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.
Счетчик гейгера своими руками
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.
Дозиметр своими руками из говна и палок за 15 минут!
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 [1] и [2].
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.
1. Tom Napier «Biasing Geiger Tube», Nuts and Volts Jan 2004;
Разновидности конструкций самодельных счетчиков Гейгера
Счетчик Гейгера своими руками разработали и изготовили уже многие конструкторы-любители. Вариантов конструкций много. Известны наиболее распространенные схемы самодельных разработок:
- Радиометр, с использованием стартера от лампы дневного света или неоновой лампы в качестве датчика бета- и гамма-излучения.
- Простой самодельный индикатор радиации на базе датчика СТС-5.
- Простейший дозиметр с датчиком СБМ-20.
- Малогабаритный радиационный индикатор на базе датчика СБТ-9.
- Индикатор ионизирующего излучения на базе датчика из полупроводникового прибора — диода.
- Простейший индикатор радиации с самодельным разрядником, изготовленным из ПЭТ-бутылки и консервной банки.
Преимущества и недостатки конструкций
Конструкции самодельных дозиметров и индикаторов радиации с использованием датчиков СБМ-20, СТС-5, СБТ-9 достаточно просты, имеют высокую чувствительность. Но у них есть очень важный недостаток — это промышленные датчики ионизирующего излучения, которые труднодоступны и дороги для покупки.
Индикатор радиации с датчиком из полупроводникового прибора дешев, но, в связи с нелинейностью характеристик полупроводников, труден в настройке, чувствителен к изменению температуры и напряжению питания.
Прибор с самодельным датчиком из ПЭТ-бутылки предельно прост, но требует схемы с полевым транзистором, который не всегда доступен для самодельщика. Кроме того, полевые транзисторы склонны к пробою в условиях сильной радиации.
Наиболее доступными являются конструкции с датчиками на базе стартера от неисправных ламп дневного света или неоновой лампы. К недостаткам датчика из стартера, как и неоновой лампы, необходимо отнести чувствительность к изменению температуры и напряжения питания, необходимость экранирования датчика от света и электромагнитного излучения. К преимуществам относится простота изготовления и настройки счетчика Гейгера своими руками.
Отрежем лицевую часть черепа. Не волнуйтесь о точности разреза, в случае чего проблемы можно будет исправить пластиком. Доработаем оставшуюся часть черепа, чтобы низ сопоставлялся с ребрами.
Шаг 5: Собираем позвоночник
Склеиваем позвонки вместе.
Смоделируем «хвост» из низкотемпературной пластмассы и приклеим его так, как показано на фото.
Пока пластик будет остывать, склеим свободные позвонки на рёберной клетке.
Счетчик гейгера своими руками
Нет аккаунта? Зарегистрироваться
Я на youtube — https://www.youtube.com/user/HovvardHughes
Счетчик Гейгера своими руками (DIY Geiger Counter)
- Nov. 9th, 2013 at 5:40 PM
Сегодня поведаю вам об очередной самоделке, чисто чтобы занять руки — о Счётчике Гейгера.
Эта хреновина чрезвычайно проста и представляет собой только лишь индикатор радиоактивности, измерить и показать степень радиокативности (в отличии от дозиметра) счётчик не может. Но благодаря своей простоте доступен для повторения каждому! Да и в принципе, примерно оценить радиационную обстановку этим счётчиком можно=))
Обывателю совсем не нужно знать точно уровень радиации в таком широком диапазоне, а достаточно только определить, что она есть и превышает естественный фон.
Для работы трубки счетчика Гейгера необходимо высокое напряжение. Был собран преобразователь по следующей схеме:
В схеме использован транзистор, разработанный специально для ключевых схем. Область применения — линейные и импульсные схемы широкого специального применения. Он обладает очень низким напряжением насыщения КЭ. Трансформатор выполнен на броневом магнитопроводе из феррита 2000НМ. Вторичная обмотка выполнена проводом 0,08 и состоит из 2 слоев по 180-150 витков, для исключения межвиткового пробоя (Количество витков подбирается исходя из питания датчика). Первичная обмотка состоит из 13 витков, с отводом от верхнего конца на 5-м витке. Частота работы генератора около 100Гц. Высоковольтные импульсы выпрямляются двумя включенными последовательно диодами кд102А с обратным напряжением 250 вольт и чрезвычайно низким обратным током- 0,1мкА. Применение других диодов приведет к созданию дополнительной нагрузки на преобразователь и повышению потребляемого им тока. Накопительный конденсатор заряжается до напряжения 360 вольт, при входном напряжении преобразователя 9 вольт и входном токе 0,7 мА. Положительно –заряженный полюс конденсатора подключается к спице, а медная проволока датчика, которая служит отрицательным полюсом,- к резистору R2. При отсутствии излучения ток через R2 не протекает. При попадании в счетчик ионизирующей частицы, в нем происходит разряд и в этот момент через него протекает небольшой импульс тока. Для того, чтобы «озвучить» этот импульс параллельно резистору R2 включен пъезокерамический звукоизлучатель ВQ1 от звонка импортного телефона-трубки. В момент разряда он издает щелчок.
