Bộ đếm Geiger làm việc W / Các bộ phận tối thiểu: 4 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Theo hiểu biết của tôi, đây là bộ đếm Geiger hoạt động đơn giản nhất mà bạn có thể xây dựng. Loại này sử dụng ống SMB-20 Geiger do Nga sản xuất, được điều khiển bằng mạch nâng cấp điện áp cao bị cướp từ một máy đánh ruồi điện tử. Nó phát hiện các hạt beta và tia gamma, phát ra tiếng nhấp cho mỗi vụ nổ hạt phóng xạ hoặc tia gamma mà nó phát hiện được. Như bạn có thể thấy trong video trên, nó nhấp nháy vài giây một lần từ bức xạ nền, nhưng thực sự trở nên sống động khi các nguồn bức xạ như thủy tinh uranium, lớp phủ đèn lồng thorium hoặc nút americium từ máy dò khói được đưa đến gần. Tôi đã xây dựng bộ đếm này để giúp tôi xác định các nguyên tố phóng xạ mà tôi cần điền vào bộ sưu tập nguyên tố của mình và nó hoạt động rất tốt! Hạn chế thực sự duy nhất của bộ đếm này là nó không lớn lắm và nó không tính toán và hiển thị lượng bức xạ mà nó phát hiện được bằng số đếm mỗi phút. Điều đó có nghĩa là bạn không nhận được bất kỳ điểm dữ liệu thực tế nào, chỉ là ý tưởng chung về hoạt độ phóng xạ dựa trên số lần nhấp bạn nghe thấy.

Mặc dù có nhiều bộ đếm Geiger khác nhau trên mạng, nhưng bạn có thể tự chế tạo từ đầu nếu bạn có các thành phần phù hợp. Bắt đầu nào!

Bước 1: Máy đếm Geiger và bức xạ: Tất cả hoạt động như thế nào

Máy đếm Geiger (hay máy đếm Geiger-Müller) là một máy dò bức xạ được phát triển bởi Hans Geiger và Walther Müller vào năm 1928. Ngày nay, hầu như mọi người đều quen thuộc với những âm thanh lách cách mà nó tạo ra khi phát hiện thứ gì đó, thường được coi là "âm thanh" của sự bức xạ. Trái tim của thiết bị là ống Geiger-Müller, một hình trụ bằng kim loại hoặc thủy tinh chứa đầy khí trơ được giữ dưới áp suất thấp. Bên trong ống có hai điện cực, một trong số đó được giữ ở hiệu điện thế cao (thường là 400-600 vôn) trong khi điện cực kia được nối với đất điện. Với ống ở trạng thái nghỉ, không có dòng điện nào có thể nhảy qua khoảng cách giữa hai điện cực bên trong ống, và do đó không có dòng điện nào chạy qua. Tuy nhiên, khi một hạt phóng xạ đi vào ống, chẳng hạn như hạt beta, hạt này sẽ ion hóa chất khí bên trong ống, khiến nó dẫn điện và cho phép dòng điện chạy qua giữa các điện cực trong một thời gian ngắn. Luồng dòng điện ngắn ngủi này kích hoạt phần dò của mạch, phần này phát ra tiếng “lách cách”. Nhiều nhấp chuột hơn có nghĩa là nhiều bức xạ hơn. Nhiều bộ đếm Geiger cũng có khả năng đếm số lần nhấp chuột và tính số lần đếm mỗi phút, hoặc CPM, và hiển thị nó trên màn hình quay số hoặc đọc.

Hãy xem xét hoạt động của bộ đếm Geiger theo cách khác. Cơ chế chính của hoạt động bộ đếm Geiger là ống Geiger và cách nó thiết lập điện áp cao trên một điện cực. Điện áp cao này giống như một sườn núi dốc bao phủ trong tuyết dày, và tất cả những gì cần có là một chút năng lượng bức xạ (giống như một vận động viên trượt tuyết đang xuống dốc) để gây ra một trận tuyết lở. Trận tuyết lở tiếp theo mang theo năng lượng lớn hơn nhiều so với bản thân hạt, đủ năng lượng để phần còn lại của mạch đếm Geiger phát hiện.

