Struttura e principio di funzionamento di un contatore Geiger-Müller

IN Recentemente, l'attenzione alla sicurezza dalle radiazioni da parte dei comuni cittadini nel nostro Paese è aumentata sempre più. E questo è collegato non solo ai tragici eventi della centrale nucleare di Chernobyl e alle sue ulteriori conseguenze, ma anche a vari tipi di incidenti che si verificano periodicamente in un luogo o nell'altro del pianeta. A questo proposito, alla fine del secolo scorso, iniziarono ad apparire i dispositivi monitoraggio dosimetrico delle radiazioni per uso domestico. E tali dispositivi hanno salvato molte persone non solo la salute, ma a volte la vita, e questo vale non solo per i territori adiacenti alla zona di esclusione. Pertanto, le questioni relative alla sicurezza dalle radiazioni sono rilevanti ovunque nel nostro paese fino ad oggi.

IN Tutti i dosimetri moderni domestici e quasi tutti quelli professionali sono dotati di . In un altro modo, può essere chiamato l'elemento sensibile del dosimetro. Questo dispositivo fu inventato nel 1908 dal fisico tedesco Hans Geiger e vent'anni dopo questo sviluppo fu migliorato da un altro fisico Walter Müller, ed è il principio di questo dispositivo che viene utilizzato fino ad oggi.

N Alcuni dosimetri moderni dispongono di quattro contatori contemporaneamente, il che consente di aumentare la precisione di misurazione e la sensibilità del dispositivo, nonché di ridurre il tempo di misurazione. La maggior parte dei contatori Geiger-Muller sono in grado di rilevare radiazioni gamma, radiazioni beta ad alta energia e raggi X. Tuttavia, ci sono sviluppi speciali per la determinazione delle particelle alfa ad alta energia. Per configurare il dosimetro in modo da rilevare solo le radiazioni gamma, le più pericolose dei tre tipi di radiazioni, la camera sensibile è ricoperta da uno speciale involucro di piombo o altro acciaio, che consente di interrompere la penetrazione delle particelle beta nell'ambiente. contatore.

IN Nei dosimetri moderni per uso domestico e professionale, sono ampiamente utilizzati sensori come SBM-20, SBM-20-1, SBM-20U, SBM-21, SBM-21-1. Differiscono nelle dimensioni complessive della fotocamera e in altri parametri; la 20a linea di sensori ha le seguenti dimensioni: lunghezza 110 mm, diametro 11 mm e per il 21o modello lunghezza 20-22 mm con un diametro di 6 mm. È importante capire che quanto più grande è la telecamera, tanto maggiore sarà il numero di elementi radioattivi che la attraverseranno e maggiore sarà la sua sensibilità e precisione. Quindi, per la 20a serie di sensori, le dimensioni sono 8-10 volte maggiori rispetto alla 21a e avremo una differenza di sensibilità approssimativamente nelle stesse proporzioni.

A La struttura di un contatore Geiger può essere schematicamente descritta come segue. Sensore costituito da un contenitore cilindrico nel quale viene pompato un gas inerte (ad esempio argon, neon o loro miscele) a pressione minima per facilitare il verificarsi di una scarica elettrica tra catodo e anodo. Il catodo, nella maggior parte dei casi, è l'intero corpo metallico del sensore sensibile e l'anodo è un piccolo filo posizionato sugli isolanti. A volte il catodo è inoltre avvolto in un involucro protettivo in acciaio inossidabile o piombo per configurare il contatore in modo che rilevi solo i raggi gamma;

D Per l'uso domestico, attualmente, vengono spesso utilizzati i sensori finali (ad esempio Beta-1, Beta-2). Tali contatori sono progettati in modo tale da essere in grado di rilevare e registrare anche le particelle alfa. Tale contatore è un cilindro piatto con elettrodi situati all'interno e una finestra di ingresso (funzionante) realizzata con una pellicola di mica spessa solo 12 micron. Questo design consente di rilevare (a distanza ravvicinata) particelle alfa ad alta energia e particelle beta a bassa energia. In questo caso, l'area della finestra di lavoro dei contatori Beta-1 e Beta 1-1 è di 7 cmq. L'area della finestra di lavoro della mica per il dispositivo Beta-2 è 2 volte più grande di quella del Beta-1, può essere utilizzata per determinare, ecc.

E Se parliamo del principio di funzionamento della camera del contatore Geiger, può essere brevemente descritto come segue. Quando attivato, un'alta tensione (circa 350 - 475 volt) viene applicata al catodo e all'anodo attraverso un resistore di carico, ma non si verifica alcuna scarica tra di loro a causa del gas inerte che funge da dielettrico. Quando entra nella camera, la sua energia è sufficiente per eliminare un elettrone libero dal materiale del corpo della camera o del catodo, questo elettrone, come una valanga, inizia a eliminare gli elettroni liberi dal gas inerte circostante e avviene la sua ionizzazione; alla fine porta ad una scarica tra gli elettrodi. Il circuito è chiuso e questo fatto può essere registrato utilizzando il microcircuito del dispositivo, ovvero il fatto di rilevare un quanto gamma o una radiazione a raggi X. La fotocamera quindi si reimposta, consentendo il rilevamento della particella successiva.

