Как собрать счетчик гейгера своими руками

Простой счетчик Гейгера

Вы когда-нибудь хотели проверить уровень радиоактивности? Или может вы хотели подготовиться к ядерному Апокалипсису? Тогда этот мастер-класс по изготовлению счетчика Гейгера именно для вас. Я покажу вам, как сделать очень простой и дешевый счетчик Гейгера из старых и ненужных деталей бывших в эксплуатации. Видео о сборке и работе счетчика смотрите в конце моей статьи. Давайте начнем!

Как работает счетчик Гейгера?

Для начала, я объясню вам основы того, как все работает. В счетчике Гейгера используется специальная трубка, наполненная инертным газом при очень низком давлении для обнаружения радиации. Внутри этой трубки имеется цилиндрический кусок металла, который выступает в качестве катода. Внутри этого цилиндра есть небольшой металлический отрезок проволоки, который выступает в качестве анода. Когда высокое напряжение присутствует на аноде трубки, ничего не происходит, но когда в трубку попадают лучевые частиц, это вызывает ионизацию инертного раза, и он начинает проводить электрический ток. Этот ток можно измерить специальными приборами, но в этой схеме будет только детектирование сигнала о наличии радиационного излучения.

Схема счетчика Гейера

Счетчик Гейгера состоит из двух частей: высоковольтного источника питания — преобразователя и детектора. В вышеприведенной схеме высоковольтная цепь состоит из таймера 555, на котором построен генератор. Таймер 555 генерирует прямоугольные импульсы, которые через резистор открывает и закрывает транзистор периодически. Этот транзистор управляет небольшим повышающим трансформатор. С выходного трансформатора напряжение подается на удвоитель напряжения, где повышается примерно до 500 Вольт. Затем, напряжение стабилизируется с помощью стабилитронов до 400 вольт, необходимых для питания трубки счетчика Гейгера.
Детектор состоит из пьезо-электрического элемента, подключенного напрямую к ануду трубки без всяких усилителей.

Инструменты и детали

• Кусачки.
• Стриппер для зачистки проводов.
• Паяльник.
• Пистолет с горячим клеем.

• Трансформатор 8:800 — это был трансформатор источника питания сломанного будильника.
• Трубка Гейгера — куплена — ТУТ.
• Таймер 555.
• Резисторы 47К (х2).
• Конденсатор 22nF.
• Конденсатор 2.2 nF.
• Резистор 1К.
• Любой N-канальный MOSFET.
• Макетная плата.
• 1n4007 диод(х2).
• Конденсатор 100 нф на 500 вольт.
• Стабилитроны — 100 вольт (х4)
• Пьезоэлектрический элемент (из старой микроволновой печи).
• Провода.
• Припой.

Сборка генератора с транзистором MOSFET

После того как вы собрали свои инструменты и материалы самое время, чтобы перейти к пайке компонентов. Первая, что вам надо спаять это генератор и транзистор. Для этого каждый компонент на макетной плате установить наиболее эффективным образом. Например, припаять MOSFET рядом, где с трансформатором. Это поможет вам использовать меньше проводов при пайке. Как все детали смаяны между собой, обрезать излишки провода.

Припаиваем трансформатор и удвоитель напряжения со стабилизацией

После сборки генератора нужно припаять обмотку трансформатора с меньшим сопротивлением между MOSFET плюсом питания. Затем припаять выход трансформатора с высоковольтной обмотки к удвоителю. Затем, припаиваем все конденсаторы и стабилитроны. После спайки высоковольтный источник питания нужно проверить его с помощью вольтметра, чтобы увидеться, что он собран правильно и выдает нужное напряжение. Если у вас другая трубка Гейгера, не как у меня, посмотреть ее технические характеристики, чтобы узнать напряжение её питания, которое может отличаться. Затем добавите соответствующие стабилитроны.

Добавление трубку Гейгера и детектор

Заключительная часть и мне осталось добавить в схему саму трубку — счетчик и детектор. Начинаем припаивать провода к каждому концу трубки. Затем, припаиваем анод к выходу регулируемого источника питания и катодом к пьезоэлемента. Наконец, припаяем пьезоэлемент на общий провод. Благородя использованию детектора состоящего всего из двух компонентов это и считается простейший счетчик Гейгера. Большинство более сложных счетчиков содержать транзисторы в детекторе. Не надо никаких токоограничивающих резисторов в этом детекторе не требуется из-за очень незначительных токов.

Испытания

Наконец, настало время, чтобы проверить счетчиком Гейгера! Для этого сначала подключите счетчик к источнику питания. Затем, возьмите радиоактивный источник для проверки. С помощью плоскогубцев, удерживайте источник радиации рядом с трубкой Гейгера. Вы должны услышать несколько заметных щелчков, которые раздаются в пьезоэлементе. Это означает, что счетчик исправно работает. Чтобы услышать и увидеть это, смотреть видео. Спасибо за чтение!

