Working Geiger Counter W/ Minimal Parts: 4 Steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:37

Här är, såvitt jag vet, den enklaste fungerande Geiger -räknaren som du kan bygga. Den här använder ett ryskt tillverkat SMB-20 Geiger-rör, som drivs av en högspänningskopplingskrets som rånats från en elektronisk flugsmycke. Den detekterar betapartiklar och gammastrålar och avger ett klick för varje radioaktiv partikel eller gammastrålning som den upptäcker. Som du kan se i videon ovan klickar den med några sekunders mellanrum från bakgrundsstrålning, men blir verkligen till liv när strålningskällor som uranglas, thoriumlyktor eller mantlar från rökdetektorer bringas nära. Jag byggde den här räknaren för att hjälpa mig att identifiera radioaktiva element som jag behöver för att fylla i min elementsamling, och det fungerar utmärkt! De enda verkliga nackdelarna med den här räknaren är att den inte är särskilt hög och att den inte beräknar och visar mängden strålning den detekterar i räkningar per minut. Det betyder att du inte får några faktiska datapunkter, bara en allmän uppfattning om radioaktivitet baserat på mängden klick du hör.

Även om det finns olika Geiger -motorkit tillgängliga på nätet, kan du bygga dina egna från början om du har rätt komponenter. Låt oss börja!

Steg 1: Geiger -räknare och strålning: hur allt fungerar

Geigermätaren (eller Geiger-Müller-räknaren) är en strålningsdetektor som utvecklades av Hans Geiger och Walther Müller 1928. I dag känner nästan alla till de klickljud som den gör när den upptäcker något, ofta betraktat som "ljudet" av strålning. Hjärtat i enheten är Geiger-Müller-röret, en metall- eller glascylinder fylld med inerta gaser som hålls under lågt tryck. Inuti röret finns två elektroder, varav en hålls vid högspänningspotential (vanligtvis 400-600 volt) medan den andra är ansluten till elektrisk jord. Med röret i viloläge kan ingen ström hoppa över gapet mellan de två elektroderna inuti röret, så ingen ström flyter. Men när en radioaktiv partikel kommer in i röret, såsom en betapartikel, joniserar partikeln gasen inuti röret, vilket gör den ledande och tillåter ström att hoppa mellan elektroderna för ett kort ögonblick. Detta korta strömflöde utlöser detektordelen av kretsen, som avger ett hörbart "klick". Fler klick betyder mer strålning. Många Geiger -räknare har också en möjlighet att räkna antalet klick och beräkna räkningar per minut, eller CPM, och visa det på en ratt eller avläsning.

Låt oss titta på hur Geiger -räknaren fungerar på ett annat sätt. Den viktigaste principen för Geigermotordriften är Geiger -röret och hur det sätter upp en högspänning på en elektrod. Denna högspänning är som en brant bergssluttning täckt av djup snö, och allt som krävs är en liten strålningsenergi (liknande en skidåkare som går nerför backen) för att starta en lavin. Den efterföljande lavinen bär med sig mycket mer energi än själva partikeln, tillräckligt med energi för att detekteras av resten av Geiger -motkretsen.

Eftersom det förmodligen var ett tag sedan många av oss satt i ett klassrum och lärde oss om strålning, här är en snabb uppdatering.

Materia och atomens struktur

All materia består av små partiklar som kallas atomer. Atomer själva består av ännu mindre partiklar, nämligen protoner, neutroner och elektroner. Protoner och neutroner klumpas ihop i mitten av atomen - denna del kallas kärnan. Elektroner kretsar runt kärnan.

Protoner är positivt laddade partiklar, elektroner är negativt laddade och neutroner bär ingen laddning och är därför neutrala, därav deras namn. I ett neutralt tillstånd innehåller varje atom lika många protoner och elektroner. Eftersom protoner och elektroner bär lika men motsatta laddningar ger detta atomen en neutral nettoladdning. Men när antalet protoner och elektroner i en atom inte är lika blir atomen en laddad partikel som kallas en jon. Geiger -räknare kan upptäcka joniserande strålning, en form av strålning som har förmågan att omvandla neutrala atomer till joner. De tre olika typerna av joniserande strålning är alfa -partiklar, betapartiklar och gammastrålar.

