XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Дозиметр радиации

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шукшин Т.Д. 1

---

1МАОУ "СОШ №10"

Пеньшина Г.Н. 1

---

1МАОУ "СОШ №10"

Работа в формате PDF

587.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

С тех пор, как было открыто явление радиоактивности, прошло уже более века. Еще несколько десятилетий понадобилось ученым, чтобы во всех тонкостях постичь суть этого явления и научиться использовать его в практических целях. Наше существование кажется уже немыслимым без использования знаний об энергии атома: почти все передовые страны мира интенсивно развивают ядерную энергетику, совместными усилиями строят первый термоядерный энергетический реактор; а масштабы применения радиации и радиоактивных изотопов в космической технике, медицине, биологии, сельском хозяйстве, геологии увеличиваются с каждым годом.
Все живые организмы постоянно испытывают на себе действие природного ионизирующего излучения. Радиоактивные материалы входят в состав Земли и даже человек слегка радиоактивен, так как в любой живой ткани присутствуют в малейших количествах радиоактивные вещества.

Радиация – это явление, на которое человек из-за отсутствия необходимых органов чувств не может мгновенно реагировать. Поэтому необходимы соответствующие измерительные приборы, которые предоставляли бы информацию о наличии излучения и его мощности.

Актуальность исследования заключается в том, что техногенные действия человека, привели к тому, что радиоактивные элементы стали массово применяться от техники, строительства, минеральных удобрений до атомных взрывов и АЭС с их авариями и сбросами. В результате, мы сами себе создали среду, в которой нас окружают радиоактивные изотопы с периодом полураспада до нескольких тысяч лет, то есть уже хватит не только нам, но и сотням поколений людей после нас.

Цель исследования: изготовить счётчик Гейгера своими руками и с его помощью определить наличие радиации в окружающей нас среде.

Задачи исследования:

1. Изучить научную литературу и другую информацию по заданной теме;

2. Изготовить счётчик Гейгера своими руками;

3. Определить наличие радиационного фона в своей окружающей среде;

Гипотеза: радиация в той или иной мере присутствует в окружающей среде и предметах, которые использует человек.

Объект исследования: самодельный счётчик Гейгера.

Предмет исследования: радиация в окружающей среде и предметах.

Методы исследования: изучение литературы, практическое моделирование, программирование, измерение, анализ, обобщение.

Глава 1. Счётчик Гейгера.

1.1 Явление радиоактивности

В 1896 году французский ученый Антуан Анри Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик стола, придавив их кусками какого-то минерала, содержащего уран. Когда он проявил пластинки, то, к своему удивлению, обнаружил на них следы каких-то излучений, которые он приписал урану. Вскоре этим явлением заинтересовалась Мария Кюри, молодой химик, которая и ввела в обиход слово «радиоактивность». В 1898 году она и её муж Пьер Кюри обнаружили, что уран после излучения таинственным образом превращается в другие химические элементы. Один из этих элементов супруги назвали полонием в память о родине Мари Кюри, а ещё один – радием, поскольку по–латыни — это слово означает «испускающий лучи». Радиоактивное излучение этих элементов было значительно интенсивнее излучения солей урана. Изучая ионизирующую способность радиоактивного излучения, Эрнест Резерфорд в 1899 году обнаружил, что оно неоднородно и состоит из двух частей, которые он назвал α- и β – лучами. Ему удалось доказать, что α- лучи являются потоком ядер атомов гелия. В том же году А. Беккерель доказал, что β – лучи являются потоком электронов. В 1900 году французский физик П. Виллард установил, что в состав радиоактивного излучения входит ещё и третья составляющая, которую он назвал γ – лучами. Изучение γ – лучей показало, что они представляют собой электромагнитные волны, длина волны которых меньше, чем у рентгеновских лучей. Таким образом, было установлено, что радиоактивное излучение состоит из α-, β–и γ – лучей. В 1903 году Э. Резерфорд и его сотрудник Ф. Содди указали на то, что явление радиоактивности сопровождается превращением одного химического элемента в другой, например, радия в радон. Явление радиоактивности всегда сопровождается выделением энергии. Радиоактивность – свойство некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц. В 1932 году Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, облучая нерадиоактивные вещества α-частицами, обнаружили, что некоторые из них после облучения становятся радиоактивными. Таким образом, оказалось возможным получать радиоактивные изотопы веществ, которые обычно не радиоактивны. Радиоактивные изотопы находят широкое применение в производстве и различных областях науки. Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма. Альфа-излучение, задерживается, например, листом бумаги и практически не способно проникнуть через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками. Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется со скоростью света, очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита.

