Сегодня вновь всплыла в умах многих людей проблема радиации. Новости, которые мы слышим в средствах массовой информации, побуждают нас проводить дополнительные проверки в местах, где мы живем и работаем.
Последние экстренные новости тревожат общественность, и резкое повышение радиоактивности может произойти в любой момент.
С каждым днем приборы измеряющие радиацию - традиционные трубки Гейгера-Мюллера становятся все более редкими и ценными.
Давайте рассмотрим основные проблемы с обнаружением радиоактивности, чтобы лучше понять, что такое ядерное излучение и как его эффективно измерить.
Счетчик Гейгера
Измерение радиации с помощью счетчика Гейгера
На протяжении всей истории произошло много ядерных аварий, в результате которых живые существа подвергались воздействию ядерной радиации. Однако они ежедневно подвергаются естественному излучению как из космоса, так и из-за минералов Земли.
В настоящее время используются различные методы обнаружения и измерения радиации, основанные на различных газовых, световых, люминесцентных и других эффектах.
Счетчик Гейгера-Мюллера, также известный как «счетчик Гейгера», является одним из самых известных методов для измерения радиации.
Это детектор, который может измерять очень слабые количества радиоактивности и основан на эффекте ионизации газа, способный обнаруживать альфа- и бета-частицы и, как правило, электрически заряженные частицы.
Счетчик Гейгера-Мюллера — это устройство, способное обнаруживать и подсчитывать заряженные частицы, проходящие через него.
Счетчик Гейгера состоит из прочной металлической трубки (катода), герметично закрытой на концах. Он содержит разреженный газ при пониженном давлении примерно 0,1 атмосферы. Обычно используется смесь паров аргона и спирта.
Устройство и принцип работы трубки Гейгера
Вольфрамовая проволока (анод) натянута и электрически изолирована внутри. Электрический потенциал анода положителен и немного ниже потенциала заряда по отношению к трубке.
Когда радиоактивная частица попадает в трубку через слюдяное окно, она ионизирует внутренний газ, вызывая кратковременный электрический разряд между проводом и корпусом и создавая шум во внешнем звуковом блоке. В этом случае детектор производит подсчет.
При отсутствии радиоактивного источника трубка регистрирует только отсчеты из-за радиоактивности окружающей среды, в которой она расположена. Этот разряд сигнализируется внешней цепью, подключенной к трубке.
Чтобы иметь возможность правильно оценить счет, необходимо провести два измерения: одно в отсутствие радиоактивного источника и одно в присутствии радиации. Затем в том же месте нужно вычислить разницу между двумя показателями.
Используя другие разновидности газа, можно обнаружить другие типы частиц.
В трубке Гейгера, сильное электрическое поле вызывает вторичные ионизации от основных, создавая дальнейшие «лавинные» ионизации. Кроме того, электроны могут подвергаться процессу возбуждения, вызывая излучение видимого и ультрафиолетового света.
Трубки Гейгера
В зависимости от количества отсчетов, сделанных в единицу времени, можно понять, сколько заряженных частиц проходит через трубку и интенсивность излучения.
Если количество ионизированных частиц невелико, что указывает на небольшую радиоактивность, можно произвести в уме подсчет количества распадов в минуту. Но если излучение высокое, высокая частота счета может не помочь этой ручной операции.
Часто лучше просматривать количество поступающих импульсов на аналоговом или цифровом дисплее.
В этих устройствах необходимо анализировать частоту повторения поступающих импульсов, которая пропорциональна интенсивности излучения, существующего в области трубки Гейгера.
Можно использовать простой диодный измеритель для визуализации частоты импульсов аналоговым методом.
Схема Гейгера
Когда в цепь поступает положительный импульс, С1 заряжается до максимального напряжения на диоде. Поскольку между импульсами на входе 0 В, конденсатор C1 быстро разряжается через диод D2 на конденсаторе C2 в ожидании следующего импульса. C2 медленно разряжается на R.
Чем быстрее последовательность импульсов, тем быстрее C2 получает эффекты разряда C1, и его разность потенциалов увеличивается.
Показания вольтметра пропорциональны скорости импульсов. Конденсатор С2 ведет себя как резервуар, в котором постоянная утечка через R, но он постоянно подпитывается внешними радиоактивными импульсами через С1.
Электронные компоненты не критичны и могут быть заменены другими аналогами. Можно варьировать номинал конденсаторов и сопротивление для изменения динамических характеристик схемы.
Счетчик Гейгера только сигнализирует о прохождении излучения благодаря электрическому импульсу, но не может различить тип излучения.
Эффекты радиации
Отклик схемы в зависимости от частоты входящих импульсов
В зависимости от того, являются ли они «альфа», «бета» или «гамма» лучами, требуются разные виды защиты, от простого листа бумаги до алюминиевых листов или свинцовых экранов толщиной в несколько метров.
Радиация очень вредна для живых существ, естественного или искусственного происхождения, потому что клетки полностью видоизменяются, перестают функционировать, работают ненормально или даже мутируют.
