用蓋革計數(shù)器檢測輻射

今天，核輻射問題再次出現(xiàn)在許多人的腦海中。我們在媒體上聽到的消息鼓勵我們在我們居住的地區(qū)進行額外的檢查。最新的突發(fā)新聞令公眾感到震驚，放射性的增加隨時可能發(fā)生。如今，傳統(tǒng)的 Geiger-Müller 管變得越來越稀有和有價值。讓我們探討檢測放射性的主要問題，以更好地了解核輻射是什么以及如何有效地測量它。

用蓋革計數(shù)器測量輻射

歷史上發(fā)生過許多核事故，使生物暴露于核輻射。然而，它們每天都會受到來自太空和地球礦物的自然輻射。如今，基于各種氣體、光、發(fā)光和其他效應(yīng)，使用不同的方法進行輻射檢測和測量。

蓋革-米勒計數(shù)器，又稱“蓋革計數(shù)器”，”是最著名的方法之一。它是一種檢測器，可以測量非常微量的放射性，并且基于氣體電離效應(yīng)，能夠檢測 α 和 β 粒子，以及通常帶電粒子。Geiger-Müller 計數(shù)器是一種能夠檢測和計數(shù)通過它的帶電粒子的設(shè)備。如圖 1 所示，蓋革計數(shù)器由堅固的金屬管（陰極）組成，兩端密封。它含有減壓約 0.1 個大氣壓的稀薄氣體。通常使用氬氣和酒精蒸氣的混合物。鎢絲（陽極）在內(nèi)部保持拉伸和電絕緣。它的電勢為正，略低于管的充電電勢。當(dāng)放射性粒子通過云母窗進入管子時，它會使內(nèi)部氣體電離，導(dǎo)致導(dǎo)線和外殼之間發(fā)生短時放電，并在外部聲音單元中產(chǎn)生噪音。在這種情況下，檢測器記錄一個計數(shù)。在沒有放射源的情況下，該管僅記錄由于其所在環(huán)境的放射性而產(chǎn)生的計數(shù)。這種放電由連接到管的外部電路發(fā)出信號。為了能夠正確評估計數(shù)，有必要進行兩種測量：一種是在沒有放射源的情況下，另一種是在存在輻射的情況下。然后在同一個地方計算兩個度量之間的差異。使用其他種類的氣體，可以檢測其他類型的粒子。在蓋革管中，高電場觸發(fā)主要電離的二次電離，產(chǎn)生進一步的“雪崩”電離。此外，電子可以經(jīng)歷激發(fā)過程，導(dǎo)致發(fā)射可見光和紫外光。

根據(jù)單位時間內(nèi)的計數(shù)次數(shù)，可以了解有多少帶電粒子通過管子和輻射強度。如果電離粒子的數(shù)量適中，表明放射性很少，則可以在心理上執(zhí)行每分鐘的衰變計數(shù)。但如果輻射高，高計數(shù)頻率可能無助于這種手動操作。在模擬或數(shù)字顯示器上查看到達的脈沖數(shù)量通常會更好。在這些設(shè)備中，必須分析輸入脈沖的重復(fù)率，該重復(fù)率與蓋革管區(qū)域中存在的輻射強度成正比。您可以使用基本泵浦二極管儀表（如圖 2 所示）以模擬方法可視化衰減頻率。

圖 2：蓋革電路

當(dāng)正脈沖進入電路時，C1 被充電至二極管兩端的最大電壓。由于脈沖之間的輸入為 0 V，電容器 C1 在等待下一個脈沖時通過電容器 C2 上的二極管 D2 快速放電。C2 在 R 上放電緩慢。脈沖連續(xù)越快，C2 越快受到 C1 放電的影響，其電位差增大。電壓表上的讀數(shù)與脈沖速度成正比（參見圖 3 中的響應(yīng)圖）。電容器 C2 的行為就像一個水庫，其中通過 R 不斷泄漏，但它不斷地由通過 C1 的外部放射性脈沖饋送。電子元件并不重要，可以用其他等效物代替?？梢愿淖冸娙萜鞯闹岛?a target="_blank">電阻來改變電路的動態(tài)特性。蓋革計數(shù)器僅通過電脈沖發(fā)出輻射通過的信號，但無法區(qū)分輻射類型。

輻射的影響

圖 3：電路對輸入脈沖頻率的響應(yīng)