Смотрите видео работы счетчика Гейгера

Отказ от ответственности: этот проект работает с высоким напряжением, соблюдайте правила техники безопасности и работайте с осторожностью.

Народная дозиметрия. Бюджетный детектор радиации своими руками

Готов поспорить, что вы хоть раз задумывались о покупке дозиметра для бытовых целей — измерить уровень радиации дома, на прогулке или в путешествиях.

Сегодня мы соберем простой бюджетный дозиметр на базе wifi-контроллера ESP32 и платы RadSens. RadSens — готовый I2C-модуль для газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера. В качестве сенсора будет использована надежная и распространенная трубка СБМ20-1. Впрочем, вместо нее к модулю можно подключить любую другую трубку — J305, M4011, СТС-5 и др.

Целью статьи является создание максимально подробной инструкции по сборке. Если повторить описанные шаги сможет самый юный инженер-дозиметрист — мы достигли успеха.

Но сначала, как принято, немного истории и теории…

Матчасть по газоразрядным трубкам

История счётчика Гейгера-Мюллера

Принцип работы счетчика Гейгера был предложен в 1908 году немецким физиком Гансом Гейгером. Счетчик стал дальнейшим развитием уже известной ионизационной камеры, представлявшей собой конденсатор, наполненный газом. Конденсатор использовался Пьером Кюри для изучения электрических свойств газов.

В 1925 году под началом Ханса Гейгера Вальтер Мюллер создаёт ещё несколько типов счётчиков с чувствительностью к каждому открытому на тот момент виду излучения, а именно для α-, β- и γ-излучения (нейтроны были открыты только в 1932 году).

Как показало время, надёжный, дешёвый и простой счетчик Гейгера-Мюллера остаётся одним из самых распространённых способов измерения уровня радиации как в быту, так и в промышленности.

Принцип работы трубки Гейгера-Мюллера

Принцип работы основан на эффекте ударной ионизации газа в межэлектродном пространстве под действием радиоактивных частиц.

Трубка состоит из герметичного баллона из металла или стекла, наполненного инертным газом или газовой смесью. Внутри баллона имеются 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.

В исходном состоянии газовый промежуток между электродами имеет высокое сопротивление, и тока в цепи нет. Когда заряженная частица с высокой энергией сталкивается с элементами конструкции датчика (корпус, баллон, катод), она выбивает некоторое количество электронов, которые оказываются в промежутке между электродами. Под действием ускоряющего напряжения электроны устремляются к аноду. Процесс многократно повторяется, и количество электронов увеличивается, что приводит к разряду между катодом и анодом. В состоянии разряда промежуток в межэлектродном пространстве становится токопроводящим, что вызывает скачок тока в нагрузочном резисторе.

Иными словами, под действием ионизирующего излучения происходит пробой, приводящий к разряду между электродами. Интенсивность разрядов прямо пропорциональна интенсивности ионизирующего излучения.

Компоненты для сборки дозиметра своими руками

Важнейшим критерием при выборе платы и комплектующих выступала стоимость используемых компонентов. Мы ставили задачу сделать дозиметр максимально бюджетным.

Для создания дозиметра-радиометра были выбраны следующие компоненты:

1. Модуль дозиметра — RadSens (от 3900 руб.)
   RadSens — готовый модуль в сборе с популярной трубкой СБМ-20. Не требует ничего кроме установки библиотеки в менеджере библиотек Arduino. Дозиметр готов к работе “из коробки”.
2. Плата ESP8266 / ESP32 (от 700 руб.)
   Модуль RadSens имеет интерфейс I2C, совместим с Arduino, esp, Raspberry. Но цены на ардуинки в последнее время совсем не радуют…
3. OLED-экран диагональю 0.96” (от 300 руб.)
   Можно взять любой экран с I2C. Но OLED-экран позволяет добавлять простую анимацию и цветовую маркировку текущего уровня радиации.
4. Модуль бузера (пищалки) для звуковой индикации импульсов (от 80 руб.)
   Бузер предназначен для звукового информирования пользователя, когда нет доступа к информации на экране.
5. Кнопка-выключатель (от 60 руб.)
6. Макетная плата 120*80 мм (от 130 руб.)
   Плата используется для удобного (эротичного) размещения и организации проводки между элементами.

Итоговая стоимость сборки — 5170 рублей.

Самый дешёвый дозиметр на маркетплейсе Ozon — 8700 рублей.

