用盖革计数器检测辐射

今天，核辐射问题再次出现在许多人的脑海中。我们在媒体上听到的消息鼓励我们在我们居住的地区进行额外的检查。最新的突发新闻令公众感到震惊，放射性的增加随时可能发生。如今，传统的 Geiger-Müller 管变得越来越稀有和有价值。让我们探讨检测放射性的主要问题，以更好地了解核辐射是什么以及如何有效地测量它。

用盖革计数器测量辐射

历史上发生过许多核事故，使生物暴露于核辐射。然而，它们每天都会受到来自太空和地球矿物的自然辐射。如今，基于各种气体、光、发光和其他效应，使用不同的方法进行辐射检测和测量。

盖革-米勒计数器，又称“盖革计数器”，”是最著名的方法之一。它是一种检测器，可以测量非常微量的放射性，并且基于气体电离效应，能够检测 α 和 β 粒子，以及通常带电粒子。Geiger-Müller 计数器是一种能够检测和计数通过它的带电粒子的设备。如图 1 所示，盖革计数器由坚固的金属管（阴极）组成，两端密封。它含有减压约 0.1 个大气压的稀薄气体。通常使用氩气和酒精蒸气的混合物。钨丝（阳极）在内部保持拉伸和电绝缘。它的电势为正，略低于管的充电电势。当放射性粒子通过云母窗进入管子时，它会使内部气体电离，导致导线和外壳之间发生短时放电，并在外部声音单元中产生噪音。在这种情况下，检测器记录一个计数。在没有放射源的情况下，该管仅记录由于其所在环境的放射性而产生的计数。这种放电由连接到管的外部电路发出信号。为了能够正确评估计数，有必要进行两种测量：一种是在没有放射源的情况下，另一种是在存在辐射的情况下。然后在同一个地方计算两个度量之间的差异。使用其他种类的气体，可以检测其他类型的粒子。在盖革管中，高电场触发主要电离的二次电离，产生进一步的“雪崩”电离。此外，电子可以经历激发过程，导致发射可见光和紫外光。

根据单位时间内的计数次数，可以了解有多少带电粒子通过管子和辐射强度。如果电离粒子的数量适中，表明放射性很少，则可以在心理上执行每分钟的衰变计数。但如果辐射高，高计数频率可能无助于这种手动操作。在模拟或数字显示器上查看到达的脉冲数量通常会更好。在这些设备中，必须分析输入脉冲的重复率，该重复率与盖革管区域中存在的辐射强度成正比。您可以使用基本泵浦二极管仪表（如图 2 所示）以模拟方法可视化衰减频率。

图 2：盖革电路

当正脉冲进入电路时，C1 被充电至二极管两端的最大电压。由于脉冲之间的输入为 0 V，电容器 C1 在等待下一个脉冲时通过电容器 C2 上的二极管 D2 快速放电。C2 在 R 上放电缓慢。脉冲连续越快，C2 越快受到 C1 放电的影响，其电位差增大。电压表上的读数与脉冲速度成正比（参见图 3 中的响应图）。电容器 C2 的行为就像一个水库，其中通过 R 不断泄漏，但它不断地由通过 C1 的外部放射性脉冲馈送。电子元件并不重要，可以用其他等效物代替。可以改变电容器的值和电阻来改变电路的动态特性。盖革计数器仅通过电脉冲发出辐射通过的信号，但无法区分辐射类型。

辐射的影响

图 3：电路对输入脉冲频率的响应

根据它们是“阿尔法”、“贝塔”还是“伽马”射线，需要不同类型的保护，从一张简单的纸到铝板或几米厚的铅屏蔽。辐射对生物是非常有害的，无论它们是天然的还是人造的，因为细胞被完全改变，停止运作，工作异常，甚至发生变异。例如，天然放射性气体氡非常危险，它的存在会导致肺癌。受放射性事件影响的细胞可能会立即被周围的其他细胞破坏，从而恢复正常的细胞活动。然而，在不太幸运的情况下，患病细胞设法繁殖，产生数以百万计的修饰细胞，这些细胞工作不佳并在全身产生肿瘤，慢慢地包围身体而死。如果辐射强度非常高，肿瘤事件会在几分钟内发生。不幸的是，电离辐射是无声的，它没有气味、颜色或味道。有可能发现一个人暴露在放射性场中太晚了。

另一方面，盖革计数器允许通过检测物体或位置的辐射来进行预防。

放射性测量单位

以下简短列表显示了一些主要的放射性测量单位。它们是国际体系的一部分：

Sievert （Sv）：损坏程度

格雷 （Gy）：吸收剂量的量度

Bequerel （Bq）：放射性核素活性的量度

Rad：吸收辐射剂量的量度

Rem：等效辐射剂量的量度

西弗特是辐射对生物体造成的影响和损害的等效能量剂量的计量单位。因为 1 Sv 是一个非常大的量，并且能够使人患上重病，所以使用毫希弗特（mSv，或千分之一希弗特）和微希弗特（μSv，或百万分之一希弗特）的约数。为了理解比较的尺度，假设年自然辐射平均等于 2.4 mSv，X 射线大约等于 1 mSv，CT 扫描大约等于 4 mSv，放射治疗等于 30 SV。以下列表显示了正常生活的日常事件引起的辐射量：

1 µSv：吃一根富含钾的香蕉

5 µSv：单手射线照相

20 µSv：胸部 X 光片

3 mSv：乳房 X 线照相术

4 mSv：全身 CT 扫描

50–100 mSv：血液化学变化

100 mSv：与癌症风险增加相关的最小剂量

400 mSv：单剂量可引起辐射中毒

500 mSv：几个小时后，你会感到恶心

700 毫希：呕吐

750 mSv：两周内脱发

1 Sv：出血

4 Sv：几天后死亡

50 Sv：爆炸后在切尔诺贝利反应堆附近停留 10 分钟所受到的辐射剂量

适用于 Android 的应用程序

在 Google Play 和 Mac App Store 上，有几十个应用程序专门用于观察局部和全球辐射。其中一些需要直接连接到智能手机的核传感器。其他人直接连接到位于世界各地的各种服务器，这些服务器是为测量放射性而设置的。一个值得注意的应用程序是“Radiation Scan Pro”，可用于 Android，如图 4 所示。使用此应用程序，您可以检查您所在城市的核辐射并查看许多普遍感兴趣的点。实时接收结果。通过谷歌地图，你可以看到活跃的核电站及其数据。此应用程序不会通过连接到手机的传感器测量辐射，而是使用特殊的三角测量算法来计算辐射，该算法分析来自最近检测站的数据。

嵌入式系统和开发系统

使用当今可用的电子设备，构建用于测量和分析核辐射的系统非常简单。在 Web 上，您可以找到数千种不同的解决方案（参见图 5 中的一些示例），这些解决方案涉及使用不同的 IT 和电子平台。有些提供用于 Arduino、Raspberry Pi 或 Theremino 的软件。其他的则由临时创建的电子电路组成。在任何情况下，所有解决方案都共享一个合适的初级辐射传感器，通常以盖革管为代表。用这样的设备进行测试非常简单，因为每天人类都会接触到许多放射性物体，比如香烟、浮石、一些派对用品、一些野营灯和一些陶器。

结论

放射性可以在现场和实验室中测量。便携式仪器更灵敏，可让您测量环境中的辐射水平。然而，在量化食物或水的放射性水平时，必须采集某些样本，然后在实验室使用更灵敏的工具对其进行检查。高分辨率伽马光谱法是一种广泛使用的方法。

审核编辑：郭婷