H Per interrompere il processo di scarica nella camera e preparare la camera per la registrazione della particella successiva, esistono due modi, uno dei quali si basa sul fatto che l'alimentazione di tensione agli elettrodi viene interrotta per un periodo di tempo molto breve, il che interrompe il processo di ionizzazione del gas. Il secondo metodo si basa sull'aggiunta di un'altra sostanza al gas inerte, ad esempio iodio, alcool e altre sostanze, e portano ad una diminuzione della tensione sugli elettrodi, che interrompe anche il processo di ulteriore ionizzazione e la fotocamera diventa in grado per rilevare il prossimo elemento radioattivo. Questo metodo utilizza un resistore di carico ad alta capacità.

P il numero di scariche nella camera del misuratore e si può giudicare il livello di radiazione nell'area misurata o da un oggetto specifico.

Nel 1908, il fisico tedesco Hans Geiger lavorò nei laboratori chimici di proprietà di Ernst Rutherford. Lì è stato chiesto loro anche di testare un contatore di particelle cariche, che era una camera ionizzata. La camera era un condensatore elettrico riempito di gas ad alta pressione. Anche Pierre Curie ha utilizzato questo dispositivo nella pratica, studiando l'elettricità nei gas. L'idea di Geiger di rilevare la radiazione degli ioni era associata alla loro influenza sul livello di ionizzazione dei gas volatili.

Nel 1928, lo scienziato tedesco Walter Müller, lavorando con e sotto Geiger, creò diversi contatori che registravano le particelle ionizzanti. I dispositivi erano necessari per ulteriori ricerche sulle radiazioni. La fisica, essendo una scienza di esperimenti, non potrebbe esistere senza la misurazione delle strutture. Sono state scoperte solo poche radiazioni: γ, β, α. Il compito di Geiger era misurare tutti i tipi di radiazioni con strumenti sensibili.

Il contatore Geiger-Muller è un sensore radioattivo semplice ed economico. Non è uno strumento preciso che cattura le singole particelle. La tecnica misura la saturazione totale delle radiazioni ionizzanti. I fisici lo usano con altri sensori per ottenere calcoli accurati durante gli esperimenti.

Un po' di radiazioni ionizzanti

Potremmo passare direttamente alla descrizione del rilevatore, ma il suo funzionamento sembrerà incomprensibile se si sa poco di radiazioni ionizzanti. Quando si verifica la radiazione, si verifica un effetto endotermico sulla sostanza. A questo contribuisce l’energia. Ad esempio, le onde ultraviolette o radio non appartengono a tali radiazioni, ma la luce ultravioletta sì. Qui viene determinato il limite di influenza. Il tipo è chiamato fotonico e i fotoni stessi sono γ-quanti.

Ernst Rutherford ha diviso i processi di emissione di energia in 3 tipi utilizzando una configurazione del campo magnetico:

• γ - fotone;
• α è il nucleo di un atomo di elio;
• β è un elettrone ad alta energia.

Puoi proteggerti dalle particelle α con la carta. β penetra più in profondità. La capacità di penetrazione γ è la più alta. I neutroni, come gli scienziati scoprirono in seguito, sono particelle pericolose. Agiscono a una distanza di diverse decine di metri. Avendo neutralità elettrica, non reagiscono con molecole di sostanze diverse.

Tuttavia, i neutroni raggiungono facilmente il centro dell'atomo, provocandone la distruzione, che si traduce nella formazione di isotopi radioattivi. Quando gli isotopi decadono, creano radiazioni ionizzanti. Da una persona, un animale, una pianta o un oggetto inorganico che ha ricevuto radiazioni, le radiazioni emanano per diversi giorni.

Progettazione e principio di funzionamento di un contatore Geiger

L'apparecchio è costituito da un tubo metallico o di vetro nel quale viene pompato un gas nobile (miscela argon-neon o sostanze pure). Non c'è aria nel tubo. Il gas viene aggiunto sotto pressione e contiene una miscela di alcol e alogeno. C'è un filo teso in tutto il tubo. Parallelamente ad esso si trova un cilindro di ferro.

Il filo si chiama anodo e il tubo si chiama catodo. Insieme sono elettrodi. Agli elettrodi viene applicata un'elevata tensione che di per sé non provoca fenomeni di scarica. L'indicatore rimarrà in questo stato finché non apparirà un centro di ionizzazione nel suo ambiente gassoso. Il meno è collegato dalla fonte di alimentazione al tubo e il più è collegato al filo, diretto attraverso una resistenza di alto livello. Stiamo parlando di una fornitura costante di decine di centinaia di volt.

Quando una particella entra nel tubo, gli atomi di gas nobile si scontrano con essa. Al contatto viene rilasciata energia che rimuove gli elettroni dagli atomi del gas. Quindi si formano gli elettroni secondari, che si scontrano anch'essi, generando una massa di nuovi ioni ed elettroni. La velocità degli elettroni verso l'anodo è influenzata dal campo elettrico. Durante questo processo viene generata una corrente elettrica.

