Arbejds Geiger -tæller med minimale dele: 4 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Her er, så vidt jeg ved, den enkleste fungerende Geiger -tæller, som du kan bygge. Denne bruger et russisk-fremstillet SMB-20 Geiger-rør, drevet af et højspændings-trin-up-kredsløb, der er stjålet fra en elektronisk fluesmatter. Den registrerer betapartikler og gammastråler og udsender et klik for hver radioaktiv partikel eller gammastrålesprængning, den registrerer. Som du kan se i videoen ovenfor, klikker den hvert par sekunder fra baggrundsstråling, men kommer virkelig til live, når strålingskilder som uranglas, thoriumlygtekapper eller americium -knapper fra røgdetektorer bringes i nærheden. Jeg byggede denne tæller for at hjælpe mig med at identificere radioaktive elementer, som jeg har brug for for at udfylde min elementsamling, og det fungerer fantastisk! De eneste virkelige ulemper ved denne tæller er, at den ikke er særlig høj, og den ikke beregner og viser mængden af stråling, den registrerer i tællinger pr. Minut. Det betyder, at du ikke får nogen faktiske datapunkter, bare en generel idé om radioaktivitet baseret på mængden af klik, du hører.

Selvom der findes forskellige Geiger -modersæt på nettet, kan du bygge dine egne fra bunden, hvis du har de rigtige komponenter. Lad os komme igang!

Trin 1: Geiger -tællere og stråling: Sådan fungerer det hele

Geigertælleren (eller Geiger-Müller-tælleren) er en strålingsdetektor udviklet af Hans Geiger og Walther Müller i 1928. I dag er næsten alle bekendt med de kliklyde, den får, når den registrerer noget, der ofte betragtes som "lyden" af stråling. Hjertet i enheden er Geiger-Müller-røret, en metal- eller glascylinder fyldt med inerte gasser, der holdes under lavt tryk. Inde i røret er to elektroder, hvoraf den ene holdes ved et højspændingspotentiale (normalt 400-600 volt), mens den anden er forbundet til elektrisk jord. Med røret i hviletilstand kan ingen strøm springe mellem de to elektroder inde i røret, og der strømmer derfor ingen strøm. Men når en radioaktiv partikel kommer ind i røret, såsom en beta -partikel, ioniserer partiklen gassen inde i røret, hvilket gør den ledende og tillader strøm at hoppe mellem elektroderne i et kort øjeblik. Denne korte strømstrøm udløser detektordelen af kredsløbet, der udsender et hørbart "klik". Flere klik betyder mere stråling. Mange Geiger -tællere har også en mulighed for at tælle antallet af klik og beregne tællinger i minuttet eller CPM og vise det på en urskive eller aflæsning.

Lad os se på driften af Geiger -tælleren på en anden måde. Nøgleprincippet for Geiger -tælleroperation er Geiger -røret, og hvordan det opsætter en højspænding på en elektrode. Denne højspænding er som en stejl bjergskråning dækket af dyb sne, og alt det kræver er en lille smule strålingsenergi (svarende til en skiløber, der går ned ad skråningen) for at starte en lavine. Den efterfølgende lavine medfører meget mere energi end selve partiklen, nok energi til at blive detekteret af resten af Geiger -modkredsløbet.

Da det sandsynligvis er et stykke tid siden mange af os sad i et klasseværelse og lærte om stråling, her er en hurtig genopfriskning.

Materiale og atomets struktur

Alt stof består af små partikler kaldet atomer. Atomer selv er sammensat af endnu mindre partikler, nemlig protoner, neutroner og elektroner. Protoner og neutroner klumpes sammen i atomets centrum - denne del kaldes kernen. Elektroner kredser om kernen.

Protoner er positivt ladede partikler, elektroner er negativt ladede, og neutroner bærer ingen ladning og er derfor neutrale, deraf deres navn. I en neutral tilstand indeholder hvert atom et lige antal protoner og elektroner. Fordi protoner og elektroner bærer ens, men modsatrettede ladninger, giver dette atomet en neutral nettoladning. Men når antallet af protoner og elektroner i et atom ikke er lig, bliver atomet til en ladet partikel kaldet en ion. Geiger -tællere er i stand til at detektere ioniserende stråling, en form for stråling, der har evnen til at omdanne neutrale atomer til ioner. De tre forskellige former for ioniserende stråling er alfa -partikler, beta -partikler og gammastråler.

