Счетчики Гейгера. Принцип работы
Счётчик Гейгера — газоразрядный прибор для счета числа прошедших через него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, пробивающийся при появлении ионизирующей частицы в объёме газа. Счетчики Гейгера — достаточно популярные детекторы (датчики) ионизирующего излучения. До сих пор им, изобретенным в самом начале нашего века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены.
Конструкция счетчика Гейгера достаточно проста. В герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая из легко ионизируемых неона и аргона. Материал баллона может быть различным — стеклянным, металлическим и др.
Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно». Повсеместное применение счетчика Гейгера-Мюллера в схемах дозиметров объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать различное излучение, сравнительной простотой и дешевизной установки.
Схема подключения счетчика Гейгера
К электродам подводят высокое напряжение U ( см рис.), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В таком состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации — след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют «по дороге» другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс заканчивается образованием в пространстве между электродами электронно-ионного облака, значительно увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.
Обратный процесс — востановление газовой среды в ее первоначальное состояние в так называемых галогеновых счетчиках — происходит само собой. В ход вступают галогены (обычно хлор или бром), в малом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс протекает достаточно медленно. Время, необходимое для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие — «мертвое» время — является главной его паспортной характеристикой.
Такие счетчики обозначаются как галогеновые самогасящиеся. Отличаясь очень низким напряжением питания, хорошими параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались востребованными в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.
Счетчики Гейгера способны обнаруживать самые разные виды ионизирующего излучения — a, b, g, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но действительная спектральная чувствительность счетчика очень зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к a- и мягкому b-излучению, должно быть достаточно тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3…10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое b- и g-излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки 0,05….0,06 мм (он служит и катодом счетчика). Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового — из кварцевого стекла.
Зависимость скорости счета от напряжения питания в счетчике Гейгера
В счетчик нейтронов вводят бор, при взаимодействии с которым поток нейтронов преобразуется в легко регистрируемые a- частицы. Фотонное излучение — ультрафиолетовое, рентгеновское, g-излучение — счетчики Гейгера воспринимают опосредованно — через фотоэффект, комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом случае происходит преобразование взаимодействующего с веществом катода излучения в поток электронов.
Каждая фиксируемая счетчиком частица образует в его выходной цепи короткий импульс. Число импульсов, появляющихся в единицу времени, — скорость счета счетчика Гейгера — зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Стандартный график зависимости скорости счета от напряжения питания Uпит показан на рисунке выше. Здесь Uнс — напряжение начала счета; Uнг и Uвг — нижняя и верхняя граница рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение Uр обычно избирают в середине этого участка. Ему соответствует Nр — скорость счета в этом режиме.
Зависимость скорости счета от степени радиационного облучения счетчика — основная его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому зачастую радиационную чувствительность счетчика показывают через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета — имп/с — к уровню радиации — мкР/с).
В тех случаях, когда она не указана, определять о радиационной чувствительности счетчика приходится по другому его тоже крайне важному параметру — собственному фону. Так называют скорость счета, фактором которой являются две составляющие: внешняя — естественный радиационный фон, и внутренняя — излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода.
Зависимость скорости счета от энергии гамма-квантов («ход с жесткостью») в счетчике Гейгера
Еще одной существенной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц. В какой мере эта зависимость существенна, представляет график на рисунке. «Ход с жесткостью» будет сказываться, очевидно, на точность осуществляемых измерений.
То, что счетчик Гейгера является лавинным прибором, имеет и свои минусы — по реакции такого прибора нельзя судить о первопричине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые счетчиком Гейгера под действием a-частиц, электронов, g-квантов, ничем не отличаются. Сами частицы, их энергии полностью исчезают в порождаемых ими лавинах-близнецах.
В таблице приведены сведения о самогасящихся галогеновых счетчиках Гейгера отечественного производства, наиболее подходящих для бытовых приборов радиационного контроля.
Счетчик Гейгера-Мюллера
Устройство и принцип работы счетчиков Гейгера. Типы счетчиков и их сравнение между собой.
- описаны устройство и принцип работы счетчика Гейгера;
- приведены пояснения к основным его параметрам;
- представлены сведения о видах радиоактивных излучений;
- представлена информация о модификациях счетчика Гейгера;
- в понятной форме описаны различия модификаций счетчика с точки зрения их возможностей (и невозможностей) по регистрации различных видов излучений;
- описана история создания и совершенствования счетчиков Гейгера.
Специально для тех, кому некогда или нет желания читать технический текст, мы подготовили информацию этой статьи в сжатом обобщенном табличном виде – с привязкой к ассортименту нашего интернет-магазина.
| типы счетчика Гейгера | |||
| цилиндрический датчик | |||
Учитывая важность контроля присутствия (или появления) в атмосфере и в быту
опасных* радионуклидов, излучающих альфа- и/или бета-частицы
(скрытые и явные выбросы этих веществ в атмосферу, а также газ радон), то
СТАНДАРТОМ полноценного бытового дозиметра
на сегодняшний день мы видим
модели на базе
мульти-чувствительных слюдяных датчиков
* — в повседневной жизни гораздо важнее контролировать присутствие и мощность именно α- и β- излучений, как намного более опасных для здоровья человека по сравнению с фоновым гамма-излучением. Именно α- и β- излучения (и, в частности, радон — их основной источник) являются одной из основных причин онкологических заболеваний человечества ( ВОЗ про опасность газа радон ).
Итак, теперь переходим непосредственно к статье.
Во всех бытовых и во многих профессиональных приборах дозиметрического контроля в качестве датчика радиоактивного излучения используется счетчик Гейгера. Этот компонент стал важной частью дозиметра по причине простоты, надежности и эффективности применения.
Счетчик Гейгера был изобретен в 1908 году немецким физиком-экспериментатором Хансом Вильгельмом Гейгером. В 1928 году, совместно с Вальтером Мюллером, счетчик был усовершенствован. Поэтому изобретение часто называют счетчиком Гейгера-Мюллера.
В период зарождения ядерной физики, атомной энергетики и создания ядерного оружия нужны были простые приборы для регистрации и измерения интенсивности процессов распада радиоактивных материалов. Одним из первых счетчиков Гейгера в СССР стал применяться СТС-5, который устанавливался в армейских дозиметрических приборах ДП-5А. Массовое производство таких счетчиков радиации освоил Московский электроламповый завод.
Рис.1. Газоразрядный счетчик СТС-5.
Более совершенный измеритель мощности дозы ДП-5В использовался не только в вооруженных силах и на атомных электростанциях, но и в группах дозиметрического контроля формирований гражданской обороны. Он включал в свой состав счетчик Гейгера типа СБМ-20, производство которого началось в 70-х годах прошлого столетия на одном из предприятий города Саранска.
Рис.2. Газоразрядный счетчик СБМ-20.
Конструкция и характеристики счетчиков СТС-5 и СБМ-20 практически идентичны, а последний вариант до сих пор широко применяется в современных средствах контроля радиоактивного излучения. Данный тип счетчиков используется в дозиметрах Соэкс, SMG, Радэкс.
Аренда дозиметра Радиаскан 701А от 350 рублей в день
Принцип работы счетчиков Гейгера основан на эффекте ударной ионизации газовой среды под действием радиоактивных частиц или квантов электромагнитных колебаний в межэлектродном пространстве при высоком ускоряющем напряжении.
Устройство состоит из герметичного металлического или стеклянного баллона, наполненного инертным газом (неон, аргон) или газовой смесью. Внутри баллона имеются электроды – катод и анод. Для облегчения возникновения электрического разряда в газовом баллоне создается пониженное давление. Электроды подключаются к источнику высокого напряжения постоянного тока через нагрузочный резистор, на котором формируются электрические импульсы при регистрации радиоактивных частиц.
Рис.3. Устройство и схема включения счетчика Гейгера.
В исходном состоянии газовый промежуток между электродами имеет высокое сопротивление и тока в цепи нет. Когда заряженная частица, имеющая высокую энергию, сталкивается с элементами конструкции датчика (корпус, баллон, катод), она выбивает некоторое количество электронов, которые оказываются в промежутке между электродами. Под действием ускоряющего напряжения в несколько сотен вольт электроны, находящиеся в инертном газе, начинают устремляться к аноду. На этом пути они легко ионизируют молекулы газа, выбивая вторичные электроны. Процесс многократно повторяется и количество электронов лавинообразно увеличивается, что приводит к возникновению разряда между катодом и анодом. В состоянии разряда газовый промежуток в межэлектродном пространстве становится токопроводящим, что обуславливает скачок тока в нагрузочном резисторе.
