Как сделать дозиметр из счётчика гейгера. Счетчики Гейгера

Счетчик Гейгера-Мюллера - это относительно простой инструмент для измерения . В магазинах эти дозиметры стоят недёшево (от 5000 руб), но если есть сам датчик, то сделать этот измеритель можно с минимальными расходами. Чтобы увеличить чувствительность, представленная здесь конструкция содержит сразу три датчика СТС-5. Это полезно для измерения природных источников с низким уровнем излучения - почва, камни, вода.

Принцип работы счетчика Гейгера-Мюллера заключается в том, что высокое напряжение (обычно 400 В) подаётся на колбу-детектор. Она не проводит электричество, но в течение короткого периода, когда приходит излучение частиц, через неё проскакивает импульс тока. Уровень ионизирующего излучения пропорционален количеству импульсов, обнаруженных за постоянный интервал времени.

Сам счетчик Гейгера-Мюллера (детектор) состоит из двух электродов, а ионизирующая частица создает искровой промежуток между ними. Чтобы уменьшить величину тока, который при этом протекает, высокоомный резистор ставят последовательно с трубкой. Обозначены как R1 на схеме. Обычно он выбирается в диапазоне 1-10 мегаом, допустимые значения указаны в документации к счётчику Гейгера.

Есть разные способы получения данных из детектора, в представленной здесь схеме, резистор последовательно соединен между трубкой и землей, а изменения напряжения на резисторе измеряется с помощью детектора. Этот резистор обозначен как R2 на схеме. Обычно он в диапазоне 10-220 килоом. Аналогично диодам, счетчик Гейгера-Мюллера имеет свою полярность и при подключении в обратном направлении он будет работать неправильно.

Электрическая схема счетчика Гейгера-Мюллера

Здесь микросхема MC34063 - это DC/DC преобразователь, который используется для получения необходимого высокого напряжения из низкого батареечного. Главное его преимущество по сравнению с простой м/с NE555 или аналогичными генераторами заключается в том, что он может контролировать выходное напряжение и подстраивает параметры, чтобы сделать его стабильным (R3, R4, R5, С3). Элементы ОУ IC1A, R8, R9 используются как компаратор, чтобы отфильтровать шумы и сформировать двоичный сигнал (низкий = нет импульса, высокий = импульс проходит).

Внимание! Устройство использует высокое напряжение и может привести к неприятным последствиям при касании к некоторым токонесущим элементам конструкции. Не прикасайтесь к печатной плате или трубке датчика при включении питания.

Запуск и настройка измерителя

Напряжение на С4 должны быть в приемлемом диапазоне для работы Гейгера. Обычно около 400 В - будьте осторожны во время измерений! Если напряжение выходит за диапазон, то элементы С1 (частота преобразователя постоянного тока), и С3, R3, R4, R5 (обратная связь по напряжению преобразователя) могут быть скорректированы.

В данном обзоре приводится описание несложного и достаточно чувствительного дозиметра, регистрирующего даже незначительное бета- и гамма- излучение. В качестве датчика радиационного излучения выступает отечественный 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, на КТ342А. Телефонный капсюль необходимо выбрать с сопротивлением акустический катушки более 50 Ом. Микроамперметр с током полного отклонения 50 мкА.

UPD: Кто уже читал пост - пожалуйста зайдите и поучаствуйте в опросе. Спасибо большое!

Примерно полтора года назад на нескольких сетевых ресурсах, в том числе и на хабре, начали пиарить проект «До-ра» - приставку к iPhone, позволяющую измерять радиационный фон и делать много всего вкусного на основании получаемой со счётчика Гейгера информации. Статьи в новостях проекта упоминают несколько многомиллионных грантов, выделенных на разработку приборчика фондом «Сколково». Шли месяцы, «До-ра» всё никак не получалась, покупатели ждали, конкуренты не дремали. Так ли сложна «До-ра» как её малюют и как собрать за пару часов из подручных деталей в десять раз более чувствительный аналог я расскажу тем кто нажмёт на

