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.


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».