Pracovní Geigerovo počítadlo W/ minimální díly: 4 kroky (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:19

Zde je, pokud vím, nejjednodušší fungující Geigerovo počítadlo, které můžete postavit. Ten používá ruskou trubku SMB-20 Geiger vyrobenou v Rusku, poháněnou vysokonapěťovým zesilovacím obvodem vyloupeným z elektronické mušky. Detekuje beta částice a gama paprsky, přičemž vydává cvaknutí pro každou detekovanou radioaktivní částici nebo gama paprsek. Jak vidíte na výše uvedeném videu, kliká každých pár sekund od radiace pozadí, ale ve skutečnosti ožije, když se přiblíží zdroje záření, jako je uranové sklo, pláště toriové lucerny nebo knoflíky americium z detektorů kouře. Postavil jsem toto počítadlo, aby mi pomohlo identifikovat radioaktivní prvky, které potřebuji k vyplnění své sbírky prvků, a funguje skvěle! Jedinou skutečnou nevýhodou tohoto čítače je, že není příliš hlasitý a nepočítá a nezobrazuje množství záření, které detekuje, v počtech za minutu. To znamená, že nedostanete žádné skutečné datové body, pouze obecnou představu o radioaktivitě na základě počtu kliknutí, které slyšíte.

I když jsou na síti k dispozici různé Geigerovy sady, můžete si postavit vlastní od začátku, pokud máte správné komponenty. Začněme!

Krok 1: Geigerova počítadla a záření: Jak to všechno funguje

Geigerův čítač (nebo Geiger-Müllerův čítač) je detektor záření vyvinutý Hansem Geigerem a Waltherem Müllerem v roce 1928. Dnes téměř každý zná zvuky kliknutí, které vydává, když detekuje něco, často považováno za „zvuk“záření. Srdcem zařízení je trubka Geiger-Müller, kovový nebo skleněný válec naplněný inertními plyny drženými pod nízkým tlakem. Uvnitř trubice jsou dvě elektrody, z nichž jedna je držena na vysokonapěťovém potenciálu (obvykle 400-600 voltů), zatímco druhá je připojena k elektrickému uzemnění. Když je trubice v klidovém stavu, žádný proud není schopen přeskočit mezeru mezi dvěma elektrodami uvnitř trubice, a proto neteče žádný proud. Když však do trubice vstoupí radioaktivní částice, jako je beta částice, částice ionizuje plyn uvnitř trubice, čímž je vodivá a umožňuje na krátký okamžik přeskočit proud mezi elektrodami. Tento krátký tok proudu spustí detektorovou část obvodu, která vydá slyšitelné „cvaknutí“. Více kliknutí znamená více radiace. Mnoho čítačů Geiger má také schopnost počítat počet kliknutí a počítat počty za minutu nebo CPM a zobrazovat je na displeji vytáčení nebo odečtu.

Podívejme se na provoz Geigerova pultu jiným způsobem. Klíčovým principem operace Geigerova pultu je Geigerova trubice a způsob nastavení vysokého napětí na jedné elektrodě. Toto vysoké napětí je jako strmý horský svah pokrytý hlubokým sněhem a stačí k tomu jen malý kousek radiační energie (podobný lyžaři, který jde po svahu), aby spustil lavinu. Následná lavina s sebou nese mnohem více energie než samotná částice, tolik energie, aby ji mohl detekovat zbytek Geigerova čítacího obvodu.

Protože je to pravděpodobně už nějaký čas, co mnozí z nás seděli ve třídě a učili se o radiaci, zde je rychlé osvěžení.

Hmota a struktura atomu

Veškerá hmota se skládá z drobných částic nazývaných atomy. Atomy samotné se skládají z ještě menších částic, konkrétně z protonů, neutronů a elektronů. Protony a neutrony jsou shromážděny ve středu atomu - tato část se nazývá jádro. Elektrony obíhají kolem jádra.

