В ЛУЧАХ БЕККЕРЕЛЯ

Париж, 12 мая 1896 года. Большой амфитеатр Музея естественной истории. Заведующий кафедрой физики Политехнической школы Анри Беккерель выступает перед широкой аудиторией с докладом об открытых им лучах, исследование природы которых приведет к результатам, коим суждено оказать, как покажет дальнейший ход событий, поистине колоссальное влияние на развитие науки и техники.

Триумф идей, международное признание ценности проделанной талантливым ученым работы, выражением которого явится присуждение ему Нобелевской премии по физике,— все это будет потом. Как, впрочем, и само определение открытой Беккерелем радиоактивности (от латинских слов: rаdio — излучение, radius — луч и activus — действенный) — самопроизвольного (спонтанного) превращения неустойчивого изотопа химического элемента в иной изотоп (обычно — изотоп другого элемента).

ТАЙНОЕ СТАНОВИТСЯ ЯВНЫМ с 1895 года, когда немецкий физик Вильгельм Рентген открыл неведомое дотоле излучение, обладающее большой энергией и проникающей способностью. Возникало оно всякий раз, когда катодные лучи (электроны), испускаемые отрицательным электродом электронно-вакуумной лампы, ударяли в другую ее часть во время высоковольтного разряда. Одновременно при ударе катодные лучи вызывали и люминесценцию, что многих исследователей наводило на мысль (оказавшуюся на поверку, кстати говоря, ошибочной) об одинаковости механизма образования как люминесценции, так и рентгеновского (термин получил всеобщее признание) излучения.

Беккерель пошел в этих предположениях еще дальше. И решил выяснить: а не мог бы люминесцентный материал, активированный не катодными лучами — светом! — также испускать открытые Рентгеном лучи? Те, которые проникают даже через непрозрачные для солнечного света среды и вызывают потемнение фотографических пластинок?

Из люминесцентных материалов под рукой у ученого оказался сульфат уранила калия (одна из солей урана). Завернув фотографические пластинки в плотную черную бумагу, Беккерель положил на получившийся пакет названный выше материал и выставил все это на свет в надежде побыстрее проверить свою рабочую гипотезу. А для контроля разместил на соседнем подоконнике другой пакет с фотопластинками, но уже без сульфата уранила калия.

Оба пакета пролежали на свету несколько часов. А когда фотопластинки были проявлены, обнаружилось, что первая из них почернела, в то время как другая осталась незасвеченной. Казалось бы, результаты указывали на то, что соль урана действительно испускала рентгеновские лучи, а также и свет после того, как полежала на залитом солнцем подоконнике. Однако, к удивлению Беккереля, выяснилось вскоре и то, что выставлять «заряженный» фотопластинкой непрозрачный пакет с лежащим сверху сульфатом уранила калия на залитый солнцем подоконник вовсе не обязательно. Фотопластинка, находясь в пакете, засвечивалась и без какого бы то ни было облучения образца, лишь бы последний принадлежал к урансодержащим веществам. Значит, имел место новый вид излучения.

В течение нескольких последующих лет благодаря исследованиям Беккереля и других ученых было, помимо прочего, обнаружено, что мощность этого излучения, по всей видимости, почти не уменьшается со временем. Ученица первооткрывателя, работавшая с торием — Мари Кюри,— выявила, что элемент этот тоже испускает лучи Беккереля, и переименовала последние в радиоактивность. Совместно с Пьером Кюри, своим мужем, открыла два новых радиоактивных элемента: радий и полоний.

По своей природе излучения радиоактивные элементы неоднородны, обладают подчас и разными свойствами (например, по отношению к магнитному полю). В силу этого появилась потребность как-то узаконить наблюдающуюся дифференциацию. И в 1902 году по предложению всемирно известного физика Э. Резерфорда появляются термины: α, β и γ-лучи.