В несамогасящихся счетчиках прекращение разряда достигается отключением источника питания, что приводит счетчик Гейгера в исходное состояние. В самогасящихся галогенных счетчиках, широко применяемых в настоящее время, это достигается за счет введения в газовую среду специальных добавок (хлор, бром, йод, спирт), которые способствуют быстрому прекращению разряда. Также в качестве нагрузочного резистора используют высокоомное сопротивление – несколько единиц или десятков мегаом. Это позволяет за счет падения напряжения на резисторе (во время разряда) резко уменьшить разность потенциалов на электродах счетчика. Как правило, напряжение менее 300 вольт делает невозможным поддержание разряда, и он автоматически прекращается.
Газоразрядные счетчики предназначены только для регистрации частиц или квантов и не могут определить ни энергетические их характеристики, ни тип радиоактивного излучения, если это не предусмотрено специальной методикой измерения. Однако, сравнивая между собой различные счетчики Гейгера-Мюллера, важно понимать и правильно трактовать возможности этих устройств.
Согласно современным представлениям о физике микромира радиационное излучение можно разделить на два вида: электромагнитное (в виде поля) и корпускулярное (в виде частиц). К первому виду относятся рентгеновские и гамма-лучи. Они обладают такими же свойствами, как и радиоволны, способны распространяться на большие расстояния и легко проникать сквозь многие материалы. По своей природе они имеют импульсный характер, поэтому физики говорят, что это фотоны или кванты, то есть короткие вспышки электромагнитного излучения. Частота колебаний фотонов рентгеновского диапазона очень высокая, а частота гамма-квантов в тысячи раз большая. Принято говорить, что гамма-радиация более жесткая (по частоте), чем рентгеновские лучи, потому что оказывает на человека более разрушительное действие.
Рис.4. Кванты рентгеновского и гамма-излучения.
Ко второму виду следует отнести альфа-частицы и бета-частицы. Они образуются в результате реакций ядерного превращения одних радиоактивных изотопов в другие. Если бета-частицы представляют собой в основном поток электронов (отрицательно заряженных элементарных частиц), то альфа-частица это гораздо более крупное и устойчивое образование, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, связанных между собой ядерными силами. Именно такой состав имеет ядро химического элемента гелия. Иными словами, альфа-частицы есть обособленные ядра гелия.
Гамма-кванты обладают высокой проникающей способностью, бета-частицы – средней, а альфа-частицы – самой низкой. Энергетические характеристики этих видов излучения имеют обратную зависимость. Альфа-частицы несут в себе самую большую разрушительную силу, так как их масса более чем в 7 тысяч раз больше, чем у бета-частиц. Но в воздухе альфа-частица не может пролететь даже нескольких сантиметров и, сталкиваясь с препятствиями, теряет свою скорость. Бета-частицы несут среднюю энергию и благодаря небольшой массе могут пролететь в воздухе несколько метров. Гамма-излучение распространяется на значительные расстояния, но затухает по мере продвижения, подчиняясь законам природы для любых электромагнитных волн.
Рис.5. Радиоактивные частицы альфа и бета типа.
Считается, что самым опасным для человека является альфа-излучение. Однако его обнаружить труднее всего, так как даже простой лист писчей бумаги для него есть непреодолимая преграда, не говоря о более плотном стеклянном или металлическом баллоне счетчика. Бета-радиоактивность выявить проще, особенно поток частиц высоких энергий, который также называют жестким (по энергии). Мягкое бета-излучение будет соответствовать потоку радиоактивных частиц малых энергий. Не все счетчики Гейгера способны обнаружить мягкое бета-излучение, так как энергии частиц явно не хватает, чтобы пробиться в датчик. Кванты гамма-излучения всегда проникают в газовый объем счетчика, но большинство из них вылетают наружу, так и не запустив ионизационный процесс. Чтобы увеличить вероятность регистрации гамма-квантов, на их пути часто ставят преграду из плотного материала – стальной или свинцовый экран определенной толщины.
Остановимся на наиболее важных характеристиках газоразрядных счетчиков Гейгера, по которым можно сравнивать и выявлять лучшие образцы из них.
Конструкция и назначение. Основные виды счетчиков – цилиндрические и торцевые. Первые похожи на продолговатую трубку-баллон в виде цилиндра. Ионизационная камера вторых образована круглой или прямоугольной формой тела небольшой высоты и значительной рабочей торцевой поверхностью. Реже встречаются торцевые счетчики в виде удлиненного цилиндра и малого входного окна со стороны торца. Устройства могут регистрировать как отдельный вид радиоактивного излучения (альфа, бета, гамма), так и их комбинацию (например, гамма+бета или альфа+бета+гамма). Это достигается особенностями конструкции корпуса, электродов, а также выбором материала для их изготовления.
Площадь входного окна или рабочей зоны. Это площадь пространства, через которое пролетают детектируемые частицы или кванты. Она напрямую связана с размерами счетчика. Чем больше эта площадь, тем больше частиц сможет уловить счетчик Гейгера в единицу времени и тем больше будет его чувствительность к радиации. Указывается в квадратных сантиметрах.
Собственный фон. Это излучение деталей самого счетчика или иные причины самопроизвольного срабатывания при максимальном изолировании изделия от радиационного воздействия внешней среды (например, в свинцовой камере). Минимальный фон позволяет увеличить чувствительность счетчика при малых значениях радиоактивного излучения. Если собственный фон детектора будет значительным, то часть полезной информации закроется шумом. Приводится в импульсах в секунду (имп/с).
Радиационная чувствительность. Показывает скорость счета при определенном уровне облучения, измеряется в импульсах в секунду (имп/с) либо в импульсах на микрорентген (имп/мкР) в пересчете на уровень 1 мкР/с. Этот параметр сильно зависит от типа стандартного источника ионизирующего излучения, по которому производят измерение. Как правило, для этой цели используют источники, включающие радионуклиды кобальт-60, цезий-137, радий-226, углерод-14 и другие. Если счетчики Гейгера, которые необходимо сравнить, тестировались от разных источников, то сделать это будет затруднительно.
Эффективность регистрации. По разным причинам счетчики Гейгера не могут зафиксировать все без исключения пролетающие частицы или гамма-кванты. Данная величина указывает процент фактически зарегистрированных радиоактивных частиц от всего их количества, пролетающего через площадь рабочей зоны. Этот параметр проверяют стандартными источниками на основе плутония-239 (альфа-излучатель), таллия-204 (бета-излучатель) и других радиоактивных материалов. В качестве бета-излучателей также используется система радионуклидов: стронция-90 и продукта его распада иттрия-90.
Диапазон регистрируемых энергий. Это энергетический спектр улавливаемых счетчиком Гейгера фотонов, альфа или бета-частиц. Может указываться как в общем, так и раздельно для каждого вида излучения. Единицы измерения – мегаэлектронвольты (МэВ) либо килоэлектронвольты (кэВ). Радиоактивные частицы, вырывающиеся в окружающее пространство, имеют широкий диапазон энергий. Но только бета-излучение достаточной энергии сможет выбить первичные электроны для начала ионизационного процесса. Только сильные альфа-частицы смогут преодолеть воздушную прослойку и стенку входного окна между источником и камерой счетчика Гейгера.
Сегодня промышленность выпускает широкий ассортимент счетчиков Гейгера-Мюллера для нужд приборостроительной отрасли. Рассмотрим наиболее типичные из них, которые нашли применение в современных дозиметрических приборах.
Регистрация гамма-фотонов и жесткого бета-излучения. На это способны практически все классические счетчики Гейгера, выпускаемые как в прошлом столетии, так и в настоящее время. Оба вида излучения несут высокую энергию и обладают большой проникающей способностью. Такие кванты и частицы легко проникают в тонкостенный стеклянный или металлический баллон детектора и обнаруживаются электронной схемой.
