Как из телефона сделать счетчик гейгера. Счетчик Гейгера-Мюллера: история создания, принципы работы и назначение

Счетчик Гейгера состоит из генератора высокого напряжения, трубки, усилителя и ждущего мультивибратора. Все четыре составляющие обозначены на схеме. Во второй части статьи мы расскажем, как подключить счетчик к USB-контроллеру и компьютеру.

Генератор высокого напряжения

Внимание! Высокое напряжение опасно для жизни, поэтому соблюдение техники безопасности обязательно. Не прикасайтесь к находящимся под напряжением участкам электрической цепи. Перед началом работы с участками цепи всегда отключайте питание. Конденсаторы С4/С5 могут находиться под напряжением даже после отключения цепи от источника питания.

Генератор высокого напряжения состоит из генератора импульсов с частотой 50 Гц на микросхеме NE555 , транформатора, умножителя напряжения и стабилизатора. Если напряжение становится слишком высоким, стабилизатор гасит колебания в генераторе импульсов. Кроме того, диоды Зенера ограничивают напряжение до отметки в 55 0В. В схеме применен стандартный трансформатор 9 В/220 В, но для получения промежуточного напряжения используется первичная обмотка. Контролировать напряжение после трансформатора можно вольтметром с высоким импедансом или «тестовой отверткой».

Трубка Гейгера

Трубку можно приобрести на аукционе ebay за несколько евро или долларов. Подходят многие виды трубок, но напряжение нужно будет отрегулировать в соответствии с характеристиками выбранной модели, - обычно это 550-600 В. Сила тока в трубке ограничивается резистором с сопротивлением 10 МОм, но лучше подключить последовательно два резистора по 4,7 МОм или один резистор высокого напряжения.

Внимание! Не прикасайтесь к трубке, так как она работает под высоким напряжением!

Усилитель и ждущий мультивибратор

Для усиления поступающего из трубки сигнала используется обычный транзистор. Его эмиттер подсоединен к микросхеме 555 мультивибратора, для запуска которого достаточно даже очень короткого импульса. Выход микросхемы подсоединен к динамику, благодаря чему счетчик Гейгера привычно тикает. Также выход можно подключить к светодиодам или оптопаре, а ее, в свою очередь, - ко входу микроконтроллера.

Прикасаться к участкам цепи, находящимся перед оптопарой, опасно для жизни!

Соединение с микроконтроллером

Выход оптопары можно подсоединить к микроконтроллеру с поддержкой USB (идеально подойдет описанный на нашем сайте ). Вот так выглядит собранная цепь. USB-плата подключена к компьютеру.

Чтобы информация передавалась каждый раз, когда со счетчика поступает импульс, нужно изменить прошивку контроллера. Измерение промежутков между импульсами можно поручить как самому контроллеру, так и компьютерной программе.

Внеся изменения в файл user.c (из примера работы с USB) можно проверить состояние подключенного вывода микроконтроллера.

if(mUSBUSARTIsTxTrfReady())
{
while(PORTCbits.RC2);
mUSBUSARTTxRam("Impulsion");
start_up_state=0;
}

В связи с экологическими последствиями деятельности человека, связанной с атомной энергетикой, а также промышленностью (в том числе военной), использующую радиоактивные вещества как компонент или основу своей продукции изучение основ радиационной безопасности и радиационной дозиметрии становится сегодня достаточно актуальной темой. Помимо природных источников ионизирующего излучения с каждым годом все больше и больше появляется мест, загрязненных радиацией впоследствии человеческой деятельности. Таким образом, чтобы сохранить свое здоровье и здоровье своих близких необходимо знать степень зараженности той или иной местности или предметов и пищи. В этом может помочь дозиметр – прибор для измерения эффективной дозы или мощности ионизирующего излучения за некоторый промежуток времени.

Прежде чем приступать к изготовлению (или же покупке) данного устройства необходимо иметь представление о природе измеряемого параметра. Ионизирующее излучение (радиация) – это потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество. Разделяется на несколько видов. Альфа-излучение представляет собой поток альфа частиц – ядер гелия-4, альфа-частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде, могут быть легко остановлены листом бумаги, поэтому опасность представляет в основном при попадании внутрь организма. Бета-излучение – это поток электронов, возникающих при бета-распаде, для защиты от бета-частиц энергией до 1 МэВ достаточно алюминиевой пластины толщиной в несколько миллиметров. Гамма-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, поскольку состоит из высокоэнергичных фотонов, не обладающих зарядом, для защиты эффективны тяжелые элементы (свинец и т.п.) слоем в несколько сантиметров. Проникающая способность всех видов ионизирующего излучения зависит от энергии.

Для регистрации ионизирующего излучения в основном используются счетчики Гейгера-Мюллера. Это простое и эффективное устройство обычно представляет собой цилиндр металлический или стеклянный металлизированный изнутри и тонкой металлической нити, натянутой по оси этого цилиндра, сам цилиндр наполняется разреженным газом. Принцип работы основан на ударной ионизации. При попадании на стенки счетчика ионизирующего излучения выбивают из него электроны, электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, приводящая к размножению первичных носителей. При достаточно большой напряженности поля энергии этих ионов становится достаточной, чтобы порождать вторичные лавины, способные поддерживать самостоятельный разряд, в результате чего ток через счетчик резко возрастает.

Не все счетчики Гейгера могут регистрировать все виды ионизирующего излучения. В основном они чувствительны к одному излучению – альфа, бета или гамма-излучению, но часто так же в некоторой степени могут регистрировать и другое излучение. Так, например, счетчик Гейгера СИ-8Б предназначен для регистрации мягкого бета-излучения (да, в зависимости от энергии частиц излучение может разделяться на мягкое и жесткое), однако данный датчик так же в некоторой степени чувствителен к альфа-излучению и к гамма-излучению.

Однако, приближаясь все-таки к конструкции статьи, наша задача сделать максимально простой, естественно портативный, счетчик Гейгера или вернее сказать дозиметр. Для изготовления этого устройства мне удалось раздобыть только СБМ-20. Этот счетчик Гейгера предназначен для регистрации жесткого бета- и гамма излучения. Как и большинство других счетчиков, СБМ-20 работает при напряжении 400 вольт.

Основные характеристики счетчика Гейгера-Мюллера СБМ-20 (таблица из справочника):

Данный счетчик обладает относительно невысокими показателями точности измерения ионизирующего излучения, но достаточными для определения превышения допустимой для человека дозы излучения. СБМ-20 применяется во многих бытовых дозиметрах в настоящее время. Для улучшения показателей часто используется сразу несколько трубок. А для увеличения точности измерения гамма-излучения дозиметры оснащаются фильтрами бета-излучения, в этом случае дозиметр регистрирует только гамма-излучение, но зато достаточно точно.

При измерении дозы радиации необходимо учитывать некоторые факторы, которые могут быть важны. Даже при полном отсутствии источников ионизирующего излучения счетчик Гейгера будет давать некоторое количество импульсов. Это так называемый собственный фон счетчика. Сюда так же относится несколько факторов: радиоактивное загрязнение материалов самого счетчика, спонтанная эмиссия электронов из катода счетчика и космическое излучение. Все это дает некоторое количество «лишних» импульсов в единицу времени.

Итак, схема простого дозиметра на основе счетчика Гейгера СБМ-20:

Схему собираю на макетной плате:

Схема не содержит дефицитных деталей (кроме, естественно, самого счетчика) и не содержит программируемых элементов (микроконтроллеров), что позволит собрать схему в течении короткого времени без особого труда. Однако такой дозиметр не содержит шкалы, и определять дозу радиации необходимо на слух по количеству щелчков. Такой вот классический вариант. Схема состоит из преобразователя напряжения 9 вольт – 400 вольт.

На микросхеме NE555 выполнен мультивибратор, частота работы которого составляет примерно 14 кГц. Для увеличения частоты работы можно уменьшить номинал резистора R1 примерно до 2,7 кОм. Это будет полезно, если выбранный вами дроссель (а может и изготовленный) будет издавать писк – при увеличении частоты работы писк исчезнет. Дроссель L1 необходим номиналом 1000 – 4000 мкГн. Быстрее всего можно найти подходящий дроссель в сгоревшей энергосберегающей лампочке. Такой дроссель и применен в схеме, на фото выше он намотан на сердечнике, которые обычно используют для изготовления импульсных трансформаторов. Транзистор T1 можно использовать любой другой полевой n-канальный с напряжением сток-исток не менее 400 вольт, а лучше больше. Такой преобразователь даст всего несколько миллиампер тока при напряжении 400 вольт, но для работы счетчика Гейгера этого хватит с головой несколько раз. После отключения питания от схемы на заряженном конденсаторе C3 схема будет работать еще примерно секунд 20-30, учитывая его небольшую емкость. Супрессор VD2 ограничивает напряжение на уровне 400 вольт. Конденсатор C3 необходимо использовать на напряжение не менее 400 - 450 вольт.