Protony jsou kladně nabité částice, elektrony jsou záporně nabité a neutrony nenesou žádný náboj, a jsou tedy neutrální, odtud jejich název. V neutrálním stavu obsahuje každý atom stejný počet protonů a elektronů. Protože protony a elektrony nesou stejné, ale opačné náboje, dává to atomu neutrální čistý náboj. Pokud však počet protonů a elektronů v atomu není stejný, stane se z atomu nabitá částice zvaná ion. Geigerovy čítače jsou schopné detekovat ionizující záření, což je forma záření, která má schopnost transformovat neutrální atomy na ionty. Tři různé druhy ionizujícího záření jsou alfa částice, beta částice a gama paprsky.

Částice alfa

Částice alfa se skládá ze dvou neutronů a dvou protonů spojených dohromady a je ekvivalentem jádra atomu helia. Částice je generována, když se jednoduše odlomí z atomového jádra a letí. Protože nemá žádné záporně nabité elektrony, které by zrušily kladný náboj dvou protonů, částice alfa je kladně nabitá částice, nazývaná ion. Částice alfa jsou formou ionizujícího záření, protože mají schopnost ukrást elektrony ze svého okolí, a tím transformovat atomy, z nichž kradou, na samotné ionty. Ve vysokých dávkách to může způsobit poškození buněk. Částice alfa generované radioaktivním rozpadem se pohybují pomalu, mají relativně velkou velikost a kvůli svému náboje nemohou snadno procházet jinými věcmi. Částice nakonec zachytí několik elektronů z prostředí, a tím se stane legitimním atomem helia. Takto se vyrábí téměř celé zemské helium.

Beta částice

Částice beta je buď elektron nebo pozitron. Pozitron je jako elektron, ale nese kladný náboj. Částice beta-minus (elektrony) jsou emitovány, když se neutron rozpadne na proton, a částice beta-plus (pozitrony) jsou emitovány, když se proton rozpadne na neutron.

Gama paprsky

Gama paprsky jsou fotony s vysokou energií. Gama paprsky se nacházejí v elektromagnetickém spektru, mimo viditelné světlo a ultrafialové záření. Mají vysokou penetrační sílu a jejich schopnost ionizovat pochází ze skutečnosti, že dokážou srazit elektrony z atomu.

Trubice SMB-20, kterou pro tuto konstrukci použijeme, je běžná trubice ruské výroby. Má tenký kovový plášť, který funguje jako záporná elektroda, zatímco kovový drát procházející podélně středem trubice slouží jako kladná elektroda. Aby trubice detekovala radioaktivní částici nebo gama paprsek, musí tato částice nebo paprsek nejprve proniknout tenkou kovovou kůží zkumavky. Částice alfa to obecně nedokážou, protože jsou obvykle zastaveny stěnami trubice. Jiné Geigerovy trubice, které jsou navrženy tak, aby detekovaly tyto částice, mají často speciální okénko, nazývané Alfa okno, které umožňuje těmto částicím vstoupit do tuby. Okno je obvykle vyrobeno z velmi tenké vrstvy slídy a Geigerova trubice musí být velmi blízko zdroje Alfa, aby zachytila částice dříve, než jsou absorbovány okolním vzduchem. * Povzdech* Tak to je dost o radiaci, pojďme se pustit do stavby této věci.

Krok 2: Shromážděte své nástroje a materiály

Potřebné zásoby:

• SMB-20 Geiger Tube (k dispozici za přibližně 20 USD na eBay)
• Vysokonapěťový stejnosměrný obvod, vyloupený z levné elektronické mušky. Toto je konkrétní model, který jsem použil:
• Zenerovy diody s celkovou hodnotou kolem 400 V (ideální by byly čtyři 100 V)
• Rezistory s celkovou hodnotou 5 Megohm (použil jsem pět 1 Megohm)
• Tranzistor - typ NPN, použil jsem 2SC975
• Piezo reproduktorový prvek (vyloupen z mikrovlnné trouby nebo hlučné elektronické hračky)
• 1 x baterie AA
• Držák baterie AA
• Vypínač (použil jsem momentální spínač SPST z elektronické mouchy)
• Zlikvidujte kusy elektrického drátu
• Kousek dřevěného šrotu, plastu nebo jiného nevodivého materiálu, který lze použít jako podklad pro stavbu obvodu