Популярный цилиндрический счетчик СБМ-20 предназначен для подобных целей. Он имеет вид герметичной трубки-баллона с расположенным коаксиально внутри проволочным анодом. Причем трубка одновременно служит корпусом и катодом, изготовленным из тонкой нержавеющей стали. Площадь рабочей зоны датчика составляет примерно 8 кв. см. Радиационная чувствительность к гамма-излучению (по цезию-137 при 4 мкР/с) около 70 имп/мкР или 280 имп/с, собственный фон не более 1 имп/с. Этот счетчик способен регистрировать гамма-кванты с энергией от 0,05 МэВ до 3 МэВ. А также бета-частицы, имеющие энергию с нижним пределом 0,3 МэВ.
Рис.6. Устройство счетчика Гейгера СБМ-20.
Существующие модификации счетчика СБМ-20-1, СБМ-20У имеют такие же параметры и отличаются лишь конструкцией контактных элементов для подключения к измерительной схеме. Аналогичные счетчики Гейгера цилиндрического типа разных производителей (СБМ-10, СБМ-19, СБМ-21, СИ24БГ, СИ29БГ) имеют похожую конструкцию и характеристики, некоторые из них встречаются в бытовых дозиметрах.
Обнаружение фотонов рентгеновского и гамма-излучения. Так как фотонное излучение представляет собой дискретные порции (кванты) электромагнитной энергии, которые движутся со скоростью света, то есть 300000 км/с, то эффективность регистрации их счетчиками Гейгера довольно низкая и часто не превышает 1 процента. Повышения эффективности добиваются увеличением поверхности катода. Гамма-кванты обнаруживаются косвенно, путем регистрации выбитых ими электронов, участвующих затем в актах ионизации газовой смеси в камере. Для увеличения количества таких электронов подбирают толщину, а также материал корпуса и катода датчика. Слишком большая толщина и плотность материала может уменьшить эффективность регистрации, а слишком малая – откроет доступ для жесткого бета-излучения.
Гамма-счетчики находят применение в дозиметрии для прямого измерения гамма-фона, исключая другие виды радиоактивного воздействия, а также для оценки радиационной обстановки или радиоактивного заражения объектов по гамма-излучению. В дозиметрической аппаратуре применяются цилиндрические датчики типа СИ21Г, СИ22Г, СИ34Г, Гамма-1-1, Гамма-4, Гамма-5, Гамма-7Ц (конструктивный аналог СБМ-20), Гамма-8, Гамма-11 и многие другие. Также существуют варианты, имеющие торцевую конструкцию, во входном окне которой установлен несъемный металлический фильтр, отсекающий альфа-бета-излучение и увеличивающий площадь катода. Например, Гамма-6, Бета-1М, Бета-2М, Бета-5М (прямоугольной формы), Бета-6М и другие. Для примера рассмотрим характеристики одного из них.
Торцевой счетчик Бета-2М имеет круглую форму и значительную площадь рабочей зоны, составляющую приблизительно 14 кв. см. Радиационная чувствительность к кобальту-60 – 240 имп/мкР. Максимальный собственный фон в толстостенной свинцовой камере не превышает 1 имп/с. Датчик позволяет регистрировать ионизирующее фотонное излучение в диапазоне от 0,05 МэВ до 3 МэВ.
Рис.7. Торцевой гамма-счетчик Бета-2М.
В качестве гамма-счетчиков могут применяться гамма-бета-счетчики, предназначенные для регистрации гамма-лучей и жесткого бета-излучения (например, СБМ-20). Если поверх такого датчика установить свинцовый либо стальной экран определенной толщины, то это исключит возможность регистрации счетчиком бета-частиц. Так и поступают во многих случаях разработчики, создающие гамма-дозиметры для измерения мощности дозы фотонов рентгеновского или гамма-излучения.
Регистрация гамма и мягкого бета-излучения. Зафиксировать мягкое бета-излучение – непростая задача. Обычно здесь используются торцевые счетчики Гейгера, в которых предусматривается тонкое окно из слюды или полимерной пленки для облегчения проникновения бета-частиц небольших энергий в ионизационную камеру. Если у цилиндрического счетчика катод имеет максимальную поверхность и всегда стоит на пути движения радиоактивных частиц, то у модели торцевого типа преградой является только слюдяная пленка. Катодом может служить металлический корпус, а анод реализуют в виде системы линейных электродов, равномерно уложенных в ионизационной камере на изоляторах. В многосекционных вариантах аноды электрически развязаны. Регистрация гамма-излучения в торцевых счетчиках существует как бесплатное приложение, от которого пытаются избавиться, минимизировав поверхность катода.
Рис.8. Устройство торцевого счетчика Гейгера.
Торцевые счетчики мягкого бета-излучения созданы давно. Такие типы как СБТ10, СИ8Б, имеющие входные слюдяные окна, применялись в дозиметрах разработки конца прошлого века. Современный вариант счетчика Бета-5 имеет форму прямоугольника с площадью слюдяного окна 37 кв. см. При такой большой рабочей зоне датчик способен достичь радиационной чувствительности 500 имп/мкР (к кобальту-60). Собственный фон – не более чем 2,2 имп/с. Эффективность детектирования бета-частиц доходит до 80%. Диапазон энергий фотонного излучения 0,05–3 МэВ. Нижний порог энергий бета-излучения – около 0,1 МэВ.
Рис.9. Торцевой бета-гамма-счетчик Бета-5.
Регистрация гамма-квантов, мягкого бета-излучения и альфа-частиц. Поймать альфа-частицу, даже имеющую высокую энергию, проблема более сложная, чем зарегистрировать мягкое бета-излучение. Она решается уменьшением толщины слюдяной пленки входного окна и максимальным сближением (до 1 мм) источника радиации с датчиком. Возможность регистрации остальных видов излучения, как и в предыдущем случае, будет являться бесплатным приложением или побочным эффектом, хотя и может использоваться разработчиками дозиметрической аппаратуры в своих конструкциях. Перед производителями альфа-счетчиков всегда стояла задача уменьшения толщины слюдяного окна. Но тонкая слюда не может обеспечить механическую прочность и герметичность ионизационной камеры при достаточной площади входного окна, от которой зависит радиационная чувствительность. Например, при толщине слюды 13–17 мкм удается достичь площади окна в 30 кв. см (СБТ10, СИ8Б). А толщина слюды 4–5 мкм позволяет создать счетчик с входным окном всего лишь 0,2 кв. см (СБТ9).
Следует отметить, что расчетная толщина слюдяной пленки, при которой возможна регистрация альфа-частиц с энергией около 5 МэВ (от альфа-излучателя плутония-239) при сближении образца с поверхностью входного окна счетчика Гейгера не далее 2 мм, не должна превышать 15 мкм. При толщине слюды 10 мкм альфа-частицы можно обнаружить на удалении 13 мм, а если слюда на датчике будет иметь толщину в 5 мкм, то дальность повышается до 24 мм. Если частицы будут иметь энергию большую 5 МэВ, это расстояние увеличивается. При меньшей энергии оно сокращается вплоть до потери возможности детектирования альфа-излучения.
Вторым способом увеличения радиационной чувствительности альфа-счетчика Гейгера является снижение влияния сопутствующего гамма-излучения. Его минимизируют путем уменьшения поверхности катода. Эта мера позволяет сократить влияние мешающей гамма-радиации в тысячи раз. Помехи от бета-излучения устраняются методикой измерения. Она заключается в том, что вначале определяется сумма альфа-бета-излучения, затем устанавливается бумажный фильтр и оценивается величина составляющей радиации от бета-частиц. Значение альфа-излучения вычисляется как разность двух промежуточных результатов.
Рассмотрим характеристики современного альфа-бета-гамма-счетчика Гейгера Бета-1. Площадь его входного окна составляет 7 кв. см, толщина слюды – 12 мкм, что позволяет регистрировать альфа-частицы на расстоянии до 9 мм (по плутонию-239). Относительно кобальта-60 радиационная чувствительность достигает 144 имп/мкР. Данные эффективности детектирования производитель приводит по трем источникам: к плутонию-239 – 20%, к таллию-204 – 45%, к комплексу стронций-90 + иттрий-90 – 60%. Максимальный собственный фон – 0,6 имп/с. Счетчик Бета-1 может уверенно обнаруживать альфа частицы, начиная с энергий 5 МэВ, бета-излучение с энергией более 0,1 МэВ. Спектр энергий для гамма-излучения лежит в пределах 0,05–3 МэВ. Данный тип счетчиков используется в дозиметрах Радиаскан и МКС.
Рис.10. Торцевой альфа-бета-гамма-счетчик Бета-1.
