XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Измерение радиационного поля окружающих предметов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Цель проекта: создать портативный дозиметр и провести исследование радиационного поля окружающих предметов.
Задачи проекта:
Изучить и проанализировать материалы в сети Интернет о радиации, способах ее измерения, счетчиках Гейгера-Мюллера;
Ознакомиться с технической документацией на программно-аппаратный комплекс Arduino;
Создать прототип устройства и написать программу для его работы;
Осуществить настройку прибора;
Провести исследование радиационного фона окружающих предметов;
Сделать вывод и оценить проделанную работу.
АКТУАЛЬНОСТЬ
Тема изучения радиоактивного излучения выбрана мной не случайно. Только в эпоху развитого информационного общества человечество начало понимать опасность использования радиационных материалов в глобальных масштабах. Это не значит, что люди раньше не понимали опасность радиационного воздействия на биологические объекты, но это скорее был удел узкого круга специалистов (военных, медиков, ученых), а не широких слоев общества. Первое понимание, наверное, пришло во время катастрофы на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Именно эта катастрофа показала, какие социальные, моральные, этические, экономические издержки несет неконтролируемый атом. Но это случилось уже более 30 лет назад. Однако «недавняя» авария на АЭС Фукусима-1 в Японии в 2011 году, только подтвердила тезис о том, что и с «мирным» атомом при ненадлежащем обращении шутки плохи. После этого был зафиксирован всплеск интереса в информационных сообществах к проблемам радиации и мерах защиты от нее. Кроме интереса к истории радиационных аварий, появились вопросы о доступности «неконтролируемых» источников радиации и вероятности встречи с ними. И оказалось эта вероятность не так уж мала. Сюда можно отнести выпадение «горячих» частиц (даже в виде следов) и их попадание в организм человека и животных с пищей, использование радиационных материалов в различных приборах (которые после окончания эксплуатации нередко выбрасываются, например, датчики дыма), промышленных изделиях, медицине и т.д.
Вокруг нас существует достаточное количество радиоактивных материалов, с которыми мы можем столкнуться. Всего несколько примеров.
Сканеры аэропорта – за одно мгновение можно получитьдозу радиации, аналогичную той, что получает пассажир самолёта, летящего на высоте 8-12 тысяч метров за два часа полёта - ~ 0,1 - 0,2 мкЗв/ч;
Старая советская посуда, которая сделана с добавлением уранового стекла, излучает приличную дозу радиации – 1,5 мкЗв/ч.
Объективы некоторых фото/видеокамер. Добавление к стеклу оксида тория улучшает его оптические характеристики. Излучают такие объективы дозу - 2 мкЗв/ч.
«Ториевые» электроды, используемые в электросварке. Добавка радиоактивного тория облегчает зажигание электрической дуги.
Напомним, что нормой полученной радиации в год для человека является 2-2.5 мЗв.
Радиация губительно действует на биологические объекты, разрушает ДНК, приводит к генетическим изменениям клеток. Из-за того, что ДНК повреждаются, клетки человека не могут адекватно делиться. При получении высокой дозы радиации клетки не успевают регенерироваться и чаще всего это приводит к отказу некоторых органов и гибели организма, либо к мутациям.
Изучая источники в сети интернет, я задался вопросом: «Каким образом, мы можем измерять радиационное поле предметов, находящихся вокруг нас?». Оказывается, для этого существует специальный прибор – дозиметр. К сожалению, практически все приборы высоки по стоимости. Я поставил для себя задачу: создать бюджетный дозиметр для получения данных о радиационном воздействии и провести измерение радиационного фона окружающих нас предметов.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА
Для начала предлагаю разобраться, что такое радиация?
Радиация или ионизирующее излучение — исходящий от любого источника поток частиц, квантов электромагнитного излучения, приводящее к ионизации атомов и молекул вещества. К ионизирующему излучению относятся ультрафиолетовое, рентгеновское и радиоактивное излучение. Далее мы будем рассматривать только последний вид излучения, которое возникает при радиоактивном распаде атомных ядер.
Ионизацией называют процесс отрыва электронов от атомов. В результате ионизации из нейтральных атомов или молекул образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны.
Первооткрывателем радиоактивного излучения стал французский ученый Анри Беккерель, который обнаружил, что после продолжительного соприкосновения фотографических пластинок, завернутых в темную бумагу, с куском минерала, содержащего уран, после проявления на пластинках появились отпечатки минерала. Так появилась мысль об излучении ураном невидимых лучей. В 1898 году другие французские ученые Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри выделили из уранового минерала два новых вещества, радиоактивных в гораздо большей степени, чем уран. Так были открыты два неизвестных ранее радиоактивных элемента - полоний и радий. За открытие этих элементов они получили Нобелевскую премию.
Подробно изучил радиоактивное излучение радия английский физик Эрнст Резерфорд. Он установил три типа радиоактивного излучения и изучил их свойства.