В качестве Ls1 можно использовать любой пьезодинамик или динамик. При отсутствии ионизирующего излучения ток через резисторы R2 – R4 не протекает (на фото на макетной плате пять резисторов, но общее их сопротивление соответствует схеме). Как только на счетчик Гейгера попадет соответствующая частица внутри датчика происходит ионизация газа и его сопротивление резко уменьшается вследствие чего возникает импульс тока. Конденсатор С4 отсекает постоянную часть и пропускает на динамик только импульс тока. Слышим щелчок.

В моем случае в качестве источника питания используется две аккумуляторных батареи от старых телефонов (две, так как необходимое питание должно быть более 5,5 вольт для запуска работы схемы в силу примененной элементной базы).

Итак, схема работает, изредка пощелкивает. Теперь как это использовать. Самый простой вариант – это пощелкивает немного – все хорошо, щелкает часто или вообще непрерывно – плохо. Другой вариант – это примерно подсчитываем количество импульсов за минуту и переводим количество щелчков в мкР/ч. Для этого из справочника необходимо взять значение чувствительности счетчика Гейгера. Однако в разных источника всегда немного разные цифры. В идеальном случае необходимо провести лабораторные замеры для выбранного счетчика Гейгера с эталонными источниками излучения. Так для СБМ-20 значение чувствительности варьируется в пределах от 60 до 78 имп/мкР по разным источникам и справочникам. Так вот, подсчитали количество импульсов за одну минуту, далее это число умножаем на 60 для аппроксимации числа импульсов за один час и все это разделить на чувствительность датчика, то есть на 60 или 78 или что у вас ближе к действительности получается и в итоге получаем значение в мкР/ч. Для более достоверного значения необходимо сделать несколько замеров и посчитать между ними среднеарифметическое значение. Верхний предел безопасного уровня радиации составляет примерно 20 - 25 мкР/ч. Допустимый уровень составляет примерно до 50 мкР/ч. В разных странах цифры могут отличаться.

P.S. На рассмотрение этой темы меня подтолкнула статья о концентрации газа радон, проникающего в помещения, воду и т.д. в различных регионах страны и его источниках.

Список радиоэлементов

Изобретенный Гансом Гейгером прибор, способный определить ионизирующее излучение, представляет собой герметизированный баллон с двумя электродами, куда закачивается газовая смесь, состоящая из неона и аргона, которая ионизируется. На электроды подается высокое напряжение, которое само по себе никаких разрядных явлений не вызывает до того самого момента, пока в газовой среде прибора не начнется процесс ионизации. Появление пришедших извне частиц приводит к тому, что первичные электроны, ускоренные в соответствующем поле, начинают ионизировать иные молекулы газовой среды. В результате под воздействием электрического поля происходит лавинообразное создание новых электронов и ионов, которые резко увеличивают проводимость электронно-ионного облака. В газовой среде счетчика Гейгера происходит разряд. Количество импульсов, возникающих в течение определенного промежутка времени, прямо пропорционально количеству фиксируемых частиц.

Он способен реагировать на ионизирующие излучения самых различных видов. Это альфа-, бета-, гамма-, а также рентгеновское, нейтронное и ультрафиолетовое излучения. Так, входное окно счетчика Гейгера, способного регистрировать альфа- и мягкое бета-излучения, выполняется из слюды толщиной от 3 до 10 микрон. Для обнаружения рентгеновского излучения его изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового - из кварца. Построить самому простой счетчик Гейгера, который использует вместо дорогой и дефицитной трубки Гейгера-Мюллера, можно задействуя фотодиод в качестве детектора излучения. Он обнаруживает альфа- и бета частицы. К сожалению гамма-диапазон радиации он засечь не сможет, но для начала хватит и такого. Схема паяется на небольшую печатную плату, и все это помещено в алюминиевый корпус. Медные трубки и кусок алюминиевой фольги используются для фильтрации радиочастотных помех.