Durante una collisione, l'energia delle particelle viene persa e la fornitura di atomi di gas ionizzato termina. Quando le particelle cariche entrano in un contatore Geiger a scarica di gas, la resistenza del tubo diminuisce, riducendo immediatamente la tensione nel punto medio di fissione. Quindi la resistenza aumenta di nuovo: ciò comporta il ripristino della tensione. Lo slancio diventa negativo. Il dispositivo mostra gli impulsi e possiamo contarli, stimando allo stesso tempo il numero di particelle.

Tipi di contatori Geiger

In base alla progettazione, i contatori Geiger sono di due tipi: piatti e classici.

Classico

Realizzato in sottile metallo ondulato. A causa della ondulazione, il tubo acquisisce rigidità e resistenza alle influenze esterne, che ne impediscono la deformazione. Le estremità del tubo sono dotate di isolatori in vetro o plastica, che contengono tappi per l'uscita ai dispositivi.

La vernice viene applicata sulla superficie del tubo (ad eccezione dei cavi). Il contatore classico è considerato un rilevatore di misurazione universale per tutti i tipi conosciuti di radiazioni. Soprattutto per γ e β.

Piatto

I misuratori sensibili per la registrazione della radiazione beta morbida hanno un design diverso. A causa del piccolo numero di particelle beta, il loro corpo ha una forma piatta. C'è una finestra di mica che blocca debolmente β. Il sensore BETA-2 è il nome di uno di questi dispositivi. Le proprietà degli altri banconi piatti dipendono dal materiale.

Parametri e modalità operative del contatore Geiger

Per calcolare la sensibilità del contatore, stimare il rapporto tra il numero di microroentgeni del campione e il numero di segnali provenienti da questa radiazione. Il dispositivo non misura l'energia della particella, quindi non fornisce una stima assolutamente accurata. I dispositivi vengono calibrati utilizzando campioni provenienti da fonti isotopiche.

È inoltre necessario considerare i seguenti parametri:

Area di lavoro, zona finestra d'ingresso

Le caratteristiche dell'area dell'indicatore attraverso la quale passano le microparticelle dipendono dalla sua dimensione. Più ampia è l'area, più particelle verranno catturate.

Tensione operativa

La tensione dovrebbe corrispondere alle specifiche medie. La caratteristica operativa stessa è la parte piatta della dipendenza del numero di impulsi fissi dalla tensione. Il suo secondo nome è plateau. A questo punto, il dispositivo raggiunge il picco di attività e viene chiamato limite superiore di misurazione. Valore: 400 Volt.

Larghezza di lavoro

La larghezza di lavoro è la differenza tra la tensione di uscita dell'aereo e la tensione di scarica della scintilla. Il valore è 100 Volt.

Inclinazione

Il valore viene misurato come percentuale del numero di impulsi per 1 volt. Mostra l'errore di misura (statistico) nel conteggio degli impulsi. Il valore è 0,15%.

Temperatura

La temperatura è importante perché lo strumento spesso deve essere utilizzato in condizioni difficili. Ad esempio, nei reattori. Misuratori per uso generale: da -50 a +70 gradi Celsius.

Risorsa lavorativa

La risorsa è caratterizzata dal numero totale di tutti gli impulsi registrati fino al momento in cui le letture del dispositivo diventano errate. Se il dispositivo contiene sostanze organiche autoestinguenti, il numero di impulsi sarà di un miliardo. È opportuno calcolare la risorsa solo in uno stato di tensione operativa. Quando si ripone il dispositivo, la portata si interrompe.

Tempo di recupero

Questa è la quantità di tempo necessaria a un dispositivo per condurre elettricità dopo aver reagito a una particella ionizzante. Esiste un limite superiore sulla frequenza degli impulsi che limita il campo di misurazione. Il valore è 10 microsecondi.

A causa del tempo di ripristino (chiamato anche tempo morto), il dispositivo può guastarsi in un momento decisivo. Per evitare superamenti, i produttori installano schermi di piombo.

Il bancone ha uno sfondo?

Lo sfondo viene misurato in una camera di piombo a pareti spesse. Il valore abituale non è superiore a 2 impulsi al minuto.

Chi utilizza i dosimetri di radiazioni e dove?

Molte modifiche dei contatori Geiger-Muller sono prodotte su scala industriale. La loro produzione è iniziata durante l'URSS e continua anche adesso, ma nella Federazione Russa.

Il dispositivo viene utilizzato:

• negli impianti dell'industria nucleare;
• negli istituti scientifici;
• in medicina;
• nella vita di tutti i giorni.

Dopo l'incidente alla centrale nucleare di Chernobyl, anche i cittadini comuni hanno acquistato dosimetri. Tutti i dispositivi hanno un contatore Geiger. Tali dosimetri sono dotati di uno o due tubi.

È possibile creare un contatore Geiger con le proprie mani?