Alpha partikler

En alfapartikel består af to neutroner og to protoner bundet sammen og svarer til kernen i et heliumatom. Partiklen genereres, når den simpelthen bryder af en atomkerne og flyver. Fordi den ikke har nogen negativt ladede elektroner til at annullere den positive ladning af de to protoner, er en alfapartikel en positivt ladet partikel, kaldet en ion. Alfa -partikler er en form for ioniserende stråling, fordi de har evnen til at stjæle elektroner fra deres omgivelser, og derved omdanne atomerne, de stjæler fra, til ioner selv. I høje doser kan dette forårsage cellulær skade. Alfa -partikler, der genereres ved radioaktivt henfald, er langsomt i bevægelse, relativt store i størrelse og kan på grund af deres ladning ikke let passere gennem andre ting. Partiklen opsamler til sidst et par elektroner fra miljøet, og bliver derved et legitimt heliumatom. Sådan produceres næsten hele jordens helium.

Betapartikler

En beta -partikel er enten en elektron eller positron. En positron er som en elektron, men den bærer en positiv ladning. Beta-minus partikler (elektroner) udsendes, når en neutron henfalder til en proton, og Beta-plus partikler (positroner) udsendes, når en proton henfalder til en neutron.

Gamma stråler

Gammastråler er fotoner med høj energi. Gammastråler er placeret i det elektromagnetiske spektrum, op over synligt lys og ultraviolet. De har en høj penetrationskraft, og deres evne til at ionisere kommer fra, at de kan slå elektroner af et atom.

SMB-20-røret, som vi vil bruge til denne build, er et almindeligt russisk fremstillet rør. Den har en tynd metalhud, der fungerer som den negative elektrode, mens en metaltråd, der løber på langs i midten af røret, fungerer som den positive elektrode. For at røret kan detektere en radioaktiv partikel eller gammastråle, skal denne partikel eller stråle først trænge ind i rørets tynde metalhud. Alfa -partikler er generelt ude af stand til at gøre dette, da de normalt stoppes af rørets vægge. Andre Geiger -rør, der er designet til at detektere disse partikler, har ofte et specielt vindue, kaldet Alpha -vinduet, der tillader disse partikler at komme ind i røret. Vinduet er normalt lavet af et meget tyndt lag glimmer, og Geiger -røret skal være meget tæt på Alpha -kilden for at opfange partiklerne, før de absorberes af den omgivende luft. * Suk* Så det er nok om stråling, lad os komme til at bygge denne ting.

Trin 2: Saml dine værktøjer og materialer

Nødvendige forsyninger:

• SMB-20 Geiger Tube (tilgængelig for omkring $ 20 USD på eBay)
• High Voltage DC Step-up Circuit, stjålet fra en billig elektronisk fluesmatter. Dette er den specifikke model, jeg brugte:
• Zener -dioder med en samlet samlet værdi på omkring 400v (fire 100v ville være ideelle)
• Modstande med en samlet samlet værdi på 5 Megohm (jeg brugte fem 1 Megohm)
• Transistor - NPN -type, jeg brugte 2SC975
• Piezo -højttalerelement (stjålet fra en mikrobølgeovn eller støjende elektronisk legetøj)
• 1 x AA batteri
• AA batteriholder
• Tænd/sluk -knap (jeg brugte den øjeblikkelige SPST -switch fra den elektroniske flyswatter)
• Skrot stykker elektrisk ledning
• Et stykke skrot, plast eller andet ikke-ledende materiale, der skal bruges som et substrat til at bygge kredsløbet på

Værktøjer jeg brugte:

• "Blyant" loddejern
• Harpikskerne med lille diameter til elektriske formål
• Hot Lim -pistol m/ passende limpinde
• Trådskærere
• Wire strippere
• Skruetrækker (til nedrivning af den elektroniske flyswatter)

Selvom dette kredsløb er bygget op omkring et SMB-20-rør, som er i stand til at detektere betapartikler og gammastråler, kan det let tilpasses til at bruge en række forskellige rør. Bare tjek det særlige driftsspændingsområde og andre specifikationer for netop dit rør og juster værdierne for komponenterne i overensstemmelse hermed. Større rør er mere følsomme end mindre, simpelthen fordi de er større mål for partiklerne at ramme.

Geiger-rør kræver høje spændinger for at fungere, så vi bruger DC-step-up-kredsløbet fra en elektronisk fluesmatter til at øge 1,5 volt fra batteriet op til omkring 600 volt (oprindeligt fløj swatteren løb 3 volt ud og lagde omkring 1200v ud for zapping fluer. Kør den på højere spændinger, og du ville have en taser). SMB-20 kan lide at blive drevet ved 400V, så vi bruger zener-dioder til at regulere spændingen til den værdi. Jeg bruger tretten 33V zenere, men andre kombinationer ville fungere lige så godt, såsom 4 x 100V zenere, så længe summen af værdierne for zenerne er lig med målspændingen, i dette tilfælde 400.