Схема счётчика Гейгера на фотодиоде

Список деталей нужных для радиосхемы

• 1 BPW34 фотодиода
• 1 LM358 ОУ
• 1 транзистор 2N3904
• 1 транзистор 2N7000
• 2 конденсатора 100 НФ
• 1 конденсатор 100 мкФ
• 1 конденсатор 10 нФ
• 1 конденсатор 20 нФ
• 1 10 Мом резистор
• 2 1.5 Мом резистора
• 1 56 ком резистор
• 1 150 ком резистор
• 2 1 ком резистора
• 1 250 ком потенциометр
• 1 Пьезодинамик
• 1 Тумблер включения питания

Как вы можете видеть из схемы, она настолько проста, что собирается за пару часов. После сборки убедитесь, что полярность динамика и светодиода, являются правильными.

Наденьте на фотодиод медные трубки и изоленту. Она должна плотно прилегать.

Просверлите отверстие в боковой стене алюминиевого корпуса для тумблера, а сверху для фотодатчика, светодиода и регулятора чувствительности. Больше никаких дырок в корпусе быть не должно, так как схема очень чувствительна к электромагнитным наводкам.

После того, как все электрические компоненты будут соединены, вставьте батарейки. Мы использовали три сложеные вместе CR1620 батареи. Изоленту обмотайте вокруг трубок, чтобы они не смещались. Это также поможет закрыть свет от воздействия на фотодиод. Вот теперь всё готово для начала обнаружения радиоактивных частиц.

Проверить его в действии можно на любом тестовом источнике радиации, который вы можете найти в специальных лабораториях или в школьных кабинетах, по проведению практических работ по этой теме.

Счетчик радиации Гейгера-Мюллера является сравнительно простым инструментом для измерения ионизирующих излучений. В простейшем случае он делается с одним датчиком . Чтобы увеличить чувствительность, конструкция, представленная здесь, содержит сразу 3 советских СТС-5 детекторных ламп. Это важно для измерения природных источников с низким уровнем излучения, таких как почва, камни, вода.

Принцип работы газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера заключается в том, что когда высокое напряжение (обычно 400 В) подаётся на датчик, трубка обычно не проводит электричество, но проводит в течение короткого периода, когда появляется излучение частиц. Эти импульсы поступают на детектор. Уровень ионизирующего излучения пропорционален количеству импульсов, обнаруженных в постоянном интервале времени.

Счетчик радиации состоит из двух электродов, ионизирующая частица создает искровой промежуток между ними, чтобы уменьшить величину тока, которая возникает в этой ситуации, последовательно с трубкой ставится резистор. Отмечен по схеме как R5. Есть разные способы получения сигнала от трубки, в представленном здесь, резистор соединены последовательно между трубой и землей, изменения напряжения на резисторе измеряется с помощью детектора. Этот резистор обозначен как R6.

Здесь микросхема MC34063 - это преобразователь постоянного тока, так как для нормальной работы требуется высокое напряжение. Ее преимущество перед простой NE555 или аналогичных генераторов заключается в том, что она может контролировать выходное напряжение и настраивает параметры, чтобы сделать его стабильным (элементы R3, R4, С3).

Микросхема ОУ IC1A используется в качестве компаратора для фильтрации шумов и формирования двоичного сигнала (низкий - нет импульса на данный момент, максимум - импульс прошёл). Напряжение питания схемы 5 В, потребляемый ток - 30 мА.

Запуск и устранение возможны неполадок

Напряжение на С4 должны быть в допустимых пределах для используемого счетчика Гейгера-Мюллера. Обычно оно составляет около 400 В - будьте осторожны во время проведения измерений! Если напряжение выходит за пределы диапазона, то с помощью С1 (частота DC/DC преобразователь), С3, R3, R4 (обратная связь напряжение тока DC/DC преобразователь) может быть скорректировано.

Следующим важным моментом является наличие или отсутствие импульсов на R6. Если нет импульсов, надо проверить подключена ли трубка детектора согласно полярности. Аналогично диоду, счетчик Гейгера имеет свою полярность и при подключении в обратном направлении он будет работать неправильно.

