Schetchiksg.ru

Счетчик СГ
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Схема устройства счетчика гейгера

Схема устройства счетчика гейгера

Лабораторная работа № 411.

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

Цель работы: 1) изучение работы счетчика Гейгера-Мюллера;

2) снятие счетной характеристики счетчика.

Приборы и принадлежности: источник питания, вольтметр, блок газовых счетчиков БГС-3, счетчик Гейгера-Мюллера, пересчетный прибор ПСО-2-4.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Для измерения интенсивности ионизирующего излучения широко применяются ионизационные камеры и газовые счетчики.

Первый газовый счетчик был сконструирован в 1908 г . в Кавендишской лаборатории под руководством Резерфорда. Газоразрядный детектор быстро завоевал популярность, в течение ряда лет он усовершенствовался: менялась конфигурация электродов, искались наиболее приемлемые режимы работы, газы для заполнения счетчиков и т.д.


На рис.1 изображен в двух проекциях (с боку и с торца) газовый счетчик.

Счетчик состоит из полого металлического цилиндра, по оси которого натянута укрепленная на изоляторах нить. Цилиндр заполняется разреженным газом, например, аргоном. Между нитью, которая служит положительным электродом (анодом), и стенками трубки (катодом) батарея элементов ( U ) создает разность потенциалов. Электрическое поле внутри счетчика неоднородное, напряженность поля изменяется в соответствии с уравнением:

(1)

где U – напряжение, приложенное к электродам; r 1 – радиус центральной проволоки (анода); r 2 – внутренний радиус цилиндра; r – расстояние от анода. Уравнение (1) показывает, что напряженность электрического поля наиболее велика вблизи анода, т.е. на расстоянии r » r 1. С увеличением расстояния ( r > r 1) поле убывает.

Существует несколько видов счетчиков, применяемых для регистрации a , b и g — излучений.

a — излучение представляет собой поток ядер гелия; заряд a — частицы равен +2 е, а масса совпадает с массой изотопа гелия a — частицы отклоняются электрическим и магнитным полями, обладают высокой ионизирующей способностью, но малой проникающей способностью (например, поглощаются слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). Поэтому для регистрации a — частиц торец счетчика закрывают тончайшей фольгой, пропускающей a — частицы.

b — излучение представляет собой поток быстрых электронов, которые тоже отклоняются электрическим и магнитным полями. Ионизирующая способность b — частиц значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше (поглощаются слоем алюминия примерно 2 мм ), чем у a — частиц. Счетчик b — частиц представляет собой металлическую тонкостенную трубку, вдоль которой протянута металлическая нить. Давление в трубке пониженное – для увеличения длины свободного пробега b — частиц и облегчения ударной ионизации.

g — излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны l — 10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц — g — квантов (фотонов). g — излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см) Для регистрации g — лучей стенки трубки счетчика делают стеклянными и покрывают изнутри металлом. Проходящие через счетчик фотоны выбивают из металла быстрые электроны, которые ионизируют газ внутри счетчика. Чем толще слой металла, тем больше быстрых электронов возникает в трубке. Однако при чрезмерной толщине выбитые электроны поглотятся в самой стенке трубки, и не будут попадать внутрь счетчика.

Допустим, что в пространство между электродами влетает быстрая заряженная частица, которая создает N o вторичных ионов (электронов и положительно заряженных ионов). Возникшие ионы увлекаются полем к электродам, вследствие чего через сопротивление R проходит некоторый заряд q , который называется импульсом тока.

Счетчик включается в специальную схему так, чтобы возникший в нем ток быстро обрывался. После гашения разряда происходит рекомбинация ионов и счетчик вновь готов к действию. Прошедший импульс тока после соответствующего усиления регистрируется специальной пересчетной схемой или электромеханическим счетчиком.

Читайте так же:
Счетчик гейгера счетчик ионизирующего излучения

Ионизация в счетчиках и их режим работы зависят от приложенного напряжения. На рис.2 приведена зависимость импульса тока от напряжения между электродами для двух различных количеств первичных ионов N o . На графике можно выделить шесть областей.

В области I газ, находящийся между электродами, подвергается непрерывному постоянному по интенсивности воздействию какого-либо ионизатора. Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул отщепляются один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. При небольших напряжениях не все образовавшиеся ионы достигают электродов, часть их рекомбинирует, т.е. соединяясь с электронами, вновь образуются нейтральные молекулы.