1.2. История создания Счётчика Гейгера

Счетчик Гейгера был изобретен в 1908 году, немецким физиком Хансом Вильгельмом Гейгером. Изначально устройство, которое предназначено для выявления радиации, было очень простым и имело множество недоработок. В 1928 году, во время работы с Гейгером, прибор значительно улучшил его коллега Вальтер Мюллер. В частности, он разработал несколько модификаций устройства — каждая из версий обнаруживала разный тип излучения. Из-за этого, измерительный прибор также называют счетчиком Гейгера-Мюллера. (Приложение 1)

Прибор был разработан как раз в период активного изучения ядерной физики, атомной энергетики и создания ядерного оружия. Счетчик Гейгера стал максимально простым инструментом для регистрации и измерения интенсивности распада радиоактивных веществ. Сегодня он является частью дозиметров — более навороченных устройств, которые не только регистрируют наличие радиации, но и показывают точные данные о его уровне. Раньше такие измерительные приборы использовались в военной сфере и атомных электростанциях, но сегодня купить счетчик Гейгера может любой желающий.

1.3. Устройство счетчика и принцип его работы

Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, как правило, выполняется в виде герметичной трубки, стеклянной или металлической, из которой откачан воздух, а вместо него добавлен инертный газ (неон или аргон или их смесь) под небольшим давлением, с примесью галогенов или спирта. По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. И трубка, и проволока являются электродами: трубка – катод, а проволока – анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду – через большое постоянное сопротивление – плюс от источника постоянного напряжения. Электрически получается делитель напряжения, в средней точке которого (место соединения сопротивления и анода счетчика) напряжение практически равно напряжению на источнике. Обычно это несколько сотен вольт. Когда сквозь трубку пролетает ионизирующая частица, атомы инертного газа, и так находящиеся в электрическом поле большой напряженности, испытывают столкновения с этой частицей. Энергии, отданной частицей при столкновении, хватает для отрыва электронов от атомов газа. Образующиеся вторичные электроны сами способны образовать новые столкновения и, таким образом, получается целая лавина электронов и ионов. Под действием электрического поля, электроны ускоряются в направлении анода, а положительно заряженные ионы газа – к катоду трубки. Таким образом, возникает электрический ток. Но так как энергия частицы уже израсходована на столкновения,полностью или частично (частица пролетела сквозь трубку), то кончается и запас ионизированных атомов газа, что является желательным и обеспечивается кое-какими дополнительными мерами, о которых мы поговорим при разборе параметров счетчиков.

При попадании в счетчик Гейгера-Мюллера заряженной частицы, за счет возникающего тока падает сопротивление трубки, а вместе с ним и напряжение в средней точке делителя напряжения, о которой шла речь выше. Затем сопротивление трубки вследствие возрастания ее сопротивления восстанавливается, и напряжение опять становится прежним. Таким образом, мы получаем отрицательный импульс напряжения. Считая импульсы, мы можем оценить число пролетевших частиц. Особенно велика напряженность электрического поля вблизи анода из-за его малых размеров, что делает счетчик более чувствительным. (Приложение 2)

Глава 2. Практическая часть.

2.1. Сборка и программирование прибора

Во всех бытовых и во многих профессиональных приборах дозиметрического контроля в качестве датчика радиоактивного излучения используется счетчик Гейгера. Этот компонент стал важной частью дозиметра по причине простоты, надежности и эффективности применения.

Изучив принцип работы счетчика Гейгера-Мюллера и технику безопасности при работе с радиоактивными препаратами и высоким напряжением, приступаю к сборке прибора.

Основной деталью моего прибора является трубка Гейгера типа СБМ-20. Для работы прибора необходимо иметь источник постоянного тока напряжением 400В. В качестве источника постоянного тока я использую преобразователь (5В - 400В). В сборке прибора использовались следующие детали: высоковольтный повышающий преобразователь, плата управления зарядом АКБ, 5-ти вольтовый повышающий модуль, плата Arduino nano, дисплей GSMIN OLED 128x32, двухпозиционный переключатель, аккумуляторная батарея, транзистор, резистор и конденсатор на 470 пФ, зуммер. (Приложение 3) Все детали спаиваются по схеме между собой. (Приложение 4) Затем прибор аккуратно раскладывается и крепится внутри корпуса для радиоэлектронного оборудования. Так как для трубки Гейгера важен доступ воздуха, трубку устанавливаем сверху прибора.

При прохождении частицы через трубку в ней возникает импульс тока, который усиливается транзистором, идет на динамик и микроконтроллер. Запрограммированный контроллер, выполняет подсчет пришедших импульсов и выводит результат на табло.

Программа была взята из Интернет источников и применена при программировании прибора.

Плата запрограммирована, таким образом, чтобы экран показывал уровень заряда аккумулятора, значок радиации, полосу радиоактивности и само количество радиации в mkP/ч. (Приложение 5)

2.2 Измерение радиации

Безопасной дозой радиации для человека является уровень, при котором можно жить и работать без последствий для организма. Этот уровень определён до 30 мкР/ч. Допустимая доза радиации несколько больше безопасной и показывает уровень, при котором на организм оказывается воздействие радиации, но без негативных последствий для здоровья. Допустимый фон считается уровень до 60 мкР/час.

