Дозиметр своими руками

предупреждение о радиацииК написанию настоящей статьи меня сподвигла тема радиации и радиационной опасности, оказавшейся куда глубже и запутаннее, чем об этом себе представляет типичный обыватель. Потянув всего лишь за одну ниточку, на поверхность вывалился целый клубок знаний. Ниже по тексту, я попробую разобраться в теории измерения радиации, а закреплю все это скромной практикой в виде набора для измерения радиации от наших азиатских друзей. Итак, погнали!

Много теории

Безопасность больших городов и цивилизованного мира — обманчива. Несмотря на все камеры видеонаблюдения, явную и тайную полицию, вооруженные силы и разрешенное огнестрельное оружие, современному человеку необходимо постоянно быть на чеку. Нет, его не сцапает плотоядная саблезубая жаба, выпрыгнувшая из ливневого коллектора, а зазевавшегося полуношного пешехода не утащит к себе в берлогу волк. Современного человека, по большей части, подкарауливают опасности невидимые. Вирусы, бактерии, химические яды и радиация. Что касается радиации, то после Чернобыля вроде как всё поуспокоилось, а Фукусима она где-то там, далеко. Поэтому ну её, эту радиацию. Напрасно, ведь опасные ионизирующие излучения поджидают нас в самых неожиданных местах. Например, в продуктах питания, собранных в дикой природе: ягодах или грибах; в строительных материалах: штукатурке, бетоне, гипсовых смесях; в различных приборах со светящимися циферблатами, скрученных с военной техники прошлого; механических наручных часах с флуоресцирующими стрелками. Список можно продолжать до бесконечности, в него попали даже объективы для фотоаппаратов с «фонящими» линзами, «бионормалайзеры» с AliExpress и, конечно же, всепроникающий радон, присутствующий практически везде.

Нужные термины и понятия

Работа с ионизирующими излучениями, той самой радиацией, ведется человечеством не так давно. Все началось во второй половине 19 века и продолжается, более-менее активно, до сих пор. Если в прошлом люди мало понимали то, с чем им пришлось столкнуться, то сегодня мы осознаем куда больше наших пращуров и практически докопались до истоков материи. А попутно мы напридумывали множество терминов, понять которые неспециалисту может быть непросто. Особенно, если термин постоянно на слуху, но что именно оно означает понятно не очень. Ниже я приведу объяснение основных терминов и понятий, которые так или иначе применяются при работе с радиометрическим оборудованием или же при чтении специализированной литературы. Ну, просто, чтобы быть в курсе и понимать, о чем идет речь и не плавать при обсуждении.

Изотоп

Насколько мы помним из школьного курса химии: существует такая таблица Менделеева, в которой перечислены все существующие химические элементы и описано строение их атомов. Они ранжированы по заряду ядра атома, начиная с первого элемента и заканчивая 118 номером (по крайней мере на сегодняшний день). Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Протоны имеют электрический заряд, а нейтроны нет. Химические же свойства атома (химического элемента) зависят от количества и нахождения на определенном энергетическом уровне электронов, расположенных в электронном облаке вокруг атомного ядра. Количество электронов определяется количеством протонов в ядре.

Изотопом называют химический элемент, который сохраняет прежний заряд ядра (остается тем же самым химическим элементом), но имеет другую атомную массу. Другими словами, атомы химических элементов, имеющих одинаковый заряд ядра (одинаковое количество протонов), но отличающиеся по массе (разное количество нейтронов) и называются изотопами. В природе насчитывается несколько тысяч изотопов элементов. Большинство из них не являются стабильными и выступают в качестве источников радиации от разрушающихся атомов. Обозначаются изотопы дополнительной цифрой в левом верхнем индексе, означающей атомную массу, например, 231U означает изотоп урана (атомная масса обычного урана 238), а 18O изотоп кислорода (атомная масса обычного кислорода 16).

Нынче наука дошла до такого уровня, что ученые оперируют не только изотопами, но и изотонами, изобарами и прочими чу́дными названиями. Но их объяснение (и понимание) лежит далеко за рамками настоящей статьи.

Радионуклид

Радионуклид — радиоактивный изотоп. Изотоп, который нестабилен и рано или поздно происходит его распад с выделением радиации (собственно, это первая часть термина). Термином «нуклиды» называют атомы, которые обладают хоть какой-то стабильностью, чтобы их можно было проанализировать и как-то зафиксировать факт их существования.

Ион

Такое состояние атома (или совокупности из нескольких атомов), в котором он имеет положительный (при потере, нехватке электронов) или отрицательный (при приеме, избытке электронов) заряд. Заряд обуславливается несоответствием количества протонов в атомном ядре и количества электронов. Ионизация, превращение нейтрального атома в ион, обычно сопровождается потерей или получением электронов.

Ионизирующие излучения

С пониманием ионизирующего излучения все немного сложнее. Само понятие ионизации, превращение атома (или молекулы) в ион означает либо потерю электрона или электронов, либо получение дополнительных электрона или электронов. Ионизация может происходить под действием различных сил: электромагнитного поля, температуры, ионизирующего излучения и прочих. В интересующем нас случае атому сообщается энергия, которая позволяет либо его электронам получить дополнительную энергию и покинуть свои орбитали в неизвестном направлении, либо сообщить внешним электронам энергию, которая поможет им преодолеть электронный барьер и присоединиться к атому. В любом случае, атом вещества становится заряженной частицей (получает либо положительный, либо отрицательный заряд, в зависимости от того, потеряет он или приобретет электроны), превращается из нейтрального атома в ион. У каждого атома вещества имеется свой ионизационный предел. Он определяется энергией, которой должно обладать внешнее воздействие для того, чтобы произошла ионизация. В целом соблюдается правило, что чем больше у конкретного вещества атомный номер, тем меньшая энергия требуется для ионизации, так как чем больше электронов у атома, тем дальше большая часть их них располагается от ядра атома и соответственно слабее взаимодействие между ядром и электронами на внешних орбиталях. Дополнительно необходимо заметить, что атом может стать ионом и в случае изменения заряда ядра, произошедшего по каким-либо причинам, но в этом случае он превратится уже в другой химический элемент.

Ионизация посредством «ионизирующего излучения» может произойти в виде прямого воздействия, когда за ионизацию ответственны частицы, и в виде непрямого воздействия, когда ионизация происходит под воздействием электромагнитного излучения, обладающего требуемой энергией. Опять же обращаясь к школьной программе, вспоминаем, что электромагнитное излучение может быть представлено в виде волны или в виде пучка фотонов (корпускулярно-волновая теория света), поэтому его можно было бы по этому признаку отнести к прямому воздействию, однако фотоны, как правило, достаточно слабо реагируют с веществом, в том числе по этой причине они и выделены в отдельную группу.

К прямому воздействию, приводящему к ионизации, относят потоки таких частиц как альфа (совокупность из двух протонов и двух нейтронов, иногда ее называют ядром атома гелия, либо других ионов), бета (электроны и позитроны; позитрон - это «электрон от мира антиматерии», частица такой же массы, что и электрон, но противоположного по знаку электрического заряда), нейтронов, множества элементарных частиц, таких как протоны, мюоны и их великого множества.

К непрямой ионизации относим все, что так или иначе присутствует на электромагнитном спектре и обладает достаточной энергией. Электромагнитные волны сверхнизкой частоты почти ни на что не способны. Волны радиодиапазона, включая микроволновый спектр, способны нагревать предметы, но они все еще не являются ионизирующими (поэтому пища из микроволной печи не радиоактивна и не становится токсичной, но засовывать руки и ноги в работающую печку не рекомендуется). Видимый свет может не только нагревать, но и инициировать фотохимические реакции (так мы видим, например); после видимого диапазона идет диапазон частот ультрафиолетового излучения, оно обладает большей энергией, но все еще не является ионизирующим, так как его энергии недостаточно для преодоления потенциального барьера.

the electromagnetic spectrum

Электромагнитный спектр по данным Калифорнийского университета

Четкой границы между ультрафиолетовым излучением и всеми последующими более энергетическими фотонами нет, но именно после ультрафиолета идет рентгеновское излучение, считающееся ионизирующим, а уже за ним располагаются обладающие еще большей энергией фотоны «жесткого» гамма-излучения.