С увеличением напряжения все бóльшая часть ионов и электронов успевает долететь до электродов. Когда все ионы и электроны достигают электродов, дальнейшее увеличение напряжения не приводит к возрастанию тока. Область II – область тока насыщения ( см. рис.2, где Ui – порог этой области). Прибор, работающий при напряжениях, соответствующих области II , называется ионизационной камерой.

Начиная со значения Up , напряженность поля оказывается достаточной для того, чтобы электроны могли ионизировать молекулы ударом. Поэтому количество электронов и положительных ионов лавинообразно растет. В результате на каждый из электродов попадает N = A × N ионов. Величина называется коэффициентом газового усиления. В области III этот коэффициент не зависит от количества первичных ионов (но зависит от напряжения). Поэтому, если поддерживать напряжение постоянным, то импульс тока будет пропорционален первичному количеству ионов. Область III называется областью пропорциональности, а напряжение Up – порогом пропорциональной области. Коэффициент газового усиления изменяется в этой области от 1 в начале до 10 3 –10 4 в конце. Прибор, работающий в таком режиме, называется пропорциональным счетчиком. В пропорциональных счетчиках величина импульса тока зависит не только от количества частиц, вызвавших ионизацию, но и от их природы и энергии. Поэтому по величине импульсов можно различать частицы разной природы, а для одной природы провести сортировку по энергиям.

В области IV , называемой областью частичной пропорциональности, коэффициент газового усиления А все сильнее зависит от N , в связи с чем различие в импульсах тока, порожденных различным количеством первичных ионов, все больше сглаживается.

При напряжениях, соответствующих области V (ее называют областью Гейгера, а напряжение Ug – порогом этой области), процесс приобретает характер самостоятельного разряда. Первичные ионы лишь создают толчок для его возникновения. Импульс тока в этой области совершенно не зависит от количества первичных ионов, их природы и энергии. Коэффициент газового усиления в этой области достигает величины 10 8 . Счетчик, использующий режим работы, соответствующий области V , называется счетчиком Гейгера-Мюллера.

Для получения импульсов тока от отдельных частиц, т.е. раздельной их регистрации, необходимо возникающий разряд быстро прервать. Это достигается либо с помощью внешнего сопротивления R ( см. рис.1) в несамогасящихся счетчиках, либо за счет процессов, возникающих в самом счетчике (самогасящиеся счетчики).

Гашение самостоятельного разряда в счетчике с помощью внешнего сопротивления вызывается перераспределением напряжения источника питания между межэлектродным промежутком счетчика и сопротивлением. При возникновении разряда сопротивление счетчика и напряжение на нем резко падают и, протекающий по сопротивлению разрядный ток увеличивает на нем падение напряжения. Из-за снижения напряжения на межэлектродном промежутке его величина становится недостаточной для поддержания разряда.

В самогасящихся счетчиках прекращение разряда вызывается физическим процессом в газе. Подвижность электронов (примерно в 1000 раз) превышает подвижность положительных ионов. Поэтому за то время, за которое электроны достигают нити, ионы почти не сдвигаются со своих мест. В результате они образуют положительный пространственный заряд, ослабляющий поле вблизи нити, и разряд прекращается. Для увеличения эффективности гашения к газу, заполняющему счетчик, примешивают пары многоатомных спиртов. Такие счетчики регистрируют импульсы от частиц, следующих друг за другом с интервалом 10 — 4 с.

Читайте так же:
Как проверить накручены ли счетчики

В области VI напряжение столь велико, что разряд, возникнув, не прекращается. Поэтому ее называют областью непрерывного газового разряда.

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И
МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Для определения области Гейгера необходимо снять счетную характеристику счетчика. Счетной характеристикой называют зависимость числа импульсов, регистрируемых счетчиком в единицу времени, от приложенного к нему напряжения при постоянной интенсивности радиоактивного излучения.


На рис.3 изображена счетная характеристика счетчика Гейгера-Мюллера.

Для подсчета числа импульсов применяют специальные электронные схемы. В отсутствии газового усиления такие схемы не регистрируют слабых импульсов, возникающих в объеме ионизационной камеры. Это означает, что кривая имеет определенный порог Up , ниже которого импульсы не регистрируются. По мере повышения напряжения газовое усиление становится значительным и схема будет регистрировать частицы, вызывающие сильную ионизацию, а частицы меньшей энергии регистрироваться не будут (это область пропорциональности счета ab ). По мере возрастания газового усиления регистрируется все большее количество частиц с малой энергией, пока не будет достигнута точка с, Ug – порог области Гейгера-Мюллера с d , в которой практически каждая частица, попадающая в трубку, регистрируется. Область Гейгера-Мюллера cd называется счетной областью или плато. В пределах этой области количество регистрируемых частиц не зависит от приложенного напряжения, поэтому плато счетчика является рабочим. Обычно рабочее напряжение выбирают в середине плато. При напряжении выше, чем в точке d , счетчик становится непригодным для измерений.