Итак, приступим. Совсем недавно я узнал о прекрасной (и к тому же бесплатной!) программе GeigerBot, обрабатывающей поступающие на микрофонный вход iPhone или iPad импульсы с детекторов ионизирующего излучения и имеющей приятную особенность: при определённой комбинации настроек через выход наушников воспроизводится синусоидальный сигнал частотой 20 кГц. Комбинация настроек, необходимая для этого, такова: в ClickifyLab все регуляторы должны быть в максимуме, Echo Filter включен, а сама функция щелчков Clickify - выключена. Проделав соответствующие настройки я убедился с помощью 3.5-миллиметрового штекера и осциллографа в том что сигнал действительно появляется и его размах от пика до пика при максимальной громкости составляет примерно 1.3 вольта. В этот момент не осталось никаких сомнений в том через час этот сигнал будет использован после небольшой трансформации для питания счётчика Гейгера, импульсы с которого будут направлены на микрофонный вход.
Счётчик был взят популярный - СБМ-20. Для его питания нужно 400 вольт постоянного тока, получить их можно стандартым способом с помощью трансформатора имеющего высокий коэффициент трансформации и выпрямителя. Очень высокий коэффициент трансформации у трансформаторов, питающих люминесцентные лампы с холодным катодом в подсветках мониторов. Мне подвернулась плата подсветки от уже-не-помню-чего, содержащая трансформатор SGE2687-1 (подойдёт любой аналогичный, их сотни типов) с коэффициентом трансформации около 150. Немного маловато, но другого у меня не было и недостаток напряжения был восполнен диодными удвоителями. Берём макетку и начинаем собирать схему.

Схема получилась очень простой: трансформатор, два удвоителя напряжения, варистор на 390 вольт в качестве стабилитрона и транзистор для увеличения длительности приходящих со счётчика Гейгера импульсов до удобоваримых для звукового АЦП iPhone значений. При исправных деталях и правильном монтаже она начнёт работать сразу, номиналы большинства деталей можно изменять в очень широких пределах без ущерба работоспособности всей схемы. Вставляем разъём в iPhone и запускаем приложение GeigerBot. Аккуратно высокоомным (не менее 100 МОм) вольтметром или тестером с добавочным сопротивлением контролируем напряжение на варисторе, оно должно быть около 400 вольт. Убеждаемся что в настройках GeigerBot выбран тип счётчика СБМ-20 и наблюдаем за количеством регистрируемых импульсов. При естественном радиационном фоне (0.1-0.15 мкЗв\ч) импульсы будут следовать со средней скоростью 20-30 в минуту. При большой длине кабеля от разъёма до схемы возможно взаимное влияние относительно мощного выходного сигнала частотой 20 кГц на микрофонный вход, проявляться это может в виде огромной скорости регистрации импульсов - несколько тысяч в секунду. Для ослабления этого влияния используется два раздельных земляных провода - для питающей и сигнальных цепей. В случае таких проблем в настройках GeigerBot надо увеличить порог срабатывания по амплитуде импульсов (Settings - Geiger Counter - Custom GM tube - I/O Settings - Volume threshold поставить 10000 или около того).
Вот небольшое видео, показывающее работу устройства.

На двадцать пятой секунде показана реакция счётчика на солонку, изготовленную в США в сороковых годах прошлого столетия и покрытую урановой глазурью, на тридцать пятой - форма импульсов на микрофонном входе iPhone.
Вот и всё, то есть почти всё. Чтобы придать нашему детектору-приставке законченный вид возьмём небольшой отрезок подходящей трубки, засунем туда всё что мы напаяли, не забыв заизолировать части схемы друг от друга и загерметизируем по торцам термоклеем. Вот теперь всё, можно ехать в Припять: предупреждён - значит вооружён.

Спасибо за внимание. Всем удачи в техническом творчестве и хорошей экологической обстановки!

Бестрансформаторный дозиметр-радиометр

С Праздником, уважаемые коты!!!

Хочу представить прибор, нужный хозяйстве каждого любопытного кота - дозиметр-радиометр. Да, таких схем существует очень много, но мой - с изюминкой.

Основным ступором в создании самодельных дозиметров-радиометров является проблема найти сам детектор излучения - счетчик Гейгера-Мюллера. Но вот Вы где-то раздобыли этот счетчик и ищете подходящую схему для повторения, но натыкаетесь на второй ступор - необходимость намотки повышающего трансформатора, а к нему еще нужно найти подходящий сердечник и проволоку.
Приведенная схема не содержит никаких специфических, самодельных или дефицитных деталей (за исключением самого счетчика Гейгера).

Данный прибор состоит из следующих функциональных блоков: низковольтный источник питания, генератор высокого напряжения, детектор излучения, формирователь импульсов, устройства ввода/вывода и микроконтроллер, который всем этим управляет.
Источник питания, генерирующий стабилизированное напряжение +5В построен по типичной понижающей схеме на ИМС MC34063 и служит для питания всех остальных узлов. При желании, данный блок можно заменить стабилизатором 78L05, но это значительно снизит КПД и увеличит расход электроэнергии, что может быть критичным при работе от аккумулятора или батареек.
Основной частью высоковольтного преобразователя является генератор импульсов на интегральном таймере 555. На индуктивности L3 возникают пики напряжением свыше 150В, которые увеличиваются умножителем VD2-VD4, C10-C12 до 400В - напряжения питания счетчиков СБМ-20. Аналогичная схема была приведена в и .
В качестве детектора ионизирующего излучения служат два счетчика Гейгера СБМ-20. Снимаемые с них импульсы поступают на одновибратор DD1.1 - DD1.2, который формирует четкие прямоугольники для их фиксации микроконтроллером. Два оставшихся элемента И-НЕ выполняют роль повторителя.
Управление прибором осуществляется двумя клавишами и выключателем «Сеть». Информация выводится на знакосинтезирующий дисплей 8х2 символов, о каждом зафиксировнном гамма-кванте или бета-частице можно сигнализировать звуковым сигналом.
В данной статье приведена печатная плата для поверхностного монтажа, но все используемые компоненты имеют выводные аналоги.
Резистор R1 можно заменить перемычкой. Номиналы L1 и L2 можно увеличить. Все индуктивности заводского изготовления, ничего мотать не нужно, L3 номиналом 10 миллигенри на ферритовом сердечнике, я использовал RCH895NP-103K. Для экономии места конденсаторы С4, C5 и C6 - танталовые, напряжением 6В, но можно взять и электролитические. Для С19 отдельного места на плате нету, он припаивается на крайние выводы подстроечника R21, но если поставить С4 достаточно большой емкости, то С19 - не нужен. Резисторы R2 и R3 лучше взять 3к6 и 1к2 соответственно. VT1 должен выдерживать не менее 300В. Диоды умножителя - быстрые и с обратным напряжением не менее 600В, на такое же напряжение и конденсаторы С10-С12. Конденсаторы С13-С14 номиналом 15-30пФ. Подстроечный резистор R8 - многооборотный, R21, изменяющий контрастность дисплея, тоже желательно многооборотный, особенно, если R2 и R3 номиналами 3к и 1к. С16, С17 емкостью 12-22пФ. Номинал R15, который ограничивает ток через подсветку дисплея, можно уменьшить, некоторые дисплеи уже содержат резистор в своей конструкции. Полевые транзисторы VT3 и VT4 - любые n-канальные с изолированным затвором IRLML2502, IRLML2402, IRLML6244 или, даже, биполярные npn. В случае использования биполярных транзисторов номиналы R14 и R16 нужно увеличить до нескольких килоом. Дисплей можно использовать любой 8х2 символов, на контроллере HD44780 или аналогичных. Приведенная плата разведена под дисплей WH0802A, но будьте внимательны, не во всех дисплеях этой серии контакты подсветки выведены на общий разъем. B1 - любой динамик со встроенным генератором (пищалка) на 5В, например, HCM1205X или HCM1206X. Кнопки S1 и S2 - желательно тактовые. Маленькие тактовые кнопки, на приведенной плате, можно разместить, повернув их на 45 градусов.
Я собирал дозиметр на двухсторонней печатной плате (чертеж прилагается), на которой установлены все элементы, кроме выключателя SA1 и источника питания. Дисплей крепится с помощью разъемов типа PBD и PLD (штырьки). СБМ-20 можно закрепить в разъемах для предохранителей подходящего диаметра, но я таких не нашел и выгнул держатели из омедненной стальной проволоки:

Плата под счетчиками заклеена толстым двухсторонним скотчем и изолентой, чтобы металлический корпус счетчика ничего не коротил. Также на плате вынесен разъем UART (на перспективу, в приведенной прошивке - не используется) и разъем ISP для внутрисхемного программирования следующей конфигурации:

Плата размещается в стандартном корпусе Z-77, в глубокой половинке которого прорезано отверстие для дисплея, выключателя и двух кнопок.

