Разработка устройства для измерения радиационного излучения

Понятие и виды ионизирующего излучения. Приборы, измеряющие радиационное излучение, и принцип работы счётчика Гейгера. Основные узлы и структурная схема прибора. Выбор и обоснование элементной базы. Проектирование принципиальной схемы в САПР OrCAD.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ГПП - гибкие печатные платы;

ДПП - двусторонние печатные платы;

ЖКИ - жидкокристаллический индикатор;

ИМС - интегральная микросхема;

КП - контактная площадка;

КЭ - конструктивный элемент;

МК - микроконтроллер;

МПП - многослойные печатные платы;

ОПП - односторонние печатные платы;

ПП - печатная плата;

ПУ - печатный узел;

РЭА - радиоэлектронная аппаратура;

САПР - система автоматического проектирования;

СГ - счетчик Гейгера;

УГО - условное графическое обозначение.



ВВЕДЕНИЕ

Ионизирующее излучение, часто называемое радиоактивным излучением, Ї это естественное явление, всегда присутствующее в окружающей нас природной среде.[1] На нас постоянно воздействует излучение радиационного фона Земли и космоса. Мы постоянно подвергаемся влиянию излучения природных радиоактивных материалов, находящихся в почве и в строительных материалах зданий и сооружений, в которых мы живем и работаем. В последнее время все чаще люди подвергаются дополнительному воздействию радиоактивных излучений, например, при определенных медицинских процедурах или при курении. Имеет место также влияние на людей источников радиоактивного излучения техногенного происхождения вследствие загрязнения обширных территорий выбросами, происшедшими во время аварии на Чернобыльской АЭС. Таким образом, к воздействию на нас природного ионизирующего излучения нередко добавляется и «чернобыльская составляющая», негативно влияющая на наш организм при попадании внутрь него вместе с сельскохозяйственными продуктами питания, выращенными на загрязненных территориях, с лесными ягодами и грибами. Ионизирующее излучение Ї это, прежде всего, рентгеновское, гамма-, бета-, альфа- и нейтронное излучения.

Исходя из вышесказанного, следует, что для контроля радиационной чистоты жилых помещений, зданий сооружений, предметов быта, одежды, транспортных средств, фабрик, ферм, поверхности почвы на приусадебных участках; для оценки радиационного загрязнения различных растений, например, лесных ягод и грибов, а также как наглядное пособие для учебных заведений, вытекает потребность разработки устройства для измерения радиационного излучения. Разработка такого устройства является целью данного проекта.

Прибор предназначается для определения уровня ионизирующей радиации. Так как в повседневной жизни человек чаще всего встречается с опасностью гамма-, бета- и рентгеновского излучения, то большинство приборов для контроля радиационного излучения контролируют именно эти виды излучений. Именно для предупреждения опасности гамма-, бета- и рентгеновского излучения и разрабатывается прибор для измерения радиационного излучения.

Для достижения поставленной цели в бакалаврской работе определяются следующие задачи:

1. Анализ технического задания.

2. Разработка структурной схемы

3. Разработка принципиальной схемы.

4. Выбор элементной базы.

5. Проектирование печатной платы.

6. Конструкторские расчеты.

7. Моделирование работы отдельных функциональных узлов схемы.

8. Охрана труда



1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Ионизирующее излучение

Как уже упоминалось, ионизирующее излучение Ї это, прежде всего, рентгеновское, гамма-, бета-, альфа- и нейтронное излучения.

Рентгеновское и гамма-излучение представляют собою энергию, которая передается в виде волн, наподобие света и тепла, идущих от Солнца. Рентгеновское и гамма-излучение по своей природе не очень отличаются между собою. Различие состоит лишь в способах их возникновения и длинах волн. Рентгеновские лучи, как правило, получают с помощью электронных аппаратов, которые можно встретить в каждой поликлинике. Гамма-лучи излучаются нестабильными радиоактивными изотопами. Как рентгеновское так и гамма-излучения характеризуются большой проникающей способностью, которая, в свою очередь, зависит от энергии лучей.

Проникающая способность гамма-лучей высокой энергии столь велика, что ее может остановить лишь толстая свинцовая или бетонная плита.

Альфа-излучение Ї это поток ядер гелия. Альфа-излучение имеет очень малую проникающую способность и задерживается, например, листком бумаги. Поэтому оно не несет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, которые излучают альфа-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с едой или посредством дыхания с воздухом.

Бета-излучение Ї это поток электронов. Бета-излучение имеет высокую проникающую способность: оно проходит в ткани организма на глубину от 1 до 2 см.

Нейтронное излучение Ї это поток нейтронов, который возникает в процессе ядерного деления в реакторах или вследствие спонтанного деления в ядерных материалах. Поскольку нейтроны Ї это электронейтральные частички, то они глубоко проникают во всякое вещество, включая живые ткани.[1]

Исходя из вышесказанного и учитывая то, что человек в повседневной жизни наиболее часто сталкивается с бета-, гамма- и рентгеновским излучением, можно сделать вывод, что разработка прибора способного измерять эти виды излучения является целесообразным.

1.2 Счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера (Гейгера-Мюллера) -- газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. Изобретён счетчик был в 1908 году Гансом Гейгером и усовершенствован Мюллером. Является самым распространенным детектором (датчиком) ионизирующего излучения. До сих пор ему, изобретенному в самом начале прошлого века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены.

Дополнительная электронная схема обеспечивает счётчик питанием (как правило, не менее 300 В), обеспечивает, при необходимости, гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.

Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).

Чувствительность счётчика определяется составом газа, его объёмом, а также материалом и толщиной его стенок.

Наиболее часто в приборах применяются счетчики с рабочим напряжением порядка 400 В, такие как:

1. «СБМ-20» (по размерам Ї чуть толще карандаша).

2. «СБМ-21» (оба со стальными корпусами, пригодные для измерения бета- и гамма-излучения).

3. «СИ-8Б» (со слюдяным окном в корпусе, пригоден для измерения бета-излучения).

Цилиндрический счётчик Гейгера-Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки, и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка -- катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы -- аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 400 В. Для большинства счетчиков существует так называемое плато, которое лежит приблизительно от 360 до 460 В, в этом диапазоне небольшие колебания напряжения не влияют на скорость счета.

Работа счетчика основана на ударной ионизации. Гамма-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счётчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается -- настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

Важной характеристикой счётчика является его эффективность. Не все Гама-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия гамма-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема.

Эффективность счётчика зависит от толщины стенок счётчика, их материала и энергии гамма-излучения. Наибольшей эффективностью обладают счётчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z, так как при этом увеличивается образование вторичных электронов.

Примечание. Атомный номер, Z Ї это порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Атомный номер равен числу протонов в атомном ядре, которое, в свою очередь, равно числу электронов в электронной оболочке соответствующего нейтрального атома. Заряд ядра равен Ze, где е -- положительный элементарный электрический заряд, равный по абсолютному значению заряду электрона.[2]

Кроме того, стенки счётчи...