Nástroje, které jsem použil:

• Páječka "tužka"
• Kloubová pájka s malým průměrem pro elektrické účely
• Horká lepicí pistole s příslušnými lepicími tyčinkami
• Nůžky na drát
• Odstraňovače drátů
• Šroubovák (k demolici elektronické flyswatter)

I když je tento obvod postaven na trubici SMB-20, která je schopna detekovat beta částice a gama paprsky, lze ji snadno přizpůsobit použití různých trubic. Stačí zkontrolovat konkrétní rozsah provozního napětí a další specifikace vaší konkrétní trubice a podle toho upravit hodnoty komponent. Větší trubice jsou citlivější než menší, jednoduše proto, že jsou většími terči pro zasažení částic.

Geigerovy trubice ke svému fungování vyžadují vysoké napětí, takže používáme DC-up obvod z elektronického muškařského zesilovače k posílení 1,5 voltů z baterie až na přibližně 600 voltů (původně letící muška utekla na 3 volty, čímž vypnula asi 1200 V pro přepínání much. Pusťte to na vyšší napětí a budete mít taser). SMB-20 má rád napájení 400 V, takže k regulaci napětí na tuto hodnotu používáme zenerovy diody. Používám třináct 33V zenerů, ale stejně dobře by fungovaly i jiné kombinace, například 4 x 100V zenery, pokud se součet hodnot zeners rovná cílovému napětí, v tomto případě 400.

Rezistory se používají k omezení proudu do trubice. SMB-20 má rád anodový (kladný) odpor asi 5M ohmů, takže používám pět 1M ohmových odporů. Lze použít libovolnou kombinaci rezistorů, pokud jejich hodnoty dosahují přibližně 5 M ohmů.

Piezoelektrický reproduktorový prvek a tranzistor tvoří detektorovou část obvodu. Piezoelektrický reproduktorový reproduktor vydává cvakavé zvuky a dlouhé vodiče vám umožní držet jej blíže u ucha. Měl jsem štěstí, že jsem je zachránil před věcmi, jako jsou mikrovlnné trouby, budíky a další věci, které vydávají nepříjemné zvuky. Ten, který jsem našel, má kolem sebe pěkné plastové pouzdro, které pomáhá zesílit zvuk, který z něj vychází.

Tranzistor zvyšuje hlasitost kliknutí. Obvod můžete postavit bez tranzistoru, ale klikání generovaná obvodem nebude tak hlasitá (tím myslím sotva slyšitelné). Použil jsem tranzistor 2SC975 (typ NPN), ale mnoho dalších tranzistorů by pravděpodobně fungovalo. 2SC975 byl doslova jen první tranzistor, který jsem vytáhl ze své hromady zachráněných součástek.

V dalším kroku provedeme stržení elektrického flyswatteru. Nebojte se, je to snadné.

Krok 3: Demontujte Fly Swatter

Elektronické mušky se mohou konstrukčně mírně lišit, ale protože jsme jen po elektronice uvnitř, stačí ji roztrhnout a vytáhnout vnitřnosti. Swatter na obrázcích výše je ve skutečnosti mírně odlišný od toho, který jsem zabudoval do pultu, protože se zdá, že výrobce změnil jejich design.

Začněte odstraněním viditelných šroubů nebo jiných spojovacích prvků, které drží pohromadě, a dávejte pozor na nálepky nebo věci jako kryt baterie, které by mohly skrývat další upevňovací prvky. Pokud se věc stále neotevře, může to vyžadovat trochu páčení pomocí šroubováku podél švů v plastovém těle pláště.