Alfa partiklar

En alfapartikel består av två neutroner och två protoner bundna till varandra och motsvarar kärnan i en heliumatom. Partikeln genereras när den helt enkelt bryts av från en atomkärna och flyger. Eftersom den inte har några negativt laddade elektroner för att avbryta den positiva laddningen för de två protonerna, är en alfapartikel en positivt laddad partikel, kallad en jon. Alfa -partiklar är en form av joniserande strålning, eftersom de har förmågan att stjäla elektroner från sin omgivning och därigenom omvandla de atomer de stjäl från till joner själva. I höga doser kan detta orsaka cellskada. Alfa -partiklar som genereras av radioaktivt sönderfall är långsamt i rörelse, relativt stora i storlek och kan på grund av sin laddning inte passera genom andra saker lätt. Partikeln tar så småningom upp några elektroner från miljön och blir därmed en legitim heliumatom. Så här produceras nästan hela jordens helium.

Betapartiklar

En betapartikel är antingen en elektron eller positron. En positron är som en elektron, men den bär en positiv laddning. Beta-minuspartiklar (elektroner) avges när en neutron förfaller till en proton, och Beta-plus-partiklar (positroner) avges när en proton sönderfaller till en neutron.

Gamma strålar

Gammastrålning är fotoner med hög energi. Gammastrålningar finns i det elektromagnetiska spektrumet, bortom synligt ljus och ultraviolett. De har hög penetrerande kraft, och deras förmåga att jonisera kommer från det faktum att de kan slå av elektroner från en atom.

SMB-20-röret, som vi kommer att använda för detta bygge, är ett vanligt ryskt tillverkat rör. Den har en tunn metallhud som fungerar som den negativa elektroden, medan en metalltråd som löper på längden genom rörets mitt fungerar som den positiva elektroden. För att röret ska kunna upptäcka en radioaktiv partikel eller gammastråle måste den partikeln eller strålen först tränga in i rörets tunna metallhud. Alfa -partiklar kan i allmänhet inte göra detta, eftersom de vanligtvis stoppas av rörets väggar. Andra Geiger -rör som är utformade för att upptäcka dessa partiklar har ofta ett speciellt fönster, kallat Alpha -fönstret, som gör att dessa partiklar kan komma in i röret. Fönstret är vanligtvis gjort av ett mycket tunt lager glimmer, och Geiger -röret måste vara mycket nära Alpha -källan för att kunna ta upp partiklarna innan de absorberas av den omgivande luften. * Suck* Så det är nog med strålning, låt oss börja bygga den här saken.

Steg 2: Samla dina verktyg och material

Tillbehör som behövs:

• SMB-20 Geiger Tube (tillgängligt för cirka $ 20 USD på eBay)
• High Voltage DC Step-up Circuit, bestulen från en billig elektronisk flugsmycke. Detta är den specifika modellen som jag använde:
• Zener -dioder med ett sammanlagt totalvärde på cirka 400v (fyra 100v -enheter skulle vara idealiska)
• Motstånd med ett totalt värde på 5 megohm (jag använde fem 1 megohm)
• Transistor - NPN -typ, jag använde 2SC975
• Piezo -högtalarelement (rånat från en mikrovågsugn eller bullrig elektronisk leksak)
• 1 x AA -batteri
• AA batterihållare
• På/av -omkopplare (jag använde SPST momentary switch från den elektroniska flyswatteren)
• Skrap bitar av elektrisk tråd
• En bit skrot, plast eller annat icke-ledande material att använda som ett underlag för att bygga kretsen på

Verktyg jag använde:

• "Penna" lödkolv
• Hårdlödare med liten diameter för elektriska ändamål
• Hotlimpistol med lämpliga limpinnar
• Avbitartång
• Wire strippers
• Skruvmejsel (för att riva den elektroniska flyswatteren)

Även om denna krets är byggd runt ett SMB-20-rör, som kan upptäcka betapartiklar och gammastrålar, kan den enkelt anpassas för att använda en mängd olika rör. Kontrollera bara det specifika driftspänningsområdet och andra specifikationer för just ditt rör och justera komponenternas värden därefter. Större rör är känsligare än mindre, helt enkelt för att de är större mål för partiklarna att träffa.

Geiger-rör kräver höga spänningar för att fungera, så vi använder DC-steg-kretsen från en elektronisk flugswatter för att öka 1,5 volt från batteriet upp till cirka 600 volt (ursprungligen flög swatteren av 3 volt, släckte cirka 1200v för att zappa flugor. Kör den på högre spänningar så får du en taser). SMB-20 gillar att drivas med 400V, så vi använder zenerdioder för att reglera spänningen till det värdet. Jag använder tretton 33V zenrar, men andra kombinationer skulle fungera lika bra, till exempel 4 x 100V zenrar, så länge summan av zenernas värden är lika med målspänningen, i detta fall 400.

