Разработка модели детектора ионизирующего излучения



II Областной конкурс научных работ «Формирование молодежной научно-интеллектуальной элиты России»

Разработка модели детектора

ионизирующего излучения.

Направление: науки естественно-научного цикла

Выполнил: Воронов Дмитрий Евгеньевич, 11 А класс

МБОУ «Гимназия №1»

г. Курчатова Курской области

Научный руководитель: Ильчук Ирина Анатольевна, учитель физики МБОУ «Гимназия №1»

г. Курчатова Курской области

г. Курчатов, 2013 год

СОДЕРЖАНИЕ.

Введение

Обоснование выбора задачи…………………………………………………3

Теоретическая часть работы

Описание характеристик детектируемого излучения …………………….. 6

Детекторы ионизирующего излучения………………………………………7

Практическая часть работы

Модель первая « Grad 1»…………………………………………………….…10

Модель вторая « Grad 2»…………………………………………………….…11

— Этапы сборки счетчика ионизирующего излучения ……………………………12

— Проверка работоспособности счетчика ……………………………………13

4. Заключение……………………………………………………………………..15

5. Список литературы………………………………..…………………………….16

Введение

Обоснование выбора задачи: В наш век техногенных катастроф, очень важно защитить себя от их последствий. В последнее время часто обсуждается тема радиационной опасности.  При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной скорой гибели организма. Радиация невидима, и в этом ее коварство. Только электроника поможет ее обнаружить.

Не может остаться без внимания случай произошедший в Челябинской области. Упавший метеорит безусловно влечет за собой

повышение радиационного

фона.

Примеры из пресс-релизов Концерна «Росэнергоатом»:

«Радиационный фон на АЭС и прилегающей территории находится на уровне, соответствующем нормальной эксплуатации энергоблоков, и не превышает естественных фоновых значений».

«Радиационный фон на промплощадке и в зоне наблюдения составляет 8-14 мкЗв/ч, что соответствует естественным фоновым значениям».

«Значения радиационного фона в наблюдаемой зоне соответствуют естественному. Различие уровней радиационного фона в населенных пунктах наблюдаемой зоны обусловлено, в основном, различным содержанием естественных радионуклидов в почвах, прилегающих к местам размещения постов АСКРО. Изменения величины радиационного фона в течение суток обусловлены изменениями погодных условий в данном населенном пункте: направления и силы ветра, солнечной или пасмурной погоды, запыленности и т.д.».

В официальных сообщениях о нарушении в работе АЭС, как правило, говорится, что радиационный фон соответствует естественным фоновым значениям. Это действует успокаивающе, хотя с точки зрения русского языка фраза не идеальная, и широкая публика вряд ли ее понимает. Это непонимание обнаруживается, например, в следующих высказываниях журналистов:

«В настоящее время трубопровод отремонтирован, получено разрешение от вышестоящей организации и Госатомнадзора на пуск энергоблока, ведутся работы по его подготовке к пуску» — заявил представитель АЭС. Естественный радиационный фон на территории станции и в помещениях блока остался без изменений, добавил он».

СПРАВКА. Естественный радиационный фон не должен превышать 20-25 мкР/ч, а предельно допустимый уровень радиационного фона составляет 50 мкР/ч. Гранитные породы, например, могут давать фон до 30-40 мкР/час и более. В Финляндии естественный радиационный фон достигает 50 мкР/час в связи с многочисленными выходами на поверхность скальных пород.

Получив сведения о том или ином значении радиационного фона, обычный человек может заключить, есть опасность или нет, только одним способом — сравнив это значение с «безопасным», «допустимым» уровнем. Здесь и кроется проблема — некомпетентность граждан в вопросах радиационного нормирования. 

Я живу в городе Курчатове – спутнике Курской атомной электростанции. В центре города на здании гостиницы Россия установлен индикатор радиационного фона. Мной был проведен социологический опрос среди жителей близлежащего микрорайона.

Цель соцопроса: выявить степень осведомленности и уровень знаний граждан в вопросах радиационного нормирования. 

Проведенный соцопрос показал: большинство респондентов не обладают достаточными знаниями для сравнения значения радиационного фона с «безопасным», «допустимым» уровнем.

Мы решили изготовить счетчик, позволяющий простому обывателю определить, превышает ли уровень радиации естественный радиационный фон.

Цели работы:

— изучить вопрос радиационного нормирования;

— ознакомиться с характеристиками детектируемого излучения и видами счетчиков ионизирующего излучения;

— разработать и собрать модель счетчика ионизирующего излучения.  

Теоретическая часть работы

По статистическим данным от естественного источника излучения (солнца) мы получаем следующие дозы облучения:

Если за условную единицу принять уровень облучения в Москве в течении часа, то в Сочи на морском побережье он составит в 30 раз меньше. Жители гор получают уровень радиации в 2 больше москвичей. Доза, набранная в авиалайнере на высоте 12 км в 50 раз больше столичного эталона. Летчики сверхзвукового самолета на высоте 20 км хватают в час дозу в 130 раз больше, чем среднестатистический москвич.

Описание характеристик детектируемого излучения:

γ-излучение — вид электромагнитного излучения с малой длиной волны (менее 5·10−3 нм). У данного излучения ярко выражены корпускулярные свойства и слабо — волновые.

γ-квантами являются фотоны с высокой энергией. Энергия квантов γ-излучения превышают 105 эВ.

γ-излучение испускается ядрами атомов при α- и β- распадах природных искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (α- и β-частицей). Этот избыток энергии мгновенно высвечивается в виде γ-квантов. Кроме того, γ-кванты образуются при антигиляции позитрона и электрона. Т.е. γ-излучения – это поток электромагнитных волн (квантов), который излучается в процессе радиоактивного распада при изменении энергетического состояния ядер. γ-лучи, в отличие от α-лучей и β-лучей, не отклоняются электрическими и магнитными полями, характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях. γ-кванты вызывают ионизацию атомов вещества.

Основные процессы, возникающие при прохождении γ-излучения через вещество:

— фотоэффект — энергия γ-кванта поглощается электроном оболочки атома, и электрон, совершая работу выхода, покидает атом (который становится ионизированным).

эффект Комптона — γ-квант рассеивается при взаимодействии с электроном, при этом образуется новый γ-квант, меньшей энергии, что также сопровождается высвобождением электрона и ионизацией атома.

эффект образования новой пары — γ-квант в поле ядра превращается в электрон и позитрон.

ядерный фотоэффект — явление испускания ядрами нуклонов из ядра при фотоядерных реакциях, которые происходят при поглощении γ-квантов ядрами атомов.

Зарегистрировать γ-кванты можно с помощью ряда детекторов ионизирующего излучения: сцинтилляционные счетчики, газовые и полупроводниковые детекторы.

Детекторы ионизирующего излучения.

Счётчик Гейгера — Мюллера необходим для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. Работа счетчика основана на ударной ионизации γ-квантов, испускаемых радиоактивным изотопом. Попадая на стенки счетчика они выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Сцинтилляционные счетчики прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, γ-квантов, мезонов и т. д.). Принцип действия основан на способности некоторых материалов преобразовывать ядерное излучение в свет. Поэтому на основе сцинтилляционного материала и оптического детектора фотонов можно реализовать датчик радиоактивных излучений. Следует отметить, что, несмотря на высокую эффективность преобразований, интенсивность полученного в результате облучения материала света всегда очень мала. Поэтому в состав сцинтилляционных датчиков для усиления сигнала до требуемого уровня обычно входит фотоумножитель.

В сцинтилляционном счетчике заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны. Фотоны, попадая на катод фотоэлектронного умножителя, выбивают электроны, в результате чего на аноде фотоумножителя возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется. Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, γ-квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и γ-квантов с атомами сцинтиллятора.

Газовые детекторы основаны на способности некоторых газов и твердых тел вырабатывать ионные пары при воздействии на них ионизационного излучения. Далее положительные и отрицательные ионы при помощи электростатического поля отделяются друг от друга и их количество измеряется. Благодаря хорошей чувствительности к излучениям разных видов, относительной простоте и дешевизне являются широко распространенными приборами регистрации излучений.

Полупроводниковые детекторы детектор частиц, основным элементом которого является p-n-переход. Среди современных детекторов радиационных излучений обладают наилучшей разрешающей способностью. В полупроводниковых материалах основными носителями информации являются пары электрон-дырка, создаваемые вдоль траектории полета заряженной частицы через детектор. Заряженная частица может быть либо первичным излучением, либо вторичной частицей. Пары электрон-дырка в некотором отношении являются аналогами ионных пар в газовых детекторах. Когда к полупроводниковому материалу приложено электрическое поле, созданные носители зарядов начинают перемещаться в определенных направлениях, что означает возникновение электрического тока. Датчики, построенные на этом принципе, называются твердотельными или полупроводниковыми диодными детекторами. Вне зависимости от механизма формирования пар электрон-дырка на создание одной пары первичная заряженная частица затрачивает одинаковую среднюю энергию, которую часто по аналогии с газоразрядными детекторами называют «энергией ионизации».

Практическая часть работы.

Так как предполагается, что наш счетчик будет снабжен звонком или контрольной лампочкой, то его без особых навыков сможет использовать обучающийся школы, простой обыватель, а также младший технический персонал АЭС.

Разработка модели детектора ионизирующего излучения.

Модель первая «Grad

Нами была изготовлена экспериментальная модель индикатора радиации с помощью подручных средств. Изготовленный индикатор, можно использовать в качестве замены трубки счетчика Гейгера.  Сама трубка счетчика Гейгера  довольна дорогостоящая и редка.  Особенность трубки счетчика Гейгера в том, что она линейно может выдавать импульсы в зависимости от радиационного фона от единиц микрорентген  и до сотен рентген. Но простому обывателю совсем не нужно знать точно уровень радиации в таком широком диапазоне, а достаточно только определить, что она есть и превышает естественный фон.

Данная модель состоит из металлического корпуса, в который мы поместили изогнутый стальной стержень, изолируемый пластмассовой пробкой (так чтобы стержень не касался корпуса). Далее к стержню прикрепляется полевой транзистор КП302А, к которому последовательно подсоединяется обычный тестер сопротивления.

С помощью контрольного препарата проверили модель на работоспособность.

На фотографии видим, что прибор работает!!!

Принцип работы нашего прибора аналогичен принципу работы счетчика Гейгера-Мюллера.

γ-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки корпуса, выбивают из него электроны, тем самым создается небольшое сопротивление, что и показывает тестер (0,05).

Самодельный счетчик эффективен лишь на очень близком расстоянии от источника ионизирующего излучения.

Модель вторая «Grad

На следующем этапе нашей работы был сделан более точный и эффективный прибор, фиксирующий гамма-излучения в окружающей среде (граните, в местах с повышенным радиационным фоном и т.д.).

Естественно, что обывателю совсем не нужно знать точно уровень радиации в таком широком диапазоне, а достаточно только определить, что она есть и превышает естественный фон.  Для работы трубки счетчика Гейгера необходимо высокое напряжение. Был собран преобразователь  по следующей схеме:

В схеме использован транзистор, разработанный специально для ключевых схем.  Область применения — линейные и импульсные схемы широкого специального применения. Он обладает очень низким напряжением насыщения КЭ. Трансформатор выполнен на броневом магнитопроводе из феррита 2000НМ. Вторичная обмотка выполнена проводом 0,08 и состоит из 3 слоев по 180 витков, для исключения межвиткового пробоя. Первичная обмотка состоит из 13 витков, с отводом от верхнего конца на 5-м витке. Частота работы генератора около 100Гц.  Высоковольтные импульсы выпрямляются двумя включенными последовательно диодами кд102А с обратным напряжением 250 вольт и чрезвычайно низким обратным током- 0,1мкА, которым мало какие современные диоды могут похвастаться. Применение других диодов приведет к созданию дополнительной нагрузки на преобразователь и повышению потребляемого им тока.  Накопительный конденсатор заряжается до напряжения 360 вольт, при входном напряжении преобразователя 9 вольт и входном токе 0,7 мА.  Положительно заряженный  полюс конденсатора подключается к спице, а медная проволока датчика, которая  служит  отрицательным полюсом,- к резистору R2.  При отсутствии излучения ток через  R2  не протекает.

При попадании в счетчик  ионизирующей частицы, в нем происходит разряд и в этот момент через него протекает небольшой импульс тока. Для того, чтобы «озвучить» этот импульс параллельно резистору R2 мы планируем подключить звукоизлучатель от звонка телефона. При прохождении частиц происходит ионизация газа и возникает разряд, который будет слышен в излучателе (щелчок).

Этапы сборки счетчика ионизирующего излучения.

Рассмотрим этапы сборки нашего счетчика.

Подготовка пластины к пайке.

На пластину из фольгированного текстолита (размер 10х12 см) нанесли схему нашего счетчика. Затем нарисованные дорожки были покрыты цапонлаком. Данную пластину опустили в раствор хлорного железа (порошок коричневого цвета). Приблизительно через час раствор съел всю медную фольгу, оставив только дорожки, покрытые цапонлаком.

Пайка схемы счетчика.

У нужных местах схемы были просверлены тонкие отверстия, чтобы закрепить необходимые детали счетчика. Затем все пропаяли оловом. По окончании пайки дорожки были покрыты цапонлаком.

Оформление счетчика.

Для придания более эстетичного вида счетчику изготовили пластмассовую коробочку – корпус, которую впоследствии покрасили в черный цвет. Чтобы хорошо были слышны щелчки в корпусе, сделали несколько отверстий в том месте, где расположен пьезокерамический излучатель.

Проверка работоспособности счетчика

При включении собранного нами счетчика мы слышим редкие щелчки. В среднем слышно 1-2 разряда в секунду. Это соответствует естественному радиационному фону. При нормальном, естественном радиационном фоне будет не более 25-ти щелчков в минуту, что соответствует 15 мкР / час. Если при поднесении к какому-то предмету частота щелчков резко увеличивается, это говорит о том, что он имеет собственную радиоактивность.

Контрольный препарат позволяет проверить работоспособность нашего счетчика. При поднесении данного контрольного препарата к собранному счетчику частота щелчков редко возрастает. Следовательно, данный препарат обладает собственной радиоактивностью. Также будут учащаться щелки в случае повышения радиационного фона.

Данный контрольный препарат излучает β и γ частицы. Доказательством этого служит следующий проведенный опыт.

Если в момент поднесения препарата к собранному счетчику, на пути частиц поместить лист бумаги, сложенный в несколько слоев, то частота щелчков уменьшается. При излучении препаратор α-частиц щелчки бы прекратились совсем. Значит контрольный препарат излучает β и γ частицы.

Заключение.

Принцип работы нашего прибора аналогичен принципу работы счетчика Гейгера-Мюллера.

Широкое применение счётчика Гейгера—Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать разного рода излучения, сравнительной простотой и дешевизной установки. Счётчик был изобретен в 1908 году Гейгером и усовершенствован Мюллером.

Собранный нами прибор еще более прост в обращении и дешев в изготовлении. При этом решает свою главную задачу: позволяет определить радиационный фон соответствует естественному или он повышен.

Мы считаем, что поставленная мной цель, в процессе работы была решена.

Работникам АЭС, школьнику и даже домохозяйке следует знать, что такое радиационный фон, опираясь на следующие факты:

Измеряемыйрадиационныйфон

=

Фон от природныхисточников и прошлых аварий

+

Фон от работыАЭС

При нормальной эксплуатации АЭС второе слагаемое пренебрежимо мало по сравнению с первым. При тяжелой аварии на АЭС второе слагаемое намного больше первого.

В наш век бурного развития информационных технологий всегда можно ознакомиться с уровнем радиации в любой точке страны на сайте http://www.russianatom.ru/ .

Список литературы.

В. Э. Дрейзин «Спектрометрические измерения ионизирующих излучений», учебное пособие

В.Э.Дрейзен «ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ»

Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом по теме: СОЗДАНИЕ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ДОЗИМИТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ СПЕЦОБЪЕКТОВ С ЯДЕРНЫМИ РЕАТОРАМИ НА ИХ ОСНОВЕ (промежуточный) 2009-1.1-226-012-009



Архангельской Ю.С. « ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

Лекция составлена доцентом кафедры физики и математики

http://radio-hobby.org/modules/news/article.php?storyid=1022

http://glossary.ibrae.ac.ru/index.php/%D0%A4%D0%BE%D0%BD

http://www.russianatom.ru/

http://www.allbest.ru








sitemap
sitemap