Энергия ионизирующего излучения, как правило измеряется в т.н. электронвольтах (эВ или eV). 1 эВ это объем кинетической энергии, необходимый одиночному электрону в вакууме для преодоления разницы потенциалов в 1 вольт, чтобы это и не значило. В рассматриваемой сфере применения через электронвольты выражается как энергия частиц, так и фотонов (напомню, что фотон — частица без массы, но у нее есть момент, через который и выражается энергия).

Соответственно рентгеновское излучение начинается с величин порядка 124 электронвольт, и заканчивается на величине порядка 120 килоэлектронвольт (сокращенно кэВ или keV, собственно некоторые радиофилы и оперируют словечками типа «кев», а, после «кев», идет «мев» и так далее). Вообще через электронвольты можно выражать не только энергию, но и момент, массу, температуру, дистанцию и даже время. Кстати, энергия летящего комарика-кровососа, даже не пытающегося увернуться от вашей газетки, примерно 14 ТэВ (триллион электронвольт).

А вот энергию ионизирующих частиц вычисляют исходя из их массы и скорости движения. Зачастую скорость движения у них бывает существенной, поэтому и энергиями они могут обладать очень высокими. Стандартная скорость вылета альфа-частицы (два протона и два нейтрона) составляет величину около 20.000 км в секунду. И полученной суммарной энергии (масса и скорость) порядка 2 МеВ более чем достаточно для ионизации другого вещества.

И тут еще раз хочется напомнить, что разные элементы имеют разные энергетические пороги по ионизации. Так наиболее нестойким к ионизации является цезий, для процесса его ионизации достаточно всего 3.89 эВ. А атому водорода для ионизации нужно уже 14 эВ, та же величина энергии требуется и для первой ионизации кислорода (у кислорода, в отличие от водорода, много электронов, поэтому ионизировать его с потерей электронов можно несколько раз). Но, если взглянуть на картинку спектра энергий фотонного излучения, то видно, что уже даже у ультрафиолета достаточно энергии для того, чтобы провести ионизацию не только цезия, но и кислорода с водородом. Правда, благодаря земной атмосфере, до поверхности планеты добирается только мягкий ультрафиолет, с энергиями до 3.94 эВ. Да, он сможет ионизировать чистый цезий, но на большинство других элементов энергии его не хватит (конечно, если не истончать озоновый слой атмосферы).

По мнению некоторых зарубежных агентств, ионизирующим принято считать излучение, начинающееся с диапазона 10-33 эВ и выше (жесткий ультрафиолет, UV-C). В российской школе принят более консервативный подход и для принятия излучения ионизирующим необходимы сотни кэВ (мягкий рентген и выше).

Для бытового применения и упрощения восприятия «радиации», все многообразие ионизирующего излучения обыкновенно сводится к трем его типам:

Альфа — излучение, состоящие из ядер гелия. Благодаря своей массе и высокой скорости отлично реагирует с веществом. Пробег в воздухе такой частицы ограничен всего несколькими сантиметрами. Как правило, такое излучение считается безопасным, т.к. от него способно защитить даже самое легкое препятствие, воздух или лист писчей бумаги. Однако, источники альфа-частиц представляют существенную опасность если они попадут внутрь организма. Например, такой элемент как полоний, хоть и излучает альфа-частицы, очень активен и при попадании в организм (если его вдохнуть, скушать или потрогать голыми руками) способен привести к его гибели.

Бета — излучение, состоящие из заряженных частиц: электронов или позитронов. Диапазон энергий бета-частиц, излучаемых при радиоактивном распаде, обычно находится в диапазоне от 2.5 кэВ и до десятков МэВ, как правило, их скорости близки к скорости света. Для защиты от бета-излучения достаточно применить слой органического стекла, тонкий лист алюминия и тому подобные материалы. Но, если бета-частица попадет в организм, то она будет наносить вред изнутри. Ведь ее там не обернуть фольгой. Поскольку бета-частицы имеют заряд, то они взаимодействуют не только с веществом, но и могут отклоняться под действием магнитного или электромагнитных полей (северное сияние как раз из этой оперы).

Гамма — излучение фотонов или же электромагнитное излучение с высокой энергией и малой длинной волны. Гамма-излучение плохо реагирует с обычным веществом, поэтому для защиты от него требуется куда больше, чем простой лист алюминия. Чем выше атомный номер вещества, тем активнее он экранирует, поглощая гамма-излучение. Например, свинец (атомный номер 82) примерно в 100 раз хуже поглощает гамма-излучение, чем уран (номер 92). Несмотря на то, что с веществом гамма реагирует менее активно, чем альфа или бета, кушать источники гамма-излучения или находиться рядом с ними также категорически не рекомендуется. Гамма-излучение приводит к ионизации вещества, при этом, в зависимости от баланса энергий, с образованием как положительно (наиболее часто), так и отрицательно заряженных ионов (существенно реже). Последнее происходит при трансмутации атома в вещество с меньшим порядковым номером, либо путем формирования поля свободных электронов, которые уже самостоятельно могут ионизировать вещество с отрицательным зарядом (присоединиться к атомам).

Помимо альфы, беты и гаммы я хочу упомянуть еще и нейтронное излучение, относящиеся к ионизирующему излучению. Нейтронное излучение, как следует из его названия, состоит из нейтронов. Нейтрон это одна из частиц атомного ядра и не имеющая заряда. По этой причине, нейтронное излучение, как и гамма, очень плохо взаимодействует с веществом и соответственно может проникать глубоко в материальные преграды. Для защиты от нейтронного излучения используют комбинированные защиты, состоящие из нескольких слоев, выступающих в качестве так называемых замедлителей и поглотителей. В качестве замедлителей могут быть применены вода, парафин, полиэтилен и прочие вещества с большим содержанием водорода. А для поглотителей применяют такие вещества как бор, кадмий и многие другие. Но у нейтронного излучения есть еще один нюанс, связанный с наведенной радиоактивностью, поэтому для полной нейтрализации излучения требуется еще и применения металлов. Строго говоря, к ионизирующим излучениям можно отнести любой поток субатомных частиц, обладающих достаточной энергией для ионизации. По большей части именно этим занимаются в различных ускорителях, где разгоняют частицы до умопомрачительных энергий, а затем сталкивают их с веществом. В результате образовываются не просто ионы, а разлетаются на мелкие кусочки атомные ядра.

Счетчик Гейгера, радиометр, дозиметр

Для измерения ионизирующего излучения существует множество приборов: сцинтилляторы, камеры Вильсона, счетчики Гейгера-Мюллера (трубки, диски и иные разновидности), прочие газоразрядные, искровые, полупроводниковые и другие детекторы, включая банальную фотобумагу или фотопленку. Суть всех методов — взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Напомню, что частицы с большой массой и электрическим зарядом хорошо взаимодействуют с веществом, а безмассовые хуже. Поэтому альфа и бета излучения детектируются надежнее, чем гамма.

Наиболее популярными и массовыми видами детекторов ионизирующих излучений являются приборы на основе газоразрядных принципов детектирования и сцинтилляторов. Но все же самыми массовыми приборами, особенно в недорогих устройствах, были и остаются газоразрядные детекторы. Именно к ним и относятся устройства на основе счетчиков Гейгера-Мюллера.