Jakmile jej otevřete, budete muset použít řezačky drátu k odříznutí vodičů v mřížce sítě zapínače. Dva černé dráty (někdy i jiné barvy) pocházejí ze stejného místa na hrací ploše, z nichž každý vede k jedné z vnějších mřížek. Jedná se o záporné nebo „uzemňovací“vodiče pro vysokonapěťový výstup. Protože tyto vodiče pocházejí ze stejného místa na desce plošných spojů a my potřebujeme pouze jeden, pokračujte a odstřihněte jeden na desce plošných spojů a dejte šrot stranou stranou pro pozdější použití.

K vnitřní síti by měl vést jeden červený vodič, a to je kladný vysokonapěťový výstup.

Ostatní vodiče přicházející z desky plošných spojů směřují do bateriové skříně a ten s pružinou na konci je záporné spojení. Docela jednoduché.

Pokud rozeberete hlavu plácačky, možná oddělíte součásti pro recyklaci, dávejte pozor na možné ostré hrany na kovové síťce.

Krok 4: Sestavte obvod a použijte jej

Jakmile budete mít své součásti, budete je muset pájet dohromady a vytvořit obvod zobrazený na obrázku. Vše jsem za horka lepil na kus čirého plastu, který jsem měl položený kolem. Díky tomu je robustní a spolehlivý obvod a také vypadá docela dobře. Existuje malá šance, že byste si mohli dát trochu zapínání od dotykových částí tohoto obvodu, když je pod napětím, jako připojení na piezo reproduktoru, ale pokud je problém, můžete spoje jednoduše zakrýt horkým lepidlem.

Jakmile jsem konečně měl všechny komponenty, které jsem potřeboval k vybudování okruhu, dal jsem to dohromady odpoledne. V závislosti na tom, jaké hodnoty komponent máte, můžete nakonec použít méně komponent než já. Můžete také použít menší Geigerovu trubku a počítadlo bude velmi kompaktní. Geigerové náramkové hodinky, někdo?

Teď si možná říkáte, k čemu potřebuji Geigerův čítač, když nemám nic radioaktivního, na co bych to namířil? Počitadlo klikne každých několik sekund pouze ze záření pozadí, které je složeno z kosmických paprsků a podobně. Existuje však několik zdrojů záření, u nichž můžete použít svůj čítač:

Americium z detektorů kouře

Americium je umělý (přirozeně se nevyskytující) prvek a používá se v detektorech kouře ionizačního typu. Tyto detektory kouře jsou velmi běžné a pravděpodobně jich doma máte několik. Ve skutečnosti je docela snadné zjistit, jestli ano, protože všechna slova obsahují radioaktivní látku Am 241 vylisovanou do plastu. Americium, ve formě oxidu americium, je naneseno na malý kovový knoflík uvnitř, namontovaný v malém krytu známém jako ionizační komora. Americium je obvykle pokryto tenkou vrstvou zlata nebo jiného kovu odolného proti korozi. Můžete otevřít detektor kouře a vyjmout malé tlačítko - obvykle to není příliš těžké.

Proč záření v detektoru kouře?

V ionizační komoře detektoru jsou proti sobě umístěny dvě kovové desky. K jednomu z nich je připojeno tlačítko americium, které vyzařuje konstantní proud částic alfa, které procházejí malou vzduchovou mezerou a jsou následně absorbovány druhou deskou. Vzduch mezi dvěma deskami se ionizuje, a je tedy poněkud vodivý. To umožňuje, aby mezi deskami protékal malý proud, a tento proud může být snímán obvody detektoru kouře. Když částice kouře vstoupí do komory, absorbují částice alfa a rozbijí obvod, čímž spustí poplach.

Ano, ale je to nebezpečné?