Для того чтобы убедиться, что дозиметр действительно показывает наличие радиационного фона, необходимо было протестировать его на источниках, которые обладают радиоактивностью. Был проведен эксперимент по измерению радиации в окружающей среде, на отдельных предметах и даже продуктах питания: бананы, картофель, грибы, кирпич, цемент, земля, микроволновая печь, сканер в аэропорту, горная порода из шахты, старый телевизор. (Приложение 6) Среди изученных предметов наибольшей радиацией обладают рентген кабинет и сканер в аэропорту. Прибор фиксирует радиацию выше допустимого фона, что является вредным для нашего здоровья. Остальные исследуемые предметы имеют безопасную и допустимую дозы радиации. Но все исследуемые предметы, которые были взяты в эксперименте, обладают той или иной радиоактивностью. В совокупности они оказывают плохое влияние на здоровье человека и если ими пользоваться постоянно, то вред от них становится очевиден.

Чтобы вывести радиацию из организма необходима физическая нагрузка. Она приводит к повышенному потовыделению, а вместе с потом выводятся радиационные вещества. Снизить влияние радиации на здоровье человека позволяет и употребление свежих овощей, фруктов.

Необходимо знать, что на сегодняшний день идеального средства защиты от радиации пока не придумано. Самый простой и эффективный способ защитить себя от негативного воздействия смертоносных лучей — держаться подальше от их источника. Если знать все о радиации и уметь правильно пользоваться приборами для её измерения, то можно практически полностью избежать ее негативного воздействия.

Для того, чтобы убедиться, что наш дозиметр делает верные измерения, мы сравнили показания самодельного дозиметра и дозиметра, который купили в магазине. Показатели измерительных приборов оказались одинаковыми.

Заключение

Всем известно, что существует естественный радиационный фон, с которым мы живем с рождения. Сегодня мы живём в век повышенной радиоактивности, и величина допустимого уровня в 0,1- 0,2 мкЗв/ч (10- 20 мкР/с) считается нормальной, уровень 0,2- 0,6 мкЗв/ч (20- 60 мкР/ч) считается допустимым, а уровень свыше 0,6-1,2 мкЗв/ч (60- 120 мкР/ч) признан повышенным. Данные приведены согласно рекомендации Международной комиссии по радиационной защите и Всемирного общества здравоохранения. Надо понимать, что искусственно создаваемые источники излучения (например, АЭС, рентгеновские исследования в поликлиниках, путешествия на самолетах и многое другое) постоянно повышают уровень естественного радиационного фона.

В ходе проекта была изучена литература по вопросу радиации и устройстве счетчика Гейгера, который позволяет ее измерить, был сконструирован дозиметр. В процессе создания устройства требовались определенные навыки и знания: умение паять, разбираться в схемах, начальные навыки программирования и знания по физике. В качестве эксперимента были взяты предметы и продукты, которые показали наличие радиации. Выдвинутая нами гипотеза была подтверждена.

Сконструированный дозиметр можно использовать для определения наличия радиационного фона различных источников. Самодельное устройство не уступает бытовому дозиметру из магазина и его можно использовать для защиты собственной жизни. Интенсивность радиации надо учитывать, определяя опасность того или иного источника радиации и оценивая время, которое можно безопасно пребывать возле него. Радионуклиды рассеяны в природе и содержатся в любом окружающем нас объекте, неважно живой он или неживой. Излучение этих радионуклидов, наряду с космическим излучением, создает естественный радиационный фон. Очистить продукты, землю или предметы от радиации практически невозможно. А бытовой дозиметр поможет определить уровень радиации в любом месте и выявить потенциально опасные источники.

Несмотря на то, что дозиметр может купить любой желающий, его моделирование и программирование является главной составляющей проекта. Дозиметр получился рабочим и позволяет измерять радиацию, а значит цель нашей работы достигнута.

В качестве дальнейшего изучения радиационного фона можно исследовать разные помещения: школы, детские сады, офисы и предприятия. Можно провести сравнительную характеристику радиационного фона больших городов и малых городов.

Список литературы

1. Акатов А.А., Коряковский Ю.С. Радиация: опасность реальная и вымышленная. – М.: Изд-во «Центр содействия социально-экологическим инициативам атомной отрасли», 2010. – 28 с.

2. Зарипова, Л.Д. Физические основы дозиметрии. Радиационная безопасность [Текст]: учебно-методическое пособие / Л.Д. Зарипова // Казань: Изд-во Казанс. Гос. Ун-та, 2008. – 42 с.

3. Ким Д., Геращенко Л.А. Радиационная экология: учеб. Пособие. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2010

4. Петрушанский М.Г. Основы физики ионизирующих излучений: учебное пособие.- Оренбург: ГОУ ОГУ, 2008

5. Фюнфер, Э. Счетчики излучений [Текст] / Э. Фюнфер, Г. Нейерт; пер. 2-го нем. Изд. А. Г. Берковского [и др.] // Москва: Госатомиздат, 1961. – 403 с.

6. Усманов С. М. Радиация. Справочные материалы; Владос - Москва, 2001. - 176 c.

7. Лаборатория радиационного контроля ЛРК-1 МИФИ [электронный ресурс]: http://www.radiation.ru/begin/begin.htm

8. Портал российского атомного сообщества [электронный ресурс]: http://atomic-energy.ru

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Детали прибора:

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6