Вторая половинка корпуса - фильтр бета-частиц, её можно сделать быстросъемной, закрепив магнитами.

Для питания я использовал двухбаночный LiPo акумулятор 7,4В 500мАч.
После сборки проверяем правильность монтажа, плату желательно промыть в спирте и проверить отсутствие грязи и спаек между дорожками, особенно, высоковольтными. Затем прошиваем микроконтроллер через разъем ISP. Фьюзы настраиваем на внешний кварц:

Далее необходимо настроить генератор высокого напряжения. Для этого счетчики Гейгера извлекаются, а вместо одного из них подключается вольтметр, но так как ток генератора крайне низкий, последовательно вольтметру необходимо подключить сопротивление около 100 мегаом - несколько соединенных последовательно резисторов. Например, 6 резисторов по 15М вместе с резистором R9 или R10 (да, его тоже нужно учитывать) дадут 105МОм. Включаем питание, напряжение на генераторе вычисляется по формуле:

где Uизм - то, что показывает вольтметр, Rд - дополнительное сопротивление (то, которое около 100Мом), Rвн - внутреннее сопротивление вольтметра. Изменить напряжение можно подстроечным резистором R8, для СБМ-20 оно должно составлять 400В.
Также необходимо настроить контрастность дисплея резистором R21. Если вместо символов на дисплее отображаются черные прямоугольники в верхней строке - проверьте правильность монтажа и прошивку микроконтроллера.
Выключаем прибор и устанавливаем счетчики Гейгера на место - настройка окончена, прибор готов к эксплуатации.
После включения, на экране отображается версия прошивки, примерно через секунду появляется основной экран. Верхняя строка отображает эквивалентную (поглощенную) дозу облучения с момента включения в мкР или мР (дозиметр), нижняя - мощность эквивалентной дозы в мкР/ч или мР/ч (радиометр). Переключение дольных единиц измерения происходит автоматически, в зависимости от текущего значения измеряемой величины. На данном фото эквивалентная доза - 0,5мкР, мощность дозы - 15мкР/час:

Управлять прибором можно двумя клавишами, назначение которых изменяется в зависимости от текущего режима. В основном экране удержание правой кнопки включает подсветку, которая отключается спустя 1-2 секунды после отпускания. Левая клавиша выводит на экран время до конца измерения в секундах и примерное напряжение источника питания в вольтах (зависит от падения на VD5 и может отображаться неправильно, если напряжение будет слишком низким):

Удержание двух клавиш одновременно, активирует меню настроек, счетчики отключаются, включается подсветка. В данном режиме можно включить/выключить звук Sounds и сменить время измерения Time (20с, 40с, 2мин, 10мин, 30мин, 60мин). Все настройки хранятся в энергонезависимой памяти. Нажатие левой кнопки вызывает переход на подменю или сохранение выбранного значения, нажатия правой кнопки изменяют пункты меню или значения параметров.
Недостатком данной схемы по сравнению с «трансформаторными» дозиметрами можно считать более высокое энергопотребление, у меня оно составило около 30мА.
В архиве содержится схема, прошивка, чертежи платы в PDF и LYT.

Успехов!

Источники информации:

1. Tom Napier "Biasing Geiger Tube", Nuts and Volts Jan 2004;

Счётчик Гейгера — газоразрядный прибор для счета числа прошедших через него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, пробивающийся при появлении ионизирующей частицы в объёме газа. Счетчики Гейгера — достаточно популярные детекторы (датчики) ионизирующего излучения. До сих пор им, изобретенным в самом начале нашего века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены.

Конструкция счетчика Гейгера достаточно проста. В герметичный баллон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая из легко ионизируемых неона и аргона. Материал баллона может быть различным — стеклянным, металлическим и др.

Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого в баллоне предусмотрено специальное «окно». Повсеместное применение счетчика Гейгера-Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать различное излучение, сравнительной простотой и дешевизной установки.

Схема подключения счетчика Гейгера

К электродам подводят высокое напряжение U (см рис.), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В таком состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации — след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют «по дороге» другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс заканчивается образованием в пространстве между электродами электронно-ионного облака, значительно увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.

Обратный процесс — востановление газовой среды в ее первоначальное состояние в так называемых галогеновых счетчиках — происходит само собой. В ход вступают галогены (обычно хлор или бром), в малом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс протекает достаточно медленно. Время, необходимое для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие — «мертвое» время — является главной его паспортной характеристикой.

Такие счетчики обозначаются как галогеновые самогасящиеся. Отличаясь очень низким напряжением питания, хорошими параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались востребованными в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.

Счетчики Гейгера способны обнаруживать самые разные виды ионизирующего излучения — a, b, g, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Но действительная спектральная чувствительность счетчика очень зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к a- и мягкому b-излучению, должно быть достаточно тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3…10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое b- и g-излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки 0,05….0,06 мм (он служит и катодом счетчика). Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового — из кварцевого стекла.

Зависимость скорости счета от напряжения питания в счетчике Гейгера

В счетчик нейтронов вводят бор, при взаимодействии с которым поток нейтронов преобразуется в легко регистрируемые a- частицы. Фотонное излучение — ультрафиолетовое, рентгеновское, g-излучение — счетчики Гейгера воспринимают опосредованно — через фотоэффект, комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом случае происходит преобразование взаимодействующего с веществом катода излучения в поток электронов.

Каждая фиксируемая счетчиком частица образует в его выходной цепи короткий импульс. Число импульсов, появляющихся в единицу времени, — скорость счета счетчика Гейгера — зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Стандартный график зависимости скорости счета от напряжения питания Uпит показан на рисунке выше. Здесь Uнс — напряжение начала счета; Uнг и Uвг — нижняя и верхняя граница рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение Uр обычно избирают в середине этого участка. Ему соответствует Nр — скорость счета в этом режиме.

Зависимость скорости счета от степени радиационного облучения счетчика — основная его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому зачастую радиационную чувствительность счетчика показывают через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета — имп/с — к уровню радиации — мкР/с).

В тех случаях, когда она не указана, определять о радиационной чувствительности счетчика приходится по другому его тоже крайне важному параметру — собственному фону. Так называют скорость счета, фактором которой являются две составляющие: внешняя — естественный радиационный фон, и внутренняя — излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода.

Зависимость скорости счета от энергии гамма-квантов («ход с жесткостью») в счетчике Гейгера

Еще одной существенной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц. В какой мере эта зависимость существенна, представляет график на рисунке. «Ход с жесткостью» будет сказываться, очевидно, на точность осуществляемых измерений.

То, что счетчик Гейгера является лавинным прибором, имеет и свои минусы — по реакции такого прибора нельзя судить о первопричине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые счетчиком Гейгера под действием a-частиц, электронов, g-квантов, ничем не отличаются. Сами частицы, их энергии полностью исчезают в порождаемых ими лавинах-близнецах.

В таблице приведены сведения о самогасящихся галогеновых счетчиках Гейгера отечественного производства, наиболее подходящих для бытовых приборов радиационного контроля.

• 1 — рабочее напряжение, В;
• 2 — плато — область малой зависимости скорости счета от напряжения питания, В;
• 3 — собственный фон счетчика, имп/с, не более;
• 4 — радиационная чувствительность счетчика, имп/мкР (* — по кобальту-60);
• 5 — амплитуда выходного импульса, В, не менее;
• 6 — габариты, мм — диаметр х длина (длина х ширина х высота);
• 7.1 — жесткое b — и g — излучение;
• 7.2 — то же и мягкое b — излучение;
• 7.3 — то же и a — излучение;
• 7.4 — g — излучение.