Счетчик гейгера своими руками на фотодиоде
Добавил пользователь Alex Обновлено: 19.09.2024
В данном обзоре приводится описание несложного и достаточно чувствительного дозиметра, регистрирующего даже незначительное бета- и гамма- излучение. В качестве датчика радиационного излучения выступает отечественный счетчик Гейгера-Мюллера типа СБМ-20.
Внешне он выглядит как металлический цилиндр диаметром 12 мм и длинной около 113 мм. Его рабочее напряжение составляет 400 вольт. Аналогом ему может послужить зарубежный датчик ZP1400, ZP1320 или ZP1310.
Описание работы дозиметра на счетчике Гейгера СБМ-20
Питание схемы дозиметра осуществляется всего от одной лишь батарейки на 1,5 вольта, так как ток потребления не превышает 10 мА. Но поскольку рабочее напряжение датчика радиации СБМ-20 составляет 400 вольт, то в схеме применен преобразователь напряжения позволяющий увеличить напряжение с 1,5 вольт до 400 вольт. В связи с этим следует соблюдать крайнюю осторожность при налаживании и использовании дозиметра!
Повышающий преобразователь дозиметра – не что иное как простой блокинг-генератор. Появляющиеся импульсы высокого напряжения на вторичной обмотке (выводы 5 – 6) трансформатора Тр1, выпрямляются диодом VD2. Данный диод должен быть высокочастотным, поскольку импульсы достаточно короткие и имеют высокую частоту следования.
Если счетчик Гейгера СБМ-20 находится вне зоны радиационного излучения звуковая и световая индикация отсутствует, поскольку оба транзистора VT2 и VT3 заперты.
При попадании на датчик СБМ-20 бета- или гамма- частиц происходит ионизация газа, который находится внутри датчика, в результате чего на выходе образуется импульс, который поступает на транзисторный усилитель и в телефонном капсюле BF1 раздается щелчок и вспыхивает светодиод HL1.
Вне зоны интенсивного излучения, вспышки светодиода и щелчки из телефонного капсюля следуют через каждые 1…2 сек. Это указывает на нормальный, естественный радиационный фон.
При приближении дозиметра к какому-либо объекту, имеющему сильное излучение (шкале авиационного прибора времен войны или к светящемуся циферблату старых часов), щелчки станут чаще и даже могут слиться в один непрерывный треск, светодиод HL1 будет постоянно гореть.
Так же дозиметр снабжен и стрелочным индикатором — микроамперметром. Подстроечным резистором производят подстройку чувствительности показания.
Детали дозиметра
Трансформатор преобразователя Тр1 выполнен на броневом сердечнике имеющий диаметром приблизительно 25 мм. Обмотки 1-2 и 3-4 намотаны медным эмалированным проводом диаметром 0,25 мм и содержат соответственно 45 и 15 витков. Вторичная обмотка 5-6 намотана медным проводом диаметром 0,1 мм, содержит 550 витков.
Светодиод возможно поставить АЛ341, АЛ307. В роли VD2 возможно применить два диода КД104А, подключив их последовательно. Диод КД226 возможно поменять на КД105В. Транзистор VT1 возможно поменять на КТ630 с любой буквой, КТ315Б на КТ342А. Телефонный капсюль необходимо выбрать с сопротивлением акустический катушки более 50 Ом. Микроамперметр с током полного отклонения 50 мкА.
Этот проект представляет собой простой счетчик Гейгера, который обнаружит бета-частицы и гамма-лучи. Индикация динамиком, который воспроизводит один щелчок для каждого счета. С добавлением схемы частотомера можно видеть количество микрорентген в секунду. Звуковая версия схемы очень полезна для идентификации радиоактивных предметов, таких как часы со светящимися циферблатами. Схема дозиметра очень экономична и обеспечивает много часов работы от одной 9 В батареи Крона.
Предполагалось, что будет установлен счетчик Гейгера типа DOI-80, так как устройство должно было иметь минимальное энергопотребление и быть как можно более дешевым. Схема потребляет минимальный ток и преобразователь работает на частоте 50 кГц. Измеритель радиации характеризуется наличием дешевых элементов – можно купить их в любом магазине электроники.
Схема самодельного счетчика Гейгера
Давайте перейдем к принципиальной схеме:
Основой является двухтактный преобразователь, приводимый в действие генератором на основе вентилей NAND. Рабочая частота около 50 кГц поступает на 2 транзистора. К коллекторам транзисторов включается трансформатор.