Процесс сборки самодельного дозиметра

Необходимо произвести следующие шаги:

1. Припаять к макетной плате элементы в желаемом положении.
2. Соединить все элементы по предложенной схеме.
3. Проверить правильность подключения сначала визуально, затем подключив ESP к USB.
4. Подключить библиотеку RadSens и плату ESP32 в Arduino IDE.
5. Добавить код в IDE и загрузить его.

Шаг 1. Подключение

Для подключения нам потребуется припаять все элементы и соединить их. Пины SDA и SCL на RadSens и OLED-экране требуется подключить к портам D22 (SCL) и D21 (SDA), они обмениваются данными по интерфейсу I2C, важно их не перепутать. Остальное подключить согласно схеме на рисунке.

На фото один из вариантов компоновки дозиметра.

Шаг 2. Подключение библиотек RadSens, ESP32, GyverOLED

Подключение расширения для плат в Arduino IDE для платы ESP32 осуществляется следующим образом:
Arduino -> Инструменты -> Плата -> Менеджер плат -> Написать “ESP32” в поисковой строке.

После установки необходимо в пункте “Плата” указать “ESP32 Dev module”.

Далее необходимо выбрать необходимую нам плату. Для этого переходим во вкладку “Инструменты”, выбираем раздел “Плата”, далее выбираем “ESP32 Dev Module” в подразделе “ESP32 Arduino”.

Готово! Перейдем к установке библиотеки.

Для установки библиотеки RadSens необходимо проделать почти такую же операцию:
Arduino -> Скетч -> Подключить библиотеку -> Управлять библиотеками -> Написать “RadSens” в поисковой строке.

Далее необходимо установить библиотеку GyverOLED в менеджере библиотек тем же путём.

Теперь мы готовы переходить к программированию.

Шаг 3. Код

Код был написан с использованием библиотеки для OLED от Алекса Гавера. Она проста в изучении и поддерживает вывод русского языка без дополнительных манипуляций. Допустимо использовать U8G2, Adafruit или любой удобную вам библиотеку.

// Подключаем необходимые библиотеки #include // Библиотека RadSens #include // I2C-библиотека #include // Библиотека для OLED Gyver'а идеально подойдёт для понимания методики работы с OLED-экраном, к тому же тут сразу есть русский шрифт #define buz 18 // Устанавливаем управляющий пин пьезоизлучателя. Если вы выбрали другой управляющий пин - замените значение GyverOLED oled; // Инициализируем OLED-экран ClimateGuard_RadSens1v2 radSens(RS_DEFAULT_I2C_ADDRESS); // Инициализируем RadSens uint32_t timer_cnt; // Таймер опроса интенсивности излучения и импульсов для OLED-экрана uint32_t timer_imp; // Таймер опроса импульсов для пьезоизлучателя uint32_t timer_oled; // таймер обновления дисплея float dynval; // Переменная для динамического значения интенсивности float statval; // Переменная для статического значения интенсивности uint32_t impval; // Переменная для кол-ва импульсов uint32_t pulsesPrev; // Переменная, содержащая кол-во импульсов за прошлый цикл void setup() < pinMode(buz, OUTPUT); // Инициализируем пьезоизлучатель как получатель данных ledcSetup(1, 500, 8); // Инициализируем ШИМ (только для ESP, для Arduino это необходимо стереть) ledcAttachPin(buz, 1); // Задаём пин вывода пьезоизлучателя для ШИМа (только для ESP, для Arduino это необходимо стереть) oled.init(); // Инициализируем OLED в коде oled.flipV(1); // Я перевернул экран для удобства oled.flipH(1); // Для нормального отображения после переворота нужно инвертировать текст по горизонтали oled.clear(); oled.setScale(2); // Устанавливаем размер шрифта radSens.radSens_init(); oled.clear(); radSens.setSensitivity(105); // Задаем чувствительность трубки (если вы заменили СБМ-20 на другую - проверьте чувствительность в документации и измените значение в скобках) int16_t sensval = radSens.getSensitivity(); oled.setCursor(10, 2); oled.print("Чувствит:"); oled.setCursor(42, 4); oled.print(sensval); delay(4000); oled.clear(); pulsesPrev = radSens.getNumberOfPulses(); //Обнуляем значение перед началом работы пьезоизлучателя для предотвращения длинных тресков >void beep(int deltime) < // Функция, описывающая время и частоту пищания пьезоизлучателя ledcWriteTone(1, 500); // Включаем на частоте 500 Гц delay(3); ledcWriteTone(1, 0); // Выключаем delay(deltime); >/* void beep(int deltime) < tone(buz, 500, deltime) >та же функция для Arduino */ void loop() < if (millis() - timer_imp >250) < // Функция, создающая "треск" пьезоизлучателя timer_imp = millis(); int pulses = radSens.getNumberOfPulses(); if (pulses >pulsesPrev) < for (int i = 0; i < (pulses - pulsesPrev); i++) < beep(30); // Вы можете изменить параметр, если хотите, чтобы интервал между тресками был больше или меньше >pulsesPrev = pulses; > > if (millis() - timer_cnt > 1000) < // Записываем в объявленные глобальные переменные необходимые значения timer_cnt = millis(); dynval = radSens.getRadIntensyDynamic(); statval = radSens.getRadIntensyStatic(); impval = radSens.getNumberOfPulses(); >if (millis() - timer_oled > 1000) < //Записываем переменные в строки и выводим их на OLED-экран timer_oled = millis(); String dynint = "Дин: "; dynint += dynval; String statint = "Ст: "; statint += statval; String nimp = "Имп: "; nimp += impval; oled.setCursor(0, 1); oled.print(dynint); oled.setCursor(0, 3); oled.print(statint); oled.setCursor(0, 5); oled.print(nimp); >>

