Werkende geigerteller met minimale onderdelen - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Hier is, voor zover ik weet, de eenvoudigste functionerende geigerteller die je kunt bouwen. Deze gebruikt een in Rusland gemaakte SMB-20 Geiger-buis, aangedreven door een hoogspannings-step-up circuit dat is beroofd van een elektronische vliegenmepper. Het detecteert bètadeeltjes en gammastralen en zendt een klik uit voor elk radioactief deeltje of elke gammastraaluitbarsting die het detecteert. Zoals je in de bovenstaande video kunt zien, klikt hij om de paar seconden door achtergrondstraling, maar komt pas echt tot leven wanneer stralingsbronnen zoals uraniumglas, thoriumlantaarnmantels of americiumknoppen van rookmelders in de buurt komen. Ik heb deze teller gebouwd om me te helpen radioactieve elementen te identificeren die ik nodig heb om mijn elementenverzameling in te vullen, en het werkt geweldig! Het enige echte nadeel van deze teller is dat hij niet erg luid is en de hoeveelheid straling die hij detecteert niet in tellingen per minuut berekent en weergeeft. Dat betekent dat u geen echte gegevenspunten krijgt, alleen een algemeen idee van radioactiviteit op basis van het aantal klikken dat u hoort.

Hoewel er verschillende geigertellersets beschikbaar zijn op het net, kunt u uw eigen kits helemaal zelf bouwen als u over de juiste componenten beschikt. Laten we beginnen!

Stap 1: Geigertellers en straling: hoe het allemaal werkt

De Geigerteller (of Geiger-Müllerteller) is een stralingsdetector ontwikkeld door Hans Geiger en Walther Müller in 1928. Tegenwoordig is bijna iedereen bekend met de klikgeluiden die hij maakt wanneer hij iets detecteert, vaak beschouwd als het "geluid" van straling. Het hart van het apparaat is de Geiger-Müller-buis, een metalen of glazen cilinder gevuld met inerte gassen die onder lage druk worden gehouden. In de buis bevinden zich twee elektroden, waarvan er één op een hoogspanningspotentiaal wordt gehouden (meestal 400-600 volt), terwijl de andere is verbonden met elektrische aarde. Met de buis in rusttoestand kan er geen stroom over de opening tussen de twee elektroden in de buis springen, en dus vloeit er geen stroom. Wanneer echter een radioactief deeltje de buis binnenkomt, zoals een bètadeeltje, ioniseert het deeltje het gas in de buis, waardoor het geleidend wordt en stroom even tussen de elektroden kan springen. Deze korte stroomsterkte activeert het detectorgedeelte van het circuit, dat een hoorbare "klik" uitzendt. Meer klikken betekent meer straling. Veel geigertellers hebben ook de mogelijkheid om het aantal klikken en tellingen per minuut of CPM te tellen en dit op een wijzerplaat of uitleesscherm weer te geven.

Laten we de werking van de geigerteller eens op een andere manier bekijken. Het belangrijkste principe van de werking van de geigerteller is de geigerbuis en hoe deze een hoge spanning op één elektrode zet. Deze hoogspanning is als een steile berghelling bedekt met diepe sneeuw, en het enige dat nodig is, is een klein beetje stralingsenergie (vergelijkbaar met een skiër die de helling afdaalt) om een lawine te veroorzaken. De daaropvolgende lawine brengt veel meer energie met zich mee dan het deeltje zelf, genoeg energie om door de rest van het geigertellercircuit te worden gedetecteerd.

Aangezien het waarschijnlijk al een tijdje geleden is dat velen van ons in een klaslokaal zaten en leerden over straling, volgt hier een korte opfriscursus.

Materie en de structuur van het atoom

Alle materie is samengesteld uit kleine deeltjes die atomen worden genoemd. Atomen zelf zijn samengesteld uit nog kleinere deeltjes, namelijk protonen, neutronen en elektronen. Protonen en neutronen zijn samengeklonterd in het centrum van het atoom - dit deel wordt de kern genoemd. Elektronen draaien in een baan om de kern.