Счетчики Гейгера-Мюллера для краткости именуют просто счетчиками Гейгера. Сам счетчик был изобретен Хансом Гейгером в начале ХХ века, а чуть позже был доработан Вальтером Мюллером. По сути, такой счетчик представляет собой газонаполненный конденсатор, в котором возникает лавинный пробой при прохождении через счетчик «частицы» ионизирующего излучения. Во время пробоя между анодом и катодом счетчика протекает небольшой ток, который и фиксируется счетчиком. Факт фиксации подтверждается звуковым импульсом динамика, который может быть продублирован еще и световым индикатором. Кстати, треск, который мы слышим, когда просматриваем видео об аварии на Чернобыле, и который символизирует опасность, издается динамиками армейских дозиметров. Бытовые, ввиду небольших размеров динамиков, дают несколько иную тональность. Примерно так работали и самые первые счетчики, зажигали лампочку или давали короткий импульс на звуковой динамик при срабатывании детектора. А человек подсчитывал количество срабатывания счетчика за единицу времени.

В подавляющем большинстве счетчики построены на основе либо трубчатых детекторов, либо плоских цилиндров. Материал изготовления трубчатых детекторов обычно стекло или стекло с металлом (в основном для защиты от повреждения), плоские цилиндрические делают с окошком из тонкого слоя слюды или пластика для того, чтобы детектор мог срабатывать и от воздействия альфа-частиц. Герметичность детекторов обуславливается необходимостью поддерживания несколько более низкого, чем атмосферное, давления, и присутствием особых смесей веществ в объеме детектора для обеспечения лавинного пробоя и его последующего самостоятельного затухания.

Для того, чтобы обыкновенный счетчик Гейгера, способный только подсчитывать импульсы, превратить в радиометр, необходимо подсчитанные импульсы раскладывать на временной интервал и выражать полученные значения не только в импульсах в минуту (ИВМ или CPM), но и переводить их в мощностные составляющие, например, рентгены в час.

Следующим уровнем развития является уже дозиметр, который не только подсчитывает импульсы, определяет уровни энергии, но и обеспечивает подсчет дозы (количество фактов ионизаций в веществе; тут мощность — скорость образования дозы в веществе), полученной за время работы прибора.

Во всех этих случаях необходимо понимать, что ионизирующие излучения по своей природе — стохастические и рождаются, когда им заблагорассудится. Для того, чтобы детектор сработал, частица такого излучения должна войти в непосредственный контакт с детектором и вызвать его срабатывание. Альфа и бета излучения хорошо взаимодействуют с детектором, и он срабатывает почти в 100% случаев. Гамма и нейтронное излучение, наоборот очень неохотно взаимодействуют с веществом детектора. Срабатывание для гаммы происходит примерно 1 раз на 100 частиц, а нейтронное излучение обыкновенная трубка Гейгера не замечает. Поэтому даже два одинаковых радиометра, счетчика или дозиметра, лежащие рядом вовсе не обязательно покажут одинаковые значения. И только статистически, за какой-то весомый период времени, минуты или часы, их значения будут сопоставимы.

Чувствительность детекторов в счетчиках Гейгера к различным типам ионизирующего излучения зависит не только от самого типа излучения, но и от материала счетчика. Для альфа- и бета-излучений важно иметь минимальную толщину стенок счетчика, чтобы частица не была поглощена в стенках детектора. В этом случае происходит непосредственная ионизация газа и лавинный пробой. Для гамма-излучения, наоборот требуется такой материал и такой толщины, чтобы фотон прореагировал и выбил вторичные электроны из стенки детектора, которые уже и вызовут лавинный пробой и срабатывание самого счетчика. Нейтронное излучение газоразрядным детектором Гейгера не фиксируется. Для возможности хоть какой-то регистрации, в конструкцию самого детектора, материалов, из которых он сделан, вносятся существенные изменения.

Счетчиком Гейгера можно измерять и рентгеновское излучение, и даже жесткое ультрафиолетовое излучение, однако, в виду малых энергий данных видов излучений, опять же, требуется вносить изменения в конструкцию самого детектора, использовать «окна», прозрачные для данных видов излучения.

Наиболее популярный детектор, применяемый в большинстве бытовых дозиметрах и радиометрах, СМБ-20, начинает фиксировать фотонное-излучение только начиная с энергии в 50 кэВ что уже можно отнести к экстремальному ультрафиолетовому излучению или же к «мягкому» рентгеновскому.

Собственный фон

У каждого счетчика, радиометра или дозиметра есть собственный фон, как и у любого другого более-менее сложного измерительного прибора. Собственный фон выражается в срабатывании прибора без внешнего воздействия. В приборах для измерения «радиации» собственный фон обуславливается радиоактивными материалами, которые попали в материалы из которых изготовлен сам прибор. И данный факт абсолютно нормален, так как все вокруг нас, так или иначе содержит определенный объем излучающих материалов. Конечно, если к изготовлению прибора подошли халатно, и он «фонит» существенно выше, чем привычный радиационный фон, то пользоваться таким прибором нельзя.

Помимо присутствия радиоактивных материалов в конструкции счетчика, собственный фон обуславливается небрежностью в изготовлении конструкции счетчика, его настроек, особенностью используемых материалов, например, возможно возникновение спонтанной термоэлектронной эмиссии и прочих факторов.

В величину измерения, получаемого с помощью дозиметров, вносит свою лепту и космическое излучение, постоянно бомбардирующее поверхность земли. По оценкам специалистов, естественным радиационным фоном можно считать значения от 0.10 до 0.16 мкЗв/ч из них порядка 0.03 мкЗв/ч обычно приходится на излучение из космоса. Допустимым является также величина излучения до 0.20 мкЗв/ч. Все, что выше, уже должно вызывать если не беспокойство, то вопросы.

Уровни радиации, их безопасные величины, в РФ регламентируются «Нормами радиационной безопасности». В настоящий момент действуют нормы изложенные в «НРБ-99/2009». В нормах нет прямого указания на допустимый уровень фонового излучения, зато есть разовые дозы и годовые накопленные дозы. Исходя из них можно рассчитать и обычные показатели нормального природного фона.

Кстати, потоки элементарных частиц зависят от активности солнца, оно является основным поставщиком заряженных частиц, географической широты и высоты над поверхностью земли. Земная атмосфера поглощает существенные объемы энергии от потока элементарных частиц, а ее магнитное поле вообще призвано отклонять их большинство (полярные сияния и есть ни что иное, как эффекты от отклоненных потоков частиц). Тем не менее, максимальная энергия частиц космического излучения до сих пор неизвестна, как и не выяснены все источники их возникновения.

В чем измеряется

За время изучения природы радиоактивности человек использовал множество единиц измерения для радиации. В начале радиоактивных времен в качестве эталона использовали миллиграммы радиоактивных веществ, потом плавно перешли к количеству распадов в единицах объема, а уже потом добрались и до определения доз.

Сегодня, несмотря на весь прогресс в этой области, до сих пор то тут то там встречаются устаревшие единицы измерения. Более того, в научной среде применяют те единицы измерения, которые кажутся наиболее удобными для конкретного исполнителя или применяется те, к которым все привыкли в конкретном научном учреждении. Тем не менее, если не углубляться в дебри, то можно выделить следующие величины измерения:

Counts Per Minute (CPM, счетов в минуту, импульсов в минуту) — количество пойманных «квантов» излучения в минуту. Отлично применяется для счетчиков Гейгера, обычно сопровождается звуковым щелчком и миганием светодиода. Чем больше CPM, тем выше уровень радиации. В качестве дериватива от CPM в системе СИ присутствует величина потока частиц и выражается она в Counts/(m2*sec).

Рентген (Р или R международное) — изначально это экспозиционная доза облучения гамма- или рентгеновским излучениями. По сути, завязана на количество ионов, возникающих в 1 кубическом сантиметре воздуха. Ранее применялась к фотонному излучению, позже обыватели начали применять ее ко всем ионизирующим излучениям. Экспозиционная доза определяет суммарный электрический заряд появившихся ионов (одного знака) при воздействии на сухой атмосферный воздух. Единица измерения не рекомендуется к применению в РФ с 1990 года. Тем не менее, она до сих пор активно используется.