Modstandene bruges til at begrænse strømmen til røret. SMB-20 kan lide en anode (positiv side) modstand på omkring 5M ohm, så jeg bruger fem 1M ohm modstande. Enhver kombination af modstande kan bruges, så længe deres værdier er op til 5M ohm.

Piezo -højttalerelementet og transistoren omfatter detektordelen af kredsløbet. Piezo -højttalerelementet udsender kliklyde, og de lange ledninger på det giver dig mulighed for at holde det tættere på øret. Jeg har haft held med at redde dem fra ting som mikrobølger, vækkeure og andre ting, der laver irriterende biplyde. Den, jeg fandt, har et flot plasthus omkring sig, som hjælper med at forstærke lyden, der kommer fra den.

Transistoren øger klikmængden. Du kan opbygge kredsløbet uden en transistor, men de klik, kredsløbet genererer, vil ikke være så høje (med det mener jeg knapt hørbart). Jeg brugte en 2SC975 transistor (NPN type), men mange andre transistorer ville sandsynligvis fungere. 2SC975 var bogstaveligt talt bare den første transistor, jeg trak ud af min bunke med bjærgede komponenter.

I det næste trin foretager vi en nedrivning af den elektriske flyswatter. Bare rolig, det er let.

Trin 3: Demonter fluesmatteren

Elektroniske fluesvingere kan variere en smule i konstruktionen, men da vi først er ude efter elektronikken indeni, skal du bare rive den fra hinanden og trække tarmene ud lol. Swatteren på ovenstående billeder er faktisk lidt anderledes end den, jeg indbyggede i disken, da det ser ud til, at producenten ændrede deres design.

Start med at fjerne synlige skruer eller andre fastgørelseselementer, der holder det sammen, og hold øje med klistermærker eller ting som batteridækslet, der kan skjule yderligere fastgørelseselementer. Hvis tingen stadig ikke åbner, kan det kræve lidt nysgerrighed med en skruetrækker langs sømmene i swatterens plastlegeme.

Når du får det åbent, bliver du nødt til at bruge en trådskærer til at skære ledningerne af ved flyzapperens netgitter. To sorte ledninger (nogle gange andre farver) stammer fra det samme sted på tavlen, hver fører til et af de ydre gitre. Disse er de negative eller "jordede" ledninger til højspændingsudgangen. Da disse ledninger kommer fra det samme sted på kredsløbskortet, og vi kun har brug for en, skal du snip en af ved printpladen og sætte skrotwiren til side til senere brug.

Der skal være en rød ledning, der fører til det indre net, og dette er den positive højspændingsoutput.

De andre ledninger, der kommer fra printkortet, går til batterikassen, og den med fjederen i enden er den negative forbindelse. Ret simpelt.

Hvis du skiller swatterens hoved fra hinanden, måske for at adskille komponenterne til genbrug, skal du passe på mulige skarpe kanter på metalnet.

Trin 4: Konstruer kredsløbet, og brug det

Når du har dine komponenter, skal du lodde dem sammen for at danne kredsløbet vist i diagrammet. Jeg varmlimede alt til et stykke klart plastik, jeg havde liggende. Dette giver et robust og pålideligt kredsløb og ser også ret godt ud. Der er en lille chance for, at du kan give dig selv en smule af at røre ved at røre dele af dette kredsløb, mens det er strømført, ligesom forbindelsen på piezo -højttaleren, men du kan bare dække forbindelserne med varm lim, hvis der er et problem.

Da jeg endelig havde alle de komponenter, jeg havde brug for til at bygge kredsløbet, smed jeg det sammen på en eftermiddag. Afhængigt af hvilke værdier af komponenter du har, kan du ende med at bruge færre komponenter end jeg gjorde. Du kan også bruge et mindre Geiger -rør og gøre disken meget kompakt. Geiger counter armbåndsur, nogen?

Nu undrer du dig måske, hvad skal jeg bruge en Geiger -tæller til, hvis jeg ikke har noget radioaktivt at pege på? Tælleren klikker med få sekunders mellemrum bare fra baggrundsstråling, som er sammensat af kosmiske stråler og sådan. Men der er et par strålekilder, du kan finde til at bruge din tæller på:

Americium fra røgdetektorer

Americium er et menneskeskabt (ikke naturligt forekommende) element og bruges i røgdetektorer af ioniseringstype. Disse røgdetektorer er meget almindelige, og du har sandsynligvis et par stykker i dit hjem. Det er faktisk ret let at fortælle, hvis du gør det, for de har alle ordene, der indeholder radioaktivt stof Am 241 støbt i plasten. Americium, i form af americiumdioxid, er belagt på en lille metalknap indeni, monteret i et lille kabinet kendt som ioniseringskammeret. Americium er normalt belagt med et tyndt lag guld eller andet korrosionsbestandigt metal. Du kan åbne røgalarmen og tage den lille knap ud - det er normalt ikke særlig svært.

