Реализация на практике газоразрядного счетчика кто изобрел

Беспроводная передача электрической энергии

Проблемой передачи энергии на расстояние без проводов ученые начали заниматься в XIX веке.

В XX и XXI веке опробованы разные способы, но промышленной реализации пока не получили, исключая ситуации, когда электрическая энергия малой мощности передается на небольшие расстояния. Примером данной инновации в электронике служат устройства беспроводной зарядки смартфонов.

В 1892 году сербский ученый Никола Тесла изобрел высокочастотный резонансный трансформатор, названный в честь самого изобретателя, а именно «Катушка Теслы». Устройство позволяет передавать электрическую энергию без проводов используя явление электромагнитной индукции.

Спустя более ста лет, изобретение получило практическое применение, которое у многих дома находится на столе. Об этом устройстве было упомянуто выше, речь про беспроводной зарядки телефонов.

Студенты по направлению «Электроснабжение (по отраслям)» реализовали изобретение и собрали два полностью рабочих макета данного устройства.

Первый макет является миниатюрной версией изобретения. Может применятся для диагностики газоразрядных ламп.

Второй макет является версией большей версией малой катушки. Создает электрические разряды длиной до 35 см. которые можно трогать без вредя для здоровья.

В итоге имеем, что студенты направления «Электроснабжения (по отраслям)» могут не только знать теоретические основы передачи электроэнергии, но и воплощать их в жизнь.

• 900 просмотров

Счётчик Гейгера — Мюллера

Д ля определения уровня радиации применяется специальный прибор – дозиметр. И для таких приборов бытового и большинства профессиональных устройств дозиметрического контроля, в качестве чувствительного элемента используется счетчик Гейгера. Это часть радиометра позволяет достаточно точно определить уровень радиации.

История появления счетчика Гейгера

В первые, устройство для определения интенсивности распада радиоактивных материалов появилось на свет в 1908 году, его изобрел немецкий физик Ганс Гейгер. Спустя двадцать лет, совместно с еще одним физиком Вальтером Мюллером прибор был усовершенствован, и в честь этих двух ученых и был назван.

В период развития и становления ядерной физики в бывшем советском союзе, также были созданы соответствующие устройства, которые широко применялись в вооруженных силах, на атомных электростанциях, и в специальных группах радиационного контроля гражданской обороны. В состав таких дозиметров, начиная с семидесятых годов прошлого века, входил счетчик, основанный на принципах Гейгера, а именно СБМ-20. Данный счетчик, ровно, как и еще один его аналог СТС-5, широко применяется и по настоящий момент, а также входит в состав современных средств дозиметрического контроля.

Рис.1. Газоразрядный счетчик СТС-5.

Рис.2. Газоразрядный счетчик СБМ-20.
Принцип работы счетчика Гейгера – Мюллера

И дея регистрации радиоактивных частиц предложенной Гейгером относительно проста. Она основана на принципе появления электрических импульсов в среде инертного газа под действием высокозаряженной радиоактивной частицы или кванта электромагнитных колебаний. Чтобы подробней остановиться на механизме действия счетчика, остановимся немного на его конструкции и процессах происходящих в нем, при прохождении радиоактивной частицы через чувствительный элемент прибора.

Р егистрирующее устройство представляет собой герметичный баллон или контейнер, который наполняется инертным газом, это может быть неон, аргон и т.д. Такой контейнер может быть изготовлен из металла или стекла, причем газ в нем находиться под низким давлением, это делается специально, чтобы упростить процесс регистрации заряженной частицы. Внутри контейнера расположены два электрода (катод и анод) на которые подается высокое напряжение постоянного тока через специальный нагрузочный резистор.

Рис.3. Устройство и схема включения счетчика Гейгера.

П ри активации счетчика в среде инертного газа на электродах не возникает разряда за счет высокого сопротивления среды, однако ситуация меняется если в камеру чувствительного элемента прибора попадает радиоактивная частица или квант электромагнитных колебаний. В этом случае частица, имеющая заряд достаточно высокой энергии, выбивает некоторое количество электронов из ближайшего окружения, т.е. из элементов корпуса или физически самих электродов. Такие электроны, оказавшись в среде инертного газа, под действием высокого напряжения между катодом и анодом, начинают двигаться в сторону анода, по пути ионизируя молекулы этого газа. В результате они выбивают из молекул газа вторичные электроны, и этот процесс растет в геометрических масштабах, пока между электродами не происходит пробой. В состоянии разряда цепь замыкается на очень короткий промежуток времени, а это обуславливает скачок тока в нагрузочном резисторе, и именно этот скачок и позволяет зарегистрировать прохождение частицы или кванта через регистрационную камеру.

Т акой механизм позволяет зарегистрировать одну частицу, однако в среде, где ионизирующее излучение достаточно интенсивно, требуется быстрое возвращение регистрационной камеры в исходное положение, для возможности определения новой радиоактивной частицы. Это достигается двумя различными способами. Первый из них заключается в том, чтобы на короткий промежуток времени прекратить подачу напряжения на электроды, в этом случае ионизация инертного газа резко прекращается, а новое включение испытательной камеры, позволяет начать регистрацию с самого начала. Такой тип счетчиков носит название несамогасящиеся дозиметры. Второй тип устройств, а именно самогасящиеся дозиметры, принцип их действия заключается в добавлении в среду инертного газа специальных добавок на основе различных элементов, к примеру, бром, йод, хлор или спирт. В этом случае их присутствие автоматически приводит к прекращению разряда. При таком строении испытательной камеры в качестве нагрузочного резистора используются сопротивления иногда на несколько десятков мегаом. Это позволяет во время разряда резко уменьшить разность потенциалов на концах катода и анода, что прекращает токопроводящий процесс и камера возвращается в исходное состояние. Стоит отметить, что напряжение на электродах менее 300 вольт автоматически прекращает поддержание разряда.

Весь описанный механизм позволяет регистрировать огромное количество радиоактивных частиц за короткий промежуток времени.

Реализация на практике газоразрядного счетчика кто изобрел

Московская область, г. Солнечногорск, д. Ложки, тер. Индустриальный парк Есипово, строение 17а/2, помещение 19

Счетчики Гейгера-Мюллера: новые возможности при использовании нестандартных режимов работы. серийные гибридные устройства, реализующие данные режимы.

В.В. Федоренко 1 _, И.О. Васильев 2 Д.А. Солодкий 1

1 «СофтЭксперт», 2 Госкорпорация «Росатом»

Счетчик Гейгера-Мюллера является одним из первых устройств, используемых для регистрации ядерных частиц. Со временем менялась технология их изготовления, материалы, но схема включения устройств оставалась неизменной. Высокая чувствительность, большой по амплитуде импульс, хорошая стабильность, простота использования и доступность позволяют счетчикам занимать лидирующее положение. Однако некоторые проблемные вопросы, такие как «мертвое время», эффективность регистрации, ток насыщения, перекрытие импульсов, ограниченный срок службы, выраженный в общем количестве регистрируемых разрядов (порядка 10 10 — 10 12 ), огранивают их применение. На сегодняшний день 90% пользователей используют стандартную схему включения счетчиков и подсчитывают среднюю скорость счета, что резко снижает диапазон измерений мощности дозы.

В 1959 году теоретически обосновано и показано в работе [1], что точность измерений не зависит от метода подсчета. И лишь в конце 80-х годов был предложен расчет интенсивности поля при помощи измерения времени до прихода первого импульса после подачи напряжения смещения на счетчик Гейгера (Time-to-count [2]). Затем появляется евразийский патент [3], предлагающий управлять питанием счетчиков с помощью процессора с целью уменьшения электропотребления. В работе [4] подробно описаны основы метода определения интенсивности излучения по результатам распределения длительности интервалов до первого события при использовании счетчика Гейгера. На рисунке 1 представлен фрагмент диаграммы распределения времен в диапазоне мощностей дозы от 25 до1 Зв/час для с чётчика СБМ21.

Рис.1

На рисунке 2 представлена диаграмма изменение мощность дозы в месте расположения счетчика.

Таким образом при увеличении загрузки максимальные времена начинают приближаться к минимальным. Хотелось отметить что при этом снижается и дисперсия. При загрузках более 15 Зв/час важную роль играет точность измерения минимальных времен. При недостаточной точности измерения передаточная характеристика начнет терять линейность. и входить в насыщение. Вторым важным фактором передаточной характеристики является «мертвое время» измерительной системы.

На рис3 на примере показано как коррекция данного времени влияет на результаты измерений. Аттестованные точки 1 Зв-5 Зв-10 Зв-15 Зв

В левой части время завышено- что приводит к занижению значения мощности дозы.

В правой части (после 715 измерения) время занижено что приводит к завышению результатов измерений.

Точность измерений в данном случае будет определяться 3 основными параметрами:

1. точностью измерения минимального времени;
2. стабильностью электронной измерительной системы в части «мертвого времени» измерительного тракта
3. объемом статистической выборки.

На рис 1 серым и желтым цветом выделены значения, полученные посредством усреднения за 1 сек и при статистической более 800 событий, что эквивалентно времени около 7 секунд.

Задачей, решаемой предлагаемым семейством гибридных микросхем (устройств), является продление времени работы и расширение диапазона дозиметрических приборов на газоразрядных счетчиках Гейгера. Поставленные цели достигаются следующим образом:

• Электронная схема, регистрирующая импульсы газоразрядного счетчика, имеет чувствительный вход, что обеспечивает ее срабатывание практически сразу же после появления нарастающего тока разряда внутри счетчика. Сформированный регистрирующей схемой импульс, имеющий в свою очередь крутой передний фронт, поступает на пересчетную схему и на устройство, разрывающее цепь питания счетчика от высоковольтного источника напряжения. На счетчике не развивается «лавина». Газовый разряд прекращается на начальной стадии развития. Последующее включение счетчика осуществляется через фиксированный интервал времени. Таким образом, расход электроэнергии при регистрации ионизирующей частицы сводится к минимуму и не зависит от мощности дозы. К примеру, возможный верхний диапазон счетчика СБМ-21 может составить более 60 Зв/час, и будет определяться быстродействием элементной базы.

В настоящее время серийно выпускаются два устройства.

1. Драйвер счетчиков Гейгера-Мюллера МПНП-1 (Модуль питания и обработки сигналов счетчика Гейгера-Мюллера). В базовом исполнении рабочее напряжение составляет 400-420 В. Верхний диапазон измерений при тактовой частоте 80 МГц для счетчика СБМ 21 составит до 100 Зв/час. Изделие работает с любыми типами счетчиков Гейгера-Мюллера. Питание от 3 В при токе потребления не более 15 мкА. Потребление устройства не зависит от загрузки. Работает в полях до 50 Зв/ч. В канал передачи данных микросборки ежесекундно передают число, пропорциональное мощности дозы полученное за секунду(при недостаточной статистике) в дальнейшем передает среднее значение полученное по более 800 событий. Для сокращения времени освоения устройств разработаны и подготовлены к производству отладочные платы и пользовательское ПО, позволяющее сразу после подключения к USB-порту приступить к работе с устройством.
2. Для производителей аппаратуры, желающих разрабатывать свои алгоритмы, создан узел управления счетчиком МПН-07, который работает следующим образом
   -после подачи питания +3 В на выводе 9 сформируется постоянное напряжение 400 В. На подключенный газоразрядный счетчик (к выводам 8 анод, к выводу 4 катод) напряжение не подается. После изменения на 6-ом выводе высокого уровня на низкий, счетчик подаёт рабочее напряжение, через 18 нс устройство готово к счету.

При возвращении на выводе 6 высокого уровня схема переходит в режим ожидания импульса. При попадании частицы в счетчик в момент формирования лавины (снижение напряжения на выводе 8 до уровня 270 В) происходит автоматическое снятие напряжения со счетчика, и схема переходит в режим ожидания. При получении управляющего импульса цикл повторяется. Счет импульсов – прямоугольный импульс «отрицательной» полярности длительностью 0,8-1 мкс и амплитудой 3В (VVD).

Управление счетом прямоугольный импульс «отрицательной» полярности длительностью не более 1 мкс и амплитудой 3В (VVD).

Максимальная рабочая частота составляет 14000 Гц.

Использование предложенных алгоритмов и серийно выпускаемых изделий для работы со счетчиками Гейгера-Мюллера позволяют создавать уникальные приборы с большим динамическим диапазоном. Кроме того, работоспособность изделия при больших загрузках контролируется всегда (ежесекундно), что позволит создать новую серию приборов, предназначенных для контроля и работы в аварийных ситуациях.

1. В.И Гольданский, А.В. Куценко, М.И. Подгорецкий Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. –М.:Государственное издательство физико-математической литературы, 1959.

2. United State Patent, patent number 4,605,859.

3. Евразийский патент 007991 G01T 1/02, G01T 1/18.

4. Солодкий Д.А., Федоренко В.В. Дозиметр: определение интенсивности излучения по результатам распределения длительности интервалов до первого события при использовании счетчика Гейгера. Опыт практической реализации. 2018г. Саранск, 1 Я научно-практическая конференция «Вопросы производства и эксплуатации газоразрядных счетчиков». -Тезисы докладов.

Преимущества работы с нами

Самостоятельно разрабатываем и производим оборудование

Являемся официальными дилерами РАДМЕТРОН и АТОМТЕХ

Имеем лицензию от производителя на сервисное обслуживание дозиметрического оборудования

Многолетний и безупречный опыт работы в отрасли

Проводим научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы

Счетчик Гейгера-Мюллера: принцип работы и назначение

В 1908 году физик из Германии Ганс Гейгер трудился в химических лабораториях, принадлежащих Эрнсту Резерфорду. Там же им было предложено испытать счетчик заряженных частиц, представлявший собой ионизированную камеру. Камера являлась электро-конденсатором, который наполняли газом под высоким давлением. Еще Пьер Кюри применял это устройство на практике, изучая электричество в газах. Идея Гейгера – обнаруживать излучения ионов — была связана с их влиянием на уровень ионизации летучих газов.

В 1928 г. немецкий ученый Вальтер Мюллер, работавший с Гейгером и под его началом, создал несколько счетчиков, регистрирующих ионизирующие частицы. Устройства были нужны для дальнейшего исследования радиации. Физика, будучи наукой экспериментов, не могла бы существовать без измерительных конструкций. Были открыты только несколько излучений: γ, β, α. Задача Гейгера состояла в том, чтобы измерить чувствительными приборами все виды излучения.

Счетчик Гейгера-Мюллера — простой и дешевый радиоактивный датчик. Это не точный инструмент, который фиксирует отдельные частицы. Техника измеряет общую насыщенность ионизирующего излучения. Физики используют его с другими датчиками, чтобы добиться точности расчетов при проведении экспериментов.

Немного об ионизирующих излучениях

Можно было бы сразу перейти к описанию детектора, но его работа покажется непонятной, если вы мало знаете об ионизирующих излучениях. При излучении происходит эндотермическое влияние на вещество. Этому способствует энергия. К примеру, ультрафиолет или радиоволна к таким излучениям не относятся, а вот жесткий ультрафиолетовый свет – вполне. Здесь определяется граница влияния. Вид именуется фотонным, а сами фотоны – это γ-кванты.

Эрнст Резерфорд поделил процессы испускания энергии на 3 вида, используя установку с магнитным полем:

• γ – фотон;
• α – ядро атома гелия;
• β – электрон с высокой энергией.

От частиц α можно защититься бумажным полотном. β проникают глубже. Способность проникновения γ самая высокая. Нейтроны, о которых ученые узнали позже, являются опасными частицами. Они воздействуют на расстоянии нескольких десятков метров. Имея электрическую нейтральность, они не вступают в реакцию с молекулами разных веществ.

Однако нейтроны легко попадают в центр атома, провоцируют его разрушение, из-за чего образуются радиоактивные изотопы. Распадаясь, изотопы создают ионизирующие излучения. От человека, животного, растения или неорганического предмета, получившего облучение, радиация исходит несколько дней.

Устройство и принцип работы счетчика Гейгера

Прибор состоит из металлической или стеклянной трубки, в которую закачан благородный газ (аргоново-неоновая смесь либо вещества в чистом виде). Воздуха в трубке нет. Газ добавляется под давлением и имеет примесь спирта и галогена. По всей трубке протянута проволока. Параллельно ей располагается железный цилиндр.

Проволока называется анодом, а трубка – катодом. Вместе они – электроды. К электродам подводится высокое напряжение, которое само по себе не вызывает разрядных явлений. В таком состоянии индикатор будет пребывать, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации. От источника питания к трубке подключается минус, а к проволоке – плюс, направленный через высокоуровневое сопротивление. Речь идет о постоянном питании в десятки сотен вольт.

Когда в трубку попадает частица, с ней сталкиваются атомы благородного газа. При соприкосновении выделяется энергия, отрывающая электроны от атомов газа. Затем образуются вторичные электроны, которые тоже сталкиваются, порождая массу новых ионов и электронов. На скорость электронов по направлению к аноду влияет электрическое поле. По ходу этого процесса образуется электрический ток.

При столкновении энергия частиц теряется, запас ионизированных атомов газа подходит к концу. Когда заряженные частицы попадают в газоразрядный счетчик Гейгера, сопротивление трубки падает, что немедленно снижает напряжение средней точки деления. Затем сопротивление вновь растет — это влечет за собой восстановление напряжения. Импульс становится отрицательным. Прибор показывает импульсы, а мы можем их сосчитать, заодно оценив количество частиц.

Виды счётчиков Гейгера

По конструкции счетчики Гейгера бывают 2 видов: плоский и классический.

Классический

Сделан из тонкого гофрированного металла. За счет гофрирования трубка приобретает жесткость и устойчивость к внешнему воздействию, что препятствует ее деформации. Торцы трубки оснащены стеклянными или пластмассовыми изоляторами, в которых находятся колпачки для вывода к приборам.