Fare un metro da solo è difficile. Hai bisogno di un sensore di radiazione, ma non tutti possono acquistarlo. Il controcircuito stesso è noto da tempo: nei libri di testo di fisica, ad esempio, è anche stampato. Tuttavia, solo un vero “mancino” sarà in grado di riprodurre il dispositivo a casa.

Autodidatti di talento hanno imparato a creare un sostituto del contatore, che è anche in grado di misurare le radiazioni gamma e beta utilizzando una lampada fluorescente e una lampada a incandescenza. Usano anche trasformatori di apparecchiature rotte, un tubo Geiger, un timer, un condensatore, varie schede e resistori.

Conclusione

Quando si diagnostica la radiazione, è necessario tenere conto del background del misuratore. Anche con una protezione in piombo di discreto spessore, la velocità di registrazione non viene ripristinata. Questo fenomeno ha una spiegazione: la causa dell'attività è la radiazione cosmica che penetra attraverso strati di piombo. Ogni minuto i muoni volano sulla superficie terrestre e vengono registrati dal contatore con una probabilità del 100%.

Esiste un'altra fonte di fondo: la radiazione accumulata dal dispositivo stesso. Quindi in relazione al contatore Geiger è opportuno parlare anche di usura. Maggiore è la radiazione accumulata dal dispositivo, minore è l'affidabilità dei suoi dati.

Le radiazioni ionizzanti incontrollate in qualsiasi forma sono pericolose. Pertanto, è necessario registrarlo, monitorarlo e contabilizzarlo. Il metodo di ionizzazione della registrazione II è uno dei metodi dosimetrici che consente di essere consapevoli della reale situazione delle radiazioni.

Qual è il metodo di ionizzazione per rilevare le radiazioni?

Questo metodo si basa sulla registrazione degli effetti della ionizzazione. Il campo elettrico impedisce agli ioni di ricombinarsi e dirige il loro movimento verso gli elettrodi appropriati. Grazie a ciò diventa possibile misurare la carica degli ioni formati sotto l'influenza delle radiazioni ionizzanti.

Rivelatori e loro caratteristiche

Come rilevatori nel metodo di ionizzazione vengono utilizzati:

• camere di ionizzazione;
• Contatori Geiger-Muller;
• contatori proporzionali;
• rilevatori a semiconduttore;
• ecc.

Tutti i rilevatori, ad eccezione di quelli a semiconduttore, sono cilindri riempiti di gas, nei quali sono montati due elettrodi ai quali è applicata una tensione di corrente continua. Gli elettrodi raccolgono gli ioni formati quando le radiazioni ionizzanti passano attraverso un mezzo gassoso. Gli ioni negativi si spostano verso l'anodo e gli ioni positivi si spostano verso il catodo, formando una corrente di ionizzazione. In base al suo valore è possibile stimare il numero di particelle registrate e determinare l'intensità della radiazione.

Principio di funzionamento di un contatore Geiger-Muller

Il funzionamento del contatore si basa sulla ionizzazione per impatto. Gli elettroni che si muovono nel gas (eliminati dalle radiazioni quando colpiscono le pareti del contatore) entrano in collisione con i suoi atomi, eliminandone gli elettroni, con conseguente creazione di elettroni liberi e ioni positivi. Il campo elettrico esistente tra il catodo e l'anodo impartisce agli elettroni liberi un'accelerazione sufficiente ad avviare la ionizzazione per impatto. Come risultato di questa reazione, appare un gran numero di ioni con un forte aumento della corrente attraverso il contatore e un impulso di tensione, che viene registrato dal dispositivo di registrazione. Quindi la scarica della valanga si spegne. Solo dopo è possibile rilevare la particella successiva.

Differenza tra una camera di ionizzazione e un contatore Geiger-Muller.

Un contatore di gas (contatore Geiger) utilizza la ionizzazione secondaria per creare una grande amplificazione della corrente nel gas, che si verifica perché la velocità degli ioni in movimento creati dalla sostanza ionizzante è così grande che si formano nuovi ioni. Questi, a loro volta, possono anche ionizzare il gas, sviluppando così il processo. Pertanto, ogni particella produce 10 6 volte più ioni di quanto sia possibile nella camera di ionizzazione, consentendo così di misurare anche le radiazioni ionizzanti di bassa intensità.

Rivelatori a semiconduttore

L'elemento principale dei rilevatori a semiconduttore è un cristallo e il principio di funzionamento differisce da una camera di ionizzazione solo per il fatto che gli ioni vengono creati nello spessore del cristallo e non nello spazio di gas.

Esempi di dosimetri basati su metodi di registrazione della ionizzazione

Un moderno dispositivo di questo tipo è il dosimetro clinico 27012 con una serie di camere di ionizzazione, che oggi è lo standard.

Tra i singoli dosimetri si sono diffusi KID-1, KID-2, DK-02, DP-24, ecc., nonché ID-0.2, che è un analogo moderno di quelli sopra menzionati.