Генератор управляется операционным усилителем U2A, который измеряет выходное напряжение инвертора. Если оно превышает установленное значение, низкий уровень будет подаваться на вход 13 логического элемента U1D и вход 5 U1B. Генератор остановится и оба транзистора отключатся. Это условие будет поддерживаться до тех пор, пока выходное напряжение не упадет примерно на 20 В ниже уровня, отключающего инвертор.
На практике генератор инвертора отключается в течение большей части времени и начинает лишь периодически перезаряжать выходной конденсатор высокого напряжения. Примерная осциллограмма переключения напряжения на генераторе далее:
В схеме имеется три линии напряжения:
Сигнал от счетчика Гейгера формируется операционным усилителем U2B и подается на моностабильный триггер U4A, а затем выходной импульс триггера управляет громкоговорителем.
Используемые интегральные микросхемы имеют очень низкое энергопотребление (порядка микроампер), поэтому ток от источника питания, в основном является результатом работы преобразователя. Удалось достичь потребления 1 мА от батареи 9 В с фоновым излучением (и 2-3 мА при приближении к радиоактивному элементу).
Советы по сборке дозиметра
Конденсаторы C2, C5, C6 должны иметь минимальное рабочее напряжение 600 В. Конденсатор С6 должен быть 22-220 нФ.
Трансформатор наматывался на сердечник F2001, L9, 4.0, AL400. Первичная обмотка 2×70 витков проводом 0,15 мм, вторичная 2000 витков тем же проводом. Это оптимально для батареи 9 В. Если используется более низкое напряжение питания или прибор требует напряжения выше 500 В, может потребоваться намотка большего количества витков на вторичной стороне.
Если получается, можете намотать 3000 витков, потому что выходное напряжение в любом случае контролируется. Проволока может быть наименьшей доступной толщины. В трансформаторе выбран зазор так, чтобы потребляемый ток был как можно ниже (минимум выходил при зазоре около 0,5 мм). Меньший и больший зазор вызывал большее потребление тока.
Вторая версия схемы дозиметра
В ещё одной версии счётчика Гейгера исключен стабилизатор 3,3 В, используя цепи CMOS серии 4000, которые имеют широкий диапазон рабочих напряжений, потребляя меньше тока чем 74HCT. Необходимый вольтаж теперь обеспечивает автоматически LM385, с током около 10 мкА.
Решено не использовать микросхему 555 в CMOS-версии в качестве моностабильного триггера, поскольку она потребляет больше тока, чем 4098, и, кроме того, в стабильном состоянии замыкает резистор в ветви RC на землю, что дополнительно вызывает протекание ненужного тока.
Под операционный усилитель, измеряющий +490 В использовался программируемый чип LM4250, потому что он дешев и доступен, можем установить потребляемую мощность (резистор R7) на очень маленькое значение – гораздо меньше, чем другие известные операционные усилители.
LM4250 работает как операционный усилитель, в котором потребление тока определяется R7. Если вы используете другой усилитель, не паяйте его. Все синхронизирующие конденсаторы также были уменьшены до минимума, чтобы минимизировать токи перезарядки.
Что касается детекторов – счетчиков радиации, существует много типов, например, STS-5, DOB-50, DOB-80, DOI-30, DOI-80, даже отечественный СБМ-2.
Счетчики Гейгера, в зависимости от конструкции, должны питаться напряжением 200-1000 В. Лучше всего подавать на него более высокое напряжение и следить за количеством импульсов. Но если происходит резкое увеличение количества импульсов, уменьшите напряжение примерно на 50 В – и при таком напряжении прибор должен работать. С резистором, который соответствует лампе, лучше не опускаться ниже 2,2 МОм. Предпочтительно 4,7 или 5,6 мегаом. Счетчики Гейгера не любят перегружаться, они от этого изнашиваются.
Потребляемая мощность импульсная, импульс 4 мс 30 мА каждые 1,2 с. В оставшийся период потребляемый ток не превышает 150 мкА. Среднее не превышает 400 мкА. В этом случае батарея на 9 В должна работать в течение месяца даже непрерывной работы. А тут можете скачать файлы
Этот счетчик не является полным аналогом полноценной стеклянной трубки-детектора для поиска радиоактивных частиц,но реагировать на излучение должен.Нормальная трубка типа СБМ-20 состоит из стеклянной трубки с инертным газом и два вывода-анод и катод.Инертный газ может быть и неон.Вот поэтому есть несколько статей,в том числе и на зарубежных ресурсах,о применении для регистрации излучения радиоактивных частиц неоновую лампу.У нее также катод-анод и внутри газ-неон.Есть упоминания о поиске радиации с помощью датчика-самодельного лепесткового радиометра.Удлиненные листки из тонкой бумаги или фольги.Они крепятся на металлический стержень,помещенный в стеклянную банку.Наэлектризовывают такой детектор статическим электричеством а показания замеряют прибором.На фоне такого радиометра,неоновая лампа выглядит посолидней.