На поверхность трубки нанесен лак (кроме выводов). Классический счетчик считается универсальным измерительным детектором для всех известных видов излучений. Особенно для γ и β.

Плоский

Чувствительные измерители для фиксации мягкого бета-излучения имеют другую конструкцию. Из-за малого количества бета-частиц, их корпус имеет плоскую форму. Есть окошко из слюды, слабо задерживающее β. Датчик БЕТА-2 – название одного из таких приборов. Свойства других плоских счетчиков зависят от материала.

Параметры и режимы работы счетчика Гейгера

Чтобы рассчитать чувствительность счетчика, оцените отношение количества микрорентген от образца к числу сигналов от этого излучения. Прибор не измеряет энергию частицы, поэтому не дает абсолютно точной оценки. Калибровка устройств происходит по образцам изотопных источников.

Также нужно смотреть на следующие параметры:

Рабочая зона, площадь входного окна

Характеристика площади индикатора, через которую проходят микрочастицы, зависит от его размеров. Чем шире площадь, тем большее число частиц будет поймано.

Рабочее напряжение

Напряжение должно соответствовать средним характеристикам. Сама характеристика работы — это плоская часть зависимости количества фиксированных импульсов от напряжения. Ее второе название – плато. В этом месте работа прибора достигает пиковой активности и именуется верхним пределом измерений. Значение – 400 Вольт.

Рабочая ширина

Рабочая ширина — разница между напряжением выхода на плоскость и напряжением искрового разряда. Значение – 100 Вольт.

Наклон

Величина измеряется в виде процента от количества импульсов на 1 вольт. Он показывает погрешность измерения (статистическую) в подсчете импульсов. Значение – 0,15 %.

Температура

Температура важна, поскольку счётчик часто приходится применять в сложных условиях. Например, в реакторах. Счетчики общего использования: от -50 до +70 С по Цельсию.

Рабочий ресурс

Ресурс характеризуется общим числом всех импульсов, зафиксированных до момента, когда показания прибора становятся некорректными. Если в устройстве есть органика для самогашения, количество импульсов составит один миллиард. Ресурс уместно подсчитывать только в состоянии рабочего напряжения. При хранении прибора расход останавливается.

Время восстановления

Это промежуток времени, за который устройство проводит электричество после реагирования на ионизирующую частицу. Существует верхний предел для частоты импульсов, ограничивающий интервал измерений. Значение – 10 микросекунд.

Из-за времени восстановления (его ещё называют мертвое время) прибор может подвести в решающий момент. Для предотвращения зашкаливания производители устанавливают свинцовые экраны.

Есть ли у счетчика фон

Фон измеряется в толстостенной свинцовой камере. Обычное значение – не более 2 импульсов за минуту.

Кто и где применяет дозиметры радиации?

В промышленных масштабах выпускают много модификаций счетчиков Гейгера-Мюллера. Их производство началось во времена СССР и продолжается сейчас, но уже в Российской Федерации.

• на объектах атомной промышленности;
• в научных институтах;
• в медицине;
• в быту.

После аварии на Чернобыльской АЭС дозиметры покупают и рядовые граждане. Во всех приборах установлен счетчик Гейгера. Такие дозиметры оснащают одной или двумя трубками.

Можно ли сделать счетчик Гейгера своими руками?

Изготовить счетчик самостоятельно сложно. Нужен датчик излучения, а его купить смогут далеко не все. Сама схема счетчика давно известна — в учебниках физики, например, её тоже печатают. Однако воспроизвести устройство в домашних условиях сумеет только настоящий «левша».

Талантливые мастера-самоучки научились делать счетчику заменитель, который также способен замерять гамма- и бета-излучения с помощью люминесцентной лампы и лампы накаливания. Также используют трансформаторы от сломанной техники, трубка Гейгера, таймер, конденсатор, различные платы, резисторы.

Заключение

Диагностируя излучения, нужно учитывать собственный фон измерителя. Даже при наличии свинцовой защиты приличной толщины скорость регистрации не обнуляется. У этого явления есть объяснение: причина активности – космическое излучение, проникающее через толщи свинца. Над поверхностью Земли ежеминутно проносятся мюоны, которые регистрируются счетчиком с вероятностью 100%.

Есть и еще один источник фона – радиация, накопленная самим устройством. Поэтому по отношению к счётчику Гейгера тоже уместно говорить об износе. Чем больше радиации прибор накопил, тем ниже достоверность его данных.