根據(jù)它們是“阿爾法”、“貝塔”還是“伽馬”射線，需要不同類型的保護，從一張簡單的紙到鋁板或幾米厚的鉛屏蔽。輻射對生物是非常有害的，無論它們是天然的還是人造的，因為細胞被完全改變，停止運作，工作異常，甚至發(fā)生變異。例如，天然放射性氣體氡非常危險，它的存在會導(dǎo)致肺癌。受放射性事件影響的細胞可能會立即被周圍的其他細胞破壞，從而恢復(fù)正常的細胞活動。然而，在不太幸運的情況下，患病細胞設(shè)法繁殖，產(chǎn)生數(shù)以百萬計的修飾細胞，這些細胞工作不佳并在全身產(chǎn)生腫瘤，慢慢地包圍身體而死。如果輻射強度非常高，腫瘤事件會在幾分鐘內(nèi)發(fā)生。不幸的是，電離輻射是無聲的，它沒有氣味、顏色或味道。有可能發(fā)現(xiàn)一個人暴露在放射性場中太晚了。

另一方面，蓋革計數(shù)器允許通過檢測物體或位置的輻射來進行預(yù)防。

放射性測量單位

以下簡短列表顯示了一些主要的放射性測量單位。它們是國際體系的一部分：

Sievert （Sv）：損壞程度

格雷 （Gy）：吸收劑量的量度

Bequerel （Bq）：放射性核素活性的量度

Rad：吸收輻射劑量的量度

Rem：等效輻射劑量的量度

西弗特是輻射對生物體造成的影響和損害的等效能量劑量的計量單位。因為 1 Sv 是一個非常大的量，并且能夠使人患上重病，所以使用毫希弗特（mSv，或千分之一希弗特）和微希弗特（μSv，或百萬分之一希弗特）的約數(shù)。為了理解比較的尺度，假設(shè)年自然輻射平均等于 2.4 mSv，X 射線大約等于 1 mSv，CT 掃描大約等于 4 mSv，放射治療等于 30 SV。以下列表顯示了正常生活的日常事件引起的輻射量：

1 μSv：吃一根富含鉀的香蕉

5 μSv：單手射線照相

20 μSv：胸部 X 光片

3 mSv：乳房 X 線照相術(shù)

4 mSv：全身 CT 掃描

50–100 mSv：血液化學(xué)變化

100 mSv：與癌癥風(fēng)險增加相關(guān)的最小劑量

400 mSv：單劑量可引起輻射中毒

500 mSv：幾個小時后，你會感到惡心

700 毫希：嘔吐

750 mSv：兩周內(nèi)脫發(fā)

1 Sv：出血

4 Sv：幾天后死亡

50 Sv：爆炸后在切爾諾貝利反應(yīng)堆附近停留 10 分鐘所受到的輻射劑量

適用于 Android 的應(yīng)用程序

在 Google Play 和 Mac App Store 上，有幾十個應(yīng)用程序?qū)ｉT用于觀察局部和全球輻射。其中一些需要直接連接到智能手機的核傳感器。其他人直接連接到位于世界各地的各種服務(wù)器，這些服務(wù)器是為測量放射性而設(shè)置的。一個值得注意的應(yīng)用程序是“Radiation Scan Pro”，可用于 Android，如圖 4 所示。使用此應(yīng)用程序，您可以檢查您所在城市的核輻射并查看許多普遍感興趣的點。實時接收結(jié)果。通過谷歌地圖，你可以看到活躍的核電站及其數(shù)據(jù)。此應(yīng)用程序不會通過連接到手機的傳感器測量輻射，而是使用特殊的三角測量算法來計算輻射，該算法分析來自最近檢測站的數(shù)據(jù)。

嵌入式系統(tǒng)和開發(fā)系統(tǒng)

使用當(dāng)今可用的電子設(shè)備，構(gòu)建用于測量和分析核輻射的系統(tǒng)非常簡單。在 Web 上，您可以找到數(shù)千種不同的解決方案（參見圖 5 中的一些示例），這些解決方案涉及使用不同的 IT 和電子平臺。有些提供用于 Arduino、Raspberry Pi 或 Theremino 的軟件。其他的則由臨時創(chuàng)建的電子電路組成。在任何情況下，所有解決方案都共享一個合適的初級輻射傳感器，通常以蓋革管為代表。用這樣的設(shè)備進行測試非常簡單，因為每天人類都會接觸到許多放射性物體，比如香煙、浮石、一些派對用品、一些野營燈和一些陶器。

結(jié)論

放射性可以在現(xiàn)場和實驗室中測量。便攜式儀器更靈敏，可讓您測量環(huán)境中的輻射水平。然而，在量化食物或水的放射性水平時，必須采集某些樣本，然后在實驗室使用更靈敏的工具對其進行檢查。高分辨率伽馬光譜法是一種廣泛使用的方法。

審核編輯：郭婷