Motstånden används för att begränsa strömmen till röret. SMB-20 gillar ett anodmotstånd (positiv sida) på cirka 5M ohm, så jag använder fem 1M ohm-motstånd. Vilken som helst kombination av motstånd kan användas så länge deras värden ger upp till ca 5M ohm.

Piezo -högtalarelementet och transistorn utgör kretsens detektordel. Piezo -högtalarelementet avger klickljud och de långa trådarna på det gör att du kan hålla det närmare ditt öra. Jag har haft tur att rädda dem från saker som mikrovågor, väckarklockor och andra saker som gör irriterande pipljud. Den jag hittade har ett snyggt plasthölje runt som hjälper till att förstärka ljudet som kommer från den.

Transistorn ökar klickvolymen. Du kan bygga kretsen utan en transistor, men klicken som kretsen genererar kommer inte att vara lika höga (med det menar jag knappt hörbar). Jag använde en 2SC975 -transistor (NPN -typ), men många andra transistorer skulle förmodligen fungera. 2SC975 var bokstavligen bara den första transistorn jag drog ur min hög med bärgade komponenter.

I nästa steg gör vi en rivning av den elektriska flyswatteren. Oroa dig inte, det är lätt.

Steg 3: Demontera Fly Swatter

Elektroniska flugswatters kan skilja sig något i konstruktion, men eftersom vi bara är ute efter elektroniken inuti är det bara att riva sönder den och dra ut tarmarna lol. Swatteren på bilderna ovan är faktiskt något annorlunda än den jag byggde in i disken, eftersom det verkar som att tillverkaren ändrade design.

Börja med att ta bort alla synliga skruvar eller andra fästelement som håller ihop dem och håll utkik efter klistermärken eller saker som batteriluckan som kan dölja ytterligare fästelement. Om saken fortfarande inte öppnas kan det krävas lite nyfikenhet med en skruvmejsel längs sömmarna i dragkroppens plastkropp.

När du väl har öppnat den måste du använda en trådskärare för att klippa av trådarna vid flugzapparens nätnät. Två svarta trådar (ibland andra färger) kommer från samma plats på brädet, var och en leder till ett av de yttre gallren. Dessa är de negativa eller "jordade" trådarna för högspänningsutgången. Eftersom dessa ledningar kommer från samma plats på kretskortet, och vi bara behöver en, gå vidare och klipp av en vid kretskortet och ställ skrottråden åt sidan för senare användning.

Det bör finnas en röd tråd som leder till det inre nätet, och detta är den positiva högspänningsutgången.

De andra ledningarna som kommer från kretskortet går till batterilådan, och den med fjädern på änden är den negativa anslutningen. Ganska enkelt.

Om du tar isär huvudet på strängläggaren, kanske för att separera komponenterna för återvinning, se upp för eventuella vassa kanter på metallnätet.

Steg 4: Konstruera kretsen och använd den

När du har dina komponenter måste du lödda dem tillsammans för att bilda kretsen som visas i diagrammet. Jag varmlimmade allt till en bit klar plast som jag hade lagt runt. Detta ger en robust och pålitlig krets och ser också ganska bra ut. Det finns en liten chans att du kan ge dig själv lite av en rörelse från att vidröra delar av denna krets medan den är strömförande, som anslutningen på piezohögtalaren, men du kan bara täcka anslutningarna med varmt lim om det finns ett problem.

När jag äntligen hade alla komponenter jag behövde för att bygga kretsen slängde jag ihop den på en eftermiddag. Beroende på vilka värden på komponenter du har kan du sluta använda färre komponenter än jag gjorde. Du kan också använda ett mindre Geiger -rör och göra disken väldigt kompakt. Geiger counter armbandsur, någon?

Nu kanske du undrar, vad behöver jag en Geiger -räknare till om jag inte har något radioaktivt att peka på? Räknaren kommer att klicka med några sekunders mellanrum bara från bakgrundsstrålning, som består av kosmiska strålar och sådant. Men det finns några strålningskällor som du kan hitta för att använda din räknare på:

Americium från rökdetektorer

Americium är ett konstgjordt (inte naturligt förekommande) element och används i rökdetektorer av joniseringstyp. Dessa rökdetektorer är mycket vanliga och du har förmodligen några i ditt hem. Det är faktiskt ganska lätt att säga om du gör det, eftersom de alla har orden som innehåller radioaktivt ämne Am 241 gjutet i plasten. Americium, i form av americiumdioxid, är pläterat på en liten metallknapp inuti, monterad i ett litet hölje som kallas joniseringskammaren. Americium brukar pläteras över med ett tunt lager guld eller annan korrosionsbeständig metall. Du kan öppna rökdetektorn och ta ut den lilla knappen - det är vanligtvis inte särskilt svårt.