Установка для снятия счетной характеристики счетчика ( см. рис.4) состоит из источника питания 1, вольтметра 2, блока газовых счетчиков 3 (БГС-3), счетчика Гейгера-Мюллера 4, пересчетного устройства 5 (ПСО-2-4). В качестве источника ионизирующего излучения постоянной интенсивности используется естественный фон, определяемый космическими лучами.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. При помощи гибких проводов соединить УИП-1 вольтметром и БГС-3, а ПСО-2-4 соединить с БГС-3 при помощи гибкого кабеля.

2. Включить прибор ПСО-2-4 в сеть: нажать клавишу «сеть», при этом загорается сигнальная лампа.

3. Нажать клавиши « N », «100», все остальные находятся в отжатом состоянии.

4. Нажать клавиши «проверка», «стоп», затем «сброс», «пуск», если на табло высвечивается «10000», то прибор готов к работе. Отжать клавишу «проверка».

5. Изменяя напряжение от 280 В до 600 В через каждые 40-50 В, снять зависимость скорости счета импульсов N от напряжения U , приложенного к счетчику Гейгера-Мюллера. Для этого установить напряжение на счетчике по вольтметру, нажать клавишу «пуск» на ПСО-2-4, снять отсчет N после того, как погаснет лампочка индикации «счет». Результат измерения соответствует количеству импульсов за 100 с. Сделать пересчет количества импульсов за 1 с для каждого измерения.

6. Закончив замеры, нажать клавишу «стоп», «сброс» и отключить прибор нажатием клавиши «сеть». Результаты измерений занести в таблицу.

Счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера (Гейгера-Мюллера) — газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц . Представляет собой газонаполненный конденсатор который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. Изобретён счетчик был в 1908 году Гансом Гейгером и усовершенствован Мюллером. Является самым распространенным детектором (датчиком) ионизирующего излучения. До сих пор ему, изобретенному в самом начале прошлого века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены.

Дополнительная электронная схема обеспечивает счётчик питанием (как правило, не менее 300 ), обеспечивает, при необходимости, гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.

Читайте так же:
Счетчик с диском не крутится

Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).

Чувствительность счётчика определяется составом газа, его объёмом, а также материалом и толщиной его стенок.

Наиболее часто в приборах применяются счетчики с рабочим напряжением порядка 400 В, такие как:

1. «СБМ-20» (по размерам ― чуть толще карандаша).

. «СБМ-21» (оба со стальными корпусами, пригодные для измерения бета- и гамма-излучения).

3. «СИ-8Б» (со слюдяным окном в корпусе, пригоден для измерения бета-излучения ).

Цилиндрический счётчик Гейгера-Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки, и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка — катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы — аргон и неон . Между катодом и анодом создается напряжение порядка 400 В. Для большинства счетчиков существует так называемое плато, которое лежит приблизительно от 360 до 460 В, в этом диапазоне небольшие колебания напряжения не влияют на скорость счета.

Работа счетчика основана на ударной ионизации . Гамма-кванты , испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счётчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается — настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

Важной характеристикой счётчика является его эффективность. Не все Гама-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия гамма-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема.

Лучшие статьи по информатике

Построение и анализ математической модели объекта управления
Построим математическую модель объекта управления в пространстве состояния Рисунок 2 Структурная схема ОУ В схеме четыре элемента, запасающих э .

Проектирование волоконно-оптической линии связи протяженностью 557 км
С течением времени роль информации в жизни человека становилась все существеннее. Нужно было изучать и понимать уже не только законы природы, но и понятия и .

Расчет дешифратора
Проектирование и разработка базовых электронных схем и создаваемых из них более сложных систем как раз и составляют то, чем занимается электроника. Среди близ .

