elektrónov. Protóny a neutróny sú zoskupené v strede atómu - táto časť sa nazýva jadro. Elektróny obiehajú jadro.

Protóny sú pozitívne nabité častice, elektróny sú negatívne nabité a neutróny sú bez náboja, a preto sú neutrálne, odtiaľ pochádza aj ich názov. V neutrálnom stave obsahuje každý atóm rovnaký počet protónov a elektrónov. Pretože protóny a elektróny nesú rovnaké, ale opačné náboje, dáva atóm neutrálny čistý náboj. Keď však počet protónov a elektrónov v atóme nie je rovnaký, z atómu sa stane nabitá častica nazývaná ión. Geigerove počítadlá sú schopné detegovať ionizujúce žiarenie, formu žiarenia, ktorá má schopnosť transformovať neutrálne atómy na ióny. Tri rôzne druhy ionizujúceho žiarenia sú častice alfa, beta a gama.

Alfa častice

Častica alfa pozostáva z dvoch neutrónov a dvoch protónov spojených dohromady a je ekvivalentom jadra atómu hélia. Častica vzniká, keď sa jednoducho odlomí z atómového jadra a letí. Pretože nemá žiadne negatívne nabité elektróny na zrušenie kladného náboja dvoch protónov, alfa častica je pozitívne nabitá častica, nazývaná ión. Častice alfa sú formou ionizujúceho žiarenia, pretože majú schopnosť kradnúť elektróny zo svojho okolia a pritom transformovať atómy, z ktorých kradnú, na ióny samotné. Vo vysokých dávkach to môže spôsobiť poškodenie buniek. Alfa častice generované rádioaktívnym rozpadom sa pohybujú pomaly, majú relatívne veľkú veľkosť a kvôli svojmu náboju nemôžu ľahko prechádzať inými vecami. Častica nakoniec zachytí niekoľko elektrónov z prostredia, a tým sa stane legitímnym atómom hélia. Takto sa vyrába takmer celé zemské hélium.

Beta častice

Beta častica je buď elektrón alebo pozitrón. Pozitrón je ako elektrón, ale nesie kladný náboj. Beta-mínusové častice (elektróny) sú emitované, keď sa neutrón rozpadne na protón, a častice beta-plus (pozitróny) sú emitované, keď sa protón rozpadne na neutrón.

Gama lúče

Gama lúče sú fotóny s vysokou energiou. Gama lúče sa nachádzajú v elektromagnetickom spektre, mimo viditeľného svetla a ultrafialového žiarenia. Majú vysokú penetračnú silu a ich schopnosť ionizovať pochádza zo skutočnosti, že môžu zraziť elektróny z atómu.

Rúrka SMB-20, ktorú pri tejto stavbe použijeme, je bežnou rúrkou ruskej výroby. Má tenký kovový plášť, ktorý funguje ako záporná elektróda, zatiaľ čo kladný elektróda slúži kovový drôt, ktorý prebieha pozdĺžne stredom trubice. Aby trubica detekovala rádioaktívne častice alebo gama lúč, musí táto častica alebo lúč najskôr preniknúť cez tenký kovový povrch skúmavky. Častice alfa to spravidla nedokážu, pretože sú zvyčajne zastavené stenami trubice. Ostatné Geigerove trubice, ktoré sú určené na detekciu týchto častíc, majú často špeciálne okno, nazývané alfa okno, ktoré umožňuje týmto časticiam vstúpiť do skúmavky. Okno je zvyčajne vyrobené z veľmi tenkej vrstvy sľudy a Geigerova trubica musí byť veľmi blízko zdroja Alfa, aby zachytila častice skôr, ako sú absorbované okolitým vzduchom. * Povzdych* Takže to je dosť o žiarení, poďme na stavbu tejto veci.