Hvorfor stråling i en røgdetektor?

Inde i detektorens ioniseringskammer sidder der to metalplader modsat hinanden. Vedhæftet en af dem er americium -knappen, som udsender en konstant strøm af alfapartikler, der krydser et lille luftgab og derefter absorberes af den anden plade. Luften mellem de to plader bliver ioniseret og er derfor noget ledende. Dette tillader en lille strøm at strømme mellem pladerne, og denne strøm kan registreres af røgdetektorens kredsløb. Når røgpartikler kommer ind i kammeret, absorberer de alfa -partiklerne og bryder kredsløbet og udløser alarmen.

Ja, men er det farligt?

Den udsendte stråling er relativt godartet, men for at være sikker anbefaler jeg følgende:

• Opbevar americium -knappen et sikkert sted væk fra børn, helst i en børnesikret beholder af en eller anden art
• Rør aldrig ved siden af knappen, som americium er belagt på. Hvis du ved et uheld rører ved ansigtet på knappen, skal du vaske dine hænder

Uran glas

Uran er blevet brugt i oxidform som tilsætningsstof til glas. Den mest typiske farve på uranglas er sygeligt lysegulgrøn, hvilket i 1920'erne førte til kaldenavnet "vaselineglas" (baseret på en opfattet lighed med udseendet af vaselin som formuleret og kommercielt solgt på det tidspunkt). Du vil se det mærket som "vaselinglas" på loppemarkeder og antikvitetsforretninger, og du kan normalt bede om det med det navn. Mængden af uran i glasset varierer fra sporniveauer til omkring 2 vægtprocent, selvom nogle stykker fra det 20. århundrede blev fremstillet med op til 25% uran! Det meste uranglas er kun meget let radioaktivt, og jeg synes slet ikke, det er farligt at håndtere.

Du kan bekræfte glasets uranindhold med et sort lys (ultraviolet lys), da alt uranglas fluorescerer lysegrønt uanset den farve, glasset vises under normalt lys (som kan variere meget). Jo lysere et stykke lyser under ultraviolet lys, jo mere uran indeholder det. Mens stykker uranglas lyser under ultraviolet lys, afgiver de også deres eget lys under enhver lyskilde, der indeholder ultraviolet (som sollys). De høje energi ultraviolette lysbølgelængder rammer uranatomerne og skubber deres elektroner ind i et højere energiniveau. Når uranatomerne vender tilbage til deres normale energiniveau, udsender de lys i det synlige spektrum.

Hvorfor uran?

Opdagelsen og isoleringen af radium i uranmalm (pitchblende) af Marie Curie satte gang i udviklingen af uranminedrift til at udvinde radium, som blev brugt til at lave glød-i-mørke maling til ur og flyskiver. Dette efterlod en enorm mængde uran som affaldsprodukt, da det tager tre tons uran at udvinde et gram radium.

Thorium camping lanterne kapper

Thorium bruges i campinglygter, i form af thoriumdioxid. Når den opvarmes første gang, brænder polyesterdelen af kappen væk, mens thoriumdioxid (sammen med andre ingredienser) bevarer kappeens form, men bliver til en slags keramik, der lyser ved opvarmning. Thorium bruges ikke længere til denne applikation, bliver afbrudt af de fleste virksomheder i midten af 90'erne og er blevet erstattet af andre elementer, der ikke er radioaktive. Thorium blev brugt, fordi det gør kapper, der lyser meget stærkt, og at lysstyrken ikke helt matches af de nyere, ikke-radioaktive kapper. Hvordan ved du, om den kappe, du har, virkelig er radioaktiv? Det er her Geiger -tælleren kommer ind. De kapper, jeg er stødt på, driver Geiger -tælleren til vanvid, meget mere end uranglas eller americium -knapper. Det er ikke så meget, at thorium er mere radioaktivt end uran eller americium, men der er meget mere radioaktivt materiale i en lanterne kappe end i de andre kilder. Derfor er det virkelig mærkeligt at støde på så meget stråling i et forbrugerprodukt. De samme sikkerhedsforanstaltninger, der gælder for americium -knapperne, gælder også for lanternemantelerne.

Tak fordi du læste med alle! Hvis du kan lide dette instruerbare, deltager jeg i konkurrencen "byg et værktøj", og jeg ville virkelig sætte pris på din stemme! Jeg vil også meget gerne høre fra dig, hvis du har kommentarer eller spørgsmål (eller endda tips/forslag/konstruktiv kritik), så vær ikke bange for at efterlade dem herunder.

Særlig tak til min ven Lucca Rodriguez for at lave det smukke kredsløbsdiagram til dette instruerbare.