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА — СХЕМА И ПЛАТА

Этот проект представляет собой простой счетчик Гейгера, который обнаружит бета-частицы и гамма-лучи. Индикация динамиком, который воспроизводит один щелчок для каждого счета. С добавлением схемы частотомера можно видеть количество микрорентген в секунду. Звуковая версия схемы очень полезна для идентификации радиоактивных предметов, таких как часы со светящимися циферблатами. Схема дозиметра очень экономична и обеспечивает много часов работы от одной 9 В батареи Крона.

Предполагалось, что будет установлен счетчик Гейгера типа DOI-80, так как устройство должно было иметь минимальное энергопотребление и быть как можно более дешевым. Схема потребляет минимальный ток и преобразователь работает на частоте 50 кГц. Измеритель радиации характеризуется наличием дешевых элементов — можно купить их в любом магазине электроники.

Схема самодельного счетчика Гейгера

Давайте перейдем к принципиальной схеме:

Основой является двухтактный преобразователь, приводимый в действие генератором на основе вентилей NAND. Рабочая частота около 50 кГц поступает на 2 транзистора. К коллекторам транзисторов включается трансформатор.

Генератор управляется операционным усилителем U2A, который измеряет выходное напряжение инвертора. Если оно превышает установленное значение, низкий уровень будет подаваться на вход 13 логического элемента U1D и вход 5 U1B. Генератор остановится и оба транзистора отключатся. Это условие будет поддерживаться до тех пор, пока выходное напряжение не упадет примерно на 20 В ниже уровня, отключающего инвертор.

На практике генератор инвертора отключается в течение большей части времени и начинает лишь периодически перезаряжать выходной конденсатор высокого напряжения. Примерная осциллограмма переключения напряжения на генераторе далее:

Читайте так же:
Кошелек со счетчиком денег

В схеме имеется три линии напряжения:

  1. Напряжение питания, питающее преобразователь и операционные усилители, это напряжение может быть любым в диапазоне 4 — 15 В.
  2. Напряжение +3,3 В от стабилизатора LP2950 (можно использовать любой другой на 3,3 В с низким потреблением мощности) является опорным напряжением для операционного усилителя U2A. В связи с использованием +3,3 В для питания цифровой части, микросхемы TTL должны быть серии HC (напряжение питания 2-6 В). Они характеризуются низким энергопотреблением.
  3. Напряжение 490 В от преобразователя и умножителя, питающее счетчик Гейгера и схему делителей напряжения R2, R3, R4. Чтобы еще больше снизить энергопотребление, этот отдел может быть переработан с использованием в 5 раз более высоких сопротивлений. Входное сопротивление U2A настолько велико, что оно не будет нагружать такой делитель. Выходное напряжение регулируется потенциометром R4.

Сигнал от счетчика Гейгера формируется операционным усилителем U2B и подается на моностабильный триггер U4A, а затем выходной импульс триггера управляет громкоговорителем.

Используемые интегральные микросхемы имеют очень низкое энергопотребление (порядка микроампер), поэтому ток от источника питания, в основном является результатом работы преобразователя. Удалось достичь потребления 1 мА от батареи 9 В с фоновым излучением (и 2-3 мА при приближении к радиоактивному элементу).

Советы по сборке дозиметра

Конденсаторы C2, C5, C6 должны иметь минимальное рабочее напряжение 600 В. Конденсатор С6 должен быть 22-220 нФ.

Трансформатор наматывался на сердечник F2001, L9, 4.0, AL400. Первичная обмотка 2×70 витков проводом 0,15 мм, вторичная 2000 витков тем же проводом. Это оптимально для батареи 9 В. Если используется более низкое напряжение питания или прибор требует напряжения выше 500 В, может потребоваться намотка большего количества витков на вторичной стороне.

Если получается, можете намотать 3000 витков, потому что выходное напряжение в любом случае контролируется. Проволока может быть наименьшей доступной толщины. В трансформаторе выбран зазор так, чтобы потребляемый ток был как можно ниже (минимум выходил при зазоре около 0,5 мм). Меньший и больший зазор вызывал большее потребление тока.

Вторая версия схемы дозиметра

В ещё одной версии счётчика Гейгера исключен стабилизатор 3,3 В, используя цепи CMOS серии 4000, которые имеют широкий диапазон рабочих напряжений, потребляя меньше тока чем 74HCT. Необходимый вольтаж теперь обеспечивает автоматически LM385, с током около 10 мкА.

Решено не использовать микросхему 555 в CMOS-версии в качестве моностабильного триггера, поскольку она потребляет больше тока, чем 4098, и, кроме того, в стабильном состоянии замыкает резистор в ветви RC на землю, что дополнительно вызывает протекание ненужного тока.

