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;
|
Как вам эта статья? |
Вы когда-нибудь хотели проверить уровень радиоактивности? Или может вы хотели подготовиться к ядерному Апокалипсису? Тогда этот мастер-класс по изготовлению счетчика Гейгера именно для вас. Я покажу вам, как сделать очень простой и дешевый счетчик Гейгера из старых и ненужных деталей бывших в эксплуатации. Видео о сборке и работе счетчика смотрите в конце моей статьи. Давайте начнем!
Как работает счетчик Гейгера?
Для начала, я объясню вам основы того, как все работает. В счетчике Гейгера используется специальная трубка, наполненная инертным газом при очень низком давлении для обнаружения радиации. Внутри этой трубки имеется цилиндрический кусок металла, который выступает в качестве катода. Внутри этого цилиндра есть небольшой металлический отрезок проволоки, который выступает в качестве анода. Когда высокое напряжение присутствует на аноде трубки, ничего не происходит, но когда в трубку попадают лучевые частиц, это вызывает ионизацию инертного раза, и он начинает проводить электрический ток. Этот ток можно измерить специальными приборами, но в этой схеме будет только детектирование сигнала о наличии радиационного излучения.
Схема счетчика Гейера
Счетчик Гейгера состоит из двух частей: высоковольтного источника питания - преобразователя и детектора. В вышеприведенной схеме высоковольтная цепь состоит из таймера 555, на котором построен генератор. Таймер 555 генерирует прямоугольные импульсы, которые через резистор открывает и закрывает транзистор периодически. Этот транзистор управляет небольшим повышающим трансформатор. С выходного трансформатора напряжение подается на удвоитель напряжения, где повышается примерно до 500 Вольт. Затем, напряжение стабилизируется с помощью стабилитронов до 400 вольт, необходимых для питания трубки счетчика Гейгера.
Детектор состоит из пьезо-электрического элемента, подключенного напрямую к ануду трубки без всяких усилителей.
Инструменты и детали
Чтобы выполнить этот проект, вам понадобятся различные инструменты и материалы.
Инструменты:
- Кусачки.
- Стриппер для зачистки проводов.
- Паяльник.
- Пистолет с горячим клеем.
- Трансформатор 8:800 - это был трансформатор источника питания сломанного будильника.
- Трубка Гейгера - куплена - .
- Таймер 555.
- Резисторы 47К (х2).
- Конденсатор 22nF.
- Конденсатор 2.2 nF.
- Резистор 1К.
- Любой N-канальный MOSFET.
- Макетная плата.
- 1n4007 диод(х2).
- Конденсатор 100 нф на 500 вольт.
- Стабилитроны - 100 вольт (х4)
- Пьезоэлектрический элемент (из старой микроволновой печи).
- Провода.
- Припой.
Сборка генератора с транзистором MOSFET
После того как вы собрали свои инструменты и материалы самое время, чтобы перейти к пайке компонентов. Первая, что вам надо спаять это генератор и транзистор. Для этого каждый компонент на макетной плате установить наиболее эффективным образом. Например, припаять MOSFET рядом, где с трансформатором. Это поможет вам использовать меньше проводов при пайке. Как все детали смаяны между собой, обрезать излишки провода.
Припаиваем трансформатор и удвоитель напряжения со стабилизацией
После сборки генератора нужно припаять обмотку трансформатора с меньшим сопротивлением между MOSFET плюсом питания. Затем припаять выход трансформатора с высоковольтной обмотки к удвоителю. Затем, припаиваем все конденсаторы и стабилитроны. После спайки высоковольтный источник питания нужно проверить его с помощью вольтметра, чтобы увидеться, что он собран правильно и выдает нужное напряжение. Если у вас другая трубка Гейгера, не как у меня, посмотреть ее технические характеристики, чтобы узнать напряжение её питания, которое может отличаться. Затем добавите соответствующие стабилитроны.
Добавление трубку Гейгера и детектор
Заключительная часть и мне осталось добавить в схему саму трубку - счетчик и детектор. Начинаем припаивать провода к каждому концу трубки. Затем, припаиваем анод к выходу регулируемого источника питания и катодом к пьезоэлемента. Наконец, припаяем пьезоэлемент на общий провод. Благородя использованию детектора состоящего всего из двух компонентов это и считается простейший счетчик Гейгера. Большинство более сложных счетчиков содержать транзисторы в детекторе. Не надо никаких токоограничивающих резисторов в этом детекторе не требуется из-за очень незначительных токов.
Испытания
Наконец, настало время, чтобы проверить счетчиком Гейгера! Для этого сначала подключите счетчик к источнику питания. Затем, возьмите радиоактивный источник для проверки. С помощью плоскогубцев, удерживайте источник радиации рядом с трубкой Гейгера. Вы должны услышать несколько заметных щелчков, которые раздаются в пьезоэлементе. Это означает, что счетчик исправно работает. Чтобы услышать и увидеть это, смотреть видео. Спасибо за чтение!
Отказ от ответственности: этот проект работает с высоким напряжением, соблюдайте правила техники безопасности и работайте с осторожностью.
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.
Бытовой дозиметр схема с применением PIC16F84 и счетчика Гейгера СБМ-20 |
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
Бытовой дозиметр на микроконтроллере схема
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.
Бытовой дозиметр на микроконтроллере ATtiny2313A схема
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.
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.
|
|
Одно из главных подручных средств в лаборатории радиолюбителя - это конечно же блок питания, а как известно, основа большинства блоков питания - 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.