Первый употребляют для излучений, образующихся положительно заряженными быстро движущимися материальными частичками (альфа-частицы), тождественными по своей природе ядру атома гелия. Второй термин напрямую связан с быстрым потоком так называемых бета-частиц (электронов). При прохождении через материю β-лучи рассеиваются значительно сильнее, чем α-лучи, мало изменяя свою скорость. Что касается γ-лучей, следующих в общепринятом списке резерфордовских терминов третьими, то они не испытывают отклонения в магнитном поле и не несут заряда, благодаря чему имеют еще большую проникающую способность. Они играют значительную роль во многих видах радиоактивных превращений, но имеют чисто ядерную природу, аналогичную излучению света (о последнем см., например, «М-К» № 9’93). То есть когда ядро, приобретя некоторый избыток энергии, переходит (что во время радиоактивных превращений случается довольно-таки часто) в возбужденное состояние, чтобы потом, перейдя уже в обычное, невозбужденное, выделить гамма-квант. Совокупность последних и является γ-излучением.

Для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и других ионизирующих излучений широко используется газоразрядный прибор (изобретенный X. Гейгером совместно с Э. Резерфордом в 1908 году и усовершенствованный впоследствии В. Мюллером), за которым прочно закрепилось название: счетчик Гейгера — Мюллера. Своеобразной «ареной действий» в нем служит газоразрядный промежуток с сильно неоднородным электрическим полем. Чаще всего для этого используют коаксиально расположенные цилиндрические электроды с приложенным к ним высоким (в несколько сот В) напряжением. Причем в качестве катода выступает (см. рис.) внешний цилиндр, а натянутая вдоль его оси строго по центру тонкая нить работает анодом. Электроды заключены в герметически замкнутый резервуар (например, стеклянный баллон), наполненный каким-либо газом до давления 100…200 мм рт.ст.

Приложенное к электродам счетчика напряжение берется «на пределе». Таким, что само по себе не способно вызвать разрядных явлений. В этом «режиме ожидания» наш прибор будет пребывать до тех пор, пока в его газовой камере не возникнет центр ионизации — след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, попадая в область сильного поля и ускоряясь в нем, получают настолько большую энергию, что сами производят ионизацию, все новые ионы и электроны. Образовавшиеся заряженные частицы тоже, в свою очередь, ускоряются. Возникает настоящая лавина электронов и ионов. Такой процесс называется газовым усилением.

Возникает вспышка коронного разряда, и через счетчик течет ток.

При достаточно большом сопротивлении нагрузки (см. типовые схемы включения) на нити скапливается отрицательный заряд, и разность потенциалов между нитью и катодом быстро падает. После этого чувствительность счетчика восстанавливается через 1…100 мс (время стекания заряда через Rн). Для первых конструкций датчиков (детекторов) ионизирующего излучения оно было довольно-таки большим. Поэтому такие приборы были вытеснены самогасящимися счетчиками, оказавшимися к тому же более стабильными. В них возврат газовой среды в исходное, ждущее состояние существенно облегчается благодаря вводу в эту среду сложных молекул (например, паров спирта) и небольшой примеси галогенов (хлора, брома, йода), которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Причем при меньших значениях сопротивления нагрузки.

Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика, является его важной паспортной характеристикой.

Фотонное, ультрафиолетовое, рентгеновское и γ-излучение счетчики Гейгера — Мюллера воспринимают опосредованно, то есть через фотоэффект (см. «М-К» № 5 и 7 за минувший год), комптон-эффект, эффект рождения пар. В каждом случае происходит преобразование излучения, взаимодействующего с веществом катода, в поток электронов.

В счетчики нейтронов специально вводят бор. Ведь при взаимодействии с этим веществом поток нейтронов легко преобразуется в хорошо регистрируемые α-частицы. Применяются и другие конструкторские решения.

Так, входное окно счетчика, чувствительного к а- и мягкому β-излучению, делают из слюды толщиной 3…5 мкм; для рентгеновского — изготавливают из бериллия, а для ультрафиолетового — из прозрачного в этой области спектра кварцевого стекла. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое β- и γ-излучение, одновременно служит катодом и имеет форму цилиндра из 0,05…0,06-мм стали.

Каждая из фиксируемых счетчиком частиц вызывает появление в его выходной цепи короткого импульса. Число же импульсов, возникающих в единицу времени, принято называть скоростью счета прибора. Зависит она от интенсивности радиационного облучения счетчика и от напряжения (см. график) питания прибора. А потому рекомендуемое рабочее напряжение Up выбирается обычно в середине «плато» — участка характеристики между напряжением нижней границы Uнг и напряжением верхней границы счета Uвг.

На графике скорость счета в рекомендуемом режиме обозначена Nр. Uнс — напряжение начала счета. Участок характеристики от него до Uнг в качестве рабочего используется крайне редко, так как подвержен множеству дестабилизирующих факторов. Но он может оказаться весьма ценным для осуществления регулировки чувствительности счетчика. А при напряжении, большем, чем Uвг, прибор быстро переходит из режима счета в непрерывный разряд (работает подобно неоновой лампе).

Но это все, так сказать,— теория. А как заставить работать счетчик Гейгера — Мюллера на практике?

ИНДИКАТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ со световой и звуковой сигнализацией, в котором в качестве детектора (датчика) задействован рассмотренный выше газоразрядный прибор, может смастерить себе любой желающий. Тем более что довольно простых и в то же время надежно работающих схем имеется предостаточно. В частности, большое распространение получила среди начинающих радиолюбителей конструкция с использованием счетчика типа СТС-5, тиратрона МТХ-90 и «динамика» ДЭМ-4М (см. илл.).

Высокое напряжение для питания счетчика формируется здесь выпрямителем, собранным на диодах VD1 и VD2 по так называемой схеме с удвоением напряжения. При этом требуемые 400 В получают подбором резистора R1.

Для индикации разрядов, возникающих в счетчике под действием ионизирующих излучений, служит упомянутый выше тиратрон. Анодное напряжение на него снимается с делителя R2R3 через резистор R4. А через резистор R6 подается (для повышения чувствительности, обеспечения правильной работы) соответствующее напряжение и на управляющую сетку тиратрона.

Особую роль в схеме играет конденсатор С4. Он, при включении индикатора в сеть, заряжается (через ДЭМ-4М и R4) до напряжения, при котором возможен поджиг тиратрона. Однако последний происходит только в случае ионизации в датчике и поступления соответствующего импульса напряжения с R5, выполняющего роль сопротивления нагрузки счетчика, на управляющую сетку тиратрона через конденсатор С3. С4, разряжаясь через VL1 и BF1, вызывает вспышку тиратрона и щелчок в «громкоговорителе» (ДЭМ-4М).

Собрана вся схема на плате из стеклотекстолита или гетинакса толщиной 1,5 мм. Необходимый монтаж выполнен отрезками медного луженого провода или печатным способом. Причем тиратрон распаивают на плате с таким расчетом, чтобы он слегка выступал из смотрового отверстия в корпусе. В качестве последнего (с учетом размещения всех элементов схемы, включая и сам счетчик, а также обеспечения электробезопасности) рекомендуется использовать пластмассовый корпус от карманного приемника. Габариты СТС-5, платы с располагающимися на ней остальными деталями индикатора успешно позволяют это сделать.

Радиация. Казавшаяся многим еще совсем недавно невообразимо далекой от повседневности, воспринимавшаяся скорее как научный термин или козырной довод в былых спорах сверхдержав за ядерное превосходство, чем реальная, грозящая всему живому на земле опасность, она все чаще начинает показывать свои когти и тяжелый нрав. Здесь и трагедия Чернобыля, и экологическая загрязненность других районов, и связанные с этим мутационные процессы…

Коварство всепроникающей радиации довелось испытать на себе и первооткрывателю радиоактивности Анри Беккерелю. Было это в апреле 1902 года. Готовясь к совместному выступлению на научной конференции, Пьер Кюри передал Беккерелю несколько дециграммов препарата, содержащего чрезвычайно активный радий. Предназначавшееся для последующей демонстрации вещество находилось в герметически закрытой маленькой стеклянной трубочке, завернутой в бумагу. Недолго думая Беккерель положил все это в правый угол своего жилетного кармана. Там препарат и пролежал около 6 часов, вплоть до начала конференции.

А через 10 дней — тревожный симптом. На коже у Беккереля появилось вдруг багрово-красное пятно. Причем размеры, очертания и расположение последнего позволили ученому сделать однозначный вывод: объяснение случившемуся следует искать в природных свойствах оказавшегося столь каверзным препарата. Вернее — в особом физиологическом воздействии радия и ему подобных (радиоактивных) веществ.