Уровень радиации можно измерить с помощью самодельного счетчика Гейгера, работающего с Arduino Shield или Arduino Nano. Он может определять ионизирующие частицы альфа-, бета- и гамма-излучения. Когда они проходят через активный объем детектора, то ускоряются электрическим полем, создавая импульс тока, который сигнализирует о прохождении излучения. Контролируемые небольшие дозы излучения используют в медицинских целях. Неконтролируемые большие дозы радиоактивного излучения очень опасны, они убивают все живое на планете.
Что такое счетчик Гейгера
Счетчик Гейгера, а если быть более точным, то Гейгера-Мюллера — это измерительное устройство, применяемое для измерения уровня радиации в окружающем пространстве. Он входит в группу детекторов излучения, подгруппу детекторов газа.
Как следует из названия, они имеют измеритель, заполненный инертным газом при низком давлении 0.1 атм. В центре камеры расположен электрод, между электродом и металлической стенкой создается электрическое напряжение.
Как работает счетчик Гейгера
Детектор, заполнен газом, к которому приложено электрическое напряжение. В тот момент, когда излучение взаимодействует с газом, оно вызывает ионизацию, и этот небольшой сигнал усиливается. Коэффициент усиления зависит от напряжения.
В то время, когда излучение проникает в газовую среду, молекулы газы в трубке под действием процесса ионизации, начинают отдавать частицы. Электрон притягивается положительным зарядом анода, а положительно заряженные ионы отбрасываются к стенке трубки. После этого электрон проходит по проводам, образующим электрическую цепь, и рекомбинируется с ионом. Измерительная часть счётчика Гейгера — это устройство, которое измеряет этот поток электронов.
Когда электрон и ион ускоряются по направлению к электроду, на стенках камеры создается энергия из-за высокого напряжения, в результате чего они сталкиваются с другими атомами и подавляют электроны в процессе вторичной ионизации, что многократно усиливают исходный сигнал до уровня, который может быть измерен.
Важно! В счетчике Гейгера напряжение настолько велико, что ионизируется весь газ в газовой камере, что обеспечивает очень высокую чувствительность к поступающему излучению.
Допустимые области измерения счетчиков Гейгера
Если счетчик Гейгера откалиброван для измерения мощности дозы радионуклида Cs-137, он будет полезен только при этом виде измерения. Но если пытаться измерить таким прибором, например, излучение кобальта 60 (Co-60), результат будет неточным. Поскольку этот измеритель сможет зафиксировать только половину фактической дозы излучения, в связи с тем,что Co-60 излучает в два раза больше энергии, чем Cs-137. В тех случаях, когда радионуклиды обладают меньшей энергией, детектор, наоборот, покажет более высокую мощность дозы, чем она есть на самом деле.
Важно! Счетчик Гейгера будет давать точное показание мощности дозы излучения только в том случае, когда он измеряет тот радиоактивный материал, по которому он был откалиброван. Следовательно, счетчики Гейгера не во всех случаях являются подходящими приборами для измерения дозы облучения.
Для более широкого диапазона измерения уровня радиации применяют счетчики Гейгера с компенсацией энергии. Они позволяют установить точные дозы излучения в широком диапазоне.
Области измерения счетчиков Гейгера в мР/ч или мкР/ч:
- Альфа-излучение — заряженные частицы, которые образуются в результате радиоактивного распада ядра. Их проникновение невелико и останавливается простым листом бумаги.
- Бета-излучение — это электроны или позитроны, заряженные частицы со средним уровнем проникновения. Их останавливает алюминиевая пластина.
- Гамма-излучение — самый опасный вид излучения, их возможно остановить слоем свинца различной толщины.
- Можно также при измерении альфа- или бета-излучения определить количество импульсов в минуту (cpm), либо количество импульсов в секунду (cps), в зависимости от типа используемого измерителя.
Самостоятельное изготовление счетчика Гейгера от А до Я
В этом варианте предлагается изготовить детектор радиации с использованием комплектующих, которые можно найти в свободном доступе в торговой сети. Для того чтобы такой детектор заработал, потребуется чувствительный элемент — трубка Гейгера, с питанием около 400 В постоянного тока и индикатор, или простой динамик. Когда ионизирующее излучение воздействует на газ в счетчике Гейгера , начинается движение электронов, газ в трубке становится проводящим, напряжение подается на динамик, и он начинает щелкать.