Vì có lẽ đã lâu rồi kể từ khi nhiều người trong chúng ta ngồi trong lớp học và học về bức xạ, đây là một thông tin bổ sung nhanh chóng.

Vật chất và cấu trúc của nguyên tử

Tất cả vật chất đều được cấu tạo bởi các hạt nhỏ gọi là nguyên tử. Bản thân nguyên tử được cấu tạo bởi các hạt thậm chí còn nhỏ hơn, cụ thể là proton, neutron và electron. Các proton và neutron được tập hợp lại với nhau ở trung tâm của nguyên tử - phần này được gọi là hạt nhân. Các êlectron quay quanh hạt nhân.

Proton là các hạt mang điện tích dương, các điện tử mang điện tích âm, và các nơtron không mang điện tích và do đó trung tính, do đó có tên gọi của chúng. Ở trạng thái trung hòa, mọi nguyên tử đều chứa một số proton và electron bằng nhau. Bởi vì các proton và electron mang các điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, điều này tạo cho nguyên tử một điện tích thuần trung hòa. Tuy nhiên, khi số proton và electron trong nguyên tử không bằng nhau, nguyên tử đó sẽ trở thành một hạt mang điện gọi là ion. Máy đếm Geiger có thể phát hiện bức xạ ion hóa, một dạng bức xạ có khả năng biến đổi các nguyên tử trung tính thành ion. Ba loại bức xạ ion hóa khác nhau là hạt Alpha, hạt Beta và tia Gamma.

Hạt alpha

Một hạt alpha bao gồm hai neutron và hai proton liên kết với nhau, và tương đương với hạt nhân của nguyên tử heli. Hạt được tạo ra khi nó đơn giản tách ra khỏi hạt nhân nguyên tử và bay. Bởi vì nó không có bất kỳ electron mang điện tích âm nào để loại bỏ điện tích dương của hai proton, một hạt alpha là một hạt mang điện tích dương, được gọi là ion. Các hạt alpha là một dạng bức xạ ion hóa, bởi vì chúng có khả năng đánh cắp các điện tử từ môi trường xung quanh, và làm như vậy biến đổi các nguyên tử mà chúng đánh cắp thành các ion. Với liều lượng cao, chất này có thể gây tổn thương tế bào. Các hạt alpha được tạo ra bởi sự phân rã phóng xạ di chuyển chậm, có kích thước tương đối lớn và do điện tích của chúng nên không thể dễ dàng truyền qua các vật khác. Cuối cùng thì hạt này nhận một vài electron từ môi trường, và làm như vậy trở thành một nguyên tử helium hợp pháp. Đây là cách hầu như tất cả Heli của trái đất được sản xuất.

Hạt Beta

Hạt beta hoặc là một electron hoặc positron. Một positron giống như một electron, nhưng nó mang một điện tích dương. Các hạt beta-trừ (electron) được phát ra khi một neutron phân rã thành một proton, và các hạt Beta-plus (positron) được phát ra khi một proton phân rã thành neutron.

Tia gam ma

Tia gamma là các photon năng lượng cao. Tia gamma nằm trong quang phổ điện từ, vượt ra ngoài ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím. Chúng có sức xuyên thấu cao, và khả năng ion hóa của chúng xuất phát từ thực tế là chúng có thể đánh bật các electron ra khỏi nguyên tử.

Ống SMB-20, mà chúng tôi sẽ sử dụng cho công trình này, là một loại ống phổ biến do Nga sản xuất. Nó có một lớp vỏ kim loại mỏng đóng vai trò là điện cực âm, trong khi một dây kim loại chạy dọc theo tâm của ống đóng vai trò là điện cực dương. Để ống có thể phát hiện ra một hạt phóng xạ hoặc tia gamma, trước tiên hạt hoặc tia đó phải xuyên qua lớp vỏ kim loại mỏng của ống. Các hạt alpha thường không thể làm được điều này, vì chúng thường bị ngăn lại bởi thành ống. Các ống Geiger khác được thiết kế để phát hiện các hạt này thường có một cửa sổ đặc biệt, được gọi là cửa sổ Alpha, cho phép các hạt này đi vào ống. Cửa sổ thường được làm bằng một lớp mica rất mỏng, và ống Geiger phải ở rất gần nguồn Alpha để lấy các hạt trước khi chúng bị không khí xung quanh hấp thụ. * Thở dài * Vậy là đủ về bức xạ, chúng ta hãy bắt tay vào chế tạo thứ này.

Bước 2: Thu thập Công cụ & Vật liệu của bạn

Nguồn cung cấp cần thiết:

• SMB-20 Geiger Tube (có giá khoảng $ 20 USD trên eBay)
• Mạch nâng cấp DC điện áp cao, bị cướp từ một máy đánh ruồi điện tử rẻ tiền. Đây là mô hình cụ thể mà tôi đã sử dụng:
• Điốt Zener với tổng giá trị kết hợp khoảng 400v (bốn cái 100v sẽ là lý tưởng)
• Điện trở có tổng giá trị kết hợp là 5 Megohm (tôi đã sử dụng năm 1 Megohm)
• Transistor - loại NPN, tôi đã sử dụng 2SC975
• Phần tử loa Piezo (bị cướp từ lò vi sóng hoặc đồ chơi điện tử ồn ào)
• 1 x pin AA
• Giá đỡ pin AA
• Công tắc bật / tắt (Tôi đã sử dụng công tắc tạm thời SPST từ đĩa bay điện tử)
• Mảnh vụn của dây điện
• Mảnh gỗ vụn, nhựa hoặc vật liệu không dẫn điện khác để sử dụng làm chất nền để xây dựng mạch điện

Các công cụ tôi đã sử dụng:

• Mỏ hàn "bút chì"
• Máy hàn lõi nhựa thông đường kính nhỏ cho các mục đích điện
• Súng bắn keo nóng với keo dính thích hợp
• Máy cắt dây
• Dụng cụ tuốt dây
• Tuốc nơ vít (để phá hủy flyswatter điện tử)

Mặc dù mạch này được xây dựng xung quanh một ống SMB-20, có thể phát hiện các hạt beta và tia gamma, nhưng nó có thể dễ dàng được điều chỉnh để sử dụng nhiều loại ống khác nhau. Chỉ cần kiểm tra dải điện áp hoạt động cụ thể và các thông số kỹ thuật khác của ống cụ thể của bạn và điều chỉnh các giá trị của các thành phần cho phù hợp. Các ống lớn hơn nhạy cảm hơn các ống nhỏ hơn, đơn giản vì chúng là mục tiêu lớn hơn để các hạt va vào.

Các ống Geiger yêu cầu điện áp cao để hoạt động, vì vậy chúng tôi đang sử dụng mạch nâng cấp DC từ máy đánh ruồi điện tử để tăng 1,5 vôn từ pin lên khoảng 600 vôn (ban đầu, bộ đánh ruồi chạy 3 vôn, đưa ra khoảng 1200 v cho ruồi zapping. Chạy nó ở điện áp cao hơn và bạn sẽ có một tác vụ). SMB-20 thích được điều khiển ở 400V, vì vậy chúng tôi sử dụng điốt zener để điều chỉnh điện áp đến giá trị đó. Tôi đang sử dụng 13 bộ zen 33V, nhưng các kết hợp khác cũng hoạt động tốt, chẳng hạn như bộ zoăng 4 x 100V, miễn là tổng giá trị của các zen bằng điện áp mục tiêu, trong trường hợp này là 400.

Các điện trở được sử dụng để hạn chế dòng điện vào ống. SMB-20 thích điện trở cực dương (cực dương) khoảng 5M ohm, vì vậy tôi đang sử dụng năm điện trở 1M ohm. Bất kỳ tổ hợp điện trở nào cũng có thể được sử dụng miễn là giá trị của chúng lên đến khoảng 5M ohm.

Phần tử loa Piezo và bóng bán dẫn bao gồm phần phát hiện của mạch. Phần tử loa Piezo phát ra tiếng động và các dây dài trên đó cho phép bạn giữ nó gần tai hơn. Tôi đã may mắn vớt được chúng khỏi những thứ như lò vi sóng, đồng hồ báo thức và những thứ khác gây ra tiếng bíp khó chịu. Cái mà tôi tìm thấy có một vỏ nhựa đẹp xung quanh nó giúp khuếch đại âm thanh phát ra từ nó.

Bóng bán dẫn tăng âm lượng của các lần nhấp. Bạn có thể tạo mạch mà không cần bóng bán dẫn, nhưng tiếng nhấp chuột mà mạch tạo ra sẽ không lớn bằng (ý tôi là hầu như không nghe thấy). Tôi đã sử dụng bóng bán dẫn 2SC975 (loại NPN), nhưng nhiều bóng bán dẫn khác có thể sẽ hoạt động. 2SC975 thực sự chỉ là bóng bán dẫn đầu tiên tôi lấy ra từ đống linh kiện tận dụng của mình.

Trong bước tiếp theo, chúng ta sẽ thực hiện xé bỏ đĩa bay bằng điện. Đừng lo lắng nó dễ dàng.

Bước 3: Phát tán Fly Swatter

Ruồi điện tử có thể hơi khác nhau về cấu tạo, nhưng vì chúng tôi chỉ theo đuổi thiết bị điện tử bên trong, chỉ cần xé nó ra và rút ruột ra lol. Bộ đệm trong các bức ảnh trên thực sự hơi khác so với cái mà tôi tích hợp vào bộ đếm, vì có vẻ như nhà sản xuất đã thay đổi thiết kế của họ.

Bắt đầu bằng cách tháo bất kỳ ốc vít nào có thể nhìn thấy hoặc các chốt khác đang giữ nó lại với nhau, để ý các nhãn dán hoặc những thứ như nắp pin có thể che giấu các ốc vít bổ sung. Nếu thứ vẫn không mở ra, có thể phải dùng tuốc nơ vít cạy dọc theo các đường nối trong thân nhựa của miếng đệm.

Khi bạn đã mở nó ra, bạn sẽ phải sử dụng máy cắt dây để cắt dây ở lưới của ruồi zapper. Hai dây màu đen (đôi khi có màu khác) bắt nguồn từ cùng một vị trí trên bảng, mỗi dây dẫn đến một trong các lưới bên ngoài. Đây là những dây âm, hoặc dây "nối đất" cho đầu ra điện áp cao. Vì các dây này đến từ cùng một vị trí trên bảng mạch và chúng ta chỉ cần một dây, hãy tiếp tục và cắt một dây ở bảng mạch, đặt dây vụn sang một bên để sử dụng sau.

Phải có một dây màu đỏ dẫn đến lưới điện bên trong, và đây là đầu ra điện áp cao dương.

Các dây khác đi từ bảng mạch đến hộp pin, và một dây có lò xo ở đầu là kết nối âm. Khá đơn giản.

Nếu bạn tháo phần đầu của tấm đệm ra, có lẽ để tách các thành phần để tái chế, hãy để ý các cạnh sắc có thể có trên lưới kim loại.

Bước 4: Xây dựng mạch và sử dụng nó

Khi bạn đã có các thành phần của mình, bạn sẽ phải hàn chúng lại với nhau để tạo thành mạch được hiển thị trong sơ đồ. Tôi dán tất cả mọi thứ vào một miếng nhựa trong suốt mà tôi đã đặt xung quanh. Điều này tạo nên một mạch chắc chắn và đáng tin cậy, đồng thời trông cũng khá đẹp. Có một cơ hội nhỏ là bạn có thể tự xử lý một chút khi chạm vào các bộ phận của mạch này khi nó được cấp điện, như kết nối trên loa piezo, nhưng bạn chỉ có thể che các kết nối bằng keo nóng nếu có vấn đề.

Khi cuối cùng tôi đã có tất cả các thành phần cần thiết để xây dựng mạch, tôi đã ném nó lại với nhau trong một buổi chiều. Tùy thuộc vào giá trị của các thành phần bạn có, bạn có thể sử dụng ít thành phần hơn tôi đã làm. Bạn cũng có thể sử dụng một ống Geiger nhỏ hơn và làm cho bộ đếm rất nhỏ gọn. Đồng hồ đeo tay Geiger, có ai không?

Bây giờ bạn có thể tự hỏi, tôi cần một bộ đếm Geiger để làm gì nếu tôi không có bất cứ thứ gì phóng xạ để chỉ nó vào? Bộ đếm sẽ nhấp vài giây một lần chỉ từ bức xạ nền, bao gồm các tia vũ trụ và như vậy. Tuy nhiên, có một số nguồn bức xạ mà bạn có thể tìm thấy để sử dụng bộ đếm của mình:

Americium từ máy dò khói

Americium là một nguyên tố nhân tạo (không phải tự nhiên) và được sử dụng trong các đầu báo khói kiểu ion hóa. Những thiết bị phát hiện khói này rất phổ biến và bạn có thể có một vài chiếc trong nhà. Thật ra khá dễ dàng để biết bạn có làm vậy không, vì chúng đều có dòng chữ chứa chất phóng xạ Am 241 được đúc vào nhựa. Americium, ở dạng americium dioxide, được mạ vào một nút kim loại nhỏ bên trong, được gắn trong một vỏ bọc nhỏ được gọi là buồng ion hóa. Americium thường được mạ một lớp vàng mỏng hoặc kim loại chống ăn mòn khác. Bạn có thể mở máy dò khói và lấy nút nhỏ ra - việc này thường không khó lắm.

Tại sao bức xạ trong máy dò khói?

Bên trong buồng ion hóa của máy dò, có hai tấm kim loại nằm đối diện nhau. Gắn vào một trong số chúng là nút americium, đang phát ra một dòng hạt alpha liên tục vượt qua một khe hở không khí nhỏ và sau đó được hấp thụ bởi tấm kia. Không khí giữa hai tấm trở nên ion hóa và do đó dẫn điện một phần. Điều này cho phép một dòng điện nhỏ chạy qua giữa các tấm và dòng điện này có thể được cảm nhận bởi mạch điện của đầu báo khói. Khi các hạt khói xâm nhập vào buồng, chúng sẽ hấp thụ các hạt alpha và ngắt mạch, kích hoạt báo động.

Vâng, nhưng nó có nguy hiểm không?

Bức xạ phát ra tương đối lành tính, nhưng để an toàn, tôi khuyên bạn nên làm như sau:

• Giữ nút americium ở nơi an toàn, tránh xa tầm tay trẻ em, tốt nhất nên để trong hộp đựng đồ an toàn dành cho trẻ em
• Không bao giờ chạm vào mặt của nút mà americium được mạ trên đó. Nếu bạn vô tình chạm vào mặt của nút, hãy rửa tay của bạn

Thủy tinh uranium

Uranium đã được sử dụng, ở dạng oxit, làm chất phụ gia cho thủy tinh. Màu sắc điển hình nhất của thủy tinh uranium là màu xanh lục hơi vàng nhạt một cách đáng sợ, vào những năm 1920 dẫn đến biệt danh "thủy tinh vaseline" (dựa trên sự tương đồng với bề ngoài của dầu hỏa như công thức và bán thương mại vào thời điểm đó). Bạn sẽ thấy nó được dán nhãn là “thủy tinh Vaseline” ở các chợ trời và cửa hàng đồ cổ, và bạn thường có thể yêu cầu nó theo tên đó. Lượng uranium trong thủy tinh thay đổi từ mức độ vết đến khoảng 2% trọng lượng, mặc dù một số mảnh của thế kỷ 20 được làm với tới 25% uranium! Hầu hết thủy tinh uranium chỉ có tính phóng xạ rất nhẹ và tôi không nghĩ rằng việc xử lý nó sẽ nguy hiểm.

Bạn có thể xác nhận hàm lượng uranium của thủy tinh bằng đèn đen (tia cực tím), vì tất cả thủy tinh uranium đều phát huỳnh quang màu xanh lục sáng bất kể màu sắc của thủy tinh xuất hiện dưới ánh sáng bình thường (có thể rất khác nhau). Một mảnh càng sáng rực dưới tia cực tím thì nó càng chứa nhiều uranium. Trong khi các mảnh thủy tinh uranium phát sáng dưới tia cực tím, chúng cũng tự phát ra ánh sáng dưới bất kỳ nguồn sáng nào có chứa tia cực tím (như ánh sáng mặt trời). Các bước sóng tia cực tím năng lượng cao của ánh sáng chiếu vào các nguyên tử uranium, đẩy các electron của chúng lên mức năng lượng cao hơn. Khi các nguyên tử uranium trở lại mức năng lượng bình thường, chúng phát ra ánh sáng trong quang phổ khả kiến.

Tại sao lại là uranium?

Việc Marie Curie phát hiện và phân lập ra radium trong quặng uranium (pitchblende) đã thúc đẩy sự phát triển của ngành khai thác uranium để chiết xuất radium, được sử dụng để làm sơn phát sáng trong bóng tối cho mặt đồng hồ và máy bay. Điều này để lại một lượng lớn uranium như một sản phẩm phế thải, vì cần ba tấn uranium để chiết xuất một gam rađi.

Áo lồng đèn cắm trại Thorium

Thori được sử dụng trong lớp phủ đèn lồng cắm trại, ở dạng thori điôxít. Khi được nung nóng lần đầu tiên, phần polyester của lớp phủ bị cháy đi, trong khi thori điôxít (cùng với các thành phần khác) vẫn giữ nguyên hình dạng của lớp phủ nhưng trở thành một loại gốm phát sáng khi được nung nóng. Thorium không còn được sử dụng cho ứng dụng này, bị hầu hết các công ty ngừng sản xuất vào giữa những năm 90 và đã được thay thế bằng các nguyên tố khác không có tính phóng xạ. Thorium đã được sử dụng vì nó làm cho các lớp phủ phát sáng rất rực rỡ và độ sáng đó không hoàn toàn phù hợp với các lớp phủ mới hơn, không phóng xạ. Làm thế nào để bạn biết liệu lớp phủ bạn có thực sự là chất phóng xạ? Đó là nơi mà bộ đếm Geiger xuất hiện. Những lớp áo mà tôi đã gặp khiến bộ đếm Geiger phát điên lên, hơn cả các nút thủy tinh uranium hoặc americium. Thori không phải là chất phóng xạ nhiều hơn uranium hoặc americium, nhưng có nhiều chất phóng xạ trong lớp áo đèn lồng hơn nhiều so với các nguồn khác. Đó là lý do tại sao nó thực sự kỳ lạ khi gặp quá nhiều bức xạ trong một sản phẩm tiêu dùng. Các biện pháp phòng ngừa an toàn tương tự áp dụng cho các nút americium cũng áp dụng cho các lớp phủ của đèn lồng.

Cảm ơn mọi người đã đọc! Nếu bạn thích hướng dẫn này, tôi sẽ tham gia cuộc thi "xây dựng một công cụ" và thực sự đánh giá cao phiếu bầu của bạn! Tôi cũng rất muốn nghe ý kiến từ bạn nếu bạn có nhận xét hoặc câu hỏi (hoặc thậm chí là mẹo / đề xuất / phê bình mang tính xây dựng), vì vậy đừng ngại để lại những nhận xét hoặc câu hỏi dưới đây.

Đặc biệt cảm ơn người bạn Lucca Rodriguez của tôi vì đã tạo ra sơ đồ mạch điện tuyệt đẹp cho người hướng dẫn này.