На следующий (после появления на коже) день пятно у Беккереля сделалось более темным. Затем образовалась язва. В течение месяца ее лечили как простой ожог, но заживление шло очень вяло, Медленно. В конце концов язва сошла, оставив после себя довольно-таки заметный рубец.

Можно лишь подивиться бесшабашной смелости ученого, носившего сверточек с радием в жилетном кармане. Но это была смелость от неведения. Ведь о лучевой болезни тогда ничего, по сути, не знали.

Теперь вот просветились. И даже старшеклассник подчас может вспомнить: тяжесть поражения от ионизирующих излучений определяется в основном величиной полученной дозы облучения. За основную же единицу последней принят 1 рентген. Это такое воздействие излучения, которое создает в 1 см³ сухого воздуха (при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст.) около 2 миллиардов пар ионов.

Применяются и меньшие единицы измерения: милли- и микрорентгены. Ну а доза облучения, отнесенная ко времени, за которое она получена, называется мощностью дозы. Измеряется специальными приборами. Причем в таких единицах, как рентген/ час, рентген/минута и рентген/секунда.

Совершив для начала столь краткий экскурс в историю, предлагаем обезопасить себя, смастерив для обнаружения радиоактивных излучений и определения их интенсивности, ведения контроля за радиоактивной обстановкой на местности, измерения мощностей доз в диапазоне от естественного радиоактивного фона до величины, стократно превышающей его, малогабаритный радиометр. В необходимости заиметь у себя такой ценный прибор вряд ли кто, думается, будет сегодня сомневаться. Тем более что этот радиометр можно с успехом применять и в гамма-дефектоскопии, других областях практических и научных исследований.

Принципиальная электрическая схема прибора (см. рис.) довольно-таки проста. Воспринимающим элементом здесь, как и во многих других портативных аналогах, служит газоразрядный счетчик СТС-5. Ну а если не удастся раздобыть указанный тип детектора (датчика) ионизирующих излучений — не беда. Схема разработана таким образом, что СТС-5 можно заменить другим газоразрядным счетчиком. Например, СБМ-20, имеющим приемлемые для использования в портативной конструкции габариты и соответствующее (номинальное) рабочее напряжение. Сделать наиболее удачный выбор при замене поможет, думается, таблица, где приведены основные параметры наиболее распространенных и популярных типов счетчиков.

Устройство и принцип действия таких детекторов (датчиков) рассматривались в предыдущем номере «М-К». Подчеркнем лишь, что под действием ядерных излучений происходит ионизация газа, находящегося внутри баллона счетчика. А при достаточно высокой напряженности поля (80 кВ/м) происходит и лавинообразный разряд, в результате которого возникают процессы, усиливающие первичный ионизационный эффект во много раз.

Напряженность поля внутри счетчика создается высоковольтным источником. В нашем конкретном случае это преобразователь напряжения, выполненный по схеме однотактного автогенератора, работающего с частотой около 1000 Гц, и умножитель, повышающий выпрямленное и со ста до четырехсот В. Причем последнее можно регулировать соответствующей подборкой величины резистора R4.

Индикация разряда — световая и с помощью микроамперметра. Напряжение на входе VT1 стабилизировано простейшим формирователем импульсов (двусторонним стабилитроном КС210Б) на уровне 10 вольт. Ключевая ступень, работая на составном транзисторе VТ1—VТ2, усиливает эти импульсы.

Диапазон измеряемых мощностей излучений — 0,001…2 мР/ч. Действует радиометр безотказно. И, как показывает практика, работая от аккумуляторов, потребляет ток не более 5 мА.

Конструкция и детали таковы, что практически все устройство удается разместить в металлическом корпусе размерами 125x35x25 мм. Выносным элементом является один лишь газоразрядный счетчик. Причем располагается он в трубочке из пластмассы диаметром 15 мм и длиной 110 мм. В боковой стенке корпуса прибора сделаны прорезь для микроамперметра 30×14 мм и отверстие для светодиода Ø5 мм. В торце же просверлено отверстие Ø8 мм — для выключателя SА1 типа МТ1.

Отсек электропитания образован из обоймы (латунь толщиной 0,3 мм) размером 20x20x30 мм; она стянута витками одножильного провода. В корпусе и крышке просверлены по 2 отверстия Ø3,5 мм. К стенке корпуса под ними припаяно по гайке М3. С помощью соответствующих винтов крышка крепится к коробке.