Protonen zijn positief geladen deeltjes, elektronen zijn negatief geladen en neutronen hebben geen lading en zijn daarom neutraal, vandaar hun naam. In neutrale toestand bevat elk atoom evenveel protonen als elektronen. Omdat protonen en elektronen gelijke maar tegengestelde ladingen dragen, geeft dit het atoom een neutrale netto lading. Wanneer het aantal protonen en elektronen in een atoom echter niet gelijk is, wordt het atoom een geladen deeltje dat een ion wordt genoemd. Geigertellers kunnen ioniserende straling detecteren, een vorm van straling die het vermogen heeft om neutrale atomen om te zetten in ionen. De drie verschillende soorten ioniserende straling zijn alfadeeltjes, bètadeeltjes en gammastraling.

Alfa-deeltjes

Een alfadeeltje bestaat uit twee aan elkaar gebonden neutronen en twee protonen en is het equivalent van de kern van een heliumatoom. Het deeltje ontstaat wanneer het eenvoudigweg van een atoomkern afbreekt en gaat vliegen. Omdat het geen negatief geladen elektronen heeft om de positieve lading van de twee protonen op te heffen, is een alfadeeltje een positief geladen deeltje, een ion genoemd. Alfadeeltjes zijn een vorm van ioniserende straling, omdat ze het vermogen hebben om elektronen uit hun omgeving te stelen en daarbij de atomen waaruit ze stelen zelf om te zetten in ionen. In hoge doses kan dit cellulaire schade veroorzaken. Alfadeeltjes die door radioactief verval worden gegenereerd, bewegen langzaam, zijn relatief groot en kunnen vanwege hun lading niet gemakkelijk door andere dingen heen. Het deeltje pikt uiteindelijk een paar elektronen op uit de omgeving en wordt zo een legitiem heliumatoom. Op deze manier wordt bijna al het helium van de aarde geproduceerd.

Bèta-deeltjes

Een bètadeeltje is ofwel een elektron of een positron. Een positron is als een elektron, maar heeft een positieve lading. Beta-min deeltjes (elektronen) worden uitgezonden wanneer een neutron vervalt in een proton, en Beta-plus deeltjes (positronen) worden uitgezonden wanneer een proton vervalt in een neutron.

Gamma stralen

Gammastralen zijn fotonen met hoge energie. Gammastralen bevinden zich in het elektromagnetische spectrum, tot voorbij zichtbaar licht en ultraviolet. Ze hebben een hoog doordringend vermogen en hun vermogen om te ioniseren komt van het feit dat ze elektronen van een atoom kunnen afstoten.

De SMB-20-buis, die we voor deze build zullen gebruiken, is een veelgebruikte buis van Russische makelij. Het heeft een dunne metalen huid die fungeert als de negatieve elektrode, terwijl een metalen draad die in de lengte door het midden van de buis loopt, als de positieve elektrode dient. Om ervoor te zorgen dat de buis een radioactief deeltje of gammastraal detecteert, moet dat deeltje of die straal eerst de dunne metalen huid van de buis binnendringen. Alfadeeltjes kunnen dit over het algemeen niet, omdat ze meestal worden tegengehouden door de wanden van de buis. Andere Geiger-buizen die zijn ontworpen om deze deeltjes te detecteren, hebben vaak een speciaal venster, het Alpha-venster, waardoor deze deeltjes de buis kunnen binnendringen. Het venster is meestal gemaakt van een zeer dunne laag mica en de geigerbuis moet heel dicht bij de alfabron zijn om de deeltjes op te vangen voordat ze door de omringende lucht worden geabsorbeerd. *Zucht* Dus dat is genoeg over straling, laten we dit ding gaan bouwen.

Stap 2: Verzamel uw gereedschappen en materialen

Benodigdheden:

• SMB-20 Geiger Tube (beschikbaar voor ongeveer $ 20 USD op eBay)
• High Voltage DC Step-up Circuit, beroofd van een goedkope elektronische vliegenmepper. Dit is het specifieke model dat ik heb gebruikt:
• Zenerdiodes met een gecombineerde totale waarde van ongeveer 400v (vier van 100v zou ideaal zijn)
• Weerstanden met een gecombineerde totale waarde van 5 Megohm (ik gebruikte vijf 1 Megohm)
• Transistor - NPN-type, ik gebruikte 2SC975
• Piezo-luidsprekerelement (beroofd uit een magnetron of lawaaierig elektronisch speelgoed)
• 1 x AA-batterij
• AA-batterijhouder
• Aan/uit schakelaar (ik gebruikte de SPST momentschakelaar van de elektronische vliegenmepper)
• Stukjes elektriciteitsdraad weggooien
• Stuk sloophout, plastic of ander niet-geleidend materiaal om als ondergrond te gebruiken om het circuit op te bouwen