Зиверт (Зв или Sv международное) — применяется для измерения эффективной и эквивалентной доз ионизирующего излучения. Выражается через энергию на килограмм биологической ткани, т.е. Дж/кг. Высчитывается через энергию от поглощенной дозы фотонного излучения. Несмотря на то, что единица выражается через фотонное излучение, при ее помощи рассчитывается доза любого из типов ионизирующего излучения, однако, при этом применяется взвешивающий коэффициент. Так, например, для гамма-излучения и рентгена коэффициент равен единице, а для альфа-излучения он равен 20. Таким образом была проведена попытка уменьшить погрешность при измерении дозы излучения при ее поглощения веществом, в частности живыми организмами. Но методика работает это только при условии разделения излучений по типу во время детектирования.

Взвешивающие коэффициенты в РФ определяется «Нормами радиационной безопасности», в некоторых других странах циркулярами Международной комиссии по радиологической защите. Взвешивающий коэффициент является фактором, определяющим эквивалентную дозу, а эффективная доза завязана на риске возникновения негативных эффектов от облучения ионизирующего излучения эквивалентной дозой с взвешивающим коэффициентом каждого отдельного органа. Взвешивающий коэффициент для органов рассчитывается на основе различной чувствительности разных органов и тканей к ионизирующему излучению и возникающими негативными последствиями. Например, облучение толстого кишечника даст куда более серьезные последствия, чем облучение кожи той же дозой. Поэтому не следует кушать источники альфа-излучения, трогать их, впрочем, тоже не рекомендуется. Хотя эффект от съеденного будет куда существеннее, чем от потроганного.

Зиверт в настоящее время является основной единицей измерения в бытовых дозиметрах. В виду небольших уровней радиационного фона измеряют его в микрозивертах (мкЗв или µSv), да и то в виде дробного значения, например 0,14 микрозиверт в час, такова мощность набора дозы от естественного радиационного фона у меня на даче. Как единица измерения, зиверты пропорционально связаны с рентгенами: 1 зиверт ≈ 100 рентген. Соответственно 0,14 мкЗв/час = 0,015 мР/ч или 15,96 мкР/ч. Тут следует обратить внимание на размерность единиц и не путать «микро» и «милли». 15 миллирентген в час — это очень много, а 15 микрорентген в час уже нормальный фон.

Грей (Гр или Gy международное) — основная единица поглощенной дозы ионизирующего излучения в системе СИ. Выражается, как и зиверт, через Дж/кг. Разница между зивертами и греями в том, что зиверты рассчитаны на поглощение дозы биологическими тканями, а греи могут быть применены к любому физическому объекту. Если привести грубый пересчет греев и зивертов, то 1 Гр = 1 Зв * коэффициент.

Беккерель (Бк или BQ международное) — еще одна современная единица измерения системы СИ, определяется количеством ядерных распадов источника в секунду. Единица измерения достаточно скромная, например, в теле человека происходит порядка 4400 распадов в секунду, соответственно активность человеческого тела составляет 4,4 кБк.

Ход с жесткостью

Все радиометры и дозиметры калибруются. Калибруются по конкретным источникам излучения и только на них. В других условиях, при излучении других источников, показания откалиброванного радиометра или дозиметра будут отличаться, иногда существенно. В некоторых случаях применяют специальные экраны, позволяющие нормализировать измерение. Поэтому, при измерении неизвестного источника In Vivo или сразу нескольких источников, результаты, получаемые приборами экспресс методом, выходят неточными, впрочем, как и все значениями с попытками измерения ионизирующего излучения. Но, данная особенность никак не влияет на применение радиометров, счетчиков Гейгера или дозиметров. Их можно в любом случае применять как некие индикаторы, позволяющие быстро дать представление на уровне: нормально, так себе, задерживаться не стоит, лучше отсюда побыстрее убраться и «куда ты денешься с подводной лодки». Именно такой режим использования и называется «ходом с жесткостью».

В отличие от приборов на основе детекторов Гейгера, сцинтилляционные приборы (основанные на превращении энергии ионизирующего излучения в свет), если они, конечно, собраны с учетом этой функции, обладают некоторой способностью не только к простому фиксированию частицы, но и определения энергии частицы. Тем самым можно более точно определять и конкретную дозу.

Мертвое время

У каждого измерительного прибора есть свои ограничения. Не являются исключением и детекторы счетчиков Гейгера-Мюллера. Из-за своей конструкции, когда измерение происходит за счет лавинного пробоя, детектору требуется определенное время на восстановление разницы потенциалов между катодом и анодом. Обычно на эту операцию уходит всего несколько микросекунд (миллионная доля секунды), но в этот момент времени детектор неспособен воспринимать следующую частицу. Этот период называется «Мертвое время».

Более того, по мере того, как счетчик будет отходить от непосредственно «мертвого времени», когда он лишен возможности регистрировать вообще что-либо, его чувствительность будет восстанавливаться по мере набора соответствующей разницы потенциала в самом детекторе.

Таким образом у каждого детектора есть свой максимальный предел количества детектируемых частиц в единицу времени. Как правило, эта величина достаточно большая, и в реальных условиях встречается только рядом с конкретными источниками радиации или в случае ядерного катаклизма. Но, тут есть одно «но». Данная особенность счетчиков должна быть в обязательном порядке учтена в конкретных приборах, иначе, в случае превышения мощностью ионизирующего излучения возможности детектора, может произойти ситуация, когда счетчик вообще не будет показывать превышения, а будет оставаться на низких значениях, обусловленных конструкцией счетчика.

В прошлом, эта проблема не была решена, и в случае «зашкала» счетчики либо показывали нулевые значения или совсем минимальные, безопасные значения. Показательным может стать случай с катастрофической аварией на Чернобыльской атомной станции, когда из двух дозиметров, имеющихся на станции, один не работал, а второй не показывал реальные значения, так как был не рассчитан на столь серьезный уровень ионизирующего излучения. И только после применения армейского дозиметра «Судного дня», рассчитанного на использование в случае атомной войны, удалось более-менее измерить уровень радиационной опасности на станции, а затем ужаснуться.

В современных приборах, хочется верить, данная проблема решена и в случае превышения возможностей детекторов они отображают это состояние адекватно. По крайней мере такое поведение задекларировано в инструкциях на эти приборы.

Тормозное излучение

Тормозное излучение — сопутствующее фотонное излучение (гамма или рентген) возникающее при взаимодействии заряженной частицы (в общем случае это бета-излучение) с веществом. В момент рассеивания или поглощения веществом частицы, возникает фотонное ионизирующее излучение пропорциональное изначальной энергии частицы.

Другими словами, при облучении какого-либо вещества источником бета-излучения это вещество будет дополнительно излучать в гамма или рентгеновском диапазоне. На этом принципе работает, например интроскоп (то, чем светят в аэропортах вещи), да и экраны телевизоров с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) тоже. При устранении источника первичного излучения, тормозное излучение прекращается.

Наведенная радиация

Наведенная радиоактивность — это то, о чем все кое-что слышали, но так и не поняли почему этот процесс происходит. Итак, наведенная радиоактивность — это процесс активации стабильного атомного ядра с превращением его в радиоактивный. Происходит данный процесс под воздействием либо высокоэнергетического фотонного или корпускулярного (ядерного или электронного) ионизирующего излучения, с энергиями от нескольких МэВ и выше, либо под действием нейтронного излучения. Фотонное излучение не так хорошо реагирует с веществом, поэтому вероятность возникновения наведенной радиоактивности от гамма-излучения крайне низка. Альфа- и бета-излучения могут приводить к активации атомных ядер, но для этого энергия таких частиц должна быть достаточной не только для изменения строения ядра, но и для предварительного преодоления всех электронных барьеров атома. Поэтому вероятность возникновения наведенной радиоактивности при облучении альфа- или бета-излучениями также мала. А вот нейтроны не имеют заряда и свободно проходят через электронные облака и реагируют напрямую с ядрами атомов. Но и в этом случае далеко не всегда образуются радиоактивные изотопы, часто образуются стабильные ядра, которые не дают никакой наведенной радиации.

Светочувствительность китайских трубок Гейгера-Мюллера

На зарубежных форумах, посвященным самоделкам, любители радиации достаточно долго муссировали темы, связанные с возбуждением китайских трубок Гейгера-Мюллера под действием низкоэнергетических фотонных излучений. Энтузиасты заметили, что на некоторые китайские трубки воздействует свет. Если посветить на такую трубку люминесцентной ламой с близкого расстояния, либо светодиодной лампой, фонариком, лазером наконец, то счетчик начинает фиксировать больше импульсов в минуту, чем в состоянии, если на нее не светить. А особенное впечатление возникало при длительном, периодическом наблюдении за уровнем фоновой радиации, когда датчик устанавливается снаружи помещения. В таких случаях наблюдалась четкая зависимость от времени суток и уровнем детектирования фоновой радиации. В шутку даже предполагалось, что это правительство как-то специально облучает своих граждан, чтоб последним не жилось вольготно и хорошо.

Далее в ход пошли иные теории, которые были откинуты одна за одной, пока пользователи не докопались до истинной причины возникновения ложных срабатываний. Выдвигались теории, что срабатывание может происходить от электромагнитного поля, которое окружает электронную лампу. Но в последствии эта гипотеза не нашла подтверждения. Полагались также доводы в пользу наличия ультрафиолетового спектра в источниках света, который, в теории, может привести к срабатыванию счетчика. Но и эта гипотеза так же не нашла четкого свидетельства в свою пользу. Пользователи защищали свои трубки Гейгера непрозрачным скотчем, старались оградить их от света, пока проблему светочувствительности не подтвердили обладатели черных стеклянных трубок Гейгера. Китайцы выпускали и такие, видимо срефлексировав на волну рекламаций от потребителей их продукции.

Но, как оказалось в последствии, проблема заключалась в дефектных трубках Гейгера, которые не работали должным образом и были способны к самостоятельному возбуждению. Дополнительно масла в огонь подливали и «паленые» компоненты на самих китайских счетчиках (как известно, китайские производители любят копировать и подделывать даже свои собственные, впускаемые в Китае, продукты). Позже, примерно с 2020 года проблема с качеством сошла на нет, как в трубках, так и в счетчиках.

Совсем щепотка практики

Итак, в руках у меня плата счетчика Гейгера с гордым наименованием Geiger-Counter-RadiationD-v1.1-CAJOE-, что конкретно оно означает, никто точно не знает. В комплекте с платой поставлялась еще и трубка детектора Гейгера-Мюллера. Трубка с наименование J305βγ. По всей видимости, данная трубка является полным аналогом другой трубки китайских производителей M4011. На трубке, кроме ее наименования указана полярность подключения, ее важно соблюдать, а также дата выпуска в виде недели и года.

Сама трубка детектора стеклянная, внутри на стекло нанесен токопроводящий оксид легированного индием олова (ITO). Он является хорошим электрическим проводником, при этом обладает прозрачностью в видимом диапазоне (разумеется, до определенной толщины нанесенного слоя). Больше, кроме как слоем стекла и слоем оксида, трубка ничем не защищена. Поскольку трубка изготовлена китайскими промышленниками, то вместо соблюдения точных геометрических размеров, они сфокусировались на победах в конкурсах поедания риса палочками. По этой причине моя трубка короче, чем требуется и лишь слегка касается электродов счетчика при установке в посадочное место. Пришлось найти в гараже трубку из алюминия подходящего диаметра и приспособить ее в качестве простенького удлинителя, дабы комплектная трубка держалась более-менее четко. Тем не менее, с адаптером или без него, счетчик в целом работает адекватно. Кстати, помимо J305 или M4011 в этот же самый счетчик можно установить и другие трубки, подходящие по длине и напряжению.

radiation-d

Плата счетчика Гейгера от китайских товарищей, трубка установлена

Рабочее напряжение трубки — настраиваемое. Продавец утверждает, что на производстве происходит настройка напряжения платы под используемую трубку. Но также присутствует возможность самостоятельной настройки. Данный момент раскрывается в документации. Только вот беда. Во всех трех документациях, которые я встречал, описаны три разных способа настройки. Отличаются они необходимостью наличия или отсутствия перемычки J4 и сопротивлением применяемого для измерения напряжения вольтметром. Вероятно, что с течением времени схема платы счетчика претерпевала некоторые изменения, которые и отражались в новых редакциях документации. Но какая документация относится к какой плате, опять же — доподлинно неизвестно. И в случае необходимости подстройки платы счетчика под датчик другого типа, придется доверится проведению или же положиться на волю случая и понадеется, что установленное напряжение на плате попадает на рабочее «плато» напряжения новой трубки (которое, кстати, обычно весьма продолжительное).

Еще немного из плохого. Мне так и не удалось найти нормальную спецификацию на трубку J305 или хотя б на M4041. Все, чем приходится довольствоваться — жалкие перепечатывания одного источника у другого, с попутным искажением и потерей информации. Поэтому, особо полагаться на публикуемые сведения не стоит. Тем не менее, даже из этих недостоверных сведений мы можем почерпнуть нечто полезное. Например, что трубка эта с самостоятельным гашением лавинного разряда, ее рабочий диапазон температур от -40С и до +50С, трубка чувствительна к «мягкому» β-излучению, имеет собственный фон порядка 25 импульсов в секунду, а плотность материала трубки составляет около 50 грамм на сантиметр кубический. Более того, заявляется время жизни трубки в величину порядка нескольких десятков лет. И здесь имеется ввиду, что у трубки счетчика имеется определенный ресурс «кликов», реакций на ионизацию и срабатывание детектора. Обычно у таких трубок ресурс составляет несколько миллиардов срабатываний, что в нормальных условиях более чем достаточно для круглосуточной работы на протяжении десятков лет. Ресурс трубки обусловлен тем, что, даже несмотря на то, что гашение происходит за счет присутствия в объеме детектора галогенов, они, так или иначе, постепенно расходуются. При выработке ресурса счетчик потеряет способность к самостоятельному гашению и в конце концов может перейти в режим постоянного разряда, как газоразрядная лампа.

Вообще, с публикуемыми параметрами на китайские трубки для счетчиков полная неразбериха. Вот, например, на трубки J305 дают такую характеристику собственного фона, как 0,2 импульса в секунду по одним источникам, по другим это уже 25 импульсов в минуту. Но, по факту, если применять данные значения, например, с моей трубкой, то результаты замера радиоактивности у меня будут либо нулевые, либо вообще отрицательные. Многочисленные описания стеклянных трубок на подобие J305 заявляют, что при их помощи возможно измерение и т.н. «мягкой» β-активности. Поскольку ни в одном справочнике нет четкого разделения между «мягкой» и «жесткой» зоной бета-излучения, то, видимо, данное понятие как-то связано с энергией β-частиц и величиной их поглощения/эффективным пробегом в веществе. Китайские товарищи не приводят никаких цифр в отношении того, для каких энергий прозрачна их трубка, но полагаются они, вероятно, на то, что если сравнивать их стеклянную трубку с другими популярными трубками-счетчиками Гейгера-Мюллера, выполненными из металла, проницаемость стекла будет выше. Однако, это утверждение далеко не факт и требует проверки. В теории можно попытаться провести расчеты связанные с материалом трубки и оксидным покрытием, прикинуть их толщины, способности к поглощению ионизирующего излучения. Но кто этим будет озадачиваться?

Опасаясь присутствия чувствительности моего экземпляра трубки к воздействию УФ или других не ионизирующих излучений, я дополнительно проверил ее УФ-фонариком, очень мощным обычным фонариком (рука на расстоянии 5 см чувствует сильный нагрев если светить на нее этим фонариком), красным лазером и даже зеленым лазером мощностью 1 Вт. Все внешние источники никак не влияли на уровень показания счетчика. Дополнительно была осуществлена проверка и электромагнитным излучением от различных электроприборов. Никакой реакции.

