Лічильник Гейгера - основний сенсор для вимірювання радіації. Він реєструє гамма-, альфа-, бета-випромінювання і рентгенівські промені. Має найвищу чутливістю в порівнянні з іншими способами реєстрації радіації, наприклад, іонізаційними камерами. Це головна причина його повсюдного поширення. Інші сенсори для вимірювання радіації використовуються дуже рідко. Майже всі прилади дозиметричного контролю побудовані саме на лічильниках Гейгера. Вони випускаються масово, і є прилади різних рівнів: від дозиметрів військового приймання до китайського ширвжитку. Зараз придбати якийсь прилад для вимірювання радіації - не проблема.
Повсюдного поширення дозиметричних приладів ще зовсім недавно не було. Так до 1986 року під час чорнобильської аварії виявилося, що у населення немає просто ніяких приладів дозиметричної розвідки, що до речі, додатково посилило наслідки катастрофи. При цьому, незважаючи на поширення радіоаматорства і гуртків технічної творчості, лічильники Гейгера не продавалися в магазинах, тому виготовлення саморобних дозиметрів було неможливим.
Принцип роботи лічильників Гейгера
Це електровакуумний прилад з гранично простим принципом роботи. Датчик радіоактивних випромінювань є металевою або скляну камеру з металізацією, заповнену вирядженим інертним газом. По центру камери розташовують електрод. Зовнішні стінки камери підключають до джерела високої напруги (зазвичай 400 вольт). Внутрішній електрод - до чутливого підсилювача. Іонізуючі випромінювання (радіація) є потоком частинок. Вони буквально переносять електрони від високовольтного катода в нитки анода. На ній просто наводиться напруга, яке можна вже виміряти, підключивши до підсилювача.
Висока чутливість лічильника Гейгера обумовлена лавиноподібним ефектом. Енергія, яку реєструє підсилювач на виході, - це не енергія джерела іонізуючого випромінювання. Це енергія високовольтного блоку живлення самого дозиметра. Проникла частка тільки переносить електрон (енергетичний заряд, який перетворюється в струм, який реєструється вимірником). Між електродами введена газова суміш, що складається з благородних газів: аргону, неону. Вона покликана гасити високовольтні розряди. Якщо виникне такий розряд, то це буде помилкове спрацьовування лічильника. Подальша вимірювальна схема ігнорує такі викиди. Крім того, високовольтний блок живлення теж повинен бути від них захищений.
Схема харчування в лічильнику Гейгера забезпечує струм на виході в декількох мікроампер при вихідній напрузі 400 вольт. Точне значення напруги харчування встановлюється для кожної марки лічильника по його технічної специфікації.
Можливості лічильників Гейгера, чутливість, реєстровані випромінювання
За допомогою лічильника Гейгера можна зареєструвати і з високою точністю виміряти гамма і бета-випромінювання. На жаль, не можна розпізнати вид випромінювання безпосередньо. Це робиться непрямим методом за допомогою установки перешкод між сенсором і обстежуваним об'єктом або місцевістю. Гамма-промені мають високу проникність, і їх фон не змінюється. Якщо дозиметр засік бета-випромінювання, то установка розділової перепони навіть з тонкого листа металу майже повністю перекриє потік бета-частинок.
Поширені в минулому комплекти індивідуальних дозиметрів ДП-22, ДП-24 не використали лічильників Гейгера. Замість них там використовувався сенсор іонізаційна камера, тому чутливість була дуже низькою. Сучасні дозиметричні прилади на лічильниках Гейгера мають в тисячі разів більшу чутливість. За допомогою них можна реєструвати природні зміни сонячного радіаційного фону.
Примітна особливість лічильника Гейгера - чутливість, в десятки і сотні разів перевищує необхідний рівень. Якщо в абсолютно захищеною свинцевою камері включити лічильник, то він покаже величезний природний радіаційний фон. Ці свідчення не є дефектом конструкції самого лічильника, що було перевірено численними лабораторними дослідженнями. Такі дані - наслідок природного радіаційного космічного фону. Експеримент тільки показує, наскільки чутливим є лічильник Гейгера.
Спеціально для вимірювання цього параметра в технічних характеристиках вказується значення "чутливість лічильника імп мкр" (імпульсів в мікросекунду). Чим більше цих імпульсів - тим більше чутливість.
Вимірювання радіації лічильником Гейгера, схема дозиметра
Схему дозиметра можна розділити на два функціональних модуля: високовольтний блок живлення і вимірювальна схема. Високовольтний блок живлення - аналогова схема. Вимірювальний модуль на цифрових дозиметрах завжди цифровий. Це лічильник імпульсів, який виводить відповідне значення у вигляді цифр на шкалу приладу. Для вимірювання дози радіації необхідно підрахувати імпульси за хвилину, 10, 15 секунд або інші значення. Мікроконтролер перераховує число імпульсів в конкретне значення на шкалі дозиметра в стандартних одиницях вимірювання радіації. Ось найпоширеніші з них:
- рентген (зазвичай використовується мікрорентген);
- Зіверт (мікрозіверта - мЗв);
- бер;
- Грей, радий,
- щільність потоку в мікроватах / м2.
Зіверт - найбільш популярна одиниця виміру радіації. До неї співвіднесені всі норми, ніяких додаткових перерахунків проводити не потрібно. Бер - одиниця для визначення впливу радіації на біологічні об'єкти.