Hulpmiddelen die ik heb gebruikt:

• "Potlood" soldeerbout
• Rosin-core soldeer met kleine diameter voor elektrische doeleinden
• Heet lijmpistool met geschikte lijmstiften
• Draadsnijders
• Draadstrippers
• Schroevendraaier (voor het slopen van de elektronische vliegenmepper)

Hoewel dit circuit is gebouwd rond een SMB-20-buis, die bètadeeltjes en gammastralen kan detecteren, kan het eenvoudig worden aangepast om verschillende buizen te gebruiken. Controleer gewoon het specifieke bedrijfsspanningsbereik en andere specificaties van uw specifieke buis en pas de waarden van de componenten dienovereenkomstig aan. Grotere buizen zijn gevoeliger dan kleinere, simpelweg omdat het grotere doelen zijn voor de deeltjes om te raken.

Geigerbuizen hebben hoge spanningen nodig om te werken, dus we gebruiken het DC step-up circuit van een elektronische vliegenmepper om de 1,5 volt van de batterij op te voeren tot ongeveer 600 volt (oorspronkelijk liep de vliegenmepper 3 volt af en bracht ongeveer 1200v uit voor het zappen van vliegen. Laat het op hogere spanningen draaien en je hebt een taser). De SMB-20 wordt graag aangestuurd op 400V, dus gebruiken we zenerdiodes om de spanning naar die waarde te regelen. Ik gebruik dertien 33V-zeners, maar andere combinaties zouden net zo goed werken, zoals 4 x 100V-zeners, zolang het totaal van de waarden van de zeners gelijk is aan de doelspanning, in dit geval 400.

De weerstanden worden gebruikt om de stroom naar de buis te beperken. De SMB-20 houdt van een anode (positieve kant) weerstand van ongeveer 5M ohm, dus ik gebruik vijf weerstanden van 1M ohm. Elke combinatie van weerstanden kan worden gebruikt, zolang hun waarden oplopen tot ongeveer 5M ohm.

Het piëzo-luidsprekerelement en de transistor vormen het detectorgedeelte van het circuit. Het piëzo-luidsprekerelement zendt de klikgeluiden uit en door de lange draden erop kunt u het dichter bij uw oor houden. Ik heb veel geluk gehad om ze te redden van dingen zoals magnetrons, wekkers en andere dingen die vervelende piepgeluiden maken. Degene die ik vond heeft een mooie plastic behuizing eromheen die helpt om het geluid dat eruit komt te versterken.

De transistor verhoogt het volume van de klikken. Je kunt het circuit bouwen zonder een transistor, maar de klikken die het circuit genereert zullen niet zo luid zijn (daarbij bedoel ik nauwelijks hoorbaar). Ik gebruikte een 2SC975-transistor (NPN-type), maar veel andere transistors zouden waarschijnlijk werken. De 2SC975 was letterlijk slechts de eerste transistor die ik uit mijn stapel geborgen componenten haalde.

In de volgende stap doen we een demontage van de elektrische vliegenmepper. Maak je geen zorgen, het is gemakkelijk.

Stap 3: Demonteer de vliegenmepper

Elektronische vliegenmeppers kunnen qua constructie enigszins verschillen, maar aangezien we alleen op zoek zijn naar de elektronica binnenin, scheur het gewoon uit elkaar en trek het lef eruit lol. De swatter op de bovenstaande foto's is eigenlijk iets anders dan degene die ik in de toonbank heb ingebouwd, omdat het lijkt alsof de fabrikant hun ontwerp heeft gewijzigd.

Begin met het verwijderen van zichtbare schroeven of andere bevestigingsmiddelen die het bij elkaar houden, let op stickers of dingen zoals het batterijklepje dat extra bevestigingsmiddelen kan verbergen. Als het ding nog steeds niet opengaat, kan het wat wrikken met een schroevendraaier langs de naden in het plastic lichaam van de swatter vergen.

Als je het eenmaal open hebt gekregen, moet je een draadknipper gebruiken om de draden af te snijden bij het gaasrooster van de vliegenvanger. Twee zwarte draden (soms andere kleuren) komen uit dezelfde plaats op het bord, die elk naar een van de buitenste roosters leiden. Dit zijn de negatieve of "aardingsdraden" voor de hoogspanningsuitgang. Aangezien deze draden van dezelfde plaats op de printplaat komen en we er maar één nodig hebben, knip je er een af op de printplaat en leg je de schrootdraad opzij voor later gebruik.

Er moet één rode draad zijn die naar het binnenrooster leidt, en dit is de positieve hoogspanningsuitgang.

De andere draden die van de printplaat komen, gaan naar de accubak en die met de veer aan het uiteinde is de negatieve verbinding. Erg makkelijk.

Als je de kop van de swatter uit elkaar haalt, bijvoorbeeld om de onderdelen te scheiden voor recycling, pas dan op voor mogelijke scherpe randen op het metalen gaas.

Stap 4: Construeer het circuit en gebruik het

Zodra u uw componenten hebt, moet u ze aan elkaar solderen om het circuit te vormen dat in het diagram wordt getoond. Ik heb alles warm gelijmd op een stuk doorzichtig plastic dat ik had liggen. Dit zorgt voor een stevig en betrouwbaar circuit en ziet er ook nog eens goed uit. Er is een kleine kans dat je jezelf een beetje in de war kunt brengen door delen van dit circuit aan te raken terwijl het onder stroom staat, zoals de aansluiting op de piëzo-luidspreker, maar je kunt de aansluitingen gewoon afdekken met hete lijm als er een probleem is.

Toen ik eindelijk alle componenten had die ik nodig had om het circuit te bouwen, gooide ik het in een middag in elkaar. Afhankelijk van welke waarden van componenten je hebt, zou je uiteindelijk minder componenten kunnen gebruiken dan ik deed. Je zou ook een kleinere geigerbuis kunnen gebruiken en de teller erg compact maken. Geigerteller polshorloge, iemand?

Nu vraag je je misschien af, waar heb ik een geigerteller voor nodig als ik niets radioactiefs heb om het op te richten? De teller klikt om de paar seconden alleen door achtergrondstraling, die is samengesteld uit kosmische straling en dergelijke. Maar er zijn een paar stralingsbronnen die u kunt vinden om uw teller op te gebruiken:

Americium van rookmelders

Americium is een door de mens gemaakt (niet natuurlijk voorkomend) element en wordt gebruikt in rookmelders van het ionisatietype. Deze rookmelders zijn heel gebruikelijk en je hebt er waarschijnlijk een paar in huis. Het is eigenlijk vrij eenvoudig om te zien of je dat doet, omdat ze allemaal de woorden bevatten radioactieve stof Am 241 in het plastic gegoten. Het americium, in de vorm van americiumdioxide, is geplateerd op een kleine metalen knop aan de binnenkant, gemonteerd in een kleine behuizing die bekend staat als de ionisatiekamer. Het americium is meestal bedekt met een dunne laag goud of ander corrosiebestendig metaal. Je kunt de rookmelder openen en het kleine knopje eruit halen – dat is meestal niet zo moeilijk.

Waarom straling in een rookmelder?

In de ionisatiekamer van de detector zitten twee metalen platen tegenover elkaar. Aan een van hen is de americium-knop bevestigd, die een constante stroom alfadeeltjes uitstraalt die een kleine luchtspleet oversteken en vervolgens worden geabsorbeerd door de andere plaat. De lucht tussen de twee platen wordt geïoniseerd en is daardoor enigszins geleidend. Hierdoor kan een kleine stroom tussen de platen vloeien, en deze stroom kan worden gedetecteerd door het circuit van de rookmelder. Wanneer rookdeeltjes de kamer binnenkomen, absorberen ze de alfadeeltjes en verbreken ze het circuit, waardoor het alarm afgaat.

Ja, maar is het gevaarlijk?

De uitgezonden straling is relatief goedaardig, maar voor de zekerheid raad ik het volgende aan:

• Bewaar de americium-knop op een veilige plaats, uit de buurt van kinderen, bij voorkeur in een of andere kindveilige verpakking
• Raak nooit de voorkant van de knop aan waarop het americium is geplateerd. Als u per ongeluk de voorkant van de knop aanraakt, was dan uw handen

uranium glas

Uranium is gebruikt, in oxidevorm, als additief voor glas. De meest typische kleur van uraniumglas is ziekelijk bleek geelachtig groen, wat in de jaren twintig leidde tot de bijnaam "vaselineglas" (gebaseerd op een waargenomen gelijkenis met het uiterlijk van vaseline zoals geformuleerd en commercieel verkocht in die tijd). Je zult het op rommelmarkten en antiekwinkels zien als "Vaselineglas" en je kunt het meestal met die naam vragen. De hoeveelheid uranium in het glas varieert van sporen tot ongeveer 2 gew.%, hoewel sommige 20e-eeuwse stukken gemaakt zijn met tot 25% uranium! Het meeste uraniumglas is slechts zeer licht radioactief en ik denk niet dat het gevaarlijk is om ermee om te gaan.

U kunt het uraniumgehalte van het glas controleren met een blacklight (ultraviolet licht), aangezien al het uraniumglas heldergroen fluoresceert, ongeacht de kleur van het glas onder normaal licht (dat sterk kan variëren). Hoe helderder een stuk gloeit onder ultraviolet licht, hoe meer uranium het bevat. Terwijl stukjes uraniumglas gloeien onder ultraviolet licht, geven ze ook hun eigen licht af onder elke lichtbron die ultraviolet bevat (zoals zonlicht). De hoogenergetische ultraviolette golflengten van licht treffen de uraniumatomen, waardoor hun elektronen naar een hoger energieniveau worden geduwd. Wanneer de uraniumatomen terugkeren naar hun normale energieniveau, zenden ze licht uit in het zichtbare spectrum.

Waarom uranium?

De ontdekking en isolatie van radium in uraniumerts (pekblende) door Marie Curie leidde tot de ontwikkeling van uraniumwinning om het radium te winnen, dat werd gebruikt om glow-in-the-dark-verven te maken voor klokken en vliegtuigwijzerplaten. Dit liet een enorme hoeveelheid uranium als afvalproduct achter, aangezien er drie ton uranium nodig is om één gram radium te extraheren.

Thorium campinglantaarn mantels

Thorium wordt gebruikt in mantels van kampeerlantaarns, in de vorm van thoriumdioxide. Bij de eerste keer verhitten verbrandt het polyester deel van de mantel, terwijl het thoriumdioxide (samen met andere ingrediënten) de vorm van de mantel behoudt maar een soort keramiek wordt dat gloeit bij verhitting. Thorium wordt niet langer gebruikt voor deze toepassing, het werd halverwege de jaren '90 door de meeste bedrijven stopgezet en is vervangen door andere elementen die niet radioactief zijn. Thorium werd gebruikt omdat het mantels maakt die heel helder gloeien, en die helderheid wordt niet helemaal geëvenaard door de nieuwere, niet-radioactieve mantels. Hoe weet je of de mantel die je hebt echt radioactief is? Dat is waar de geigerteller om de hoek komt kijken. De mantels die ik ben tegengekomen, maken de geigerteller gek, veel meer dan uraniumglas of americium-knoppen. Het is niet zozeer dat thorium meer radioactief is dan uranium of americium, maar er zit veel meer radioactief materiaal in een lantaarnmantel dan in die andere bronnen. Daarom is het heel vreemd om zoveel straling in een consumentenproduct tegen te komen. Dezelfde veiligheidsmaatregelen die van toepassing zijn op de americiumknoppen, zijn ook van toepassing op de lantaarnmantels.

Bedankt voor het lezen, iedereen! Als je deze instructable leuk vindt, doe ik mee aan de "build a tool"-wedstrijd en zou je stem erg op prijs stellen! Ik hoor ook graag van je als je opmerkingen of vragen hebt (of zelfs tips/suggesties/opbouwende kritiek), dus wees niet bang om die hieronder achter te laten.

Speciale dank aan mijn vriend Lucca Rodriguez voor het maken van het prachtige schakelschema voor dit instructable.