Если импульсы на R6 видны, но состояние выхода IC1A не меняется, тогда R7, R8 должны быть изменены, они задают пороговое значение сигнала. Как видно на фотографии, был использован цифровой частотомер блок 32F429I для подсчета импульсов и визуализации результатов. Схема, представленная в этом проекте, может быть скорректирована для работы с любыми другими датчиками излучений Гейгера - они различаются по требуемому напряжению.

Этот бытовой дозиметр с использованием микроконтроллера способен фиксировать превышение уровня радиации в диапазоне от 0 мР до 144 мР. Конструкция состоит из повышающего преобразователя напряжения и микроконтроллера, который считает генерируемые импульсы и передает информацию на цифровой индикатор.

В роли датчика излучения в схеме бытового цифрового дозиметра применен счетчик Гейгера-Мюллера типа СБМ-20. Питание подается от батарейки типа "Крона". В роли цифрового инликатора использован ЖК дисплей HD44780

Повышающий трансформатор выполнен из ферритового кольца 16х10х4,5. Рекомендую перед намоткой края обработать мелкой наждачной бумагой и обмотать одним слоем изоленты.

Первичная обмотка трансформатора наматывается медным обмоточным проводом ПЭВ диаметром 0,1 мм и состоит из 420 витков, между началом и концом обмотки требуется задать зазор около 2 мм. Далее опять изолируем и наматываем вторую повышающую обмотку, но уже из 8 витков и третью, содержащую 3 витка проводом ПЭВ диаметром 0,25 мм. Начало каждой обмотки отмечено на чертеже точкой. Будьте осторожны и внимательны не перепутайте концы с началом обмоток.

После сборки своими руками перед первым включением требуется осмотреть и проверить качество пайки, подключение цифрового дисплея и счетчика Гейгера типа СБМ-20, а также правильность подключения обмоток повышающего трансформатора.

С помощью мультиметра измеряем напряжение на емкости C2, оно должно быть 350 вольт. Но учтите что мультиметр должен иметь высокое внутреннее сопротивление, дешевый китайский как правило не подойдет.

Архив с прошивкой и с ее исходником для программирования микроконтроллера можно скачать по зеленой ссылке выше.

Печатную плату бытового цифрового дозиметра рекомендую изготовить и с использованием программы Sprint Layout.

Сердце схемы микроконтроллер ATtiny2313A, работающий от внутреннего RC-генератора с частотой 8 МГц. Полученный результат выводится на светодиодный дисплей, собранный из двух двухразрядных индикаторов LD-D028UR-C с общим анодом. TL1, TL2 осуществляют управление работой бытового цифрового дозиметра.

В роли глаз конструкции используется счетчик Гейгера-Мюллера Philips 18504.

Повышающий преобразователь выполнен на транзисторах T2, T3 и трансформаторе. Напряжение с его выхода увеличивается в два раза. Рабочая частоту можно подобрать путем изменения емкости C4.

Импульсы с датчика через С7следуют на транзисторный усилитель Т4 и Т5, к выходу которого подсоединен динамик на 32 Ом.

Подсчет импульсов осуществляется с помощью 16-битного счетчика. При превышении установленного уровня радиации, на пятом выводе Attiny2313 формируется логическая единица и загорается светодиод HL1.

Для управления применяем кнопки TL1 и TL2. TL1 используется для включения и переключения режимов, а TL2 для сброса и выключения. Путем нажатия TL1 переходим в режим индикации и слежения. Акустические щелчки говорят о фиксации радиоактивных частиц.

Очередное нажатие кнопки TL1 переводит в режим быстрое измерение излучения. Измерения осуществляются с 10-кратным превышением частоты обновления и с разрешением до 0,01 мР. Последующее нажатие переводит в точный режим измерения излучения с разрешением до 0,001 мР. Нажав TL2 можно обновить данные. Длительное нажатие на TL2сбрасывает показания.

Следующее нажатие кнопки TL1 переключает дозиметр в энергосберегающем режиме с выключенным дисплеем.

Калибровка делается с помощью изменения значения константы. Для этого долго держим две кнопки TL1 и TL2. Значение можно менять TL2, а TL1 переход между цифрами.