Кроме приведенных в статье основных характеристик счетчиков Гейгера, есть и другие (радиометрические, электрические, механические, климатические), предназначенные для специалистов. Например, рабочее напряжение, мертвое время, протяженность плато, межэлектродная емкость и так далее. Однако для непрофессионального пользователя, который желает разобраться в принципах действия счетчика Гейгера, незнание этих понятий не станет препятствием. Также имеется подкласс счетчиков Гейгера для детектирования фотонов ультрафиолетового излучения и устройств для регистрации медленных нейтронов, функционирующих по принципу коронного разряда и в пропорциональном режиме, которые здесь не рассмотрены.
Какой бытовой дозиметр выбрать?
Позвоните прямо сейчас по телефонам: 8 (800) 333-09-18
и получите качественную консультацию по выбору прибора!
Величайшие открытия Николы Тесла, о которых нужно знать
DC — постоянный ток, AC — переменный ток
Прежде чем научиться использовать переменный ток, его необходимо сначала получить. В общем-то о переменном токе физики знали уже давно (со времён открытия электромагнитной индукции) и Тесла его как таковой не открывал, но тогда все полагали, что переменный ток — это попросту «мусор», который вряд ли как-то получится использовать. Тесла же был другого мнения и сразу увидел весь потенциал переменного тока.
Постоянный ток непрерывно течёт в одном направлении; переменный ток меняет своё направление 50 или 60 раз в секунду и у него можно изменять напряжение до высоких уровней, минимизируя при этом потери мощности на больших расстояниях. Позже напряжение переменного тока можно понижать, чтобы использовать его на заводах или в жилых домах. Тесла понял, что будущее принадлежит переменному току.
Тесла описал свои двигатели и электрические системы в статьей «Новая система двигателей переменного тока и трансформаторов», которую он презентовал в Американском институте инженеров-электриков в 1888 году. Именно тогда Джордж Вестингауз заинтересовался разработками Теслы, и однажды он посетил его лабораторию и поразился увиденному. Никола Тесла построил модель многофазной системы из понижающих и повышающих трансформаторов переменного тока, а также двигателя переменного тока. Так началось партнёрство Ветсингауза и Теслы. Позже Никола Тесла получил 40 патентов на свои изобретения в США, а Вестингауз выкупил их все, чтобы обеспечить себя богатством, а Америку переменным током.
Ниже мы как раз и поговорим об этих машинах и о том, как в США внедрялась многофазная система электроснабжения.
Кто изобрел электричество
Изобретение электричества в 19 веке стало возможным благодаря открытиям целой плеяды великих ученых. В 1752 году Бен Франклин провел свой эксперимент с воздушным змеем, ключом и штормом. Это просто доказало, что молния и крошечные электрические искры — это одно и то же.
Итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил, что определенные химические реакции могут производить электричество, а в 1800 году он создал гальванический элемент, раннюю электрическую батарею, вырабатывающую постоянный электроток. Он также выполнил первую передачу тока на расстояние, связав положительно и отрицательно заряженные разъемы и создав между ними напряжение. Поэтому многие историки считают, что 1800 — это год изобретения электричества.
В 1831 году электричество стало возможно использовать в технике, когда Майкл Фарадей создал электродинамо, решившее на практике проблему генерирования постоянного электротока. Довольно простое изобретение с использованием магнита, перемещавшегося внутри катушки из медного провода, создавал небольшой ток, протекающий через провод. Оно помогло американцу Томасу Эдисону и британскому ученому Джозефу Свону, каждому в отдельности, примерно в одно время в 1878 году изобрести лампу накаливания. Сами лампочки для освещения были изобретены другими исследователями, но лампа накаливания была первым практичным устройством, дававшем свет в течение нескольких часов подряд.
В 1800-х и в начале 1900-х годов, сербско-американский инженер, изобретатель и мастер электротехники Никола Тесла стал одним из авторов зарождения коммерческого электричества. Он работал совместно с Эдисоном, сделал много революционных разработок в области электромагнетизма и хорошо известен своей работой с двигателями переменного тока и многофазной системой распределения энергии.
Обратите внимание! Русский ученый и инженер А. Н. Лодыгин изобрел и запатентовал в 1874 г. лампу освещения, где функцию нити накаливания выполнял угольный стержень, размещенный в вакуумной среде сосуда, изготовленного из стекла. Это были первые лампочки освещения в России. Только через 16 лет в 1890-х гг. он применил нить из тугоплавкого металла — вольфрама.
Генератор переменного тока
Генератор переменного тока — это электрическая машина, которая является составной частью полифазной системы электроснабжения Теслы, о которой речь пойдёт ниже. Генератор создаёт переменный ток, используя механическую работу (например, генераторы, установленные на дамбах, использующие падающую на их лопасти воду).
Мы не будем объяснять принцип работы генератора. Посмотрите видео ниже, если хотите понять подробнее.
Альтернатор Теслы (другое название генератора переменного тока) превосходил все другие по той простой причине, что он был действительно эффективен на практике. Свой генератор Тесла изобрёл ещё будучи на 2 курсе и уже тогда обращался к своим преподавателям с идеей использования переменного тока, но от его идей все отмахивались, как от бредовых. Некоторые профессора даже просто смеялись над его изобретениями.
В 1882 году Тесла работает в Париже и создаёт первый рабочий прототип своего генератора.
Приехав в 1884 году в США, Тесла направился к тогда уже известному изобретателю и коммерсанту в области электричества Томасу Эдисону и устроился к нему на работу. Попутно Тесла предлагал Эдисону свои идеи по использованию переменного тока, но Эдисон считал, что он сошёл с ума, раз думает, что переменный ток можно хоть как-то использовать. Дошло даже до того, что Тесла, не поняв сарказма Эдисона, подумал, что получит большую сумму от Эдисона, если сделает несколько десятков определённых изобретений на заказ. Тесла их сделал, а Эдисон сказал, что пошутил, а Тесле рекомендовал научиться понимать американский юмор.
В 1891 году Тесла получает в США патент на первый в мире альтернатор.
Генератор переменного тока 1891 года
Патент Теслы на генератор переменного тока
Многофазный генератор Теслы мощностью 500 л.с. (около 370 кВт) на выставке Вестингауза
Шутка Эдисона
Тесла был уязвлен, но один из руководителей Континентальной компании Эдисона дал ему рекомендательное письмо для устройства на работу в компании Томаса Эдисона в США.
В июле 1884 года Никола Тесла прибыл в Нью-Йорк, где начал работу в компании Эдисона в качестве инженера по ремонту электродвигателей и генераторов постоянного тока.
Несмотря на проблемы с компанией Эдисона в Европе, Тесла поехал в США охотно — там он надеялся получить более широкие возможности для научной деятельности.
Томас Эдисон к идеям нового сотрудника отнесся весьма прохладно. Как и большинство специалистов, он был убежден, что идеи об использовании переменного тока нереализуемы.
Эдисон был не только изобретателем, но и успешным бизнесменом, продвигавшим системы на постоянном токе. Это приносило ему огромные доходы, поэтому в поиске альтернативы он не был заинтересован.
Тем не менее, он предложил Тесле опыт — тому предоставляется возможность конструктивно улучшить машины, работающие на постоянном токе на одном из предприятий Эдисона. В случае успеха Эдисон пообещал Тесле премию в 50 тысяч долларов.
Предполагалось, что Тесла потерпит неудачу, однако вышло наоборот: у изобретателя все получилось, и Эдисон вынужден был это признать. Но дерзкому сотруднику босс не заплатил ни цента.
«Я просто пошутил. Разве вы не понимаете американского юмора?» — усмехнулся Эдисон.
Двигатель прогресса. 8 изобретений Томаса Эдисона
В 1869 году в свет вышел первый в истории тикерный аппарат – устройство для передачи котировок акции по телефонным или телеграфным проводам. С помощью тикерной машины на непрерывной бумажной ленте печатались текущие котировки ценных бумаг со скоростью один символ в секунду. Именно с этого момента названия компаний в биржевых сводках начали сокращать – такие сокращения называют тикерами. Commons.wikimedia.org / H. Zimmer
Следующим успешным проектом Эдисона стал квадруплексный телеграф. Томас усовершенствовал имеющуюся дуплексную схему, и после этого телеграф Эдисона был способен передавать четыре сообщения по одному проводу. Commons.wikimedia.org / Библиотека Конгресса США
В середине 1870-х Томас Эдисон изобрёл мимеограф – относительно небольшое устройство для трафаретной печати для тиражирования книг малыми и средними партиями. Мимеограф состоял из электрического пера и копировального ящика. Commons.wikimedia.org / Early Office Museum
К концу 1870-х Томас Эдисон собрал свой первый фонограф, работу над которым изобретатель вёл около 20 лет. Представленное Эдисоном устройство позволяла записывать и воспроизводить музыку и речь, использоваться в качестве говорящих часов, а также служило «вспомогательным приспособлением к телефону». Commons.wikimedia.org / Levin C. Handy
Одним из наиболее ярких изобретений Томаса Эдисона стала лампа накаливания с угольной нитью – его версия лампы позволяла гореть около 40 часов. Кроме того, Эдисон также изобрёл поворотный выключатель. Именно с этого момента лампы начали вытеснять на рынке газовые приборы освещения. Commons.wikimedia.org / William J. Hammer
Томас Эдисон также является изобретателем кинетоскопа. В устройстве были реализованы принцип покадрового показа плёнки. При прокрутке со скоростью 15 кадров в секунду у зрителей возникало ощущение того, что объекты на изображении движутся. Commons.wikimedia.org / Edison Manufacturing Company
В 1889 году Томас Эдисон представил свой электрический стул. Когда власти США искали гуманную альтернативу повешению, изобретатель смог убедить общественность в том, что его устройство отвечает требованиям времени. При этом сам Эдисон стремился показать губительность переменного тока, который использовали в своей продукции его конкуренты. Commons.wikimedia.org / George Eastman House
Знаменитый изобретатель также приложил руку к изобретению аккумуляторов – батарей с возможностью многократной зарядки. В конце XIX века никель-кадмиевый аккумулятор изобрёл швед Вальдемар Юнгнер, но пока они не дошли до США популярностью пользовались железо-никелевые батареи Эдисона. Например, они устанавливались на электромобиль Detroit Electric. Commons.wikimedia.org / Edison Storage Battery Company
Двигатель переменного тока
Двигатель переменного тока или асинхронная машина — это ещё один этап в развитии идей применения переменного тока. Генератор переменного тока мы уже обсудили, значит электричество мы получаем, но что с ним делать дальше? У нас ведь нет машин, которые бы работали от переменного тока! Вот Тесла их и изобрёл.
Патент Теслы на электрический двигатель 1888 года
В 1880-е года множество изобретателей пыталось изобрести рабочие варианты двигателей переменного тока, но сделать этого не удавалось. Галилео Феррарис занимается теоретическим исследованием создания двигателей переменного тока и приходит к ошибочному выводу, что они попросту не могут быть эффективными и коммерчески успешными. Это добавило мотивации изобретателям всего мира, это звучало как вызов — создать эффективный двигатель переменного тока. Тесла отвечает на этот вызов и демонстрирует в 1887 году свой первый вариант двигателя, работающего на переменном токе, а в 1887 году совершенствует свою модель, выпуская вторую машину.
Один из оригинальных электрических моторов Теслы 1888 года.
Основная причина, по которой рациональное использование двигателей переменного тока казалось невозможным, заключалась в том, что они были однофазовыми. Тесла же обосновал теоретически и доказал практически, что можно не ограничиваться одной фазой, а делать две или больше фаз.
На картинке ниже показано схематически устройство двух- и трёхфазных двигателей переменного тока:
Позже Тесла изобретает и патентует множество модифицированных моторов и двигателей переменного тока. Все эти патенты, как писалось выше, Тесла продаёт Вестингаузу.
Двухфазный электрический двигатель переменного тока из коллекции Вестингауза.
4-х фазный электрический двигатель переменного тока из коллекции Вестингауза.
Полифазный электрический двигатель переменного тока из коллекции Вестингауза.
Беспроводные коммуникации и неисчерпаемая бесплатная энергия
Два этих изобретения тесно связаны между собой, и они стали последней каплей, переполнившей чашу терпения энергетической элиты – ведь какая польза от энергии, если её нельзя измерять и контролировать? Да ещё и бесплатной? Нет, никогда. Джон Пирпойнт Морган поддержал Теслу чеком в 150 тысяч долларов для строительства башни, которая бы использовала естественные колебания нашей вселенной, чтобы передавать различные данные, в том числе широкий спектр изображений, голосовых сообщений и текста.. Фактически, нули и единицы вселенной встроены в ткань реальности так, чтобы каждый из нас мог при желании иметь к ним доступ. Никола Тесла был приверженцем идеи дать каждому человеку возможность получать и передавать энергию и информацию практически бесплатно. Но в наши дни все мы знаем, чем закончилась для него эта история…
Поделиться… VK 0
Многофазная система электроснабжения
Тесла обратил внимание, что электрические станции постоянного тока Эдисона неэффективны, а Эдисон уже застроил ими всё Атлантическое побережье США. Чтобы преодолеть недостатки постоянного тока, надо было, по идее Теслы, использовать переменный ток. Многофазной такая система называется потому, что двигатели и генераторы имеют несколько фаз (см. пояснения выше).
Лампа Эдисона
Лампы Эдисона были слабыми и неэффективными при использовании постоянного тока. Вся эта система имела один большой недостаток в том, что она не могла транспортировать электричество на расстояние более 3 км из-за неспособности изменять напряжение до высокого уровня, необходимого для передачи на большие расстояния. Поэтому электростанции постоянного тока устанавливались с интервалом в 3 км.
Схема работы многофазных систем электроснабжения
Переменный ток, как писалось выше, мог достигать больших напряжений и поэтому его можно было передавать на огромные расстояния (выйдите из дома и посмотрите на ближайшие высоковольтные линии электропередач, это оно самое).
Когда Эдисон узнал, что у него появился столь мощный конкурент, он понял, что может потерять свою империю постоянного тока. Именно так и началась война между Вестингауза вместе с Теслой против Эдисона, которую назовут войной токов. Эдисон начал усиленно пытаться дискредитировать изобретение Теслы, показывая, что переменный ток более опасен для жизни, чем постоянный.
Стоит также отметить, что когда Тесла приехал в США, то сначала он предложил свои разработки Эдисону, но он назвал всё это вздором и сумасшествием.
Эдисон бил переменным током животных на публике, чтобы привести их в ярость и доказать, что этот вид тока опасен. Однажды Эдисон узнал об идее одного врача, об использовании переменного тока для умерщвления людей. Реализация не застала себя ждать. Так был изобретён электрический стул, который впервые применили к Уильяму Кеммлеру, виновному в убийстве своей любовницы.
Эдисон долго не мог придумать для своего нового изобретения название, но ему больше всего нравилось слово «увестингаузить», правда ни один из них, как мы теперь видим, не прижился.
На пути к появлению электричества
Древнегреческий философ Фалес, живший в 7 веке до нашей эры, выяснил, что если потереть янтарь о шерсть, то к камню начнут притягиваться мелкие предметы. Лишь спустя много лет, в 1600 году, английский физик Уильям Гилберт ввел термин «электричество». С этого момента ученые стали уделять ему внимание и проводить исследования в этой области. В 1729 Стивен Грей доказал, что электричество можно передавать на расстоянии. Важный шаг был сделан после того, как французский ученый Шарль Дюфэ открыл, как он считал, существование двух видов электричества: смоляного и стеклянного.
Первым, кто попробовал объяснить, что такое электричество, был Бенджамин Франклин, портрет которого нынче красуется на стодолларовой купюре. Он считал, что все вещества в природе имели «особую жидкость». В 1785 был открыт закон Кулона. В 1791 году итальянский ученый Гальвани исследовал мышечные сокращения у животных. Он выяснил, проводя опыты на лягушке, что мышцы постоянно возбуждаются мозгом и передают нервные импульсы.
Огромный шаг на пути к изучению электричества был сделан в 1800 году итальянским физиком Алессандром Вольта, который придумал и изобрел гальванический элемент — источник постоянного тока. В 1831 году англичанин Майкл Фарадей изобрел электрический генератор, который работал на основе электромагнитной индукции.
Огромный вклад в развитие электричества внес выдающийся ученый и изобретатель Никола Тесла. Он создал приборы, которые до сих пор используются в быте. Одна из самых известных его работ — двигатель переменного тока, на основе которого был создан генератор переменного тока. Также он проводил работы в области магнитных полей. Они позволяли использовать переменный ток в электродвигателях.