Il contatore Geiger è il sensore principale per la misurazione delle radiazioni. Rileva radiazioni gamma, alfa, beta e raggi X. Ha la sensibilità più elevata rispetto ad altri metodi di rilevamento delle radiazioni, ad esempio le camere a ionizzazione. Questo è il motivo principale del suo utilizzo diffuso. Altri sensori per la misurazione delle radiazioni vengono utilizzati molto raramente. Quasi tutti i dispositivi di monitoraggio delle radiazioni si basano su contatori Geiger. Sono prodotti in serie e esistono dispositivi di vari livelli: dai dosimetri di livello militare ai beni di consumo cinesi. Al giorno d'oggi, l'acquisto di qualsiasi dispositivo per misurare le radiazioni non è un problema.

Non molto tempo fa non vi era una distribuzione capillare degli strumenti dosimetrici. Così, nel 1986, durante l'incidente di Chernobyl, si scoprì che la popolazione semplicemente non disponeva di dispositivi di monitoraggio delle radiazioni, il che, tra l'altro, aggravò ulteriormente le conseguenze del disastro. Allo stesso tempo, nonostante la diffusione dei radioamatori e dei circoli di creatività tecnica, i contatori Geiger non venivano venduti nei negozi, quindi era impossibile realizzare dosimetri fatti in casa.

Come funzionano i contatori Geiger

Si tratta di un aspiratore elettrico dal principio di funzionamento estremamente semplice. Il sensore di radiazione radioattiva è una camera di metallo o di vetro con metallizzazione, riempita con un gas inerte scaricato. Un elettrodo è posizionato al centro della camera. Le pareti esterne della camera sono collegate ad una sorgente ad alta tensione (solitamente 400 volt). L'elettrodo interno è collegato all'amplificatore sensibile. Le radiazioni ionizzanti (radiazioni) sono un flusso di particelle. Trasferiscono letteralmente gli elettroni dal catodo ad alta tensione ai filamenti dell'anodo. Su di esso viene semplicemente indotta una tensione che può già essere misurata collegandolo ad un amplificatore.

L'elevata sensibilità del contatore Geiger è dovuta all'effetto valanga. L'energia che l'amplificatore rileva in uscita non è l'energia della sorgente di radiazioni ionizzanti. Questa è l'energia dell'alimentazione ad alta tensione del dosimetro stesso. La particella penetrante trasferisce solo un elettrone (una carica energetica che si trasforma in corrente che viene rilevata dal contatore). Tra gli elettrodi viene introdotta una miscela di gas costituita da gas nobili: argon, neon. È progettato per estinguere le scariche ad alta tensione. Se si verifica una tale scarica, si tratterà di una falsa operazione del contatore. Il successivo circuito di misura ignora tali emissioni. Inoltre anche l'alimentatore ad alta tensione deve essere protetto da essi.

Il circuito di alimentazione di un contatore Geiger fornisce una corrente di uscita di diversi microampere con una tensione di uscita di 400 volt. Il valore esatto della tensione di alimentazione viene stabilito per ciascuna marca di contatore in base alle sue specifiche tecniche.

Capacità del contatore Geiger, sensibilità, radiazione registrata

Utilizzando un contatore Geiger, le radiazioni gamma e beta possono essere rilevate e misurate con elevata precisione. Purtroppo il tipo di radiazione non può essere riconosciuto direttamente. Ciò avviene indirettamente installando barriere tra il sensore e l'oggetto o il terreno da esaminare. I raggi gamma sono altamente trasparenti e il loro sfondo non cambia. Se il dosimetro ha rilevato radiazioni beta, l'installazione di una barriera separatrice, anche un sottile foglio di metallo, bloccherà quasi completamente il flusso delle particelle beta.

I dosimetri personali DP-22 e DP-24, comuni in passato, non utilizzavano contatori Geiger. È stato invece utilizzato un sensore con camera di ionizzazione, quindi la sensibilità era molto bassa. I moderni strumenti dosimetrici che utilizzano contatori Geiger sono migliaia di volte più sensibili. Possono essere utilizzati per registrare i cambiamenti naturali nella radiazione solare di fondo.

Una caratteristica notevole del contatore Geiger è la sua sensibilità, decine e centinaia di volte superiore al livello richiesto. Se accendi il contatore in una camera di piombo completamente protetta, mostrerà un enorme fondo di radiazioni naturali. Queste letture non rappresentano un difetto di progettazione del misuratore stesso, come è stato verificato da numerosi test di laboratorio. Tali dati sono una conseguenza della radiazione di fondo naturale nello spazio. L'esperimento mostra solo quanto sia sensibile il contatore Geiger.

Soprattutto per la misurazione di questo parametro, le specifiche tecniche indicano il valore della “sensibilità del contatore di microsecondi imp” (impulsi per microsecondo). Maggiore è il numero di questi impulsi, maggiore è la sensibilità.