Тестирование самодельного дозиметра

Сегодня нами был рассмотрен самый бюджетный вариант дозиметра-радиометра. Добавив фантазии, мы заказали прозрачные пластины из оргстекла, чтобы сделать прибор более удобным и наглядным. Для проверки работы был использован сульфат калия из ближайших хозтоваров. Удобрение богато радиоактивным изотопом калием-40, активно испускающим бета-излучение.

Стандартный уровень радиации в помещении — 15-20 мкР/ч. При прямом контакте сульфат калия получаем 32-39 мкР/ч, что вдвое выше нормы.

В качестве заключения

Несмотря на всю эстетическую привлекательность, проект является сугубо домашним и предназначен, в большей части, для измерения порошков, предметов старины и прочих вещей, непонятным образом попавших в ваш дом 🙂

В рамках следующего материала постараемся разработать портативный и многофункциональный дозиметр с возможностью вывода информации (графиков, минимумов, максимумов) на экран и выгрузкой статистики в мобильное приложение на Блинке.

А какие возможности в следующей версии DIY-дозиметра хотели бы видеть вы? Оставляйте свои предложения в комментариях!

Команда инженеров передает приветы и благодарности соавтору и стажеру Илье Радченко за долгие часы возни с железкой и кодом, мастерской Барсуки с МЭЛЗ за стеклышки, @AlexGyverза либу «GyverOLED», а также магазину Duino.ru и лично @CyberBot за любезно предоставленные компоненты.

Ну и конечно крепко обнимаем сообщество Хабра за уделенное время и интерес к электронике и DIY. Нас мало — держимся, надеваем тельняшки.

Внимание, радиация. Строим свой интенсиметр* в ожидании Doomsday

Однажды в телевизоре появился бледный как смерть Министр Финансов и заявил:

— Финансовый кризис нас не затронет. Потому что. Я вам точно говорю.
Население, знающее толк в заявлениях официальных лиц, выматерилось негромко и отправилось закупать соль, спички и сахар. М.Жванецкий

В последнее время в американских (и не только) СМИ популярна тема грядущей Третьей мировой войны. Некоторые даже догадываются, что она будет атомная (типичный пример The United States and Russia Are Prepping for Doomsday) и произойдет в ближайшие полгода или около того. Если вы уже проверили аптечку, купили крупы, мыло, соль, спички и сахар, то пора подумать о таком важном атрибуте встречи Doomsday, как дозиметр. Предлагаемая схема дозиметра отличается высокой чувствительностью и простотой изготовления из-за отсутствия необходимости наматывать трансформатор высокого напряжения. Также к достоинствам конструкции относится применение широко распространенных деталей, и возможность работать от разных источников питания (надеюсь все помнят как сделать батарейки из картошки), поэтому с ремонтом и эксплуатацией в постапокалиптическом мире будет не слишком сложно.

*Интенсиметр — дозиметр плотности потока энергии ионизирующих частиц.

Дозиметр построен на четырех счетчиках Гейгера-Мюллера (далее в тексте как «трубка» или не совсем корректно «счетчик») — популярных и доступных трубках СБМ-20. При покупке следует обратить внимание на дату изготовления.

Трубка чувствительна к у и ограничено β, и не чувствительна к α-излучению.

Характеристики СБМ-20

СБМ-20 изготовлен в виде герметичной тонкостенной гофрированной металлической трубки, из которой откачан воздух, а вместо него добавлен инертный газ под небольшим давлением, с добавлением примеси (Ne + Br₂ + Ar). По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. И трубка и проволока являются электродами: трубка – катод, а проволока – анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду – через очень большое постоянное сопротивление – плюс от источника постоянного напряжения. При попадании в счетчик заряженной частицы некоторое количество газа ионизируется, и под воздействием напряжения между катодом и анодом ионы и электроны начинают двигаться — в трубке возникает кратковременный ток. Напряжение на аноде трубки кратковременно падает — получаем инвертированный импульс.