Varför strålning i en rökdetektor?

Inuti detektorns joniseringskammare sitter två metallplattor mittemot varandra. Fäst på en av dem är americium -knappen, som avger en konstant ström av alfapartiklar som korsar ett litet luftgap och sedan absorberas av den andra plattan. Luften mellan de två plattorna blir joniserad och är därför något ledande. Detta gör att en liten ström kan flöda mellan plattorna, och denna ström kan avkännas av rökdetektorns kretsar. När rökpartiklar kommer in i kammaren absorberar de alfapartiklarna och bryter kretsen och utlöser larmet.

Ja, men är det farligt?

Strålningen som avges är relativt godartad, men för att vara säker rekommenderar jag följande:

• Förvara americium -knappen på ett säkert ställe på avstånd från barn, helst i en barnsäker behållare av något slag
• Rör aldrig vid ansiktet på knappen som americium är pläterad på. Om du av misstag vidrör knappens yta, tvätta händerna

Uranglas

Uran har använts i oxidform som tillsats till glas. Den mest typiska färgen på uranglas är sjukt blekt gulgrönt, vilket under 1920-talet ledde till smeknamnet "vaselinglas" (baserat på en upplevd likhet med utseende av vaselin som det formulerades och såldes kommersiellt vid den tiden). Du kommer att se det märkt som "vaselinglas" på loppisar och antikaffärer, och du kan vanligtvis be om det med det namnet. Mängden uran i glaset varierar från spårnivåer till cirka 2 viktprocent, även om några bitar från 1900-talet tillverkades med upp till 25% uran! Det mesta uranglaset är bara väldigt lite radioaktivt, och jag tror inte att det är alls farligt att hantera.

Du kan bekräfta glasets uranhalt med ett svart ljus (ultraviolett ljus), eftersom allt uranglas fluorescerar ljusgrönt oavsett vilken färg glaset visas under normalt ljus (vilket kan variera mycket). Ju ljusare en bit lyser under ultraviolett ljus, desto mer uran innehåller den. Medan bitar av uranglas lyser under ultraviolett ljus, avger de också sitt eget ljus under alla ljuskällor som innehåller ultraviolett (som solljus). De ultravioletta våglängderna med hög energi träffar uranatomerna och driver sina elektroner till en högre energinivå. När uranatomerna återgår till sin normala energinivå, avger de ljus i det synliga spektrumet.

Varför uran?

Upptäckten och isoleringen av radium i uranmalm (pitchblende) av Marie Curie utlöste utvecklingen av uranbrytning för att extrahera radium, som användes för att göra glöd-i-mörk-färger för klock- och flygplanskivor. Detta lämnade en enorm mängd uran som avfallsprodukt, eftersom det tar tre ton uran att extrahera ett gram radium.

Thorium campinglykta mantlar

Thorium används i campinglyktor, i form av toriumdioxid. Vid uppvärmning för första gången brinner polyesterdelen av manteln bort, medan toriumdioxiden (tillsammans med andra ingredienser) behåller formen på manteln men blir en sorts keramik som lyser vid uppvärmning. Thorium används inte längre för denna applikation, avbryts av de flesta företag i mitten av 90-talet och har ersatts av andra element som inte är radioaktiva. Thorium användes eftersom det gör mantlar som lyser mycket starkt och att ljusstyrkan inte riktigt matchas av de nyare, icke-radioaktiva mantlarna. Hur vet du om manteln du har verkligen är radioaktiv? Det är där Geiger -räknaren kommer in. De mantlar som jag har stött på gör Geiger -räknaren galen, mycket mer än uranglas eller americium -knappar. Det är inte så mycket att thorium är mer radioaktivt än uran eller americium, men det finns mycket mer radioaktivt material i en lyktmantel än i de andra källorna. Därför är det verkligen konstigt att stöta på så mycket strålning i en konsumentprodukt. Samma säkerhetsåtgärder som gäller för americium -knapparna gäller även lyktmantlarna.

Tack för att du läser, alla! Om du gillar det här instruerbara, deltar jag i tävlingen "bygg ett verktyg" och skulle verkligen uppskatta din röst! Jag vill också gärna höra från dig om du har kommentarer eller frågor (eller till och med tips/förslag/konstruktiv kritik), så var inte rädd för att lämna dem nedan.

Särskilt tack till min vän Lucca Rodriguez för att göra det vackra kretsschemat för detta instruerbart.