Misurazione delle radiazioni con contatore Geiger, circuito dosimetrico

Il circuito del dosimetro può essere diviso in due moduli funzionali: un alimentatore ad alta tensione e un circuito di misurazione. Alimentazione ad alta tensione - circuito analogico. Il modulo di misurazione sui dosimetri digitali è sempre digitale. Si tratta di un contaimpulsi che visualizza il valore corrispondente sotto forma di numeri sulla scala dello strumento. Per misurare la dose di radiazioni è necessario contare gli impulsi al minuto, 10, 15 secondi o altri valori. Il microcontrollore converte il numero di impulsi in un valore specifico sulla scala del dosimetro in unità di radiazione standard. Ecco quelli più comuni:

• Raggi X (di solito vengono utilizzati i micro-raggi X);
• Sievert (microsievert - mSv);
• Grigio, sono felice
• densità di flusso in microwatt/m2.

Il sievert è l’unità di misura più diffusa per la radiazione. Tutte le norme sono correlate ad esso; non sono necessari ulteriori ricalcoli. Il rem è un'unità per determinare l'effetto delle radiazioni sugli oggetti biologici.

Confronto di un contatore Geiger a scarica di gas con un sensore di radiazione a semiconduttore

Il contatore Geiger è un dispositivo a scarica di gas e la tendenza moderna nella microelettronica è di sbarazzarsene ovunque. Sono state sviluppate dozzine di versioni di sensori di radiazione a semiconduttore. Il livello di radiazione di fondo che registrano è significativamente più elevato rispetto ai contatori Geiger. La sensibilità di un sensore a semiconduttore è peggiore, ma presenta un altro vantaggio: l'efficienza. I semiconduttori non richiedono alimentazione ad alta tensione. Sono particolarmente adatti per dosimetri portatili alimentati a batteria. Un altro vantaggio è la registrazione delle particelle alfa. Il volume del gas del contatore è significativamente più grande del sensore a semiconduttore, ma le sue dimensioni sono comunque accettabili anche per le apparecchiature portatili.

Misura delle radiazioni alfa, beta e gamma

La radiazione gamma è la più semplice da misurare. Questa è la radiazione elettromagnetica, che è un flusso di fotoni (anche la luce è un flusso di fotoni). A differenza della luce, ha una frequenza molto più alta e una lunghezza d’onda molto corta. Ciò gli consente di penetrare attraverso gli atomi. Nella protezione civile, le radiazioni gamma sono radiazioni penetranti. Penetra attraverso i muri di case, automobili, strutture varie e viene trattenuto solo da uno strato di terra o cemento di diversi metri. La registrazione dei quanti gamma viene effettuata con la calibrazione del dosimetro in base alla radiazione gamma naturale del sole. Non sono necessarie sorgenti di radiazioni. La questione è completamente diversa con le radiazioni beta e alfa.

Se la radiazione ionizzante α (radiazione alfa) proviene da oggetti esterni, è quasi innocua e rappresenta un flusso di nuclei di atomi di elio. La portata e la permeabilità di queste particelle sono piccole - pochi micrometri (massimo millimetri) - a seconda della permeabilità del mezzo. A causa di questa caratteristica, non viene quasi registrato da un contatore Geiger. Allo stesso tempo, la registrazione delle radiazioni alfa è importante, poiché queste particelle sono estremamente pericolose quando penetrano nel corpo attraverso l’aria, il cibo o l’acqua. Per il loro rilevamento vengono utilizzati in misura limitata i contatori Geiger. I sensori speciali a semiconduttore sono più comuni.

La radiazione beta viene perfettamente rilevata da un contatore Geiger perché una particella beta è un elettrone. Può volare per centinaia di metri nell'atmosfera, ma è ben assorbito dalle superfici metalliche. A questo proposito, il contatore Geiger deve avere una finestra in mica. La camera metallica è realizzata con uno spessore di parete ridotto. La composizione del gas interno è selezionata in modo tale da garantire una piccola caduta di pressione. Il rilevatore di radiazioni beta è posizionato sulla sonda remota. Tali dosimetri non sono molto comuni nella vita di tutti i giorni. Si tratta principalmente di prodotti militari.

Dosimetro personale con contatore Geiger

Questa classe di dispositivi è altamente sensibile, a differenza dei modelli obsoleti con camere di ionizzazione. Modelli affidabili sono offerti da molti produttori nazionali: Terra, MKS-05, DKR, Radex, RKS. Questi sono tutti dispositivi autonomi con dati visualizzati sullo schermo in unità di misura standard. Esiste una modalità per visualizzare la dose di radiazioni accumulata e il livello di fondo istantaneo.

Una direzione promettente è l'attacco di un dosimetro domestico a uno smartphone. Tali dispositivi sono prodotti da produttori stranieri. Hanno ricche capacità tecniche; hanno la funzione di memorizzare letture, calcolare, ricalcolare e sommare le radiazioni nel corso di giorni, settimane e mesi. Finora, a causa dei bassi volumi di produzione, il costo di questi dispositivi è piuttosto elevato.

Dosimetri fatti in casa, perché sono necessari?