СБМ-20 имеет контакты под цокольное соединение. Ни в коем случае не припаивайтесь к ним. Для подключения СБМ-20 подходят гибкие контакты для печатной платы, предназначенные для трубчатых плавких предохранителей диаметром 6,3 мм.

Схемы старых армейских дозиметров основаны, прежде всего, на требованиях к устойчивости оборудования к воздействию электромагнитного импульса от близкого ядерного взрыва, питания от широко распространенных элементов питания (двух угольно-цинковых или щелочных типоразмера D (LR20)). Индикация радиоактивности — или звуковая в наушниках либо в наушниках и одновременно на микроамперметр со шкалой с несколькими диапазонами и проверкой источника питания. Первоначально в дозиметрах (IBG-58T) применялся вибрационный преобразователь напряжения, а затем генератор на транзисторе и ферритовом трансформаторе, для стабилизации напряжения применялась лампа — коронный стабилизатор.

Схема армейского индикатора радиоактивности чехословацкой армии IBG-58T

Большинство схем в Интернет построено на преобразователе напряжения с использованием трансформатора на ферритовом сердечнике, что часто останавливает желающих сделать дозиметр. А питающее напряжение обычно повышено до 12 вольт.

Мои основные требования к схеме были:

• в применении напряжений используемых в схемах с микроконтроллерами — 5 вольт или ниже;
• легкодоступные индуктивности или трансформаторы;
• масштабируемость и возможность использования других счетчиков Гейгера-Мюллера путем регулирования напряжения в пределах, по крайней мере, 200-460 вольт;
• состоящая из отдельных функциональных блоков, соединенных последовательно;
• конструкция может быть легко отремонтирована.

Схема дозиметра с логическим выходом на микроконтроллер. Функциональные «блоки» выделены желтым и белым фоном.

Первый блок представляет собой генератор колебаний с постоянной частотой около 1,5 кГц и скважностью примерно 1:1. Генератор построен на таймере 555 (в CMOS версии — питание от 3 вольт). Подстроечный резистор позволяет регулировать частоту в диапазоне от 1,1 до 5,2 кГц, поэтому возможно регулировать стабилизацию напряжения в самых широких пределах. По умолчанию установлено высокое сопротивление подстроечного резистора, что соответствует низкой генерируемой частоте.

Второй блок представляет собой повышающий преобразователь с легкодоступным для покупки миниатюрным дросселем 33 мГ (Matsutami 09P-333J). На выходе которого, до умножителя напряжения, получается почти 300 вольт. По этой причине выбран транзистор 2N6517 с максимальным напряжением (К-Э) 350 вольт. Напряжение во время работы приведено ниже на осциллограмме:

Осциллограмма

В умножителе напряжения используются металлопленочные конденсаторы 22н 400В. На выходном электролитическом конденсаторе 1 мкф напряжение может составлять 450 вольт, если параллельно подключить цепочку из стабилитронов BZX83V075 (75V х5), без которых напряжение может достигать 600 вольт и в этом случае необходимо применить конденсатор на 630 вольт. При измерении высокого напряжения необходимо принимать во внимание, что новый электролитический конденсатор имеет более высокую утечку и должен быть формован. В течении 15 минут работы нового конденсатора напряжение стабилизируется.

Вид собранного устройства на макетной плате

Напряжение на трубке стабилизируется на 375 вольтах. Это ниже, чем, рекомендуемые производителем и другими инструкциями по изготовлению дозиметров, 400 вольт. Я пытался измерить зависимость чувствительности трубки при изменении напряжения, и в диапазоне 330-460 вольт изменение напряжения не приводит к существенному изменению чувствительности, а при около 300 вольт наблюдается небольшой спад. Работа трубки резко изменяется при напряжении около 270 вольт.

Преобразователь напряжения достаточно нежный источник и подключение 10 МОм-ного вольтметра приводит к заметному просаживанию напряжения. Влияние вольтметра будет незначительно при его сопротивлении около 100 МОм. Такой импровизированный вольтметр можно сделать, подключив 10 МОм-ный вольтметр через последовательно соединенные девять(9) резисторов по 10МОм. Измеренное напряжение необходимо умножить на 10.

Чувствительность СБМ-20 при разном анодном напряжении.