Под операционный усилитель, измеряющий +490 В использовался программируемый чип LM4250, потому что он дешев и доступен, можем установить потребляемую мощность (резистор R7) на очень маленькое значение — гораздо меньше, чем другие известные операционные усилители.

LM4250 работает как операционный усилитель, в котором потребление тока определяется R7. Если вы используете другой усилитель, не паяйте его. Все синхронизирующие конденсаторы также были уменьшены до минимума, чтобы минимизировать токи перезарядки.

Что касается детекторов — счетчиков радиации, существует много типов, например, STS-5, DOB-50, DOB-80, DOI-30, DOI-80, даже отечественный СБМ-2.

Читайте так же:
Счетчик сухого типа марки

Счетчики Гейгера, в зависимости от конструкции, должны питаться напряжением 200-1000 В. Лучше всего подавать на него более высокое напряжение и следить за количеством импульсов. Но если происходит резкое увеличение количества импульсов, уменьшите напряжение примерно на 50 В — и при таком напряжении прибор должен работать. С резистором, который соответствует лампе, лучше не опускаться ниже 2,2 МОм. Предпочтительно 4,7 или 5,6 мегаом. Счетчики Гейгера не любят перегружаться, они от этого изнашиваются.

Потребляемая мощность импульсная, импульс 4 мс 30 мА каждые 1,2 с. В оставшийся период потребляемый ток не превышает 150 мкА. Среднее не превышает 400 мкА. В этом случае батарея на 9 В должна работать в течение месяца даже непрерывной работы. А тут можете скачать файлы

Схема устройства счетчика гейгера

© Куцева Н. В. │ Сайт «Элементарные частицы» разработан в рамках ВКР магистра
по направлению подготовки 44.04.01 «Педагогическое образование» профиля «Физическое образование».
ВГПУ – 2018 г.

Газоразрядный счётчик Гейгера-Мюллера

Более совершенным устройством регистрации элементарных частиц, чем сцинтилляционный счётчик, является счётчик, изобретённый в 1908 году немецким физиком Г. Гейгером. Данный прибор позволял «считать» попавшие в него заряженные частицы. После того, как он был усовершенствован другим немецким учёным, В. Мюллером, его стали именовать счётчиком Гейгера-Мюллера.

Основной частью счётчик Гейгера-Мюллера является стеклянная трубка, к внутренним стенкам которой прилегает катод (К) – тонкий металлический цилиндр. Вдоль оси трубки протянута тонкая металлическая нить, выполняющая функцию анода. Для работы трубка заполняется инертным газом, обычно агроном, чтоб ы в создать в дальнейшем электрический разряд. Кроме этого, в схеме присутствует высокое ( R

10 9 Ом ) сопротивление, необходимое для того, чтобы погасить протекающий в цепи ток.

Принципиальная схема счетчика Гейгера-Мюллера

Действие счётчика основано на ударной ионизации. Как известно заряженные частицы (электрон, α-частиц и т. д. ), образующиеся в результате ядерных ядерных реакций, обладают большой проникающей способностью. Поэтому они достаточно свободно проникают через стеклянную трубку. Проникнув внутрь газоразрядного счётчика эти частицы ионизируют находящийся в ней газ, создавая положительно заряженные ионы и свободные электроны. Электрическое поле, приложенное между анодом и катодом (при достаточно высоком напряжении) ускоряет электроны до энергий, при которой начинается ударная ионизация. Возникает лавина положительных и отрицательных ионов и свободных электронов , создающая мощный электрический разряд. Ток через счётчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе ( R ) образуется импульс напряжения, который подаётся на регистрирующее устройство. Это даёт возможность понять, что через газоразрядный счётчик прошла элементарная частица. Для того, чтобы счётчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически следующим образом. Когда в момент появления импульса тока на нагрузочном резисторе ( R) создаётся достаточно сильное падение напряжения, напряжение между анодом и катодом резко уменьшается – настолько, что разряд прекращается.

Счётчик Гейгера-Мюллера применяется в основном для регистрации электронов и γ -квантов . И он удобен тем, что в одну секунду он может регистрировать приблизительно 10000 частиц. Однако определить параметры частиц, провести какие-либо исследования с регистрируемыми частицами, данный счётчик не позволяет.

Для этого нужны совсем другие способы, совсем другие методы. Вскоре после создания этого счетчика, появились такие методы и устройства. Одно из самых известных и распространенных – камера Вильсона (см. ссылку).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию