Демонстрационный радиометр

Радио, 1969, №10

В этой статье описывается схема самодельного радиометра - прибора, позволяющий измерять радиоактивное излучение.

Явление радиоактивности и свойства ионизирующих излучений стали предметом изучения в курсах физики восьмилетней, средней и высшей школы. Элементарные представления о строении атома и радиоактивности даются учащимся уже в VIII классе. Углублённому изучению этих вопросов, а также методов регистрации радиоактивных излучении посвящается значительная часть программы X класса. В дополнение к основному курсу X класса введён факультативный курс «Физические основы электроники», в котором, наряду с другими вопросами, предусмотрено изучение счётчика элементарных частиц.

Ниже описывается самодельный демонстрационный радиометр, используемый для учебных целей в Ивано-Франковской средней школе № 14. Прибор позволяет регистрировать и измерять β-излучения с энергией выше 0,5 Мэв и γ-излучения. Диапазон измеряемых мощностей дозы 0-0,5 мкр/секу пороговая чувствительность прибора - 0,01 мкр/сек. Видов индикации излучения три: визуальная - по вспышкам тиратрона типа МТХ-90, звуковая - на телефон, и количественная - с помощью внешнего измерительного прибора.

Принципиальная схема радиометра

Принципиальная схема радиометра показана на рис. 1. Прибор состоит из газоразрядного галогенного счётчика, являющегося детектором излучения, тиратронного усилителя-нормализатора импульсов счётчика и источника питания, роль которого выполняет транзисторный преобразователь напряжения.

Преобразователь напряжения представляет собой блокинг-генератор на транзисторе Т1, с питанием от батареи Б1. Импульсы высокого напряжения, возникающие на повышающей обмотке 4-6 трансформатора Tp1, поступают на выпрямитель с умножением напряжения. Высокое положительное напряжение (около 380 В) на анод счётчика подаётся через его нагрузочный резистор R6.

В исходном состоянии радиометра постоянная составляющая напряжения преобразователя через резистор R9 заряжает конденсатор С11 до 140-150 В, а переменная составляющая приложена к пьезотелефону Тлф1, который воспроизводит тон пульсаций преобразователя. Вследствие протекания слабого тока через резистор R7, между управляющим электродом и катодом тиратрона Л1 устанавливается подготовительный разряд.

Воздействующее на счётчик радиоактивное излучение вызывает ионизацию наполняющего его газа, вследствие чего проводимость счётчика увеличивается, и напряжение на нём резко падает. Отрицательный перепад напряжения на счётчике, продифференцированный конденсатором С9, поступает на управляющий электрод тиратрона в виде кратковременного импульса, под влиянием которого разряд на участке управляющий электрод-катод лампы усиливается. Это приводит к ионизации промежутка анод - катод и разряду через него конденсатора C11, что сопровождается яркой вспышкой тиратрона. Одновременно изменяется величина напряжения на телефоне Тлф1 и возникает громкий щелчок. По окончании разряда конденсатора С11 происходит деионизация газа в тиратроне и восстановление заряда на С11, после чего радиометр готов к регистрации следующего импульса.

При каждой вспышке тиратрона заряд, накопленный ранее конденсатором С11, передаётся конденсатору С10, так что напряжение на нём пропорционально частоте вспышек тиратрона, и следовательно, мощности дозы регистрируемого излучения. Микроамперметр, подключаемый к конденсатору С10 через интегрирующую цепочку R11С12, может быть проградуирован в единицах мощности дозы.

Измерительный прибор присоединяют к радиометру через гнёзда Гн1 и Гн2, зашунтированные резистором R12, который предотвращает пробой конденсаторов С10 и C12 в случае длительного накопления на них заряда при отключённом от радиометра измерительном приборе.

Конструкция и детали. Радиометр смонтирован на прямоугольной плате из полистирола (пригодны органическое стекло, гетинакс) размерами 210х95х2 мм. Все детали расположены на лицевой стороне панели, а соединения сделаны с другой стороны панели.

Для защиты от повреждений и загрязнений радиометр заключён в пластмассовый корпус с прозрачной полистироловой крышкой, через отверстия в которой проходит ручка выключателя питания Вк1, спаренного с регулятором выходного напряжения преобразователя (переменным резистором R4). В крышке имеются также отверстия для соединительной вилки измерительного прибора.

Тонкий слой полистирола практически не ослабляет γ-излучения и мало ослабляет жёсткое β-излучение, что позволяет облучать счётчик радиометра, не снимая крышки. Достаточно проницаемая для излучений крышка может быть изготовлена из тонкого органического стекла.

В радиометре применены резисторы типа МЛТ, конденсаторы типа КДС, КТК, МБМ, ЭМ. Сопротивление резистора R7 монет быть в пределах от 20 до 50 Мом. Если не окажется резисторов подходящих номиналов, их можно составить из нескольких, соединяя их последовательно.

Телефон Тлф1 - пьезоэлектрический любого типа. Обратимость пьезоэффекта позволяет использовать в приборе пьезомикрофон, например от слухового аппарата. Можно также применить электромагнитный телефон, включив его вместо резистора R8.

В описываемом радиометре можно применить любой галогенный счётчик излучений с рабочим напряжением 360-440 В. Наиболее доступны счётчики типа СТС-6 и СТС-5, регистрирующие β- и γ-излучения, и СТС-1 и СТС-8, регистрирующие γ-излучение.

Источником питания радиометра служит один элемент батареи типа КБС-Л-0,50. Пригодны элементы и других типов.

Трансформатор Тр1 преобразователя напряжения самодельный. Он намотан на сердечнике из электротехнической стали сечением 0,5 см2 (можно увеличить до 1-1,5 см2). Обмотка 1-2 содержит 50 витков провода ПЭВ 0,25, обмотка 2-3 - 125 витков ПЭВ 0,1, обмотка 4-5 - 6000 витков ПЭВ 0,05-0,08 и 5-6 - 2000 витков ПЭВ 0,05-0,08. Обмотки 1-2 и 2-3 намотаны виток к витку, а обмотки 4-5 и 5-6 «внавал». Повышающая обмотка (4-6) должна быть отделена от низковольтных слоем лакоткани или тремя - четырьмя слоями парафинированной бумаги. Один слой такой бумаги прокладывается через каждые 1000 витков повышающей обмотки. После сборки трансформатора его следует пропитать расплавленным парафином, а ещё лучше - церезином.

В качестве стрелочного измерительного прибора может использоваться любой микроамперметр на ток 50-100 мкА с достаточно большой шкалой или демонстрационный гальванометр.

Налаживание. После проверки монтажа вынимают из радиометра счётчик, включают питание и проверяют наличие подготовительного разряда (слабое свечение тиратрона). Уменьшая сопротивление резистора R4, увеличивают выходное напряжение преобразователя (возрастает яркость свечения тиратрона). При этом не должно происходить самопроизвольных вспышек тиратрона, а если они возникают, то нужно уменьшить сопротивление резистора R10 (для удобства подбора сопротивления резистор R10 составлен из двух, соединённых последовательно). Затем следует убедиться в исправной работе тиратронного усилителя нормализатора импульсов путём прикосновения к выводу управляющего электрода тиратрона: каждое прикосновение должно сопровождаться вспышкой тиратрона и щелчком в телефоне.

После этого можно присоединить счётчик и отрегулировать напряжение на нём резистором R4 до появления непериодических вспышек тиратрона; с возрастанием напряжения вспышки учащаются. Если регулировка частоты вспышек резистором R4 не получается или они вообще отсутствуют, необходимо поменять местами выводы 4 и 6 повышающей обмотки трансформатора. При нормальной работе радиометра происходит 20-40 вспышек тиратрона в минуту, что соответствует регистрации радиометром уровня естественного радиоактивного фона. Если вспышки следуют с большей частотой и уменьшить её с помощью резистора R4 не удаётся, то необходимо верхний (по схеме) проводник выпрямителя перепаять на вывод 5 повышающей обмотки трансформатора.

При подключении к радиометру микроамперметра, его стрелка должна отклониться на 5-10 мкА, что соответствует регистрации радиоактивного фона. Приближение к счётчику радиоактивного препарата вызывает немедленное учащение вспышек тиратрона и щелчков телефона. Одновременно происходит увеличение тока через микроамперметр, но его показания достигают окончательного значения лишь спустя несколько секунд после начала облучения счётчика, так как постоянная времени цепи C10R11Cl2 велика. Если такая большая инерционность нежелательна, нужно уменьшить ёмкости конденсаторов C10 и С12.

В заключение подбирают сопротивление резистора R6 так, чтобы при фиксированном положении радиоактивного препарата относительно счётчика показания микроамперметра были максимальными (для облегчения подбора номинала резистора R6 он составлен из двух резисторов).

Напряжения на аноде счётчика и на аноде тиратрона, указанные на принципиальной схеме, можно измерить лишь с помощью высокоомного (лампового или транзисторного) вольтметра.

Для демонстраций с применением радиометра могут применяться любые источники β- и γ-излучений, например часы с циферблатами, покрытыми светосоставами постоянного действия, а также светящиеся шкалы и стрелки некоторых измерительных приборов.

Конструктивное оформление радиометра и применяемые в нём детали могут отличаться от описанных выше, так как выбор их определяется конкретным назначением прибора. Например, при использовании радиометра только для аудиторных демонстрации, он может быть выполнен для большей наглядности из крупногабаритных деталей. Если же требуется носимый вариант радиометра, то рекомендуется сохранить указанные здесь габариты и компоновку деталей, целесообразность которых подтверждена опытом эксплуатации прибора.

В. Ринский

BACK