Krok 2: Zhromaždite svoje nástroje a materiály

Potrebné zásoby:

• SMB-20 Geiger Tube (k dispozícii za približne 20 USD na eBay)
• Vysokonapäťový obvod DC na zvýšenie napätia, ukradnutý z lacného elektronického zapaľovača. Toto je konkrétny model, ktorý som použil:
• Zenerove diódy s celkovou hodnotou približne 400 V (ideálne by boli štyri 100 V)
• Rezistory s celkovou hodnotou 5 Megohm (použil som päť 1 Megohm)
• Tranzistor - typ NPN, použil som 2SC975
• Piezo reproduktorový prvok (ukradnutý z mikrovlnnej rúry alebo hlučnej elektronickej hračky)
• 1 x batéria AA
• Držiak batérie AA
• Vypínač (použil som chvíľkový spínač SPST z elektronickej mušej vody)
• Zošrotujte kúsky elektrického drôtu
• Kus drevného šrotu, plastu alebo iného nevodivého materiálu, ktorý sa má použiť ako podklad na stavbu obvodu

Nástroje, ktoré som použil:

• Spájkovačka "ceruzka"
• Silikónová spájka s malým priemerom na elektrické účely
• Horúca lepiaca pištoľ s príslušnými lepiacimi tyčinkami
• Strihač káblov
• Odizolovače drôtov
• Skrutkovač (na demoláciu elektronickej muchotrávky)

Aj keď je tento obvod postavený na trubici SMB-20, ktorá je schopná detegovať beta častice a gama lúče, dá sa ľahko prispôsobiť použitiu rôznych trubíc. Stačí skontrolovať konkrétny rozsah prevádzkového napätia a ďalšie špecifikácie vašej konkrétnej trubice a podľa toho upraviť hodnoty komponentov. Väčšie trubice sú citlivejšie ako menšie, jednoducho preto, že sú väčšími cieľmi na zasiahnutie častíc.

Geigerove trubice vyžadujú na prácu vysoké napätie, preto používame zosilňovací obvod DC z elektronického zapaľovača na zvýšenie 1,5 voltu z batérie až na približne 600 voltov (pôvodne muškátový pulz vyčerpal 3 volty, pričom vydal približne 1 200 voltov. na zapínanie múch. Spustite ho na vyššie napätie a máte taser). SMB-20 má rád napájanie 400 V, takže na reguláciu napätia na túto hodnotu používame zenerové diódy. Používam trinásť 33V zenerov, ale rovnako dobre by fungovali aj iné kombinácie, napríklad 4 x 100V zenery, pokiaľ sa súčet hodnôt zenerov rovná cieľovému napätiu, v tomto prípade 400.

Rezistory sa používajú na obmedzenie prúdu do trubice. SMB-20 má rád anódový (kladný) odpor asi 5 M ohmov, takže používam päť 1 M ohmových odporov. Je možné použiť akúkoľvek kombináciu odporov, pokiaľ ich hodnoty dosahujú približne 5 M ohmov.

Piezo reproduktorový prvok a tranzistor tvoria detektorovú časť obvodu. Piezo reproduktorový prvok vydáva cvakavé zvuky a dlhé káble vám ho umožňujú držať bližšie k uchu. Mal som šťastie zachrániť ich pred vecami, ako sú mikrovlnné rúry, budíky a ďalšie veci, ktoré vydávajú nepríjemné zvuky. Ten, ktorý som našiel, má okolo seba pekné plastové puzdro, ktoré pomáha zosilniť zvuk, ktorý z neho vychádza.

Tranzistor zvyšuje hlasitosť kliknutí. Obvod môžete postaviť bez tranzistora, ale kliknutia, ktoré obvod generuje, nebudú také hlasné (tým myslím sotva počuteľné). Použil som tranzistor 2SC975 (typ NPN), ale mnoho ďalších tranzistorov by pravdepodobne fungovalo. 2SC975 bol doslova len prvým tranzistorom, ktorý som vytiahol zo svojej hromady zachránených súčiastok.

V ďalšom kroku urobíme zbúranie elektrického flyswatteru. Neboj sa, je to ľahké.

Krok 3: Rozoberte Fly Swatter

Elektronické swattery sa môžu mierne líšiť v konštrukcii, ale keďže sme vo vnútri len po elektronike, stačí ju roztrhnúť a vytiahnuť vnútornosti lol. Swatter na obrázkoch vyššie je v skutočnosti mierne odlišný od toho, ktorý som zabudoval do pultu, pretože sa zdá, že výrobca zmenil ich dizajn.

Začnite tým, že odstránite všetky viditeľné skrutky alebo iné upevňovacie prvky, ktoré držia spolu, pričom dávajte pozor na nálepky alebo veci ako kryt batérie, ktoré by mohli skrývať ďalšie upevňovacie prvky. Ak sa vec stále neotvorí, bude možno potrebné páčiť sa skrutkovačom pozdĺž švov v plastovom tele swatteru.