Анодный резистор счетчика Гейгера составлен из пяти резисторов по 1 МОм. В цепь катода счетчика включен резистор 100кОм, с которого снимаются инвертированные выходные импульсы, и затем транзистором приводятся к логическому уровню 5В. Импульсы имеют длительность около 250 микросекунд. Эти импульсы обрабатываются входом микроконтроллера (можно обрабатывать смартфоном, добавив разделительный конденсатор — как в публикации MaxFactor «Как сделать дозиметр и привязать его к Android»).

Если целью является только индикация интенсивности излучения без дальнейшей обработки, то мы поставим еще одну микросхему 555, длительность выходных импульсов которой устанавливаются подстроечным резистором в пределах 2,5 мс — 25 мс. На низких уровнях интенсивности излучения мигающий светодиод гораздо более заметен. Также заметнее, чем обычное «потрескивание», звуковой тон активного динамика (buzzer) KPE222A с частотой собственного сигнала 3,2 кГц.

Дополнительный блок световой и звуковой индикации.

Напряжение на трубке в 375 вольт сохраняется постоянным при изменении питающего напряжения в пределах 3,8 до 5,5 В. Потребление преобразователя составляет 12 мА при 5 вольт, что не составит проблем запитать его от источника питания микроконтроллера. Как отдельное устройство дозиметр может работать от 4-х никель-металлогидридных элементов, 3 Ni-Zn элементов, или от стабилизатора 5 В от любого источника с напряжением до 24 В.

При создании первой версии устройства на макетной плате выяснилось, что необходимо уделить внимание на тщательную очистку платы от флюса. Например остатки паяльной пасты Pro’sKit вызывали токи утечки, снизившие напряжение на выходе преобразователя напряжения до 120 вольт. Классическая канифоль намного лучше, но и в этом случае уместна очистка платы.

Если трубка счетчика Гейгера-Мюллера расположена далеко от платы, то следует обратить внимание на кабель т.к. характеристики не каждого подходят для напряжения 400 вольт. Я столкнулся с пробоем на старом коаксиальном кабеле, что отражалось на измерении импульсов. Важной также является ёмкость кабеля, у самой трубки ёмкость 4пФ и кабель влияет на время необходимое трубке для восстановления после прохождения частицы и соответственно влияет на линейность и верхний предел измерений. Желательно чтобы кабель имел ёмкость как можно меньше.

Металлический корпус для счетчика Гейгера-Мюллера

Трубки могут быть размещены непосредственно на плате или внутри корпуса. Они будут измерять уровень радиации в космосе, но вряд ли смогут изучить точечный источник радиации, к тому же они потеряют большую часть чувствительности к слабым источникам радиации, которая сильно зависит от минимального расстояния от источника до трубки.

Для разделения у и β-излучений, к которым чувствителен счетчик, может быть использован алюминиевый корпус с диафрагмой, как на предыдущей фото. у и β свободно проходят через прорези, и только у проникает через 5 мм алюминиевый корпус. При установке в корпус трубка должна быть правильно сориентирована, корпус заземлен, провод заизолирован. Для наших экспериментов достаточно использовать только трубку с заизолированными выводами.

Собранный и включенный дозиметр зарегистрировал фон около 20 импульсов в минуту. Надежно реагировал на шарик из уранового стекла, приложенный к трубке и даже на калильную сетку (Торий-232) с расстояния 10 см. Более слабые источники радиации как зола или стиральный порошок обычно не очень хорошо распознаются на слух, но убедительно определяются графической регистрацией результатов измерения. Далее мы будем подключать чувствительный дозиметр с Arduino и «исследовать» радиоактивное излучение от предметов домашнего обихода.

Подключение к Arduino

В ближайшее время наша цель будет завершить создание удобного измерительного устройства с дисплеем, с пересчетом дозы радиационного воздействия при долгосрочном наблюдении, с графическим отображением или контролем предустановленных уровней интенсивности излучения и сигнализацией тревоги при превышении уровней. Пока же мы сконцентрируемся на простой графической индикации. Высокая чувствительность и более высокая фильтрация помех позволит нам проводить эксперименты с более слабыми источниками радиоактивного излучения.