Альфа-излучение представляет собой ядра гелия, которые испускаются при радиоактивном распаде элементов тяжелее свинца или образуются в ядерных реакциях. Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью: полностью задерживаются слоем воздуха толщиной несколько сантиметров или листом обычной бумаги. При облучении человека они проникают лишь на глубину поверхностного слоя кожи. Однако, очень опасны при внутреннем облучении, например, при попадании в организм с пищей или воздухом.
Бета-излучение – это поток электронов или позитронов, которые образуются при бета-распаде различных элементов от самых легких (нейтрон) до самых тяжелых. Бета-излучение способно проходить до полного ослабления несколько сантиметров в воздухе или 1 – 2 см в воде, а в человеческом теле – до двух сантиметров.
Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Этот вид излучения обладает высокой энергией и большой проникающей способностью – ослабляется слоем воздуха толщиной около 100 метров и глубоко проникает в человеческое тело. Для эффективной защиты от гамма-лучей используются материалы, обладающие высокой прочностью. К ним относятся свинец, высокопрочный бетон, свинцовое стекло, определённые виды стали. Эти материалы применяются в сооружении защитных контуров электростанций.
При радиационных авариях основную долю в облучение биологических организмов вносят эти три вида излучения, хотя существуют и другие, например, нейтронное (поток нейтронов).
СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИИ
Уровень радиации измеряется при помощи дозиметра.
Дозиметр — это прибор, предназначенный для измерения уровня радиации. Чаще всего, для измерения радиации используется счётчик Гейгера-Мюллера. Принцип работы счётчика таков: устройство состоит из герметичного металлического или стеклянного баллона, наполненного инертным газом (неон, аргон) или газовой смесью. Внутри баллона имеются электроды – катод и анод. Электроды подключаются к источнику высокого напряжения постоянного тока через нагрузочный резистор, на котором формируются электрические импульсы при прохождении частиц через баллон. В исходном состоянии газовый промежуток между электродами имеет высокое сопротивление и тока в цепи нет. Когда заряженная частица, имеющая высокую энергию, сталкивается с элементами конструкции датчика (корпус, баллон, катод), она выбивает некоторое количество электронов, которые оказываются в промежутке между электродами. Под действием ускоряющего напряжения в несколько сотен вольт электроны, находящиеся в инертном газе, начинают устремляться к аноду. Процесс многократно повторяется и количество электронов лавинообразно увеличивается, что приводит к возникновению разряда между катодом и анодом. В состоянии разряда газовый промежуток в межэлектродном пространстве становится токопроводящим, после этого при подключении осциллографа мы увидим импульсы напряжения, возникающие при пролете частиц.
УСТРОЙСТВО ПРИБОРА
Поскольку при радиационных авариях основной вклад во внешнее облучение вносят изотопы, которые являются β и γ – излучателями, то в качестве трубки, выбран счетчик именно данных излучений СБМ-19. Да и зафиксировать α – излучение с помощью любительских устройств в силу их малой проникающей способности достаточно сложно.
БЛОКСХЕМАПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА
Рисунок 1
Как правило, бытовые приборы обычно оснащены одним, реже двумя счетчиками Гейгера-Мюллера СБМ-20. В качестве датчика мы выбрали счетчик СБМ-19, более чувствительный. Для примера, СБМ-20 выдает при естественном фоне 0.10-0.11 мкЗв/ч в районе 20 импульсов в секунду, а СБМ-19 — около 80. Однако, он значительно более габаритный (рис.1)
Источник высокого напряжения, счетчик СБМ-19 и формирователь импульсов распаяны на единой плате (рис.2) в соответствие с принципиальной схемой (рис.3)
Рисунок 2
П ри пролете частицы через трубку СБМ-19 возникает импульс напряжения на делителе напряжения R16-R17 пикообразной формы, который подается на базу транзистора Т3 формирователя импульсов. С формирователя импульсов уже прямоугольный импульс с выхода INT подается на цифровой вход счетчика импульсов, собранного на ардуино.
Рисунок 3
ПЛАТФОРМА «АРДУИНО»
Arduino – электронная платформа (рис.4) для разработки электронных устройств. Arduino имеет собственный процессор и память. На плате есть пара десятков контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты: светодиоды, сервоприводы, моторы, датчики влажности и температуры и многие другие совместимые с платформой устройства. В процессор Arduino можно загрузить программу, которая будет управлять всеми этими устройствами по заданному алгоритму. Устройство программируется через USB без использования программаторов.
Рисунок 4
Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка Arduino, который основан на языке программирования Wiring и среды разработки Arduino. Системы могут работать как самостоятельно, так и взаимодействовать с иным ПО (к примеру, Processing). Задача Ардуино в нашем проекте: посчитать количество импульсов, пришедших с формирователя импульсов, преобразовать это количество в единицы измерения, принятые в практике радиационных измерений и вывести значения на экран.
ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ
Скетч для обработки данных (программа)
//подключаем библиотеку LiquidCrystal:
#include <LiquidCrystal.h>
//подключаем библиотеку SPI:
#include <SPI.h>
const int rs = 13, en = 11, d4 = 6, d5 = 5, d6 = 4, d7 = 3;// настройки для дисплея
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);
#define LOG_PERIOD 40000 //время измерения в мс
#define MAX_PERIOD 60000 //максимальное время измерения в мс(минута)
unsigned long imp; //счетчик импульсов
float cpm; //переменная для подсчета импульсов в минуту
unsigned long multiplier; //переменнаякоэффициентпересчета
unsigned long previousMillis;
float MSVh;//переменная для отображения мЗв/ч
float MKR;//переменная для отображения мкР/ч
void tube_impulse(){imp++;} //процедура счета импульсов по прерыванию
void setup()
{
Serial.begin(115200);//настройки скорости последовательного порта
lcd.begin(16, 2);//параметры дисплея
imp = 0;
cpm = 0;
multiplier = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; //коэффициентпересчета
Serial.begin(115200);
attachInterrupt(0, tube_impulse, RISING);//прерываниедлязапускапроцедурысчетапопереднемуфронтуимпульса
}
void loop() {
unsigned long currentMillis = millis();//время, прошедшеесначалазапускапрограммы
if(currentMillis - previousMillis > LOG_PERIOD){
previousMillis = currentMillis;
cpm = imp * multiplier;//расчетзначений
MSVh = cpm/1240;
MKR = MSVh * 100;
Serial.println(cpm);//вывод в монитор последовательного порта, это просто служебная информация
lcd.clear();//очистка дисплея от предыдущих значений
lcd.setCursor(0,0);//ниже отображение информации на дисплее
lcd.print(MKR);
lcd.setCursor(8,0);
lcd.print("mkR/h");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(MSVh);
lcd.setCursor(8,1);
lcd.println("mkSv/h");
imp = 0;
}
}
КАЛИБРОВКА ДОЗИМЕТРА
Так как дозиметр (точнее радиометр) считает импульсы в минуту, то для перевода их количества в мкР/ч и мкЗв/ч необходимо рассчитать поправочный коэффициент. Из документации на счетчик была взята чувствительность прибора
Рис.5
Отсюда видно, что на 1 мкр приходится 741 импульс (возьмем среднее значение между минимальным и максимальным значениями. Тогда на 1мкр/ч приходится 741 импульс в час или 12,4 импульса в минуту.Рассчитаем среднее значение количества импульсов в минуту при окружающем радиационном фоне. Для этого возьмем значения из программы монитор порта Arduino и внесем в таблицу Exel, которая и рассчитает среднее значение.
Рис.6
Таким, образом получаем фоновое значение 187,5/12,4 = 15,2 мкР/ч. Для перевода в мкЗв/ч, учтем, что 1 мкЗв/ч приблизительно равен 100 мкР/ч. Таким образом, поправочный коэффициент для перевода в мкР/ч равен 12,4, а в мкЗв/ч равен 1240. Этот коэффициент был введен в программу для расчета уровня радиации. Погрешность измерений составляет (273,5-221,6)/(2*12,4)=2,1 мкР/ч.
ИТОГИ РАБОТЫ
Проверка работоспособности прибора проводилась на самых различных предметах и веществах. Сбоев в работе прибора не наблюдалась. Ложные срабатывания тоже не наблюдались. Зарядки аккумулятора хватает на 8 часов непрерывной работы.
Измеряем уровень окружающего фона. По результатам нескольких измерений (необходимо сделать несколько измерений и найти среднее, т.к. пролет частиц через трубку процесс случайный) средний уровень фона составил 14 мкР/ч (Рис.7)
Рис.7
Дозиметр, установленный поверх кюветы с чистым хлоридом калия, который содержит изотоп 40К (β-излучатель), четко фиксирует повышение радиационного поля до примерно 30 мкР/ч. (Рис.8)
Рис.8
Вопреки ожиданиям, ни связка бананов, ни банка кофе (в которых повышенное содержание калия), ни снег, собранный вокруг угольной котельной (зола может содержать радиоактивные элементы) не дали ощутимого прироста фона.
ВЫВОД
Прибор получился удачным, как в плане эргономичности, так и точности, и удобства измерений. Реагирует даже на небольшие изменения радиационного фона, благодаря более чувствительной трубки Гейгера. Подробнее на работу данного прибора можно посмотреть здесь https://youtu.be/H6i_6RhTyQk. Работа над прибором освещалась на сайте http://занимательнаяробототехника.рф/.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Виноградов Ю.А. Ионизирующая радиация./Солон-Р, Москва, 2002 г.