Il contatore Geiger è un elemento specifico del dosimetro, completamente inaccessibile per l'autoproduzione. Inoltre, si trova solo nei dosimetri o venduto separatamente nei negozi di radio. Se questo sensore è disponibile, tutti gli altri componenti del dosimetro possono essere assemblati indipendentemente da parti di vari dispositivi elettronici di consumo: televisori, schede madri, ecc. Circa una dozzina di progetti sono ora offerti su siti e forum di radioamatori. Vale la pena raccoglierli, poiché queste sono le opzioni più comprovate, con istruzioni dettagliate per l'installazione e la messa in servizio.

Il circuito di commutazione del contatore Geiger implica sempre la presenza di una sorgente ad alta tensione. La tensione operativa tipica del misuratore è di 400 volt. Si ottiene utilizzando un circuito generatore di blocco, e questo è l'elemento più complesso del circuito dosimetrico. L'uscita del contatore può essere collegata ad un amplificatore a bassa frequenza e contare i clic nell'altoparlante. Tale dosimetro viene assemblato in casi di emergenza, quando praticamente non c'è tempo per la produzione. Teoricamente, l'uscita di un contatore Geiger può essere collegata all'ingresso audio di apparecchiature domestiche, come un computer.

I dosimetri fatti in casa, adatti per misurazioni precise, sono tutti assemblati su microcontrollori. Qui non sono necessarie competenze di programmazione, poiché il programma è scritto già pronto e ad accesso gratuito. Le difficoltà qui sono tipiche della produzione elettronica domestica: ottenere un circuito stampato, saldare componenti radio, realizzare una custodia. Tutto questo è risolto in un piccolo laboratorio. I dosimetri fatti in casa dai contatori Geiger vengono realizzati nei casi in cui:

• non è possibile acquistare un dosimetro già pronto;
• hai bisogno di un dispositivo con caratteristiche speciali;
• È necessario studiare il processo di costruzione e installazione di un dosimetro.

Un dosimetro fatto in casa viene calibrato rispetto allo sfondo naturale utilizzando un altro dosimetro. Questo completa il processo di costruzione.

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Scopo dei contatori

Un contatore Geiger-Muller è un dispositivo a due elettrodi progettato per determinare l'intensità della radiazione ionizzante o, in altre parole, per contare le particelle ionizzanti che si formano durante le reazioni nucleari: ioni di elio (- particelle), elettroni (- particelle), raggi X quanti (- particelle) e neutroni. Le particelle si diffondono a velocità molto elevate [fino a 2. 10 7 m/s per gli ioni (energia fino a 10 MeV) e circa la velocità della luce per gli elettroni (energia 0,2 - 2 MeV)], grazie alla quale penetrano all'interno del contatore. Il ruolo del contatore è generare un breve impulso di tensione (frazioni di millisecondo) (unità - decine di volt) quando una particella entra nel volume del dispositivo.

Rispetto ad altri rilevatori (sensori) di radiazioni ionizzanti (camera di ionizzazione, contatore proporzionale), il contatore Geiger-Muller ha un'elevata soglia di sensibilità: consente di controllare il fondo radioattivo naturale della terra (1 particella per cm 2 su 10 - 100 secondi). Il limite superiore di misurazione è relativamente basso: fino a 10 4 particelle per cm 2 al secondo o fino a 10 Sievert all'ora (Sv/h). Una caratteristica speciale del contatore è la capacità di generare impulsi di tensione di uscita identici indipendentemente dal tipo di particelle, dalla loro energia e dal numero di ionizzazioni prodotte dalla particella nel volume del sensore.

Il funzionamento di un contatore Geiger si basa su una scarica di gas pulsata non autosufficiente tra elettrodi metallici, che viene avviata da uno o più elettroni risultanti dalla ionizzazione di un gas -, - o - particella. I misuratori utilizzano solitamente un design dell'elettrodo cilindrico e il diametro del cilindro interno (anodo) è molto più piccolo (2 o più ordini di grandezza) di quello esterno (catodo), il che è di fondamentale importanza. Il diametro caratteristico dell'anodo è 0,1 mm.

Le particelle entrano nel contatore attraverso un guscio sotto vuoto e un catodo di forma “cilindrica” (Fig. 2, UN) o attraverso una speciale finestra piatta e sottile nella versione “finale” del disegno (Fig. 2 ,B). Quest'ultima opzione viene utilizzata per registrare particelle che hanno una bassa capacità di penetrazione (trattenute, ad esempio, da un foglio di carta), ma sono molto pericolose dal punto di vista biologico se la fonte delle particelle entra nel corpo. I rilevatori con finestre in mica vengono utilizzati anche per contare particelle di energia relativamente bassa (radiazione beta “morbida”).