В целом, моя плата счетчика оказалась собранной без каких-либо замечаний. Все элементы впаяны, как и должно, да и флюс отмыт качественно. Плата счетчика может работать как самостоятельно, извещая о зафиксированном импульсе миганием красного светодиода и пощелкиванием зуммера (щелчки можно отключить перемычкой на плате), так и подключенная к Arduino. Изготовители разрабатывали плату специально для использования с Arduino Uno и совместимыми платами. Выход (на плате он подписан как VIN на трехшпыньковом разъеме) использует 5-ти вольтовую логику и отлично стыкуется с Arduino Uno. Но ведь кроме Uno в экосистеме Arduino есть куда более интересные решения, например, ESP8266 со встроенным Wi-Fi, обилием ОЗУ и прочих вкусностей. И именно его я и решил соединить с платой счетчика для подсчета импульсов, перевода их хоть в какие-то величины и публикацию результата на MQTT.

Почему именно ESP8266, а не ESP32? Ну потому, что платы ESP8266 от Wemos отлично работают от 5 вольт по питанию, хотя сама ESP8266 исключительно 3.3 вольтовая. К Wemos удобно подпаиваться, размер крохотный, работает у меня в системах домашней автоматизации уже не один год, программируется, в том числе с использованием фреймворка Arduino, элементарно, но позволяет писать очень сложные микропрограммы (памяти много, процессор мощный). Замечу, что пока я собирался с силами на реализацию, на Aliexpress уже начали появляться счетчики аналогичные моему, но уже в комплекте с платой EPS32. Что ж, такие комплекты можно заказывать, но у меня-то вариант с решением исключительно для Arduino Uno и совместимых по напряжению плат. Что делать?

В деле соединения 5-ти вольтовой логики с 3.3-х вольтовой нужно как-то понизить напряжение. Обычно данная задача выполняется посредством банального делителя напряжения. Но плата счетчика оказалась не так проста. Ни высокоомные (кило омы), ни низкоомные делители (сотни ом) не позволяли EPS8266 ловить импульсы от счетчика. Делитель напряжения съедал драгоценные амперы на выходе для подключения Uno, и остатков просто не хватало для переключения логики на ESP8266. Благодаря сообществу любителей ESP8266 мне удалось все же решить проблему и подключиться так, что импульсы пошли.

lm555

Выводы микросхемы LM555. Выход номер 3 выдает 3.3 вольта при 5-ти вольтовом питании.

Китайский счетчик выполнен на основе двух микросхем таймеров LM555. При использовании 5-ти вольтового питания на счетчиках, их выходы дают напряжение порядка 3.3 вольт. Импульсы, которые в дальнейшем идут на «пищалку» и светодиод-индикатор, генерируются таймером IC1. Подпаявшись через низкоомный делитель напряжения (100:200 Ом), я завел 3-й выход LM555 на вход ESP8266.

Программно ловить импульсы на ESP8266 можно двумя способами:

  • Осуществлять постоянный опрос соответствующего выхода и передавать результаты на фильтр устранения дрожания контактов.
  • Использовать прерывание.

Первый способ традиционен для решений на Arduino, но использовать лучше прерывание, благо на ESP8266 их можно повесить почти на любой вывод.

void IRAM_ATTR TickHappened(){
     ulGeigerTicks++;</wp-p>
}
void setup() {
     // put your setup code here, to run once:
     pinMode(ImpulsePin, INPUT);
     attachInterrupt((ImpulsePin),TickHappened,FALLING);
}

Выше я привел код, которого достаточно для того, чтобы ловить импульсы с входа ESP8266. Обработчик прерывания обязательно имеет декларационный макрос IRAM_ATTR. Данный макрос помещает обработчик прерывания в оперативную память. Иначе он может оказаться во Flash памяти и при исполнении произойдет катастрофическое замедление работы обработчика. Сам обработчик делаем как можно более компактным и быстро отрабатывающим. Он не должен блокировать исполнение основного цикла программы на какое-то существенное время. Как видно, в обработчике прерывания у меня происходит только инкрементация переменной.

Обработку значений, накопленных счетчиком на ESP8266, лучше всего выполнять с применением таймера Ticker.

#include <Ticker.h>
void tBlinker() // Blinks with EPS led and controlls Minute/Hour rutine
{
     ulTimeSiceStartUp++;
     if (!(ulTimeSiceStartUp % 60))
         {
             bMinuteInterval = true;
         }
}
void setup() {
     // put your setup code here, to run once:
     tTasker.attach(1, tBlinker);
}

Как видно в примере выше, объект таймера tTasker срабатывает каждую секунду и вызывает функцию tBlinker. Функция увеличивает значение счетчика ulTimeSiceStartUp на единицу и таким образом отсчитывает секунды (а не миллисекунды или микросекунды, как это традиционно делается в Arduino), попутно тут можно мигать светодиодом состояния. При кратности накопленного количества секунд 60-ти, поднимается флаг, который уже может быть обработан каким-угодно способом в loop для получения значения в CPM или других единицах измерения.

В результате у нас образуется неблокирующая обработка не только импульсов со счетчика, но и ведется точный подсчет этих значений в разрезе минуты. Почему именно минуты, а не 20 или 40 секунд. Все дело в случайной природе радиоактивности: ионизирующие излучения порождается спонтанно, в произвольном направлении, да и не факт, что его сможет поймать со 100% надежностью сам счетчик. Поэтому, я решил не заморачиваться с «сигмами» (имеется ввиду метод среднеквадратичного отклонения), а просто увеличил экспозицию. Счетчик стационарный, моментальная реакция не требуется. Более того, помимо минутного подсчета импульсов, я подсчитываю их и на часовом отрезке времени, что еще больше увеличивает точность.

наблюдение за радиацией, график

График Grafana мониторинга фона за неделю.. Зеленое - минутные уровни, желтое часовые.

Для перевода из импульсов в минуту или же импульсов за час в более привычные величины, а сейчас все измеряют в основном в микрозивертах, я применил следующую формулу:

dSievertM=(double)ulTemp/(double)coef;

Где coef есть коэффициент пересчета для трубок M4011 и J305. Равняется он 151. Почему именно 151— не скажу. Вероятно, что данная цифирь была выведена экспериментальным путем кем-то (уже не найти кем), так как значения, которые выдает мой дозиметр радиометр более-менее совпадают (с учетом статистического сравнения) с двумя моими другими дозиметрами радиометрами. Переменная ulTemp хранит количество срабатываний за минуту. Дополнительно хочу заметить, что никакой компенсации на уровень собственного фона при переводе в миллизиверты я не делаю. Все работает и так.

Далее полученные значения отправляются на мой сервер MQTT, оттуда они добираются до NodeRED и там уже расползаются куда им необходимо: в бота Telegram, в Graphana, на сайты мониторинга.

После сборки и отладки датчик вместе с ESP8266 были перенесены на улицу, на место своего постоянного местоположения. Всю электронику, включая трубку, я поместил в герметичный электротехнический корпус с прозрачным передним окошком и установил на стену гаража под навесом из поликарбоната. После нескольких дней наблюдения за результатами, можно сделать выводы, что:

  • Трубка не является чувствительной к УФ или же другим видам неионизирующего воздействия.
  • Уровень «радиации» во время дождя не повысился, как этого можно было бы ожидать от эффекта вымывания радона из атмосферы. Вероятно, что ветренная и неустойчивая погода не дали скопиться достаточному количеству этого инертного газа (и его продуктов распада) в атмосфере. С другой стороны, герметичный корпус и отсутствие прямого контакта с дождевой водой могут повлиять на возможность определения вымывания радона и продуктов его распада, так как основное излучение он дает в виде альфа- и бета-частиц. С третьей стороны местоположение не относится к радоно-опасному, поэтому вероятно, что и концентрации газа в атмосфере мизерные.
  • Уровень «радиации» что на улице, что в помещении, примерно одинаков и колеблется (по часовым измерениям) в диапазоне 0.12-0.14 микрозиверт, что подтверждается имеющимися у меня другими дозиметрами радиометрами.