Еще одним ученым внесшим вклад в развитие электричества, был Георг Ом, который экспериментальным путем вывел закон электрической цепи. Другим выдающимся ученым был Андре-Мари Ампер. Он изобрел конструкцию усилителя, которая представляла собой катушку с витками.
Также важную роль в изобретении электричества сыграли:
- Пьер Кюри.
- Эрнест Резерфорд.
- Д. К. Максвелл.
- Генрих Рудольф Герц.
Катушка или трансформатор Теслы
Тесла изобрёл свою катушку примерно в 1891 году. В то время он повторял эксперименты Герниха Герца, который обнаружил электромагнитное излучение тремя годами ранее. Тесла решил запустить его устройство вместе с высокоскоростным генератором переменного тока, который он разрабатывал в рамках улучшения системы дугового освещения, но он обнаружил, что ток высокой частоты перегревает стальной сердечник и плавит изоляцию между первичной и вторичной обмотками в катушке Румкорфа, которая использовалась по умолчанию в экспериментах Герца. Для устранения этой проблемы Тесла решает изменить конструкцию таким образом, чтобы образовался воздушный зазор между первичной и вторичной обмотками, вместо изоляционного материала. Тесла сделал так, что сердечник мог быть перемещён в различные положения в катушке. Тесла также установил конденсатор, который обычно используются в таких установках между генератором и его первичной катушкой обмотки, чтобы избежать выгорания катушки. Экспериментируя с настройками катушки и конденсатора, Тесла обнаружил, что он мог бы воспользоваться возникающим резонансом между ними для достижения более высоких частот.
В катушке трансформатора Теслы конденсатор, после пробивания короткой искры, подключался к катушке из нескольких витков (первичная катушка), формируя таким образом резонансный контур с частотой колебания, как правило, 20-100 кГц, определяемый ёмкостью конденсатора и индуктивностью катушки.
Конденсатор заряжался до напряжения, которое необходимо для пробоя воздушного искрового промежутка, при входном линейном цикле, что достигает примерно 10 киловольтам при использовании линейного трансформатора, который подключён через воздушный зазор. Линейный трансформатор был спроектирован так, чтобы иметь более высокую, чем обычно, индуктивность рассеяния (параметр, отражающий неидеальность трансформатора), чтобы выдерживать короткое замыкание, возникающее в то время, когда зазор оставался ионизированным, или в течение нескольких миллисекунд, пока ток высокой частоты не исчезал.
Искровой разрядник настраивался таким образом, чтобы его пробой происходил при напряжении, которое несколько меньше пикового выходного напряжения трансформатора, чтобы максимизировать напряжение на конденсаторе. Внезапный ток, проходящий через искровой промежуток, вызывает резонанс первичной резонансной цепи на её резонансной частоте. Кольцевая первичная обмотка магнитно соединяет энергию с вторичной обмоткой в течение нескольких радиочастотных циклов, пока вся энергия, которая первоначально была в первичной обмотке, не перенесётся на вторичную. В идеале зазор затем прекращает проведение тока (гашение), захватывая всю энергию в колебательный вторичный контур. Обычно промежуток снова начинает расти, а энергия вторичных передач возвращается к первичной цепи в течение ещё нескольких радиочастотных циклов. Цикл энергии может повторяться несколько раз, пока искровой промежуток окончательно не ослабнет. Как только зазор прекратит проводить ток, трансформатор начнёт заряжать конденсатор. В зависимости от напряжения пробоя искрового промежутка, он может срабатывать много раз на протяжении всего цикла переменного тока.
Более заметная вторичная обмотка с значительно большим количеством витков более тонкой проволоки, чем у вторичной, была расположена для перехвата части магнитного поля первичной обмотки. Вторичная система была сконструирована так, чтобы иметь такую же частоту резонанса, что и первичная, используя только паразитную ёмкость (нежелательная ёмкостная связь) самой обмотки на «землю», а также любую клемму, расположенную в верхней части вторичной обмотки. Нижний конец длинной вторичной обмотки должен быть заземлён.
Применение катушек Тесла
Применение можно разделить на практическое и чисто декоративное. Практическое применение тока катушки Тесла нашли в радиоуправлении, радио и беспроводной передачи энергии для питания различных устройств (например, лампочек). Генератор Теслы обнаружил и неожиданное применение в медицине. Арсен Д’Арсонваль применил токи, создаваемые генератором, для физиотерапевтического воздействия на поверхность кожи и слизистые различных органов человека. Ток проходил по поверхностным слоям кожи и оказывал тонизирующий и оздоровляющий эффект. Также катушки Тесла применяются для работы газоразрядных лапм и обнаружения течи внутри вакуумных систем.
Но гораздо большую распространённость катушки Тесла получили в сфере спецэффектов и декораций, ведь разряды, создающиеся трансформатором Тесла выглядят крайне эффектно и красиво.
Пример работы катушки Тесла можете посмотреть на видео:
Интересно также понаблюдать и за музыкальными свойствами данных катушек, которые достигаются за счёт изменения частоты:
Интересно, что в своё время в 20-м веке пытались продавать катушки Теслы, как эффективный способ защитить вашу машину от угона:
Также подобные катушки используются в различных центрах, чтобы развлечь посетителей и попытаться увлечь молодёжь красотой физических эффектов, а также в аттракционах:
Катушка Теслы
Первое что приходит в голову, когда звучит фамилия этого изобретателя – это катушка Теслы. Она активно используется в любительских электронных самоделках и демонстрациях на разнообразных выставках. Внешне представляет собой столб с расширением на конце, из которого извлекаются электрические разряды или молнии.
Никола Тесла использовал это устройство для генерации тока высокой частоты и передачи его на расстояния. Фактически её устройство напоминает трансформатор, где есть две обмотки и генератор высокой частоты.
Беспроводное освещение
В 1891 году Тесла усовершенствовал передатчик волн, изобретённый Герцом, который был необходим для радиочастотного снабжения энергией, переделав его в систему освещения, состоящую из газоразрядных ламп.
В этом же году он продемонстрировал в Колумбийском колледже своё изобретение.
Когда мы говорим о том, что освещение беспроводное, не имеются в виду радиоволны, речь идёт об электростатической индукции.
В руках у Теслы две длинные трубки Гейсслера , которые похожи на неоновые лампы.
В 1893 году в Чикаго проходит всемирная выставка, где Тесла демонстрирует своё изобретение. Лампы были не только беспроводными, но и люминесцентными.
В 1894 году новое достижение. Удаётся зажечь фосфорную лампу накаливания в своей лаборатории, используя резонансный метод взаимоиндукции.
Правда широкого коммерческого применения такая лампа найти не смогла, но резонансный метод индуктивной связи сейчас применяется повсеместно в электронике.
Человек-молния
Но неутомимый Никола Тесла придумал эффектный ответный ход. Через несколько лет его представление, состоявшееся на Всемирной выставке в Чикаго, потрясло весь мир. С совершенно спокойным видом он пропускал через себя переменный ток напряжением в миллионы вольт — молнии плясали на поверхности его кожи, но сам он оставался невредимым. А когда объятый электрическими разрядами «сумасшедший» брал в руки не подключенные ни к каким проводам лампы накаливания, они послушно загорались в его руках. Это казалось настоящим волшебством. И вскоре Эдисону пришлось пойти на перемирие: эдисоновская компания General Electric вынуждена была приобрести лицензии на электрическое оборудование у компании Westinghouse.
Башня Теслы
Тесла не остановился на беспроводной системе освещения и пошёл дальше. Он решил, что можно в принципе не использовать высоковольтные провода для передачи тока и передавать всю электроэнергию посредством воздуха. Для этого он хотел построить огромную экспериментальную установку в Нью-Йорке, известную как башня Теслы или башня Ворденклиф. Позже, проводя свои эксперименты и наблюдения над молниями, Тесла пришёл к ошибочному выводу, что может использовать весь земной шар, чтобы проводить ток.
Одна из страниц патента на башню Теслы
Деньги на строительство от получил от известного в то время финансиста Дж. П. Моргана, которому он сообщил, что башня будет использоваться для трансатлантической беспроводной телефонии и вещания, на чём Морган планировал заработать. По сути это была первая подобная башня в своём роде.