Akonáhle ho otvoríte, budete musieť použiť nožnice na drôt na odrezanie drôtov v mriežke sieťky zapaľovača. Dva čierne drôty (niekedy aj iné farby) pochádzajú z rovnakého miesta na doske, pričom každý vedie do jednej z vonkajších mriežok. Toto sú záporné alebo „uzemňovacie“vodiče pre vysokonapäťový výstup. Pretože tieto drôty pochádzajú z rovnakého miesta na doske s plošnými spojmi a potrebujeme iba jeden, pokračujte a jeden odstrihnite na doske s plošnými spojmi, pričom drôtový šrot odložte bokom na neskoršie použitie.

Do vnútornej siete by mal viesť jeden červený vodič, a to je kladný vysokonapäťový výstup.

Ostatné vodiče vychádzajúce z dosky plošných spojov smerujú do skrinky na batérie a ten s pružinou na konci je záporné spojenie. Docela jednoduché.

Ak rozoberiete hlavu swatteru, aby ste oddelili súčiastky na recykláciu, dávajte si pozor na možné ostré hrany na kovovej sieťovine.

Krok 4: Zostrojte obvod a použite ho

Akonáhle budete mať svoje súčasti, budete ich musieť spájkovať a vytvoriť obvod znázornený na diagrame. Všetko som za tepla prilepil na kus číreho plastu, ktorý som mal položený okolo. Vďaka tomu je robustný a spoľahlivý obvod a tiež vyzerá celkom dobre. Existuje malá šanca, že by ste si mohli zapnúť dotykové časti tohto obvodu, keď je pod napätím, ako napríklad pripojenie na piezoelektrickom reproduktore, ale v prípade problému môžete spoje jednoducho pokryť horúcim lepidlom.

Keď som konečne mal všetky komponenty, ktoré som potreboval na stavbu obvodu, poobede som to dal dohromady. V závislosti od toho, aké hodnoty komponentov máte, môžete nakoniec použiť menej komponentov ako ja. Môžete tiež použiť menšiu trubicu Geiger a urobiť počítadlo veľmi kompaktným. Geigerove náramkové hodinky, niekto?

Teraz si môžete položiť otázku, na čo potrebujem Geigerov počítač, ak nemám nič rádioaktívne, na čo by som to nasmeroval? Počítadlo klikne každých pár sekúnd iba zo žiarenia pozadia, ktoré je zložené z kozmických lúčov a podobne. Existuje však niekoľko zdrojov žiarenia, na ktorých môžete počítadlo použiť:

Americium z detektorov dymu

Americium je prvok vyrobený človekom (nie prirodzene sa vyskytujúci) a používa sa v detektoroch dymu ionizačného typu. Tieto detektory dymu sú veľmi bežné a pravdepodobne ich máte aj niekoľko doma. V skutočnosti je celkom ľahké zistiť, či áno, pretože všetky obsahujú slová obsahujúce rádioaktívnu látku Am 241 tvarovanú do plastu. Americium vo forme oxidu američitanu je umiestnené na malý kovový gombík vo vnútri, namontovaný v malom kryte známom ako ionizačná komora. Amerícium je obvykle pokryté tenkou vrstvou zlata alebo iného kovu odolného voči korózii. Môžete otvoriť detektor dymu a vytiahnuť malé tlačidlo - zvyčajne to nie je príliš ťažké.

Prečo žiarenie v detektore dymu?

Vo vnútri ionizačnej komory detektora sú oproti sebe umiestnené dve kovové platne. K jednému z nich je pripojené tlačidlo americium, ktoré vyžaruje konštantný prúd častíc alfa, ktoré prechádzajú malou vzduchovou medzerou a potom sú absorbované druhou doskou. Vzduch medzi týmito dvoma doskami sa ionizuje, a preto je trochu vodivý. To umožňuje, aby medzi doskami pretekal malý prúd, a tento prúd môže byť snímaný obvodmi detektora dymu. Keď častice dymu vstúpia do komory, absorbujú alfa častice a prerušia obvod, čím sa spustí alarm.

Áno, ale je to nebezpečné?

Vyžarované žiarenie je relatívne neškodné, ale pre istotu odporúčam nasledujúce:

• Uchovávajte tlačidlo americium na bezpečnom mieste mimo dosahu detí, najlepšie v nejakom druhu vhodnom pre deti
• Nikdy sa nedotýkajte tváre tlačidla, na ktorom je americium pokovované. Ak sa náhodou dotknete tváre tlačidla, umyte si ruky

Uránové sklo

Urán sa v oxidovej forme používa ako prísada do skla. Najtypickejšia farba uránového skla je chorobne bledožltozelená, čo v 20. rokoch 20. storočia viedlo k prezývke „vazelínové sklo“(na základe vnímanej podobnosti s tým, ako sa v tom čase prejavovala vazelína ako formulovaná a komerčne predávaná). Na blších trhoch a v obchodoch so starožitnosťami ho uvidíte označený ako „vazelínové sklo“a zvyčajne ho môžete požiadať týmto menom. Množstvo uránu v skle sa pohybuje od stopových úrovní do asi 2% hmotnosti, aj keď niektoré kusy 20. storočia boli vyrobené až z 25% uránu! Väčšina uránového skla je len veľmi málo rádioaktívna a nemyslím si, že by bolo vôbec nebezpečné s ním zaobchádzať.

Obsah uránu v skle môžete potvrdiť čiernym svetlom (ultrafialovým svetlom), pretože všetky uránové sklá fluoreskujú jasne zelenou farbou bez ohľadu na to, akú farbu má sklo pri normálnom svetle (ktoré sa môže veľmi líšiť). Čím jasnejší kus žiari pod ultrafialovým svetlom, tým viac uránu obsahuje. Kúsky uránového skla síce žiaria pod ultrafialovým svetlom, ale tiež vydávajú vlastné svetlo pod akýmkoľvek svetelným zdrojom, ktorý obsahuje ultrafialové svetlo (napríklad slnečné svetlo). Vysokoenergetické ultrafialové vlnové dĺžky svetla dopadajú na atómy uránu a tlačia ich elektróny na vyššiu energetickú úroveň. Keď sa atómy uránu vrátia na svoju normálnu energetickú úroveň, vyžarujú svetlo vo viditeľnom spektre.

Prečo urán?

Objav a izolácia rádia v uránovej rude (pitchblende) Marie Curie podnietila rozvoj ťažby uránu na extrakciu rádia, ktoré sa používalo na výrobu žiarivých farieb pre ciferníky hodín a lietadiel. Zostalo tak obrovské množstvo uránu ako odpadového produktu, pretože na extrakciu jedného gramu rádia sú potrebné tri tony uránu.

Kempingové lampiónové plášte tórium

Tórium sa používa v kempingových plášťoch lampášov vo forme oxidu tórnatého. Pri prvom zahriatí polyesterová časť plášťa vyhorí, zatiaľ čo oxid horečnatý (spolu s ďalšími prísadami) si zachová tvar plášťa, ale stane sa druhom keramiky, ktorá pri zahrievaní žiari. Thorium sa už pre túto aplikáciu nepoužíva, väčšina spoločností ho ukončila v polovici 90. rokov a bolo nahradené inými prvkami, ktoré nie sú rádioaktívne. Používalo sa tórium, pretože vytvára veľmi jasne plášte a tento jas nie je úplne v súlade s novšími, nerádioaktívnymi plášťami. Ako rozoznám, že plášť, ktorý máte, je skutočne rádioaktívny? Tu vstupuje Geigerov pult. Plášte, s ktorými som sa stretol, blázon Geigera pobláznia, oveľa viac než gombíky z uránového skla alebo americium. Nie je to tak veľmi, že tórium je rádioaktívnejšie ako urán alebo americium, ale v plášti lampáša je oveľa viac rádioaktívneho materiálu ako v týchto iných zdrojoch. Preto je skutočne zvláštne stretnúť sa v spotrebnom výrobku s takým množstvom žiarenia. Rovnaké bezpečnostné opatrenia, aké platia pre gombíkové gombíky, platia aj pre plášte lampášov.

Ďakujem za prečítanie, všetkým! Ak sa vám tento návod páči, zapájam sa do súťaže „Zostavte nástroj“a veľmi by som ocenil váš hlas! Budem tiež rád, ak sa prihlásite alebo odpoviete na akékoľvek otázky (alebo dokonca tipy/návrhy/konštruktívnu kritiku). Nebojte sa ich preto zanechať.

Osobitné poďakovanie patrí mojej priateľke Lucce Rodriguezovej za vytvorenie krásneho schémy zapojenia pre tento návod.