В радиометре применены сопротивления МЛТ, конденсаторы КЛС, К-50-16, ЭТО. Источник питания — 4 аккумулятора Д 0,1, соединенных последовательно. Трансформатор Т1 — самодельный. Он намотан на сердечнике из феррита М2000 НМ (Ш-образной формы) сечением около 25 мм2. Обмотки содержат: II — 30 витков, III —35 витков провода ПЭЛШО—0,15, I — 1800 витков ПЭЛШО—0,07. Укладка провода — внавал.

Таблица. Основные параметры газоразрядных счетчиков, широко используемых в радиолюбительских конструкциях.

В конструкции использован микроамперметр типа М476 с током полного отклонения 100 мкА. Этот стрелочный прибор зашунтирован сопротивлением R3 величиной 20—50 Ом. Ну а что касается транзисторов, указанных на принципиальной схеме, то они могут быть с любыми буквенными индексами.

Правильно собранная схема начинает работать сразу. При этом загорается светодиод и отклоняется стрелка прибора на 5—15 мкА. Оно и понятно: ведь существует естественный радиоактивный фон, на который наш радиометр и реагирует своими 20…40 вспышками в минуту. Приближение же радиоактивного препарата к счетчику вызывает рост показаний у светодиода и аналогового измерительного прибора. Напряжение преобразователя регулируется сопротивлением R4 (5—10 кОм).

Градуировку стрелочного прибора можно выполнить, воспользовавшись разными методиками. Например, с учетом того, что 1400 вспышек светодиода у нашего радиометра в минуту — это регистрация мощности излучения 1 мР/ч. Если следует подряд около 1000 вспышек за 40 секунд, то это тоже примерно соответствует 1 мР/ч. Одна вспышка, регистрируемая радиометром за 40 с, свидетельствует, что мощность излучения составляет 1 мкР/ч. 100 вспышек наблюдается в течение 40 с — значит, имеем 100 мкР/ч.

Поэтому действуют обычно так. Устанавливая радиоактивный препарат на фиксированных расстояниях от счетчика, подсчитывают импульсы. Их количество за 40 с равно мощности излучения в мкР/ч. На шкале прибора отмечают соответствующие показания.

Но, конечно же, проще всего градуировать прибор уже по оттарированному образцу. Или по эталонному радиоактивному препарату. При этом следует помнить, что количество импульсов (регистрируемая мощность излучения) при удалении эталона от счетчика должно уменьшаться пропорционально квадрату расстояния. То есть число импульсов (вспышек светодиода за 40 с) или соответствующие им показания стрелочного прибора в мкР/ч, зафиксированные счетчиком, скажем, в 10 см от эталона, должны быть в 4 раза меньшими, чем это было бы при 5-см удалении счетчика от эталона.

В качестве эталонного вполне подойдет радиоактивный препарат от армейского дозиметрического прибора. Например, от ДП11б, который поставлялся раньше даже в кабинеты начальной подготовки общеобразовательных школ. Можно использовать также и любое калийсодержащее вещество (например, К2С03 или КС1). Ведь без какого-либо внешнего загрязнения оно является источником радиации. И все потому, что природная смесь изотопов К содержит калий-40 (ß- и у-излучение!) с периодом полураспада свыше миллиарда лет. Его активность, отнесенная ко всей массе калия, составляет 29,6 Бк/г.

Для калибровки самодельного радиометра может послужить и старый циферблат, покрытый специальным, светящимся в темноте, радиоактивным составом. В крайнем случае в качестве эталона подойдет даже… экран работающего телевизора. Если, скажем, поднести к нему вплотную датчик самодельного радиометра, то стрелка последнего отклонится на определенную величину. С достаточной для практики точностью можно принять это показание за уровень излучения 35 мкР/ч.

Заимев на шкале хотя бы 2 метки, пропорциональным делением получают на рабочем участке и все остальные. Оно и понятно. Ведь шкала у самодельного радиометра — линейная (естественно, с допустимой для практики погрешностью).

В. ДАНИЛЕНКО, Н. КОЧЕТОВ