Порівняння газоразрядного лічильника Гейгера з напівпровідниковим датчиком радіації
Лічильник Гейгера є газорозрядним приладом, а сучасна тенденція мікроелектроніки - повсюдне від них порятунок. Були розроблені десятки варіантів напівпровідникових сенсорів радіації. Реєстрований ними рівень радіаційного фону значно вище, ніж для лічильників Гейгера. Чутливість напівпровідникового сенсора гірше, але у нього інша перевага - економічність. Напівпровідників не потрібно високовольтного живлення. Для портативних дозиметрів на батарейках вони добре підходять. Ще одне їх перевага - реєстрація альфа-частинок. Газовий обсяг лічильника суттєво більше напівпровідникового сенсора, але все одно його габарити прийнятні навіть для портативної техніки.
Вимірювання альфа-, бета- і гамма-випромінювання
Гамма-випромінювання вимірювати найбільш просто. Це електромагнітне випромінювання, що представляє собою потік фотонів (світло - теж потік фотонів). На відміну від світла у нього набагато вища частота і дуже мала довжина хвилі. Це дозволяє йому проникати крізь атоми. В цивільної оборони гамма-випромінювання - це проникаюча радіація. Вона проникає крізь стіни будинків, автомобілі, різні споруди і затримується лише шаром землі або бетону в кілька метрів. Реєстрація гамма-квантів проводиться з градуюванням дозиметра по природному гамма-випромінювання сонця. Джерелрадіації не потрібно. Зовсім інша справа з бета- і альфа-випромінюванням.
Якщо іонізірующіее випромінювання α (альфа-випромінювання) виходить від зовнішніх об'єктів, то воно майже безпечно і являє собою потік ядер атомів Гелія. Пробіг і проникність цих частинок невелика - декількох мікрометрів (максимум міліметрів) - в залежності від проникності середовища. З огляду на цю особливість воно майже не реєструється лічильником Гейгера. У той же час реєстрація альфа-випромінювання важлива, так як ці частинки надзвичайно небезпечні при проникненні всередину організму з повітрям, їжею, водою. Для їх декретування лічильники Гейгера використовуються обмежено. Більше поширені спеціальні напівпровідникові сенсори.
Бета-випромінювання відмінно реєструється лічильником Гейгера, тому що бета-частинки являє собою електрон. Вона може пролетіти сотні метрів в атмосфері, але добре поглинається металевими поверхнями. У зв'язку з цим лічильник Гейгера повинен мати віконце з слюди. Металева камера виготовляється з невеликою товщиною стінки. Склад внутрішнього газу підбирається таким чином, щоб забезпечити невеликий перепад тиску. Детектор бета-випромінювання ставиться на виносному зонді. У побуті такі дозиметри мало поширені. Це в основному військова продукція.
Індивідуальний дозиметр з лічильником Гейгера
Цей клас приладів має високу чутливість на відміну від застарілих моделей з іонізаційними камерами. Надійні моделі пропонуються багатьма вітчизняними виробниками: "Терра", "МКС-05", "ОКР", "Радекс", "РКС". Це все автономні прилади з висновком даних на екран в стандартних одиницях вимірювання. Є режим показання накопиченої дози опромінення, так і миттєвого рівня фону.
Перспективний напрямок - побутовий дозиметр-приставка до смартфону. Такі пристрої випускають зарубіжні виробники. У них багаті технічні можливості, є функція зберігання показань, калькуляції, перерахунку та підсумовування випромінювання за дні, тижні, місяці. Поки що через низькі обсягів виробництва вартість цих приладів досить висока.
Саморобні дозиметри, навіщо вони потрібні?
Лічильник Гейгера є специфічним елементом дозиметра, абсолютно недоступним для самостійного виготовлення. Крім того, він зустрічається тільки в дозиметрах або продається окремо в магазинах радіотоварів. Якщо цей датчик є в наявності, всі інші компоненти дозиметра можуть бути зібрані самостійно з деталей різноманітної побутової електроніки: телевізорів, материнських плат та ін. На електронних сайтах, форумах зараз пропонується близько десятка конструкцій. Збирати варто саме їх, оскільки це самі відпрацьовані варіанти, що мають докладні керівництва по налаштуванню і налагодження.
Схема включення лічильника Гейгера завжди має на увазі наявність джерела високої напруги. Типове робоча напруга лічильника - 400 вольт. Його отримують за схемою блокінг-генератора, і це найскладніший елемент схеми дозиметра. Вихід лічильника можна підключити до підсилювача низької частоти і підраховувати клацання в динаміці. Такий дозиметр збирається в екстрених випадках, коли часу на виготовлення практично немає. Теоретично, вихід лічильника Гейгера можна підключити до аудіовходу побутової апаратури, наприклад, комп'ютера.
Саморобні дозиметри, придатні для точних вимірювань, всі збираються на мікроконтролерах. Навички програмування тут не потрібні, так як програма записується готової з безкоштовного доступу. Складнощі тут типові для домашнього електронного виробництва: отримання друкованої плати, пайка радіодеталей, виготовлення корпусу. Все це вирішується в умовах невеликої майстерні. Саморобні дозиметри з лічильників Гейгера роблять у випадках, коли:
- немає можливості придбати готовий дозиметр;
- потрібен прилад зі спеціальними характеристиками;
- необхідно вивчити сам процес побудови і налагодження дозиметра.
Саморобний дозиметр градуюється по природному фону за допомогою іншого дозиметра. На цьому процес побудови закінчується.