Vyzařované záření je relativně neškodné, ale pro jistotu doporučuji následující:

• Tlačítko americium uchovávejte na bezpečném místě mimo dosah dětí, nejlépe v nějakém dětském kontejneru
• Nikdy se nedotýkejte přední strany tlačítka, na kterém je pokovené americium. Pokud se omylem dotknete přední části tlačítka, umyjte si ruce

Uranové sklo

Uran byl v oxidové formě používán jako přísada do skla. Nejtypičtější barvou uranového skla je chorobně bledě žlutozelená, což ve dvacátých letech minulého století vedlo k přezdívce „vazelínové sklo“(na základě vnímané podobnosti s podobou vazelíny v té době formulované a komerčně prodávané). Na bleších trzích a ve starožitnictvích ho uvidíte označený jako „vazelínové sklo“a obvykle o něj můžete požádat pod tímto názvem. Množství uranu ve skle se pohybuje od stopových úrovní do zhruba 2% hmotnosti, přestože některé kusy 20. století byly vyrobeny až s 25% uranu! Většina uranového skla je jen velmi málo radioaktivní a myslím, že manipulace s ním není vůbec nebezpečná.

Obsah uranu ve skle můžete potvrdit černým světlem (ultrafialové světlo), protože všechna uranová skla fluoreskují jasně zeleně bez ohledu na barvu, kterou sklo vykazuje za normálního světla (které se může značně lišit). Čím jasnější kus září pod ultrafialovým světlem, tím více uranu obsahuje. Zatímco kousky uranového skla září pod ultrafialovým světlem, také vydávají vlastní světlo pod jakýmkoli zdrojem světla, který obsahuje ultrafialové světlo (jako sluneční světlo). Vysoce energetické ultrafialové vlnové délky světla dopadají na atomy uranu a tlačí jejich elektrony na vyšší energetickou úroveň. Když se atomy uranu vrátí na normální úroveň energie, vyzařují světlo ve viditelném spektru.

Proč uran?

Objev a izolace radia v uranové rudě (Pitchblende) od Marie Curie vyvolala rozvoj těžby uranu k extrakci radia, které se používalo k výrobě zářivých barev pro ciferníky hodin a letadel. To zanechalo podivuhodné množství uranu jako odpadního produktu, protože k těžbě jednoho gramu radia jsou zapotřebí tři tuny uranu.

Thorium kempingové lucerny

Thorium se používá v kempingových pláštích lucerny ve formě oxidu thoričitého. Při prvním zahřátí polyesterová část pláště shoří, zatímco oxid thoričitý (spolu s dalšími přísadami) si zachovává tvar pláště, ale stává se jakousi keramikou, která po zahřátí září. Thorium se již pro tuto aplikaci nepoužívá, většina společností ho v polovině 90. let ukončila a bylo nahrazeno jinými prvky, které nejsou radioaktivní. Bylo použito thorium, protože vytváří pláště, které velmi jasně září, a tento jas není zcela shodný s novějšími, neradioaktivními plášti. Jak poznáte, že plášť, který máte, je opravdu radioaktivní? To je místo, kde Geigerův počítač vstupuje. Pláště, na které jsem narazil, přivádějí Geigerův počítač k šílenství, mnohem víc než knoflíky z uranového skla nebo americiia. Není to tak, že by thorium bylo radioaktivnější než uran nebo americium, ale v plášti lucerny je mnohem více radioaktivního materiálu než v těchto jiných zdrojích. Proto je opravdu zvláštní setkat se ve spotřebním výrobku s tak velkým zářením. Stejná bezpečnostní opatření, jaká platí pro knoflíky americium, platí i pro pláště svítilny.

Děkujeme za přečtení, všichni! Pokud se vám tento návod líbí, přihlašuji se do soutěže „sestavte nástroj“a budu moc rád za váš hlas! Rád bych také slyšel, pokud máte komentáře nebo dotazy (nebo dokonce tipy/návrhy/konstruktivní kritiku), takže se nebojte je nechat níže.

Zvláštní poděkování mé přítelkyni Lucce Rodriguezové za vytvoření krásného schématu zapojení pro tento návod.