Для более эффективного контроля уровня радиации предлагается использовать программу Arduino Nano, которая подсчитывает импульс в трубке в течение определенного времени и ЖК-дисплей, на котором будет отражаться предупреждение об уровне радиации и заряде батареи. В качестве источника питания используется батарея 18650. Поскольку для Arduino требуется 5 В, необходимо установить преобразователь постоянного тока и литий-ионное зарядное устройство, чтобы детектор был полностью автономным.
Необходимые компоненты схемы детектора
Для того чтобы собрать представленную схему потребуются приобрести следующие детали:
Важно! Также потребуется аккумулятор, дополнительный активный пьезозуммер и сам счетчик Гейгера. Для него можно применить старую лампу, сделанную в СССР, под названием STS-5 и подобрать корпус. В данном примере он распечатан на 3D принтере.
Пошаговая инструкция изготовления счетчика Гейгера на Arduino Nano своими руками
Первое, что нужно сделать, это установить с помощью этого потенциометра напряжение на высоковольтном DC-DC, для STS-5 это примерно 410 V. Затем просто соединяют все модули по этой схеме.
Важно! Лучше использовать готовые провода, это повысит устойчивость конструкции и можно будет собрать устройство на рабочем столе, а затем просто вставить его в корпус. Потребуется также подключить минус высоковольтного преобразователя и вывести его, просто припаяв перемычку.
Поскольку Arduino Nano нельзя подключать к 400 В, выполняют простую транзисторную схему: двухточечная проводка помещается в термоусадочную трубку и прямо в разъем вставляется резистор 10 МОм от + 400 В.
Дальше подключают дисплей к подсоединяемому кабелю, тщательно изолируют, поскольку он очень близко расположен к высоковольтному модулю.
После того как сборка сделана, устройство размещают в футляр, и проверяют работоспособность. Скорее всего, он покажет допустимый уровень радиации.
Такая схема с Arduino Nano имеет большие возможности для реконструкции, например, можно добавить большой дисплей, чтобы рисовать графику, и использовать модуль Bluetooth, чтобы передавать информацию дистанционно.
Как сделать счетчик Гейгера из готового комплекта
Практически на всех крупных международных торговых онлайн-площадках можно заказать готовые наборы для изготовления счетчика Гейгера стоимостью от 2500–5000 руб. В каждом наборе проверенные детали и платы, а также подробная инструкция сборки.
Наиболее популярные модели комплектов счетчиков Гейгера:
- KKmoon для обнаружения 20–120 мР/ч гамма-лучей и 100–1800 мР/ч бета-лучей. Поддерживает большинство трубок Гейгера: M4011, STS-5, SBM20, J305. Имеет звуковую и световую сигнализация, может подключиться к микроконтроллеру, а затем отобразить на ЖК-дисплее. Совместим с компьютером (ПК) MatLab для сбора, анализа и обработки данных.
- Baugger имеет модуль детектор ядерного излучения с ЖК-дисплеем, для обнаружения 20–120 мР/ч гамма-лучей и 100–1800 мР/ч бета-лучей. Поддерживает большинство трубок Гейгера: M4011, Sts-5, Sbm 20, J305. Оборудован звуковой и световой сигнализацией может подключиться к микроконтроллеру, а затем отобразить на ЖК-дисплее. Совместим с компьютером (ПК) MatLab для сбора, анализа и обработки данных.
- Kshzmoto, набор деталей счетчика Гейгера с ЖК-дисплеем. Имеет блок питания 5 В или аккумулятор 3×1.5 В. Батарея 4×1.2 В, ток: 30–120 мА. Диапазон измерения 20–120 мР/ч гамма-лучей и 100–1800 мР/ч бета-лучей. Оснащен звуком и световой сигнализацией. Может поддерживаться рабочее напряжение трубки Гейгера 330–600 В.
- YINCHIE Mukuai54 DIY — модуль детектора ядерного излучения с ЖК-дисплеем DIY. Поддерживает большинство трубок Гейгера: M4011, STS-5, SBM 20, J305. Оборудован звуковым и световым звуком, может работать с ПК.
Таким образом, сделать счетчик Гейгера своими руками на Arduino Nano несложно. Можно самому подобрать комплектующие, и собрать измеритель по проверенной работоспособной схеме, а можно просто купить готовый набор и подключить его схему. Такие дозиметры работают ничуть не хуже тех, которые собираются на промышленных площадках. В сегодняшнее время иметь такое устройство в доме не будет лишним, особенно, отправляясь в путешествие, чтобы найти безопасное место для отдыха или на рынок, чтобы купить экологически чистые продукты.
Читайте также: