Działający licznik Geigera z minimalnymi częściami: 4 kroki (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

Oto, według mojej wiedzy, najprostszy w działaniu licznik Geigera, jaki możesz zbudować. Ten wykorzystuje rosyjską lampę Geigera SMB-20, napędzaną przez obwód wysokiego napięcia, zrabowany z elektronicznej packi na muchy. Wykrywa cząstki beta i promienie gamma, emitując kliknięcie dla każdej wykrytej cząstki radioaktywnej lub rozbłysku promieni gamma. Jak widać na powyższym filmie, klika co kilka sekund z promieniowania tła, ale naprawdę ożywa, gdy zbliżają się źródła promieniowania, takie jak szkło uranowe, osłony lamp toru lub amerykowe przyciski czujników dymu. Zbudowałem ten licznik, aby pomóc mi zidentyfikować pierwiastki radioaktywne, których potrzebuję do wypełnienia mojej kolekcji pierwiastków, i działa świetnie! Jedyną wadą tego licznika jest to, że nie jest zbyt głośny i nie oblicza i nie wyświetla ilości wykrywanego promieniowania w liczbach na minutę. Oznacza to, że nie otrzymujesz żadnych rzeczywistych punktów danych, a jedynie ogólne pojęcie o radioaktywności na podstawie liczby kliknięć, które słyszysz.

Chociaż w sieci dostępne są różne zestawy liczników Geigera, możesz zbudować własny od podstaw, jeśli masz odpowiednie komponenty. Zacznijmy!

Krok 1: Liczniki Geigera i promieniowanie: jak to wszystko działa

Licznik Geigera (lub licznik Geigera-Müllera) to detektor promieniowania opracowany przez Hansa Geigera i Walthera Müllera w 1928 roku. Dziś prawie każdy zna odgłosy klikania, które wydaje, gdy coś wykryje, często uważane za „dźwięk” promieniowanie. Sercem urządzenia jest rurka Geigera-Müllera, czyli metalowy lub szklany cylinder wypełniony gazami obojętnymi utrzymywanymi pod niskim ciśnieniem. Wewnątrz rurki znajdują się dwie elektrody, z których jedna jest utrzymywana na potencjale wysokiego napięcia (zwykle 400-600 woltów), podczas gdy druga jest podłączona do uziemienia elektrycznego. Gdy rura jest w stanie spoczynku, żaden prąd nie jest w stanie przeskoczyć szczeliny między dwiema elektrodami wewnątrz rury, a więc prąd nie płynie. Jednak gdy do rurki dostanie się cząstka radioaktywna, taka jak cząstka beta, cząstka jonizuje gaz wewnątrz rurki, czyniąc go przewodzącym i umożliwiając przepływ prądu między elektrodami przez krótką chwilę. Ten krótki przepływ prądu wyzwala część detektora obwodu, która emituje słyszalne „kliknięcie”. Więcej kliknięć oznacza więcej promieniowania. Wiele liczników Geigera ma również możliwość zliczania liczby kliknięć i obliczania zliczeń na minutę lub CPM i wyświetlania ich na tarczy lub wyświetlaczu.

Spójrzmy na działanie licznika Geigera w inny sposób. Kluczową zasadą działania licznika Geigera jest rurka Geigera i sposób, w jaki ustawia ona wysokie napięcie na jednej elektrodzie. To wysokie napięcie jest jak strome zbocze góry pokryte głębokim śniegiem, a wystarczy odrobina energii promieniowania (podobna do narciarza schodzącego po zboczu), aby wywołać lawinę. Powstała lawina niesie ze sobą znacznie więcej energii niż sama cząstka, wystarczająco dużo energii, aby mogła zostać wykryta przez resztę obwodu licznika Geigera.

Ponieważ prawdopodobnie minęło trochę czasu, odkąd wielu z nas siedziało w klasie i uczyło się o promieniowaniu, oto krótkie przypomnienie.

Materia i struktura atomu

Cała materia składa się z maleńkich cząstek zwanych atomami. Same atomy składają się z jeszcze mniejszych cząstek, a mianowicie protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony są skupione w centrum atomu - ta część nazywa się jądrem. Elektrony krążą wokół jądra.

Protony są cząstkami naładowanymi dodatnio, elektrony są naładowane ujemnie, a neutrony nie mają ładunku i dlatego są obojętne, stąd ich nazwa. W stanie neutralnym każdy atom zawiera równą liczbę protonów i elektronów. Ponieważ protony i elektrony niosą równe, ale przeciwne ładunki, daje to atomowi neutralny ładunek netto. Jednak gdy liczba protonów i elektronów w atomie nie jest równa, atom staje się naładowaną cząsteczką zwaną jonem. Liczniki Geigera są w stanie wykryć promieniowanie jonizujące, formę promieniowania, która ma zdolność przekształcania neutralnych atomów w jony. Trzy różne rodzaje promieniowania jonizującego to cząstki alfa, cząstki beta i promienie gamma.

Cząstki alfa

Cząstka alfa składa się z dwóch połączonych ze sobą neutronów i dwóch protonów i jest odpowiednikiem jądra atomu helu. Cząstka powstaje, gdy po prostu odrywa się od jądra atomowego i leci. Ponieważ nie ma żadnych ujemnie naładowanych elektronów, które znosiłyby dodatni ładunek dwóch protonów, cząstka alfa jest cząstką naładowaną dodatnio, zwaną jonem. Cząstki alfa są formą promieniowania jonizującego, ponieważ mają zdolność wykradania elektronów z otoczenia, a tym samym przekształcania atomów, z których kradną, w same jony. W dużych dawkach może to spowodować uszkodzenie komórek. Cząstki alfa generowane przez rozpad radioaktywny poruszają się wolno, mają stosunkowo duże rozmiary i ze względu na swój ładunek nie mogą łatwo przejść przez inne obiekty. Cząstka w końcu przechwytuje kilka elektronów z otoczenia i w ten sposób staje się pełnoprawnym atomem helu. W ten sposób powstaje prawie cały hel na Ziemi.

Cząstki beta

Cząstka beta to elektron lub pozyton. Pozytron jest jak elektron, ale ma ładunek dodatni. Cząstki beta-minus (elektrony) są emitowane, gdy neutron rozpada się na proton, a cząstki beta-plus (pozytony) są emitowane, gdy proton rozpada się na neutron.

Promienie gamma

Promienie gamma to fotony o wysokiej energii. Promienie gamma znajdują się w widmie elektromagnetycznym, poza światłem widzialnym i ultrafioletowym. Mają wysoką zdolność penetracji, a ich zdolność do jonizacji wynika z tego, że mogą wybijać elektrony z atomu.

Lampa SMB-20, której będziemy używać w tej konstrukcji, to typowa tuba produkcji rosyjskiej. Ma cienką metalową powłokę, która działa jak elektroda ujemna, podczas gdy metalowy drut biegnący wzdłuż środka rury służy jako elektroda dodatnia. Aby rura mogła wykryć cząstkę radioaktywną lub promień gamma, ta cząstka lub promień musi najpierw przebić cienką metalową powłokę rury. Cząstki alfa generalnie nie są w stanie tego zrobić, ponieważ zwykle są zatrzymywane przez ścianki tuby. Inne rurki Geigera, które są zaprojektowane do wykrywania tych cząstek, często mają specjalne okno, zwane oknem alfa, które umożliwia tym cząstkom wejście do rurki. Okienko jest zwykle wykonane z bardzo cienkiej warstwy miki, a rurka Geigera musi znajdować się bardzo blisko źródła alfa, aby wychwycić cząstki, zanim zostaną wchłonięte przez otaczające powietrze. *Wzdychanie* Więc to wystarczy o promieniowaniu, przejdźmy do zbudowania tego czegoś.

Krok 2: Zbierz swoje narzędzia i materiały

Potrzebne materiały eksploatacyjne:

• SMB-20 Geiger Tube (dostępny za około 20 USD w serwisie eBay)
• Obwód wysokiego napięcia DC Step-up, okradziony z taniej elektronicznej packi na muchy. To jest konkretny model, którego użyłem:
• Diody Zenera o łącznej wartości około 400 V (idealne byłyby cztery 100 V)
• Rezystory o łącznej wartości 5 megaomów (użyłem pięciu 1 megaomów)
• Tranzystor - typ NPN, użyłem 2SC975
• Element głośnika piezoelektrycznego (okradziony z kuchenki mikrofalowej lub hałaśliwej zabawki elektronicznej)
• 1 bateria AA
• Uchwyt baterii AA
• Włącznik/wyłącznik (użyłem przełącznika chwilowego SPST z elektronicznej muszli muchowej)
• Kawałki złomu przewodu elektrycznego
• Kawałek kawałka drewna, plastiku lub innego nieprzewodzącego materiału do wykorzystania jako podłoże do zbudowania obwodu

Narzędzia, których użyłem:

• Lutownica „ołówkowa”
• Lut lutowniczy o małej średnicy do celów elektrycznych
• Pistolet do klejenia na gorąco z odpowiednimi sztyftami kleju
• Nożyce do drutu
• Narzędzia do ściągania izolacji
• Wkrętak (do rozbiórki elektronicznej packi na muchy)

Chociaż obwód ten jest zbudowany wokół lampy SMB-20, która jest w stanie wykrywać cząstki beta i promieniowanie gamma, można go łatwo dostosować do użycia różnych lamp. Po prostu sprawdź konkretny zakres napięcia roboczego i inne specyfikacje konkretnej lampy i odpowiednio dostosuj wartości komponentów. Większe rurki są bardziej czułe niż mniejsze, po prostu dlatego, że są większymi celami, na które uderzają cząstki.

Lampy Geigera wymagają wysokiego napięcia do pracy, więc używamy obwodu podwyższającego napięcie DC z elektronicznej packi na muchy, aby zwiększyć napięcie 1,5 V z akumulatora do około 600 woltów (pierwotnie do zappingu much. Uruchom go na wyższych napięciach i będziesz miał taser). SMB-20 lubi być zasilany napięciem 400V, więc do regulacji napięcia do tej wartości używamy diod Zenera. Używam trzynastu zenerów 33 V, ale inne kombinacje będą działać równie dobrze, takie jak 4 x 100 V, o ile suma wartości zenerów równa się napięciu docelowemu, w tym przypadku 400.

Rezystory służą do ograniczenia prądu płynącego do lampy. SMB-20 lubi rezystor anodowy (po stronie dodatniej) o wartości około 5M omów, więc używam pięciu rezystorów 1M omów. Można zastosować dowolną kombinację rezystorów, o ile ich wartości sumują się do około 5 M omów.

Element głośnika piezoelektrycznego i tranzystor stanowią część detektora obwodu. Element głośnika piezoelektrycznego emituje odgłosy klikania, a długie przewody pozwalają na trzymanie go bliżej ucha. Miałem szczęście ratować je z takich rzeczy jak mikrofale, budziki i inne rzeczy, które wydają denerwujące dźwięki. Ten, który znalazłem, ma wokół niego ładną plastikową obudowę, która pomaga wzmocnić wydobywający się z niego dźwięk.

Tranzystor zwiększa głośność kliknięć. Można zbudować obwód bez tranzystora, ale kliknięcia generowane przez układ nie będą tak głośne (mam tu na myśli ledwo słyszalne). Użyłem tranzystora 2SC975 (typu NPN), ale wiele innych tranzystorów prawdopodobnie by zadziałało. 2SC975 był dosłownie pierwszym tranzystorem, który wyciągnąłem ze stosu uratowanych komponentów.

W następnym kroku dokonamy rozbiórki elektrycznej packi na muchy. Nie martw się, to proste.

Krok 3: Zdemontuj packę na muchy

Elektroniczne packi na muchy mogą się nieco różnić konstrukcją, ale ponieważ chodzi nam tylko o elektronikę w środku, wystarczy ją rozerwać i wyciągnąć flaki lol. Swatter na powyższych zdjęciach jest w rzeczywistości nieco inny niż ten, który wbudowałem w blat, ponieważ wydaje się, że producent zmienił ich konstrukcję.

Zacznij od usunięcia widocznych śrub lub innych elementów mocujących, które łączą go razem, uważając na naklejki lub elementy, takie jak pokrywa baterii, które mogą ukrywać dodatkowe elementy mocujące. Jeśli przedmiot nadal się nie otwiera, może wymagać podważenia śrubokrętem wzdłuż szwów w plastikowym korpusie packi.

Gdy już go otworzysz, będziesz musiał użyć przecinaków do drutu, aby odciąć druty w siatce siatki zappera na muchy. Z tego samego miejsca na planszy wychodzą dwa czarne przewody (czasem w innych kolorach), każdy z nich prowadzi do jednej z zewnętrznych siatek. Są to przewody ujemne lub „masy” dla wyjścia wysokiego napięcia. Ponieważ te przewody pochodzą z tego samego miejsca na płytce drukowanej, a my potrzebujemy tylko jednego, odetnij jeden z nich na płytce drukowanej, odkładając drut złomowy na bok do późniejszego użycia.

Powinien być jeden czerwony przewód prowadzący do wewnętrznej siatki i jest to dodatnie wyjście wysokiego napięcia.

Pozostałe przewody wychodzące z płytki drukowanej idą do skrzynki na akumulator, a ten ze sprężyną na końcu jest połączeniem ujemnym. Dość proste.

Jeśli rozbierasz główkę packi, być może w celu oddzielenia elementów do recyklingu, uważaj na ewentualne ostre krawędzie na metalowej siatce.

Krok 4: Skonstruuj obwód i użyj go

Gdy masz już swoje komponenty, będziesz musiał je zlutować, aby utworzyć obwód pokazany na schemacie. Wszystko przykleiłem na gorąco do kawałka przezroczystego plastiku, który leżałem. To sprawia, że obwód jest wytrzymały i niezawodny, a także wygląda całkiem nieźle. Istnieje niewielka szansa, że możesz się trochę skrzywdzić dotykając części tego obwodu, gdy jest on pod napięciem, tak jak połączenie w głośniku piezoelektrycznym, ale możesz po prostu zakryć połączenia gorącym klejem, jeśli wystąpi problem.

Kiedy w końcu miałem wszystkie komponenty, których potrzebowałem do zbudowania obwodu, złożyłem go w jedno popołudnie. W zależności od wartości komponentów, które posiadasz, możesz użyć mniej komponentów niż ja. Możesz również użyć mniejszej rurki Geigera i sprawić, by licznik był bardzo kompaktowy. Czy ktoś ma zegarek na rękę z licznikiem Geigera?

Teraz możesz się zastanawiać, po co mi licznik Geigera, jeśli nie mam niczego radioaktywnego, na który mógłbym go skierować? Licznik klika co kilka sekund tylko z promieniowania tła, które składa się z promieni kosmicznych i tym podobnych. Istnieje jednak kilka źródeł promieniowania, na których możesz użyć swojego licznika:

Americium z czujek dymu

Americium jest pierwiastkiem wytworzonym przez człowieka (nie występującym naturalnie) i jest używany w jonizacyjnych czujnikach dymu. Te czujniki dymu są bardzo popularne i prawdopodobnie masz ich kilka w swoim domu. W rzeczywistości dość łatwo jest stwierdzić, czy tak, ponieważ wszystkie mają słowa zawierające radioaktywną substancję Am 241 uformowaną w plastiku. Ameryk w postaci dwutlenku ameryku jest umieszczony na małym metalowym guziku wewnątrz, zamontowanym w małej obudowie zwanej komorą jonizacyjną. Ameryk jest zwykle pokryty cienką warstwą złota lub innego metalu odpornego na korozję. Możesz otworzyć czujnik dymu i wyjąć mały przycisk – zwykle nie jest to trudne.

Dlaczego promieniowanie w czujce dymu?

Wewnątrz komory jonizacyjnej wykrywacza znajdują się dwie metalowe płytki ustawione naprzeciw siebie. Do jednej z nich dołączony jest przycisk americium, który emituje stały strumień cząstek alfa, które przecinają małą szczelinę powietrzną, a następnie są pochłaniane przez drugą płytkę. Powietrze między dwiema płytkami ulega jonizacji i dlatego jest w pewnym stopniu przewodzące. Pozwala to na przepływ niewielkiego prądu między płytami, który może być wykryty przez obwody czujki dymu. Kiedy cząsteczki dymu dostaną się do komory, pochłaniają cząsteczki alfa i przerywają obwód, wywołując alarm.

Tak, ale czy to niebezpieczne?

Emitowane promieniowanie jest stosunkowo łagodne, ale dla bezpieczeństwa polecam:

• Trzymaj przycisk americium w bezpiecznym miejscu z dala od dzieci, najlepiej w jakimś zabezpieczonym przed dziećmi pojemniku
• Nigdy nie dotykaj powierzchni guzika, na którym znajduje się americium. Jeśli przypadkowo dotkniesz powierzchni przycisku, umyj ręce

Szkło uranowe

Uran był używany w postaci tlenkowej jako dodatek do szkła. Najbardziej typowym kolorem szkła uranowego jest blado żółtawo-zielony kolor, który w latach dwudziestych XX wieku doprowadziło do przydomka „szkło wazelinowe” (opierając się na postrzeganym podobieństwie do wyglądu wazeliny w postaci formułowanej i sprzedawanej w tamtym czasie). Zobaczysz je oznaczone jako „szkło wazelinowe” na pchlich targach i w sklepach z antykami i zwykle możesz poprosić o to pod tą nazwą. Ilość uranu w szkle waha się od ilości śladowych do około 2% wagowych, chociaż niektóre elementy z XX wieku zawierały do 25% uranu! Większość szkła uranowego jest tylko nieznacznie radioaktywna i nie sądzę, aby obchodzenie się z nim było niebezpieczne.

Zawartość uranu w szkle można potwierdzić za pomocą czarnego światła (światła ultrafioletowego), ponieważ całe szkło uranowe fluoryzuje na zielono, niezależnie od koloru szkła pojawiającego się w normalnym świetle (które może się znacznie różnić). Im jaśniej kawałek świeci w świetle ultrafioletowym, tym więcej zawiera uranu. Podczas gdy kawałki szkła uranowego świecą w świetle ultrafioletowym, emitują również własne światło pod wpływem dowolnego źródła światła zawierającego ultrafiolet (takiego jak światło słoneczne). Wysokoenergetyczne ultrafioletowe fale świetlne uderzają w atomy uranu, wypychając ich elektrony na wyższy poziom energetyczny. Kiedy atomy uranu powracają do normalnego poziomu energii, emitują światło w zakresie widzialnym.

Dlaczego uran?

Odkrycie i wyizolowanie radu w rudzie uranu (blenda smołowa) przez Marie Curie zapoczątkowało rozwój wydobycia uranu w celu wydobycia radu, który był używany do wytwarzania świecących w ciemności farb do tarcz zegarów i samolotów. Pozostawiło to olbrzymią ilość uranu jako produktu odpadowego, ponieważ do wyekstrahowania jednego grama radu potrzeba trzech ton uranu.

Płaszcze do latarni kempingowych z toru

Tor w postaci dwutlenku toru jest stosowany w osłonach lamp kempingowych. Przy pierwszym podgrzaniu poliestrowa część płaszcza wypala się, podczas gdy dwutlenek toru (wraz z innymi składnikami) zachowuje kształt płaszcza, ale staje się rodzajem ceramiki, która świeci po podgrzaniu. Tor nie jest już używany do tego zastosowania, został wycofany przez większość firm w połowie lat 90. i został zastąpiony innymi pierwiastkami, które nie są radioaktywne. Wykorzystano tor, ponieważ sprawia, że płaszcze świecą bardzo jasno, a jasność ta nie jest do końca dopasowana do nowszych, nieradioaktywnych płaszczy. Skąd wiesz, czy płaszcz, który masz, jest naprawdę radioaktywny? Tu właśnie pojawia się licznik Geigera. Płaszcze, z którymi się zetknąłem, doprowadzają licznik Geigera do szaleństwa, znacznie bardziej niż przyciski ze szkła uranu lub ameryku. Nie chodzi o to, że tor jest bardziej radioaktywny niż uran czy ameryk, ale w płaszczu latarni jest znacznie więcej materiału radioaktywnego niż w innych źródłach. Dlatego naprawdę dziwnie jest napotkać tak duże promieniowanie w produkcie konsumenckim. Te same środki ostrożności, które dotyczą przycisków americium, odnoszą się również do płaszczy latarni.

Dziękuję wszystkim za przeczytanie! Jeśli podoba Ci się ta instrukcja, biorę ją do konkursu „zbuduj narzędzie” i naprawdę doceniam Twój głos! Chciałbym również usłyszeć od Ciebie uwagi lub pytania (lub nawet wskazówki/sugestie/konstruktywną krytykę), więc nie bój się zostawić tych poniżej.

Specjalne podziękowania dla mojej przyjaciółki Lucca Rodriguez za wykonanie pięknego schematu obwodu dla tego instruktażu.