Система работает и благодаря ей ведется постоянный мониторинг радиационной обстановки у моего жилища. Что, собственно, и требовалось от проекта.

Мои радиометры

В моем хозяйстве, кроме новосозданного стационарного радиометра есть еще пара ручных дозиметров: Radex rd1706 на двух трубках Гейгера-Мюллера и «Родник 3». Радекс у меня эпизодически трудится уже лет 10. К его достоинствам можно отнести возможность настройки фона и наличие двух детекторов, что несколько увеличивает точность и время реакции прибора. К недостаткам же — слишком хлюпкие кнопочки, которые нажимаются от легкого дуновения весеннего ветерка. Обычно прибор использовался для городских путешествий, чтобы случайно не зайти не туда, либо для оценки фона на объектах недвижимости. Вдруг, что там попало в стройматериалы непотребного. К слову сказать, сработал на превышение он только один раз, случилось это на задворках завода «Полиметаллов».

Radex rd1706, радекс, дозиметр, две трубки, два счетчика, ручка

Radex rd1706 потрепанный при использовании

Второй прибор куда интереснее. «Родник 3» построен все на той же отечественной трубке Гейгера-Мюллера, что и подавляющее большинство других дозиметров. Но схема самого дозиметра существенно переработана с целью обеспечения как можно большей экономии заряда комплектных батареек. Производителю удалось достичь срока работы дозиметра от двух щелочных батареек формата ААА в пределах 10 лет при нормальном уровне фона. Зарубежные изготовители достигли длительной работы своих устройств уже давно, а вот отечественные наработки в этом направлении стали для меня открытием.

родник 3 в самолете

Дозиметр Rodkin 3 в самолете на земле и на высоте в 10.000 метров.

Итак, «Родник 3» можно просто включить и положить к себе в карман. Он небольшой по размеру, чуть больше хорошей авторучки и весит около 100 грамм, но мониторинг ведет постоянно и в случае превышения дозы оповестит хозяина о проблемах. Удобно и практично, особенно в путешествиях. Из первых интересных находок, что были совершены при помощи «родника», могу отметить Старо-Калинкин мост, что перекинут через реку Фонтанка в Санкт-Петербурге. Изготовлен мост из какого-то особо ядреного сорта гранита, который «фонит» минимум вдвое против природного фона.

За время эксплуатации «родника» выявилась некоторая неприятная подробность в его конструкции. Несмотря на внешне солидный и надежный корпус, у него оказался весьма уязвимым дисплей. При носке в кармане куртки, на него так или иначе воздействуют другие предметы: ключи, Bluetooth-гарнитура, мелкие монеты и прочее. И в один прекрасный день я увидел на экране здоровую черную кляксу из жидких кристаллов. Казалось, что прибору конец, он сможет работать только как сигнализатор превышения, а вот какой уровень я так никогда и не узнаю!

idealration, rodnki 3, radiation dosimeter, rodnik 3, родник 3, защитное стекло

Защитное стекло до установки (вклейки) для защиты дисплея

Но проблема решилась относительно просто. Путем несложных массирующих движений по экрану, мне удалось вогнать жидкие кристаллы на свои места. А чуть позже, я воспользовался углублением вокруг экрана и вставил туда самодельное органическое стекло заподлицо с корпусом. Получилось не очень красиво, но теперь экрану уже ничего не угрожает.

В последнее время на рынке начали появляться еще более интересные устройства на основе сцинтилляторных детекторов. Такие дозиметры позволяют не только существенно точнее и быстрее реагировать на изменение радиационной обстановки, но и позволяют оценивать дозу с лучшей точностью, нежели устройства на основе детекторов Гейгера-Мюллера. Но от приобретения подобных устройств пока отпугивают высокая цена и посредственное программное обеспечение для смартфонов, а ведь вся соль портативных сцинтилляторов в возможности интеграции со смартфоном и построения карты радиоактивности, просто гуляя или передвигаясь на велосипеде. Но поживем и увидим, как быстро отечественные разработчики смогут адаптировать свои устройства.

Полезные ссылки и материалы

В этом разделе приведу полезные ссылки на интересные ресурсы по теме, которые, в том числе, помогали мне разобраться в непростой теме измерения радиации.

Информация по «моему» стационарному счетчику

  • Хорошее описание DIY счетчика радиации, что продается на Aliexpress. Данная модель является слегка более ранней модификацией платы, что попала ко мне в руки.
  • Спецификации и примеры ПО от автора
  • Еще одна спецификация и примеры ПО от автора
  • Еще одна спецификация и примеры для Arduino

Самодельные счетчики и детекторы радиации

  • Российская страничка со схемами аналогичными MyGeiger.
  • Сцинтилляционный радиометр своими руками. Вообще автор весьма грамотен в области радиации и ее измерения.
  • Еще одна схема сцинтилляционного детектора ионизирующего излучения (с примением фотоэлеткронного умножителя).
  • OpenSource проект доступного счетчика Гейгера.
  • Обсуждение самодельного счетчика Гейгера и публикация сведений на «Народный мониторинг».

Сервисы картографии радиации

Прочее

Российские производители бытовых дозиметров

Под редакцией Д. Д. Бернта

PS. Радиация в повседневной жизни

А что же в обычной жизни? Примерно так спросит въедливый читатель. В обычной-то жизни никакие дозиметры не нужны. Везде тишь, да гладь, за всем следит СЭС. И если что, если вдруг, то бдительные органы найдут, предотвратят и обезвредят. С одной стороны оно и верно, службы действительно бдят. С другой, не могут же они бдеть везде и 24 часа в сутки. У них бывают перерывы, больничные и отпуска. И вот именно тут не стоит попадать и пропадать почем зазря. Приведу лишь некоторые примеры радиоактивных аномалий, которые обнаружить может каждый из читателей, достаточно только проявить немного любопытства.

Граниты

Начнем с любимого многими гранита. В статье я уже упоминал про гранитный мост в Петербурге. Но подобные фонящие камушки есть не только там. Вот, к примеру, брусчатка которая использована для мощения в Детинце (кремль в Великом Новгороде).

rodnik 3, брусчатка, гранит

Родник 3 на брусчатке Детинца

И хоть превышение совсем небольшое, всего-то 0,35 мкЗв/ч, но осадочек остается. Конечно, прогулка по такой гранитной мостовой (мощеной дороге или дорожке) не нанесет никакого вреда здоровью, но постоянное проживание, вдруг кто-то выложит подобным гранитом себе жилое помещение, уже не рекомендуется. Помимо гранита, радиоактивностью в той или иной степени обладают и другие природные материалы. Гранит, как и другие стройматериалы, ранжируются по классам радиационной опасности начиная от 1 (самого слабого) и 5 (не применяемом при строительстве). Нормируются материалы все тем же сводом норм радиационной безопасности.

Радиоактивная бижутерия

Другой пример, связанный с традиционно-нетрадиционной медициной, практикуемой в основном в Китае. Восточный народ давно прознал про полезные свойства небольших доз радиации. От нее и помидоры быстрее колосятся, и кровь по капиллярам скорее разгоняется. Поэтому запихнуть немного источников ионизирующего излучения в какой-нибудь амулет для них плевое дело. И ведь стоят они дороже, чем обычные, не радиоактивные амулеты. Один такой медальон попал ко мне в руки и я принялся его изучать с разных сторон.

радиоактивный медальон, пульт от тв

Вот она, самая популярная модель радиоактивного медальона

Приобретаются такие штуки в основном на AliExpress и в случае единичной закупки никаких вопросов на таможне не возникает. А вот если попробовать протащить партию таких или аналогичных медальонов через границу, то последствия могут наступить не самые радужные.