При прохождении частиц через объем испытываемого датчика происходит ионизация газа и возникает разряд, который будет слышен в пьезокерамическом излучателе.
В среднем слышно 1-2 разряда в секунду. Это соответствует естественному радиационному фону. При нормальном, естественном радиационном фоне будет не более 25-ти щелчков в минуту, что соответствует 15 мкР / час. Если при поднесении к какому-то предмету частота щелчков резко увеличивается, это говорит о том, что он имеет собственную радиоактивность
Единственный Большой недостаток — низкая громкость щелчков.
В последующем я заменил пъезку на обычные наушники — так удобнее=)
Для теста счётчика использовал самодельный источник гамма-излучения, основанный на светомассе постоянного действия (СПД), для изготовления которой применялись соли радия-226.
Краткое инфо — http://forum.rhbz.org/topic.php?forum=6 его силы недостаточно для горения лампы 3. Некоторое время спустя изогнутая биметаллическая пластина 1 нагревается, немного разгибается, прикасается к столбику 2 и замыкает цепь.
В этот момент загорается лампа накаливания 3. Примерно через 0,25 секунды биметаллическая пластина 1 остывает, снова сгибается, отходит от столбика 2, ток в цепи ослабевает, и лампа накаливания 3 гаснет. Между биметаллической пластиной 1 и столбиком 2 снова возникает тлеющий разряд, пластина опять нагревается, и процесс повторяется.
Теоретически он должен идти с какой-то регулярной периодичности, то есть лампа накаливания 3 должна, например, каждые пять секунд загораться и гаснуть. V некоторых стартеров так и бывает. Однако стартеры для люминесцентных ламп значительно разнятся по своим параметрам. Многие предприятия во время ремонтов часто выбрасывают металлическую арматуру для люминесцентных ламп, и если подобрать сразу 15 — 20 стартеров на 220 вольт, то среди них наверняка найдется один подходящий.
У части стартеров тлеющий разряд в разрядном промежутке недостаточен, чтобы нагреть пластину и замкнуть цепь, и лампа накаливания 3 не горит вообще.
Рабочий режим счетчика базируется на том явлении, что слабый разряд не может нагреть пластину, но в момент пролета частицы ток усиливается, пластина нагревается и на мгновение прикасается к столбику. Тут-то лампа накаливания и вспыхивает. Затем стартёр снова переходит в режим ожидания. Нерегулярность вспышек как раз и свидетельствует о том, что мы попали в рабочий режим. Перерыв между вспышками может варьировать от 0,1 до 3-5 с при, повторяем, полном отсутствии регулярности.
В учебнике физики сказано, что стандартный фабричный счетчик Гейгера не регистрирует частицы в момент искры (щелчка или срабатывания индикатора). У нашего счетчика этот момент существенно больше. Пластине нужно нагреться, а лампе накаливания — вспыхнуть и погаснуть. Но так как естественный фон радиоактивности невысок, а время срабатывания раз в 20 — 30 меньше периода пролета частиц, то результаты работы счетчика удовлетворительны. В минуту должно быть примерно от 12 до 25 вспышек.
У фабричных счетчиков существует зависимость числа срабатываний N от напряжения U . Если батарея дает низкое напряжение, то регистрируются не все частицы. При подаче расчетного для данного счетчика напряжения на графике появляется плато Гейгера, то есть все частицы регистрируются. При дальнейшем повышении напряжения увеличивается количество ложных срабатываний, и затем происходит непрерывный пробой — кривая на графике уходит вверх.
Все это справедливо и для нашего счётчика. Таким образом, режим регистрации частиц относительный. Если стартер лежит на столе, счетчик срабатывает реже, а если поднести к стартеру пыльную тряпку, то количество вспышек в минуту увеличивается — ведь пыль всегда содержит радиоактивные изотопы.
Следует учитывать и колебания силы тока в цепи, но в течение 20-30 минут она, как правило, постоянна. Предпочтительно также проводить измерения поздним вечером. Если у вас есть подстроечный трансформатор-стабилизатор со встроенным вольтметром от старого телевизора — вообще прекрасно. Главное, наш счетчик позволяет проводить относительные измерения — определять степень радиоактивности, скажем, овощей или интересующих вас предметов. Можно, наконец, тарировать счетчик по стандартному фабричному, взяв его ненадолго у кого-то из друзей или знакомых.
Левша 1995 №10
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.