И так соедините выход устройства с Arduino Uno на пин D2. Одиночные импульсы суммируются в переменной через обработку прерывания, и графически отображается количество импульсов в минуту. Для начала опытов такой программы нам достаточно. Даже одна трубка может измерять достаточно точно, но потребуется достаточно много времени для проведения измерений. Необходимо потратить на циклы десятки минут и одно измерение из нескольких циклов может занять несколько часов. Другой способ сделать тоже самое мы можем наблюдать в приборах серийного производства — это делается увеличением количества счетчиков Гейгера-Мюллера включенных параллельно, что увеличит количество захваченных частиц. Как подключить несколько трубок показывает эта схема:

Параллельное подключение нескольких трубок

//Радиационные измерения бета / гамма int pocet; // переменная для подсчета частиц unsigned long time; // время наблюдения void setup() < pinMode(2, INPUT); // pin 2 вход от счетчика Гейгера attachInterrupt(0, nacti, RISING); // настройка прерывания Serial.begin(9600); // настройка скорости передачи данных по последовательному интерфейсу Serial.println(" "); // Новая строка при ресете >void nacti() < pocet = pocet++; // обработка int0 >void loop() < pocet = 0; // новое измерение time = millis() + 60000; // время конца измерения while (time >millis()) <> // ожидание 1 минуту if (pocet < 10) Serial.print(" "); // форматировать согласно количества цифр if (pocet < 100) Serial.print(" "); if (pocet < 1000) Serial.print(" "); Serial.print(pocet); // написать количество распадов/мин Serial.print(" "); for (int i = 0; i < pocet; i++) < // графический вывод Serial.print("#"); >Serial.println(" "); // окончание строки > 

На следующем рисунке показан результат измерения излучения линзы от старого мощного проектора. Оптическое стекло в сравнении с урановым стеклом имеет очень низкую активность. При «прослушивании» была отмечена некая активность, но сложно было оценить, насколько она велика.

Измерение активности оптической линзы

На записи одна решетка (#) соответствует одному импульсу. Первые 20 минут записывался радиоактивный фон. Наименьшее количество зарегистрированных импульсов было 13, максимум — 36. Красная линия показывает среднее значение, в данном случае, 23 импульса в минуту.

Запись измерения активности оптической линзы

После 16 минут записи с линзой лежащей на трубке, среднее значение стало 46 импульсов в минуту. Ровно в два раза больше. Мы можем сделать вывод, что оптическая линза внесла свой вклад в количестве 23 импульсов в минуту, хотя этот результат является лишь приблизительным и статистически не совсем надежным. Мы можем даже попытаться измерить слабые источники излучения такие, как стиральный порошок, пепел, тропические фрукты, металлические сплавы, магниты или что-нибудь еще. Аналогично мы можем попытаться обнаружить присутствие источников излучения на небольших расстояниях, но, возможно, и на 10, 30 или 100 см. Аналогичный результат, как упоминаемый объектив, обеспечивает также измерение старого тахометра на расстоянии 0,5 метра или проверка старых отвалов рудника возле Мнишек-под-Брди.

При проведении измерительного цикла в течении 5 минут, и проведении 10 циклов без источника (замер фона), а затем 10 циклов с источником возможно обнаружить активность бананов. К сожалению, я не смог определить конкретно происхождение бананов, активность которых от этого зависит достаточно сильно. Одно только измерение длительностью 100 минут не показательно — увеличение количество импульсов относительно фона около 20%. И это можно было бы свести к статистической ошибке, но при проведении четырех измерений подряд (два измерения фона, источника и два измерения в обратном порядке) становится достаточно очевидно, что «там что-то есть» и мы можем даже оценить насколько это интенсивно. Средний вклад банана составил 4 обнаруженных частицы в минуту, что будет соответствовать 8 nSv/h. Более чувствительные и точные измерения в разумный период времени трудно достичь.

Результат измерения радиоактивности банана

Перевод публикации Pozor, radiace! с чешского. Автор: Михал Черны, 17 июня 2016 года.

P.S.: Можно продолжить эксперименты с фотообъективами т.к. некоторые фотообъективы заметно радиоактивны (список).

P.P.S.: «Калиевая» радиоактивность продуктов питания из книги Ю.А.Виноградов. «Ионизирующая радиация. Обнаружение, контроль, защита».

Самодельный счётчик Гейгера на ESP8266 с сенсорным экраном

Я разработал и собрал счётчик Гейгера – устройство, способное обнаруживать ионизирующее излучение и предупреждать об опасных уровнях радиации в окружающей среде знакомыми щелчками. Его также можно использовать для поиска минералов, и определять, есть ли в найденном вами камне урановая руда!

В интернете можно найти много готовых наборов и инструкций по сборке счётчика Гейгера, но я хотел сделать нечто уникальное – и я разработал GUI-дисплей с сенсорным управлением и красивым выводом информации на экран.

Шаг 1: базовая теория

Принцип работы счётчика Гейгера прост. Тонкостенная трубка с газом при низком давлении внутри (трубка Гейгера-Мюллера) подвергается действию тока высокого напряжения. Создаваемого электрического поля недостаточно для диэлектрического пробоя, поэтому ток через трубку не течёт – до тех пор, пока фотон ионизирующего излучения не пройдёт через неё.

Когда сквозь трубку проходит бета- или гамма-излучение, оно может ионизировать часть молекул газа внутри, что приводит к появлению свободных электронов и положительных ионов. Частицы начинают двигаться под воздействием электрического поля, и электроны набирают достаточно скорости, чтобы начать ионизировать другие молекулы, что приводит к каскаду заряженных частиц, которые на короткое время начинают проводить ток. Этот краткий импульс тока можно зарегистрировать при помощи приведённой схемы, которая создаёт щёлкающий звук, или, как в данном случае, передаёт информацию в микроконтроллер, который может проводить вычисления с этими данными.

Я использую трубку Гейгера-Мюллера SBM-20, поскольку её легко найти на eBay, и она достаточно чувствительна к бета- и гамма-излучению.

Шаг 2: запчасти и сборка

В качестве мозга проекта я использовал плату NodeMCU с микроконтроллером ESP8266. Мне хотелось взять то, что можно программировать как Arduino, и что будет достаточно быстрым, чтобы отрисовывать изображение на экране без задержек.

Для подачи высокого напряжения я использовал трансформатор с Aliexpress – он подаёт 400 В на трубку Гейгера-Мюллера. Учитывайте, что при проверке выходного напряжения его не получится измерять мультиметром напрямую – при слишком малом импедансе напряжение будет падать, и показания будут неточными. Сделайте делитель напряжения с сопротивлением не менее 100 МОм последовательно с мультиметром.

Питается устройство от аккумулятора формата 18650, через ещё один трансформатор, подающий стабильные 4,2 В на оставшуюся схему.

Вот список всех необходимых компонентов:

• SBM-20 GM трубка (ищите на eBay).
• Высоковольтный трансформатор (AliExpress).
• Трансформатор для 4,2В (AliExpress).
• Плата NodeMCU esp8266 (Amazon).
• 2.8″ SPI сенсорный экран (Amazon).
• 18650 батарейка (Amazon) или любая LiPo батарейка на 3,7 В (500+ mAh).
• 18650 держатель для батарейки (Amazon). Этот держатель оказался великоват для платы, и мне пришлось загнуть контакты внутрь. Рекомендую взять батарейку LiPo поменьше, и припаять провода от разъёма JST к контактам для питания на плате.

• Резисторы на 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1,8M, 3M Ом. Для создания делителя напряжения также потребуются резисторы на 10 МОм.
• Конденсаторы: 220 пФ.
• Транзисторы: 2N3904.
• Светодиод 3 мм.
• Пищалка: любой пьезоэлемент на 12-17 мм.
• Держатель для предохранителя 6,5 х 32 (для надёжного крепления трубки).
• Выключатель 12 мм.

Плату делать необязательно, но с ней сборка схемы становится проще и аккуратнее. Файлы Gerber для производства платы я также выложил на GitHub. После того, как я получил готовую плату, я сделал несколько исправлений в схеме, поэтому дополнительные джамперы в новой схеме не нужны – хотя я её не проверял.

Корпус распечатан на 3D-принтере из пластика PLA, их можно скачать здесь. Я подправил CAD-файлы, добавив отверстия для крепления новой платы. Всё должно работать, хотя я это не проверял.

Шаг 3: код и интерфейс пользователя

Для создания интерфейса дисплея я использовал библиотеку Adafruit GFX. Код выложен на GitHub.

Главная страница интерфейса показывает текущую дозу, количество срабатываний в минуту и общую накопленную дозу с момента включения устройства. Пользователь может переключаться между быстрым и медленным суммированием, меняя интервал подсчёта промежуточных сумм с 3 до 60 секунд. Пищалку и светодиод можно включать и выключать отдельно.

Есть меню базовых настроек, позволяющее пользователю менять единицы измерения дозы, порог предупреждения и фактор калибровки, соотносящий количество срабатываний в минуту и мощность дозы излучения. Все настройки сохраняются в EEPROM, и восстанавливаются после перезапуска.

Шаг 4: проверка и заключение

Счётчик Гейгера срабатывает 15-30 раз в минуту от естественного фонового излучения, чего и следует ожидать от трубки SBM-20. Небольшой образец урановой руды регистрируется как средне радиоактивный, в районе 400 щелчков в минуту, а ториевая лампа может заставить счётчик регистрировать по 5000 щелчков в минуту, если держать его вплотную к ней!

Счётчик потребляет 180 мА при 3,7 В, поэтому батарейки на 2000 мАч должно хватить примерно на 11 часов.

Я планирую точно откалибровать трубку на стандартном источнике из цезия-137, что сделает показания более точными. В качестве будущих улучшений можно добавить поддержку WiFi и запись данных, поскольку у ESP8266 есть встроенный WiFi.

Надеюсь, мой проект показался вам интересным!