В 1901 году началось строительство башни и продолжалось до 1903 года. Вторую башню-приёмник планировалось построить около Ниагарского водопада. Когда первую башню в Ворденклифе почти достроили, Морган понял, что беспроводная передача электроэнергии может привести к обрушению всего рынка, в котором он имел вложения (ему принадлежала Ниагарская ГЭС), то он прекратил финансирование проекта Теслы. В мае 1905 года Тесла также потерял свой доход от патентов по истечению срока, поэтому он оказался банкротом и завершить строительство второй башни так и не удалось.
Как устроена башня Теслы
Башня в Ворденклифе представляла из себя огромную катушку Теслы высотой около 60 метров, на верхушки которой была большая медная сфера. Башня генерировала молнии длиной до 40 метров, а гром от высвобождаемой электроэнергии порождал гром, который можно было услышать за 24 километра от башни. Вес башни достигал 55 тонн, а диаметр 21-го метра.
Башня Уорденклифф изнутри
В 1905 году был произведён тестовый пуск, который произвёл шокирующий эффект. В газетах писалось, что Тесла сумел зажечь небо над океаном на тысячи миль. Вокруг же самой башни лошади получали удары током и даже крылья бабочек наэлектризовались до такой степени, что вокруг них можно было видеть «Огни Святого Эльма» (коронный разряд).
К сожалению, башню снесли в 1917-м году.
Башня Вондерклифф
Эта конструкция была собрана для беспроводной передачи данных и электричества. Однако идея не была воплощена, а инвесторы прекратили финансирование, когда стало известно, что создатель вложил в изобретении идеи бесплатной электрификации. Конструкция представляла собой 47 метровую деревянную башню с медной полусферой на вершине. Деньги перестали выделяться уже на финальных этапах строительства из-за чего выдающийся инженер остался на грани банкротства и остановил строительство.
По одной из версий башня создавалась чтобы стать частью всемирной системы беспроводной передачи данных. Тем не менее проект не удалось реализовать полностью и довести до практического применения. Из-за этого открытия ученного иногда называют предсказателем или отцом беспроводных сетей.
Интересно! Сторонники теории заговора и любители занимательных историй связывают падение тунгусского метеорита с опытами Теслы либо на башне Вондерклифф, либо с опытами с лучом смерти.
Изобретение радио и радиоуправления
Тесла демонстрирует свою радиоуправляемую лодку
20-й век крайне богат на различные изобретения и технические новинки. Многие изобретались параллельно в различных вариациях, при этом кто-то патентовал свои изобретения, а кто-то это сделать не мог или не хотел по каким-то причинам. Поэтому достаточно сложно установить, кто же первым изобрёл радио. Так, например, в США считают, что радио изобрели Дэвид Хьюз, Томас Эдисон и Никола Тесла, которые сделали соответствующий технический вклад для этого изобретения; в Германии полагают, что радио изобрёл Генрих Герц, а во Франции — Эдуард Бранли; В Белоруссии в изобретатели радио записывают Якова Наркевича-Иодку; В Бразилии полагают, что изобретателем радио был Ландель де Муру; в Англии — Оливер Джозеф Лоджа; в СССР же общепринятым было считать изобретателем радио Александра Степановича Попова и так далее ещё для многих стран. Гульермо Маркони же следует считать не изобретателем радио, как технологии или законченной системы, а как создателем первой успешной в коммерческом плане реализации системы радио.
Все их патенты и изобретения появлялись в промежутке 1880-1895 годов и все они занимались исследованием радиоволн. Попросту говоря, они все были изобретателями радио в той или иной степени, делая свой вклад в развитие теории передачи информации.
Но что же сделал Тесла? А он сделал тоже не мало. Он описал принципы, по которым можно было передавать радиосигнал на большие расстояния, провёл ряд собственных экспериментов по передаче сигналов, а также создал первую радиоуправляемую лодку, которую продемонстрировал на электротехнической выставке в 1898 году. Правда он не считал, что при помощи радиоволн возможно общение.
Радиоуправляемая лодка Николы Теслы
Одна из страниц патента на радиоуправляемую лодку Николы Тесла
На видео вы можете посмотреть лодку, которую собрали в 2020 году по подобию той, что была у Теслы:
Лодка контролировалась при помощи радиоуправления. Тесла продемонстрировал эту лодку в 1898 году на выставке электротехнике в Мэдисон Сквер Гарден. Там она произвела фурор. Представьте себе людей того времени, которые не понимали, каким образом Тесла управляет лодкой, приказывая ей плыть в то или иное место. Кроме слова «магия» здесь сложно что-то было подобрать для обывателя того времени.
Хотя газетчики того времени сразу начали называть изобретение Теслы «радиоуправляемой торпедой» (видимо, из-за того, что в то время Томас Эдисон пытался изобрести подобную торпеду и продать военным), сам же Тесла не нацеливался на войну. В 1900 году журнал Centure взял интервью у изобретателя, где тот сообщил, что целью его изобретения является попытка создать «искусственный интеллект», так как современные автоматы попросту заимствуют разум человека и откликаются только на его приказы. Тесла полагал, что однажды люди сумеют создать машину со своим собственным разумом. Что же, спустя более чем 100 лет мы пока можем утверждать, что такой машины мы не создали.
Позже во время Второй мировой войны нацисты догадаются использовать радиоуправления для создания дистанционно управляемых танков.
Рекомендуем также интересную статью про современные российские разработки в области боевой робототехники.
Турбина Тесла
В начале XX века, на заре эры поршневых двигателей внутреннего сгорания, Тесла создал свою турбину, которая могла конкурировать с двигателем внутреннего сгорания (ДСВ). В турбине отсутствовали лопасти, а топливо сгорало вне камеры, вращая гладкие диски. Именно их вращение и давало работу двигателю.
В 1900 году, когда Тесла протестировал свой двигатель, эффективность потребления топлива составила 60% (к слову, с нынешними технологиями этот показатель не превышает 42% преобразования топлива в энергию). Несмотря на безусловный успех изобретения, оно не прижилось: бизнес был ориентирован именно на поршневые ДСВ, которые и сейчас, спустя более 100 лет, остаются основной движущей силой автомобилей.
Безлопастная турбина Теслы
Турбина Теслы из музея
Эту турбину Тесла запатентовал в 1913 году. Изобретение турбины без лопастей по сути было вынужденным, так как для изготовления турбины с лопастями не было подходящих технологий, да и аэродинамическая теория ещё не была создана, поэтому Тесла решил использовать эффект пограничного слоя, а не давление вещества на лопатки, как сейчас широко распространено в традиционных турбинах.
Устройство турбины Теслы
Часто можно встретить утверждения, что КПД его турбины может теоретически достигать 95%, но на практике на заводах Вестингауза такая турбина показала КПД в районе 20%. Хотя позже различные модификации турбины другими изобретателями доводили КПД до 40% и более.
Путь жидкости в турбине Теслы
Очень хорошо принципы работы турбины Тесла на английском языке объяснены в этом видео:
По состоянию на 2020 год турбина Теслы так и не нашла широкого коммерческого использования с момента своего изобретения. Пока что ей удалось найти узкое применение в насосах. Связано это в первую очередь с тем, что диски внутри турбины сильно деформируются во время работы и это сказывается на общей эффективности применения турбины. Хотя сейчас продолжаются технологические поиски, чтобы решить все возникающие проблемы. Сравнительно недавно вопрос о деформации дисков частично был решён с использованием новых материалов, таких как углеродное волокно.
Свободная энергия и лучи космоса
Никола Тесла предполагал, что вокруг нас витает масса частиц, энергию которых можно улавливать и использовать в полезных целях. Получив таким образом неограниченную энергию. Частью этих проектов была башня Вондерклифф, катушка Теслы и другие устройства по большей мере связанные с использованием катушек индуктивности.
На видео более подробно рассматривается данный вопрос:
Наши современники и сейчас пытаются добывать энергию из эфира, у них есть тематические форумы и клубы. Тем не менее в Африке до сих пор проблемы с водой, а тарифы на коммунальные услуги только растут. Видимо все современные разработки бесполезны и часто основаны на простом улавливании радиоволн и преобразовании их в электричество.
Радио
(от латинского
radio
— излучаю, испускаю) — беспроводная передача информации, здесь радиоволна является носителем информации, также она свободно распространяется в пространстве.
