Цифровой радиометр (счётчик Гейгера)
Не требует жидкокристаллических индикаторов, может быть использован автономно.
Регистрация точной цифровой информации с последовательной передачей данных.


Уровень активности выводится на обычный гальванометр.


Вернуться на главную страницу





Принципиальна схема данного дозиметра пригодна для многих типов счётных трубок Гейгера, имеющих номинальное рабочее напряжение от 300 до 600 V. Других специальных компонентов не требуется. Может работать от батареек в 9V и использоваться в полевых условиях.



Как действует дозиметр ?

 В Интернете легко найти информацию о принципе действия счётной трубки Гейгера-Мюллера. Если Вы с ним всё ещё не знакомы, советую посетить сайты:

Geiger Counter Design: Сайт компании "Gamma Scout" (на англиском)
www.chipdip.ru видео объясняет принцип действия трубки Гейгера-Мюллера
Использование счётчика Гейгера для начинающих на сайте РУДН: "учебный портал"

И для тех, кому не удалось найти готовую трубку Гейгера, предлагаю, очень интересную статью Ясуки Онодера том, как сделать дозиметр и счётную трубку Гейгера.

Вы можете сделать вывод, что возможность измерения гамма частиц, гамма и бета или, что реже случается, альфа, бета и гамма одним прибором, зависит от параметров трубки-счётчика Гейгера. Но даже, если трубка и чувствительна к нескольким типам излучений, она не может различать и регистрировать их раздельно. Чаще всего нет необходимости использовать экран для защиты от бета-частиц, так как на практике одновременное определение гамма и бета излучения достаточно точно характеризует аномальный уровень радиоактивности. Однако, для анализа отдельных проб (например, продуктов питания) требуется, исключить влияние фонового радиационного уровня. Точнее об этом здесь.


Предостережение

 При изготовлении данного аппарата используется напряжения до 600 V. Предполагается, что Вы обладаете достаточным опытом и знаниями техники безопасности для предупреждения электрического шока. Вы несёте полную ответственность за возможные риски при создании или использовании оборудования представляемого данным сайтом.



СХЕМА







Описание


 Как и во многих других схемах, трубка Гейгера, расположенная в центре плато, запитана высоким напряжением от повышающего трансформатора за которым следует одноступенчатая накачка зарядов для удваивания напряжения (известный также как цепь "Cockcroft Walton"). Этот принцип даёт преимущество использования любых трансформаторов, преобразующих напряжение 220VAC в 6-9VAC. Необходимо просто поменять направление. Слабое кпд при использовании в обратном направлении не имеет значения, так как необходим очень ток очень низкого напряжения.

Отмечу, что высоковольтный генератор даёт возможность регулировать напряжение. Для сохранения постоянного напряжения смещения счётной трубки Гейгера, когда напряжение батареек колеблется между 9.5V и 7.5V и чтобы избежать использования стабистора (1), повышающий преобразователь напряжения имеет петлю регулирования, которая автоматически приспосабливает рабочий цикл запускающего устройства трансформатора для компенсации изменчивого напряжения. Потенциометр "HV Adj" позволяет осуществлять настройку высокого напряжения в зависимости от технических характеристик трубки Гейгера и трансформатора. Желательно настроить генератор высокого напряжения до подсоединения анода трубки Гейгера с тем, чтобы предотвратить постоянные пробои за счёт перенапряжения, что может сократить срок службы трубки-счётчика. В лучше случае для настройки следует использовать регулируемый источник питания, и убедиться, что напряжение трубки Гейгера держится на середине протяжённости плато, когда источник энергии колеблется между 7.5Vи 9.5V. Некоторые отклонения могут быть, но они должны соответствовать требованиям, приведённым в описании трубки-счётчика Гейгера. Если компенсация недостаточна, резистор 120K, который смещает точку "TP" обратного питания с Vpp, может быть переключен на нижнее значение(2). Если компенсация слишком сильна (обратный эффект), этот же резистор нужно повысить (2). В целом, до настройки генератора высокого напряжения не забудьте поднять "Rd" до соответствующего значения(3).

Система счёта импульсов основана на переключающих транзисторах (2N2222 с фильтрирующими конденсаторами) и на PIC16F84, который не только считает импульсы, но также управляет зуммером (один импульс на RB0 провоцирует одно движение на RB7). Это позволяет не использовать дополнительный буфер (логический вентиль или компаратор) для данной задачи. Если нет данного микроконтроллера, аналоговая часть схемы может быть использована, но нужно добавить запускающее устройство зуммера, с тем, чтобы сигналы были доступны для подсчёта другим внешним устройством.

На примере предложенного здесь мобильного оборудования, способ демонстрации данных не требует покупки специального жидкокристаллического индикатора, который возможно трудно найти. Обычный гальванометр прямо приводиться в движение микроконтроллером посредством сигнала модулированного рабочего цикла, который проходит через фильтр нижних частот. Ваш гальванометр может потреблять больше или меньше тока. Поэтому резистор фильтра нижних частот отмеченный "4K7" может быть понижен до 1K5 (как показано в скобках), если вам не удалось настроить стрелку на максимум при установке потенциометра. "Scale Adj" (подробности ниже). В зависимости от выбранной шкалы (включите "SCALE" на RA2), гальванометр может иметь линейные или логарифмические способы отражения скорости счёта (Смотрите шкала моего гальванометра чтобы приспособить логарифмическую шкалу к моей функции преобразования). Уровень активности непрерывно измеряется каждые 10 секунд. Значения, отражаемые на гальванометра, обновляются каждый 10 секунд, когда светодиод подсоединённый к RA4 вспыхивает. Это соединяет простоту аналогового дисплея со стабильностью и повторяемостью цифрового счётчика. В линейном режиме максимум отклонения гальванометра (рабочий цикл 100% и потенциометр "Scale Adj" тщательно отрегулированный) соответствует 25.5имп/сек (1530 имп/мин). В логарифмическом режиме отражаются импульсы между 0.1 имп/сек и 1500 имп/сек (в диапазоне шкалы 4,5 декады). В зависимости от чувствительности трубки Гейгера, вы можете градуировать ваш гальванометр в разных единицах (Беккерель, Кюри, Рентген/час, Грей, Зиверт/час).

Для точного измерения низкого уровня радиоактивности счёт импульсов предполагается в промежутках длиной более 10 секунд. Например, среднее значение из нескольких десятисекундных замеров или замер в продолжение 3 минут (см детально здесь). Именно поэтому, вывод данных осуществляется посредством RB6. Для соединения с компьютером этот сигнал уровня 5V нужно перевести в RS-232 напряжение (+/-9V минимум) используя, например, такой переходник(4) также используемый как стабилизированный источник питания для счётчика Гейгера, когда он использует стационарно. (Например : модель). Заметьте, что это устройство передаёт настоящие последовательные данные, а не только исчисляемые данные подобие байтам. Таким образом, любая несложная компьютерная программа может контролировать поток данных на скорости 1200 бод, в любой операционной системе и требования реального времени. Подробности формата и пример программы (исходный текст, а также исполняемые файлы для DOS/Windows/Linux) Вы можете скачать здесь.

Примечания:

(1) Стабистор высокого напряжения редко употребляется, к тому же мощность легко погасить до 1 Вт даже при смещении стабистора на 2 мА.
     Проблема не только в разогреве, но и в бесполезной потери энергии батареек.
(2) Со временем, после заметы резистора, потенциометр "HV Adj" должен быть вновь отлажен.
(3) Замерьте сопротивление при постоянном токе "Rdc" на первичной обмотке трансформатора
     (бывшей вторичной обмотке при запланированном изготовителем использовании) и выберете Rd = 6.Rdc.
(4) Если использовать очень старый компьютер (например 286, 386...) уровень электрического напряжения требуемого на RS-232 может быть выше, чем +/-9V.
     В этом случае используйте другой тип схемы интерфейса, а не IC MAX232.

Примечания о нагрузочном резисторе "Rp" трубки Гейгера:

Указанный производителем срок службы трубки Гейгера действует только при соблюдении правил эксплуатации. Если вы используете резисторы по 0.25Вт, разделите Rp на два одинаковых сопротивления Rp/2 соедините последовательно. Не разогрев является проблемой, но максимальное возможное напряжение на резистор, гарантирующее необходимую изоляцию.

Например, для российской счётной трубки Гейгера СБМ-19, которую я использовал:
рекомендуемый загрузочное сопротивление требуемые 10 мегом => Mинимум 2 x 4.7Meг последовательно.



Конструктивные подробности


Как вы можете видеть на схеме, компоненты высокого напряжения, выделенные пунктирной линией обозначающей зону "HV part", предпочтительно должны быть расположены отдельно от основной платы. Это обеспечивает улучшенную изоляцию, гарантирующую безопасное использование и отсутствие тока утечки, который бывает между смежными рельсовыми цепями и становится причиной функциональных проблем, учитывая уровень напряжения. Однако, часть высокого напряжения соединена с основной посредством 4 сигналов: масса, точка "TP", выход трансформатора и катод трубки Гейгера. На фотографии моё решение.



Детали высокого напряжения можно видеть в левой части коробки на фотографии, под трансформатором припаянные на монтажной панели старого типа. Это обеспечивает хорошую изоляцию. Можно видеть, что имеется больше, чем два конденсатора высокого напряжения, так как у меня не было 100nF , а только 47nF, и я их соединил параллельно. Маленькой печатной платой с планарно монтируемым компонентом (позади полистирола) я заменил PIC16F84 в комплекте с DIP18. Нет никакой необходимости использовать именно эту комплектацию.

Кусок полистирола предназначен отделить электрический провод от трубки Гейгера для того, чтобы цепь низкого напряжения не подверглась воздействию импульсам высокого напряжения. Эти провода подводят цепь высокого напряжения к клеймам трубки, с тем, чтобы сформировать наименьшую по размерам петлю, и таким образом избежать воздействия электромагнитных помех (не ионизированных радиацией).

Я решил расположить батарейки внутри коробки и монтировал ввод для внешних источников энергии на защищённой части сбоку. Я добавил данные детали не только с этой целью, но и для сокрытия концов трубки Гейгера зафиксированные в коробке, где трубка Гейгера дополнительно защищена пеной:



Клеймы трубки соединены с проводом посредством старых пружин разрезанных и подогнанных по размеру. Нагрузочные резисторы расположены насколько возможно ближе к аноду с тем, чтобы анодная цепь (очень высокого сопротивления) не подвергалась воздействию электромагнитных помехам, принятых их проводом. Тем не менее ,нельзя гарантировать, что мобильный телефон вблизи от прибора не спровоцирует помехи, в виде ложных импульсов. И хотя они не имеют ничего общего с радиоактивность, сильные неионизированные излучения также весьма вредно влияют на Ваш мозг ;-)

Так как моя трубка Гейгера чувствительна к гамма и жесткому бета излучению, для пропуска бета частиц я вырезал отверстие на внешней стороне коробки:



Трубка чувствительна на всей своей протяжённости. Это не окошко для трубки Гейгера. Максимальная эффективность достигается, когда воздействие частиц перпендикулярно трубке.



Наладка и проверка


Как было отмечено выше, необходимо отладить высокий уровень напряжения до подсоединения трубки Гейгера. Можно использовать бычный цифровой мультиметр измеряющий до 1000V постоянного тока. Генератор высокого напряжения выдерживает постоянную нагрузку до 4 мегом без падения напряжения. Предполагается, что мультиметр до 1000V будет иметь полное сопротивление выше 4 мегом.

Лучше сначала наладить аппарат без микроконтроллера (Я предполагаю, что Вы в любом случае используете DIP18 гнездо для данной детали).

Когда выход высокого напряжения будет иметь идеальные показатели и будет правильно сбалансирован, можно присоединить трубку Гейгера (естественно не под напряжением). После подсоединения и включения напряжения, на RB0 должно быть видимо постоянное напряжение +5V с короткими негативными импульсами (50-200us). Полученный импульс приблизительно должен соответствовать фоновым характеристикам трубки.

Поверните "Scale Adj" в сторону электрической массы и присоедините навесной проводник между выводом Vdd и RB1 гнезда микроконтроллера. Плавно поверните "Scale Adj" в обратном направлении до показания гальванометром максимального значения. Таким образом, гальванометр откалиброван.

Отключите питание, вставьте микроконтроллер и включите аппарат. Тестовый звуковой сигнал должен прозвучать при запуске и светоизлучающий диод дважды вспыхнуть. Затем, когда зуммер зазвучит определяя импульсы, подсчёт начался. После первых 10 секунд светоизлучающий диод загорится ещё раз и стрелка покажет фоновый уровень радиоактивности (небольшое отклонение стрелки). Каждые 10 секунд позиция стрелки будет меняться по результату подсчёта импульсов за последний период.



Особые компоненты и возможные заметы. Программа для микроконтроллера


* Трубка-счётчик Гейгера: В некоторых странах, возможно, сложно купить трубку по Интернету. Я нашёл широкий выбор трубок на сайте: http://gstube.com. Это российский поставщик, отправляющий заказы, также, в Западную Европу и США. Я был весьма удовлетворён и качеством изделий и сроками поставки. Из продукции представленной на этом сайте, я бы порекомендовал трубки длиной более 15 см, чувствительные, по меньшей мере, к жёсткому бета излучению, и с доступными техническими параметрами. Они дороже, маленьких и тонких трубок, но чувствительнее. Что вполне понятно.

Этот тип безоконных трубок, с тонкими металлическими стенками не выдерживает сдавливания. Будьте осторожны, не раздавите их в руках!

* Другие: Если Вы не смогли найти транзисторы или пассивные компоненты указанные в схеме, стоит подобрать другие, обращаю внимание на следующие параметры:

- BC337: NPN, Icmax > 50mA, Hfe > 60
- 2N2222: NPN, GBW > 100MHz, Hfe > 80, Icmax > 50mA, советую переключающий транзистор
- Пьезоэлектрический зуммер: Неважно какой пьезоэлектрический зуммер сделанный на основе керамического диска (без осциллятора внутри).
  Нужно просто получить звуковой сигнал.
- PIC16F84: PIC16C83, PIC16C84, PIC16F84A (другой PIC микроконтроллер, если исходный текст подходит).
- Кварц: Поставляемый PIC source file подходит к 2.097MHz кварцу.
  Вам необходимо подогнать делитель таймера, а также стандартную программу для последовательной передачи с целью использования с другой частотой.
  Однако, если Вам не важны последовательные данные, выбирайте частоту ближе к 2MHz, таким образом, аппарат можно будет использовать без смены кода:
  =>Новое максимальное значение на гальванометре при линейном режиме = (2.097MHz / действующая частота) x 25.5имп/сек.
  =>Новая логарифмическая шкала на гальванометре: Немного отличается, но всё-таки заметно.
  =>Новый интервал счёта = (2.097MHz / действующая частота) x 10 секунд.

Если у вас есть кварц 2.00MHz , я предлагаю эту стандартную программу в помощь для согласования последовательной передачи к частоте кварца.

Готовый HEX file доступен, но подготовлен для 2.097MHz.

От переводчика: Переводчик не специалист, с благодарностью примет поправки.



Вернуться на главную страницу


Сайт создан в системе uCoz