Riso. 2. Disegni schematici di un cilindro ( UN) e fine ( B) Contatori Geiger. Designazioni: 1 - guscio sottovuoto (vetro); 2 - anodo; 3 - catodo; 4 - finestra (mica, cellophane)

Nella versione cilindrica del contatore, progettata per registrare particelle ad alta energia o raggi X morbidi, viene utilizzato un guscio sottovuoto a pareti sottili e il catodo è costituito da un foglio sottile o sotto forma di un sottile film di metallo (rame , alluminio) depositato sulla superficie interna della calotta. In numerosi progetti, un catodo metallico a parete sottile (con rinforzi) è un elemento del guscio del vuoto. Le radiazioni di raggi X duri (particelle) hanno un potere di penetrazione maggiore. Pertanto, viene registrato da rilevatori con pareti sufficientemente spesse di un guscio sottovuoto e un catodo massiccio. Nei contatori di neutroni, il catodo è rivestito con un sottile strato di cadmio o boro, nel quale la radiazione neutronica viene convertita in radiazione radioattiva attraverso reazioni nucleari.

Il volume del dispositivo è solitamente riempito con argon o neon con una piccola miscela (fino all'1%) di argon a una pressione prossima a quella atmosferica (10 -50 kPa). Per eliminare fenomeni indesiderati di post-scarica, nel riempimento del gas viene introdotta una miscela di vapori di bromo o alcol (fino all'1%).

La capacità di un contatore Geiger di registrare particelle indipendentemente dal loro tipo ed energia (di generare un impulso di tensione indipendentemente dal numero di elettroni generati dalla particella) è determinata dal fatto che, a causa del diametro molto piccolo dell'anodo, quasi tutta la tensione applicata agli elettrodi è concentrata in uno stretto strato vicino all'anodo. All'esterno dello strato c'è una “regione di intrappolamento delle particelle” in cui queste ionizzano le molecole di gas. Gli elettroni strappati dalla particella alle molecole vengono accelerati verso l'anodo, ma il gas è debolmente ionizzato a causa della bassa intensità del campo elettrico. La ionizzazione aumenta bruscamente dopo che gli elettroni entrano nello strato vicino all'anodo con elevata intensità di campo, dove si sviluppano valanghe di elettroni (una o più) con un grado molto elevato di moltiplicazione elettronica (fino a 10 7). Tuttavia la corrente che ne risulta non raggiunge ancora un valore corrispondente alla formazione del segnale del sensore.

Un ulteriore aumento della corrente al valore di funzionamento è dovuto al fatto che nelle valanghe, contemporaneamente alla ionizzazione, si generano fotoni ultravioletti con un'energia di circa 15 eV, sufficienti a ionizzare le molecole di impurità presenti nel gas di riempimento (ad esempio, la corrente di ionizzazione il potenziale delle molecole di bromo è 12,8 V). Gli elettroni risultanti dalla fotoionizzazione delle molecole esterne allo strato vengono accelerati verso l'anodo, ma qui non si sviluppano valanghe a causa della bassa intensità di campo e il processo ha poco effetto sullo sviluppo della scarica. Nello strato la situazione è diversa: i fotoelettroni risultanti, a causa dell'alta tensione, danno origine a intense valanghe in cui si generano nuovi fotoni. Il loro numero supera quello iniziale e il processo nello strato secondo lo schema “fotoni - valanghe di elettroni - fotoni” aumenta rapidamente (diversi microsecondi) (entra in “modalità trigger”). In questo caso, la scarica dal luogo delle prime valanghe avviate dalla particella si propaga lungo l'anodo (“accensione trasversale”), la corrente anodica aumenta bruscamente e si forma il fronte anteriore del segnale del sensore.

Il fronte di discesa del segnale (diminuzione di corrente) è dovuto a due ragioni: una diminuzione del potenziale dell'anodo dovuta alla caduta di tensione della corrente attraverso il resistore (sul fronte anteriore, il potenziale è mantenuto dalla capacità interelettrodica) e un diminuzione dell'intensità del campo elettrico nello strato sotto l'influenza della carica spaziale degli ioni dopo che gli elettroni lasciano l'anodo (la carica aumenta i potenziali dei punti, di conseguenza la caduta di tensione attraverso lo strato diminuisce e nell'intrappolamento delle particelle l'area aumenta). Entrambi i motivi riducono l'intensità dello sviluppo della valanga e il processo secondo lo schema "valanga - fotoni - valanga" si attenua e la corrente attraverso il sensore diminuisce. Dopo la fine dell'impulso di corrente, il potenziale anodico aumenta al livello iniziale (con un certo ritardo dovuto alla carica della capacità interelettrodica attraverso il resistore anodico), la distribuzione del potenziale nello spazio tra gli elettrodi ritorna alla sua forma originale come risultato della partenza degli ioni verso il catodo e il contatore ripristina la capacità di registrare l'arrivo di nuove particelle.

Vengono prodotte dozzine di tipi di rilevatori di radiazioni ionizzanti. Per designarli vengono utilizzati diversi sistemi. Ad esempio, STS-2, STS-4 - contatori finali autoestinguenti o MS-4 - contatore con catodo di rame (B - con tungsteno, G - con grafite) o SAT-7 - contatore di particelle finali, SBM- 10 - contatore - particelle metalliche, SNM-42 - contatore di neutroni metallici, SRM-1 - contatore per raggi X, ecc.