Например, радон, природный радиоактивный газ, очень опасен, а его присутствие может вызвать рак легких.
Клетка, пораженная радиоактивным элементом, может быть немедленно уничтожена другими клетками вокруг нее, восстанавливая нормальную клеточную активность.
Однако в менее удачных случаях больная клетка умудряется размножаться, создавая миллионы модифицированных клеток, которые плохо работают и производят опухоли по всему телу, медленно окружая тело до смерти. Если излучение очень высокой интенсивности, опухоль возникает в течение нескольких минут.
К сожалению, ионизирующее излучение бесшумно, не имеет ни запаха, ни цвета, ни вкуса. Можно обнаружить, что человек подвергся воздействию радиоактивного поля слишком поздно.
Счетчик Гейгера, с другой стороны, позволяет проводить профилактику, обнаруживая излучение объекта или места.
Единицы измерения радиоактивности
В следующем кратком списке показаны некоторые из основных единиц измерения радиоактивности. Они являются частью международной системы:
- Зиверт (Зв): степень повреждения;
- Грей (Гр): мера поглощенной дозы;
- Беккерель (Бк): мера активности радионуклидов;
- Рад: мера поглощенной дозы радиации;
- Бэр: мера эквивалентной дозы облучения.
Зиверт — единица измерения эквивалентной энергетической дозы воздействия и повреждения организма, вызванного радиацией.
Поскольку 1 Зв является очень большой величиной и может вызвать у человека очень серьезное заболевание, используются единицы, кратные миллизивертам (мЗв, или одна тысячная зиверта) и микрозивертам (мкЗв, или одна миллионная зиверта).
Чтобы понять масштабы сравнения, примите во внимание, что годовая естественная радиация в среднем равна 2,4 мЗв, рентгеновское излучение равно примерно 1 мЗв, компьютерная томография равна примерно 4 мЗв, а лучевая терапия равна 30Зв.
Измерение радиации с помощью счетчика Гейгера
В следующем списке показано количество радиации, вызванное ежедневными эпизодами нормальной жизни:
- 1 мкЗв: употребление банана, богатого калием;
- 5 мкЗв: рентгенография одной рукой;
- 20 мкЗв: рентген грудной клетки;
- 3 мЗв: маммография;
- 4 мЗв: КТ всего тела;
- 50–100 мЗв: изменения биохимического состава крови;
- 100 мЗв: минимальная доза, связанная с повышенным риском развития рака;
- 400 мЗв: разовая доза, способная вызвать радиационное отравление;
- 500 мЗв: через несколько часов вас будет тошнить;
- 700 мЗв: рвота;
- 750 мЗв: выпадение волос за две недели;
- 1 Зв: кровоизлияния;
- 4 Зв: смерть через несколько дней;
- 50 Зв: доза радиации, полученная за 10 минут пребывания возле Чернобыльского реактора после взрыва.
Приложение для Android
В Google Play и Mac App Store есть десятки приложений, предназначенных для наблюдения за локальной и глобальной радиацией.
Для некоторых из них требуется датчик радиации, подключенный непосредственно к смартфону. Другие подключаются напрямую к различным серверам, расположенным по всему миру, настроенным для измерения радиоактивности.
Заслуживает внимания приложение «Radiation Scan Pro», доступное для Android. С помощью этого приложения вы можете проверить наличие радиоактивного излучения в вашем городе и просмотреть множество точек, представляющих общий интерес.
Результаты предоставляются в режиме реального времени. Через карту Google вы можете увидеть действующие атомные электростанции и их данные.
Приложение Radiation Scan Pro для Android
Это приложение не измеряет радиацию через датчик, подключенный к телефону, а рассчитывает ее с помощью специальных алгоритмов триангуляции, которые анализируют данные, поступающие с ближайших станций обнаружения радиоактивных излучений.
Встроенные системы и системы разработки
Имея доступные сегодня электронные устройства, довольно просто построить систему для измерения и анализа радиации.
В Интернете можно найти тысячи различных решений, которые предполагают использование различных ИТ и электронных платформ. Некоторые предоставляют программное обеспечение для использования с Arduino, Raspberry Pi или Theremino. Другие состоят из электронных схем, созданных специально.
В любом случае все решения объединяет наличие подходящего датчика первичного излучения, обычно представленного трубкой Гейгера.
Проводить испытания с такими приборами очень просто, так как каждый день люди прикасаются к множеству радиоактивных предметов, таких как сигареты, пемза, некоторые предметы для вечеринок, походные лампы и некоторые виды гончарных изделий.
Вывод
Радиоактивность можно измерять как в полевых условиях, так и в лаборатории. Портативные приборы более чувствительны и позволяют выполнять измерения уровня радиации в окружающей среде.
Однако когда дело доходит до количественного определения радиоактивного уровня пищи или воды, необходимо взять определенные образцы, которые затем исследуются в лаборатории с использованием более чувствительных инструментов. Широко используемым для обнаружения радиации методом высокого разрешения является Гамма-спектрометрия.