Изначально изобретение считалось создано Гильермо Маркони, многие так и считают по сей день. Но Верховный Суд Соединенных штатов отменил патент Маркони от 1943 года, получив доказательства, что Никола Тесла был изобретателем радио задолго до открытия Маркони.
Никола Тесла показал, что радиосигналы являются еще одной частотой волн. Для этого сигнала требуются передатчик и приемник. Пусть Тесла и получил два патента на свое изобретение — US 645576 и US 649621 в 1897 году, однако, в 1904 году бюро Патентов штатов отменило свое решение, отдав патент Маркони. Ходит мнение, что данное решение напрямую связано с финансовыми компаньонами Маркони, Томасом Эдисоном и Эндрю Карнеги. Они имели достаточно власти, чтобы оказать влияние на решение комиссии.
Фотоаппарат для мыслей Теслы
Поистине гениальная идея, которая всем нам покажется высшим пилотажем в науке или просто чем-то фантастическим.Суть его идеи заключалось в создании устройства, которое бы фотографировало мысли. В 78 летнем возрасте Тесла выдал уверенность, что желает фотографировать мысли.
В ходе проведенных исследований я пришел к выводу, что образы в наших мыслях могут отражаться на сетчатке глаза. Этот факт привел меня к идее телевидения, о ней я объявлял ранее. В данном случае идея заключается в создании искусственной сетчатки, на которой будет фиксироваться образ увиденного объекта, похожая на шахматную доску, и оптический нерв.
Гениальный ученый не раскрыл всех деталей изобретения.
Синусоидальный ток
Наиболее распространён в электротехнике синусоидальный ток
. Это периодический переменный ток, изменяющий по закону синуса
:
i
=Im·sin(ωt+ ψ)
,
где i – значение тока в любой момент времени t
– мгновенное значение синусоидального тока;
ω
= 2πf= 2πf/T
, где
ω
– угловая частота;
ψ
– начальная фаза переменного синусоидального тока (фаза в момент времени
t
= 0).
Наибольшее положительное или отрицательное значение переменного тока называют амплитудой
График переменного синусоидального тока представляет собой синусоиду
Два синусоидальный тока совпадают по фазе, если они одновременно достигают максимальных и нулевых значений. Если же их фазы различны, то говорят, что токи сдвинуты по фазе.
Наиболее широко в электротехнике применяется трёхфазный ток
.
Трёхфазная система
состоит из трёх однофазных электрических цепей. Электродвижущие силы, действующие в каждой из них, имеют одинаковую частоту, но сдвинуты по фазе относительно друг друга на 1200.
В электротехнике однофазную электрическую цепь, входящую в состав многофазовой цепи называют фазой
. Если все фазы электрически соединены между собой, то такую систему называют
электрически связанной
. Фазы в трёхфазной системе могут соединяться «треугольником», «звездой с нейтральным проводом» и «звездой без нейтрального провода».
Если мы сложим все мгновенные значения (положительные и отрицательные) переменного синусоидального тока за период, то получим алгебраическую сумму, равную нулю. Но в таком случае и среднее значение тока также равно нулю. Следовательно, это значение нельзя использовать для измерения синусоидального тока.
Как же определить величину переменного синусоидального тока?
Переменный синусоидальный ток, как и постоянный, обладает тепловым действием. Сравнив его тепловое действие с тепловым действием постоянного тока, можно судить о его величине.
Согласно закону Джоуля-Ленца количество теплоты Q
, выделяемое на участке электрической цепи за время
t
при прохождении тока, определяется следующей формулой:
Q =
I2Rt
,
где I
– величина тока;
R
– электрическое сопротивление.
Если два тока, постоянный и переменный, протекая через одинаковые по величине сопротивления, за одинаковое время выделяют одинаковое количество тепла, то они считаются эквивалентными по тепловому действию
Величина постоянного тока, который произвёл такое же количество теплоты, что и переменный ток за такое же время, называется действующим значением переменного синусоидального тока
Величина действующего значения синусоидального тока связана с его амплитудой соотношением:
Газоразрядный самогасящийся счетчик гейгера-мюллера
Использование: для регистрации преимущественно бета- и гамма-излучений. В газоразрядном самогасящемся счетчике Гейгера-Мюллера в качестве основного газа используется гелий с давлением от 150 до 760 мм рт.ст., а в качестве гасящей добавки используется смесь ксенона и кислорода, причем давление каждой компоненты гасящей добавки составляет 1-5% от давления гелия, а отношение парциальных давлений ксенона и кислорода находится в пределах 0,75-1. Технический результат: расширение рабочего температурного интервала, расширение диапазона контролируемых интенсивностей излучений. 1 табл.
Изобретение относится к детекторам для регистрации ионизирующих излучений, а более конкретно к газоразрядным самогасящимся счетчикам Гейгера-Мюллера, которые используются для регистрации, преимущественно, бета- и гамма-излучений.
Известны газоразрядные самогасящиеся счетчики Гейгера-Мюллера, представляющие собой двухэлектродную систему, с герметичным корпусом, заполненным смесью, состоящей из основного газа-наполнителя и так называемых гасящих добавок [1]. При ионизации газа в счетчике Гейгера-Мюллера, в нем возникает и, через интервал времени, который называется «мертвым», гаснет электрический разряд. Скорость счета импульсов тока этого разряда является мерой интенсивности ионизирующего излучения. В течение мертвого времени счетчик не чувствителен к ионизирующему излучению, что ограничивает линейный диапазон нагрузочной характеристики величиной скорости счета N1/, где — мертвое время.
Аналогами предлагаемого изобретения могут служить низковольтные счетчики Гейгера-Мюллера жесткого бета- и гамма-излучений [2], с металлическим корпусом — катодом и анодом в виде тонкой нити. Основным газом-наполнителем в этих счетчиках является неон, а гасящей добавкой — пары брома и аргон.
Недостатками указанного счетчика-аналога являются: невозможность эксплуатации при температурах выше +70 o С из-за высокой химической активности брома; невозможность эксплуатации со скоростями счета N>10 4 имп/с из-за большого значения мертвого времени у него 10 -4 с.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного изобретения, заключается в уменьшении мертвого времени счетчика на порядок величины и, соответственно, в увеличении верхнего значения скорости счета в линейном диапазоне нагрузочной характеристики счетчика до N10 5 имп/с. Указанный технический результат достигается за счет того, что в газоразрядном самогасящемся счетчике ионизирующих излучений (счетчике Гейгера-Мюллера) с газом-наполнителем, содержащим основной газ и гасящую добавку в виде смеси ксенона и кислорода, в качестве основного газа используется гелий с давлением от 150 до 760 мм рт.ст, а давление каждой компоненты гасящей добавки составляет 1-5% от давления гелия и, при этом, отношение парциальных давлений ксенона и кислорода находится в пределах 0,75-1.
Заявляемый счетчик был апробирован в нескольких вариантах цилиндрической геометрии электродной системы. Измеренные значения мертвого времени приведены в таблице 1.
Использование заявляемого газоразрядного самогасящегося счетчика Гейгера-Мюллера для регистрации ионизирующих излучений позволяет расширить диапазон контролируемых интенсивностей излучений за счет существенного увеличения рабочих скоростей счета.
Таким образом, приведенные признаки заявляемого устройства в своем единстве позволяют обеспечить указанный технический эффект.
Анализ патентной и научно-технической литературы, содержащей описание технических решений в рассматриваемой области техники, позволяет сделать вывод, что предложенное техническое решение является новым и для специалистов не следует из уровня техники, имеет изобретательский уровень, промышленно осуществимо и применимо в указанной области, т.е. соответствует критерию изобретения.
Источники информации 1. Е.И. Долгирев, П.И. Малеев, В.В. Сидоренко «Детекторы ядерных излучений», Судпромгиз, Ленинград, 1961.
2. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. Москва, Научтехлитиздат, 2000, 2, с. 71.
Газоразрядный самогасящийся счетчик ионизирующих излучений (счетчик Гейгера-Мюллера) с газом — наполнителем, содержащим основной газ и гасящую добавку в виде смеси ксенона и кислорода, отличающийся тем, что в качестве основного газа используется гелий с давлением от 150 до 760 мм рт.ст., а давление каждой компоненты гасящей добавки составляет 1-5% от давления гелия, при этом отношение парциальных давлений ксенона и кислорода находится в пределах 0,75-1.