родник 3, дозиметр, медальойн из китая

Слева на право: фон на столе, фон на МПО из китая, фон непосредственно на медальоне.

При естественном фоне на столе в 0.18 мкЗв/ч уже на поверхности бандерольки из Китая значения существенно выше нормальных. А если удалить пакет и положить дозиметр непосредственно на медальон, то доза в 10 раз превышает нормальные фоновые значения.

радекс, китайский амулет, радиация

Слева направо: обычный фот на столе, Radex посредине, Radex сбоку.

Поскольку в моем арсенале кроме дозиметра Rodnik, есть еще и Radex на двух трубках-счетчиках Гейгера, то я провел измерения и этим, более высокоточным прибором. Фоновые значения Radex дал в 0,14 мкЗв/ч (тут другой стол, да и помещение совсем другое). Если положить дозиметр посредине амулета из Китая, то значения получили немного больше, но все же ниже, чем на "Роднике". В чем же дело? А дело в том, что в Radex две трубки счетчика Гейгера и располагаются они по краям дозиметра. Если положить его четко на амулет, то обе трубки окажутся по краям и будут находиться лишь с краю медальона. Если поместить одну из трубок прямо над артефактом, то значения ионизирующего излучения подрастут еще, но опять окажутся ниже, чем на простеньком дозиметре. Но оно и понятно, при измерении столь малых объектов то одна, то другая трубки счетчика оказываются за пределами объекта и алгоритмы подсчета занижают фоновые показатели (на одну трубку идет поток ионизирующего излучения, а на вторую уже нет).

самодельный дозиметр и китайская радиоактивность

Китайский амулет на крышке корпуса моего самодельного уличного дозиметра.

Следующим шагом было испытание моего уличного китайского радиометра. Я положил амулет просто сверху корпуса над стеклянной трубкой счетчика.

данные по радиацииРезультат не заставил себя ждать, значения моментально поднялись до уровня порядка 0.73-0.75 мкЗв/ч. Что уже выше порога срабатывания тревоги и мне на телефон посыпались предостережения. Но ведь этого мало, необходимо проверить, как же будет реагировать радиометр если поднести амулет вплотную к трубке счетчика. Сказано и тут же, ну почти, сделано.

китайский амулет, счетчик гейгера

Амулет в считанных миллиметрах от стеклянной трубки счетчика.

Прозрачная часть корпуса была удалена, а медальон подвешен прямо перед трубкой радиометра. В качестве прижимного приспособления пришлось использовать брусок точильного камня.

уровень радиации, медальонй, амулет, китай, торий

Значения фона при непосредственной близости медальона к стеклянной трубке счетчика.

Согласно показаниям самодельного радиометра на стеклянном трубчатом счетчике Гейгера максимальное фоновое значение составило 3,17 мкЗв/ч, что примерно в 15 раз больше, чем обычное фоновое значение. Большее значение фона, по сравнению с тем же "родником", обусловлено не другим механизмом подсчета, а другим материалом трубки счетчика. Стекло куда лучше пропускает β-излучение, нежели металл. А ведь согласно изысканиям Олега Айзона, в подобных медальонах используется радиоактивный торий, который активен как раз в β-диапазоне.

различные материалы и родник 3

Фон от амулета при экранировании различными материалами.

Но я не остановился на простом испытании. Хотелось понять, что же способно задержать излучение тория. Помним, что "Родник 3" показывал 2.62 мкЗв/ч вплотную к источнику β-излучения. Если прикрыть амулет отрезом тонкой жести неизвестного происхождения, то уровень излучения незначительно падает. Слой меди 0,2 мм снижает фон на 1.4 мкЗв/ч. Полоса алюминия толщиной в 2 мм режет источник на 1.6 мкЗв/ч. Металлический профиль той же толщины, что и алюминий, дает аналогичный результат. Блин толщиной в 10 мм из латуни ослабляет излучение аж на 2 мкЗв/ч что уже не плохо. Но и тут все еще нет полной защиты. И даже рабочая часть топора спасает не полностью (тут так же не стоит забывать о тормозном излучении). Так что источник  из стекла легкого зеленоватого оттенка в действительности весьма "зол", испускает частицы с высокой энергией. Тут даже не идет никакой речи о защите при помощи слоя оргстекла, если уж и топоры не особо помогают...

удаление, амулет, родник 3

Зависимость фона от удаления от источника ионизирующего излучения.

И наконец, последний тест, показывающий целебное воздействие расстояния на величину радиационной опасности. На 15 сантиметрах удаления от амулета фон составляет 0,32 мкЗв/ч. Что уже выше "нормального" порога в 0.30 мкЗв/ч. Если удалить радиометр от медальона на 30 сантиметров, то фон устаканивается на 0,20 мкЗв/ч. Все в норме. Но тут рано радоваться. Падение значений на приборе при удалении от объекта не говорит о том, что это сантиметры воздуха реагируют с электронами испускаемыми торием и радиация спадает, вовсе нет. Электронное излучение реагирует, конечно же, с газами воздуха, но не так сильно как при α-излучении. Снижение фонового значения происходит в первую очередь со статистическим снижением количеством ионизирующих частиц попадающих на детектор, которое уменьшается по мере удаления от источника. Источник испускает частицы во все стороны более-менее одинаково, но его размеры конечны и малы, даже по отношению к небольшому детектору, поэтому по мере удаления от источника, на детектор попадает все меньше и меньше электронов от амулета.

Радиоактивные бананы

Многие слышали про некий "банановый эквивалент", мол в бананах содержится радиация и если если скушать их много, то может произойти что-то непоправимое. Да, действительно, если скушать очень много бананов, то организму временно поплохеет, от переизбытка калорий и клетчатки. А вот то, что бананы имеют некоторую степень радиоактивности факт неоспоримый. Виной тому является калий-40 (40K) являющийся изотопом обычного калия и содержащийся в нем в виде крошечного процента. Калий — необходимый элемент для большинства живых организмов, поэтому организмы его и потребляют. Некоторые больше, некоторые меньше.

Помимо бананов калий аккумулируется в картофеле, орехах, семечках и прочих культурах. Присутствует калий, включая и калий-40, и в человеке. И не только присутствует, но и дает самое большое внутреннее облучение человеческому организму. Распад калия-40 в подавляющем случае происходит по схеме β-излучения с невысокой энергией, поэтому поймать обычный банан или картофелину на радиоактивности не просто. А вот что действительно можно измерить и получить значения превышающие допустимый фон, так это калийные удобрения.

бийские удобрения, rodnik 3

Буйские удобрения с оксидом калия дают 0.54 мкЗв/час.

Поскольку калий необходим живым организмам, в том числе и растениям, а некоторым растениям он очень необходим (например, калием удобряют лен, клевер и тот же картофель), то в культурном земледелии принято удобрять культуры, в том числе и калийными удобрениями. Соответственно, можно было бы ожидать, что любое удобрение содержащее калий будет слегка "фонить". И это действительно так. Причем, чем сильнее фонит, тем большая концентрация (лучше очистка) калия содержится в удобрении.

Стоит ли опасаться кушать бананы и картофель с орехами и клевером? Нет, не стоит. Человеку нужен калий, без него организм не сможет нормально функционировать. Тем не менее, калия нам требуется ровно определенное количество. Ни больше, ни меньше. Мы не накапливаем калий в организме свыше необходимого уровня. Если в организм попало слишком много калия, то излишек просто из него выведется. Кстати, кроме 40K в организме человека (и других живых существ) присутствует и другой природный радиоактивный элемент 14C. Углерод-14 образуется в атмосфере, затем успешно поглощается растениями, а уже потом переходит в организмы других существ. Активность углерода-14 существенно ниже, чем у калия-40, но также протекает по β-схеме.



Добавить комментарий