Мои дозиметры (счетчики Гейгера).

Почему-то зачастую, когда речь идет о радиации в термины образованные от данного слова вписывают лишнюю букву "о", в результате чего лексический смысл теряется полностью. Да, речь идет не о «радио-» (волнах, эфире, т.п.) и связанных с ними понятиями, а о явлениях, которые (согласно легенде) впервые были обнаружены во взаимодействии с химическим элементом "Радий" - от чего, типа, собственно термин радиактивность и возник. Радиметрия - никакого на этот раз "радио"!!!

Идея заиметь в своем арсенале «радиметр» (или дозиметр, так более известен этот прибор) - появилась у меня довольно давно. Причем изначально не с точки зрения радиолюбительского творчества. В одно время на работе была возможность временно потестировать подобную штуку, современно-русского производства. Не сказать что она очень прям понравилась удобоюзабельностью (дизайном, функционалом) ... но самое главное цена! - которая (более 10 лет назад) превосходила 15000р. Мрачно. Альтернатив тогда не было. Но со временем, с появлением возможности приобретения товаров за бугром, я вновь вернулся и к этой теме. И тут опять разочарование. Предложения можно сказать отсутствуют. Т.к. наручные часы с функцией замера дозы радиации явно не шли в сравнение не по цене (в хорошем смысле) не в размере с русским девайсом, а вот тут я видел некий подвох. Так компактно и дешево – прямо-таки сказочно, или действительно именно так ...

Измерение «уровня радиации» для многих было и остается направлением почти мистическим, малодоступным и … малонужным? Действительно, с одной стороны подавляющее большинство людей не взаимодействуют (и не должны взаимодействовать) в реальной жизни с источниками не только первичного излучения, но и вторичного (фонового). Радиационный же контроль в различных локациях обитания также должен осуществляться соответствующими службами, финансируемыми из … вобщем за наши с вами деньги. С другой стороны история знает ситуации когда многие не были достаточно осведомлены, чтобы прибывать в безопасности. Все вспомнили только про Чернобыль? Или еще когда из Японии после «событий там» автомобили к нам везли, или … Да мало ли чудес еще на свете есть и будет – главным из которых всегда является так называемый «человеческий фактор».

Так вот. Приобрести прибор (промышленный, бытового назначения – уже звучит странно?) измеряющий уровень радиационного фона задача несколько нетривиальная – в супермаркетах и магазинах бытовой техники таких не встретишь. Остаются только «специализированные» поставщики (и это часто даже не магазины), соответственно купить физическому лицу такой прибор не только недешевое удовольствие, так еще нужно и найти кто такой прибор в розницу за нал продаст физическому лицу. А на сколько точен будет такой прибор? Что он вообще будет показывать? Да, именно показывать! – ведь проверить его никто в бытовых условиях не сможет (это не весы, легко проверяемые хоть гантелей, хоть пачкой сахара). А учитывая этот момент и количество прохиндеев (сорри, «бизнесменов») желающих втюхать народу под видом «хай-тек» всякую муляжную лажу …

Но не так давно возможность заиметь дозиметр появилась у радиолюбителей (кстати и не только – «радиолюбительские» конструкции продаются не только как наборы для сборки, но и в готовом виде). Не готов утверждать, но могу предположить что схемотехника дозиметра вобщем секретом то и не была – промышленные образцы, в том числе отечественного производства, хоть и мало распространены, но от копирования не защищены ;-) Куда как сложнее купить (раздобыть тоже непросто) сам датчик – т.е. «трубку гейгера-мюллера». И вот имхо именно благодаря тому что такие трубки (разных моделей, как правило старо-советские, «военные» …) стали появляться в продаже на различных онлайн площадках-барахолках – стали появляться и схемотехнические решения по их использованию на современной элементной базе, т.е. микроконтроллерах.

Почему именно «трубка гейгера-мюллера» - датчик технологий середины прошлого века? Да потому что если обратиться к теории, то фактически ничего нового для фиксации факта наличия ионицирующего излучения (частиц) так и не придумали! Можно найти некоторую информацию что гипотетически можно сконструировать полупроводниковый датчик и даже найти анонсы как некоторые компании хвалятся достижениями в этой области. Зато другие компании, как например ft-lab, продают себе спокойно аля-полупроводниковые, а фактически фейковые брелоки-дозиметры – подключаемые в данном примере в гнездо наушников мобильного телефона. Купил такой (за 30 баксов, типа «поверил в чудо» - см. картинку выше) убедился что в технике «чудес не бывает» … Он не ловит ни одной фоновой частицы от слова «совсем»! Зато запросто набирает «клики» если трогать его пальцем с торца (трубки гейгера-мюллера не чувствительны к контакту человека с ними и ловят частички одинаково, трогать их или нет).

Опять отвлекся. Данный материал далее будет посвящен, как и планировалось, краткому обзору настоящих дозиметров на базе датчиков гейгера-мюллера – «высокопольтных» трубок содержащих два электрода и наполненных инертным газом. При сравнительно высоком напряжении (около 400В) приложенном извне к электродам датчика он находится во «взведенном» состоянии: пролетающая «ионизирующая» частица вызывает пробой в газе, что можно фиксировать по короткому импульсу относительно постоянного высокого напряжения.

Дозиметр Arduino (с датчиком СБТ9 в моем случае)

Мой первый радиолюбительский дозиметр, а вернее «тушка» (демо-плата), без датчика, узла питания и корпуса.

(Фотки мои - сам собрал из набора-конструктора, купленного на ebay)

Достоинства:

• Ардуино-совместимый до мозга-костей (mega328p, нужен только внешний USB<->UART);
• Открытый исходный код контроллера (Ардуино-скетч);
• Нет конструктивной привязки к конкретному форм-фактору трубки-датчика;

Недостатки:

• «Трехслойное-бутербродное» исполнение – сложно подобрать корпус;
• Датчик и источник питания присоединяются внешними проводами (без корпуса использовать в мобильных условиях просто невозможно!), плюс большинство трубок гейгера-мюллера (СБТ9 и СБТ20 в их числе) предназначены для установки в крепление («ушки») на плате и не предусматривают пайку проводов непосредственно к ним (т.е. поле для фантазий с креплением трубки - обеспечено);
• Отсутствие органов управления - ни единой кнопки, ни ИК-приемника (на крайний случай)! Все богатство и гибкость возможностей ардуино-программирования фактически коту под хвост – включил и все, это единственный режим (не по передергиванию же питания режимы менять);

(Спустя много лет устройство имеет вполне законченный вид и юзабельный дизайн)

В качестве корпуса, совершенно случайно, удалось приспособить мыльницу, аккуратно вырезав окошко под дисплей. Нашлась удобная кнопочка с фиксацией для включения питания. Однако организовать автономное питание также оказалось не просто: на плате есть стабилизатор 7805, требующий на вход 6,5В и более (можно конечно на прямую 5В подавать, что не так удобно конструктивно). Но не от 9В-ой же «кроны» питать это устройство переводя в тепло излишний вольтаж и без того мало-ёмкой батарейки форм-фактора 6F22 (или аккумулятора)? Поначалу приспособил питание от аккумулятора форм-фактора 18650 (благо емкости их приличные) через готовый DC-DC преобразователь повышал с 3,7В до 12В, чтоб затем «срубить» лишнее стабилизатором до 5В – «через задницу» – но работало. Далее была идея избавиться от одной из ступеней и повышать сразу с 3,7В только до 5В, подавая питание напрямую. Помимо этого хотелось уменьшить габариты аккумулятора, пусть даже в ущерб емкости – ведь теперь потерей должно было стать меньше. Наиболее компактным «из» оказался форм-фактор 10650 (почти вдвое короче 18650) – но вот незадача: «кроваток» для данных аккумуляторов в продаже нет, вообще! Не паять же провода к аккуму? – с учетом того что заряжать его во внешнем заряднике (с универсальными пружинными клеммами) … Опять пауза в реконструкции устройства и приведения его к удобоюзабельному виду. Аккумуляторы 10650 лежат, стареют – и тут пришло в голову решение: в кроватку (с длинной пружиной минусовой клеммы) под одну банку 18650 можно засунуть (именно засунуть!) последовательно два аккумулятора 10650 (т.е. суммарная длинна 20 вместо 18). Получаем в результате не менее 7.4В (в полностью заряженном случае даже больше) – которые можно подавать на стабилизатор 7805. Минимальный порог в 6.5В на входе стабилизатора позволяет посадить такие аккумуляторы по самое «не балуйся», чем конечно не стоит злоупотреблять чтоб не убить их раньше времени. Так что заряжать аккумуляторы нужно вовремя – жаль, что конструкцией не предусмотрен контроль напряжения источника питания ДО стабилизатора (после он есть – но нахрен не нужен)!

Дозиметр от RadioHobbyStore c датчиком СБМ20 (и новой прошивкой)

Пока первый ардуино-дозиметр еще не был доведен до ума (и мыслей как это сделать не было), решил купить еще один набор – лучший чем первый! Как я думал, и так обрадовался, что нашел конструкцию, где трубка изящно крепиться в ушки на плате … что не обратил внимания, что конструкция на PIC-контроллере, т.е. ни разу не ардуино-френдли!

(Снова фотка собранного мной конструктора)

Достоинства:

• Плата имеет крепеж для датчика СБМ20;
• «Двухслойная» конструкция (включая дисплей) -  сравнительно компактна в высоту;

Недостатки:

• Контроллер PIC16F628A – исходный код разработчиком не предоставляется! Предустановленная прошивка написана из рук вон криво (в сравнении с ардуиновской) – пользоваться неудобно и противно, под себя навскидку не заточишь. После ардуино-дозиметра выглядит архи-ущербно;
• Отсутствие выводов для подключения программатора;
• Требует внешнего питания ровно 5В (узлы преобразования и стабилизации на плате отсутствуют);
• Как оказалось, корпус найти также непросто (таких больших мыльниц не бывает);
• Конструктивно можно установить (в крепеж на плате) только трубку СБМ20;

Был заброшен до лучших времен, в надежде что дойдут руки написать свою прошивку … И они настали! Альтернативному и по моей воле свободно-распространяемому ПО для данного дозиметра посвящена отдельная статья.

Дозиметр GMV2 с датчиком J305 (или M4011)

Тогда же почти сразу купил я и третий дозиметр, т.к. в двух первых успел разочароваться – а так хотелось ардуино-совместимый, и с органами управления, и в корпусе, и … Вобщем данный дозиметр продавался не как набор, а как готовое устройство: трубка и аккумулятор внутри, а зярядка от микро-USB! (Хоть внешний вид определенно кустарный). Но было анонсировано использование в нем avr-контроллера, т.е. была надежда на «ардуинизацию»!

(Что есть, к сожалению собирать не пришлось - разобрал ...)

Достоинства:

• Готовое устройство, компактное, юзабельное в полевых условиях;
• Не требует зарядного устройства и вынимания аккумулятора форм-фактора 14500 (т.е. как батарейка AA, но) на 3,7В;

Недостатки:

• Конструктивно установить (в крепеж на плате) можно только трубку J305 (или M4011) – это китайский «новодел» с невысокой чувствительностью (сопоставимой СБТ20);
• Не так все просто с его «ардуинизацией», как изначально показалось …

… и так как это был поначалу фактически единственный (первый из трех) дозиметр пригодный для полевых испытаний, то для ардуинизации был куплен еще один такой. Проект по его «ардуинизации» не завершен и по сей день, накидаю основные моменты и затыки возникшие в процессе.

1. Заменить контроллер mega8 на mega328p при помощи сплава розе оказалось не самой сложной задачей. Можно также впаять еще и кварц на 16МГц;
2. Распиновка разъема ISP на плате нестандартная!
3. Плата предусматривает установку аж четырех кнопок! – а не одной (как в стоковом исполнении). Я решил ограничиться установкой лишь еще одной, заменив и штатную также кнопкой с более длинной «пимпой» (17мм достаточно) – чтобы удобнее нажимались. Разумеется пришлось разметить и аккуратно просверлить отверстие под вторую кнопку.
4. Дисплеем (LCD1602) можно управлять как по 4-х так и по 8-ми битной шине лишь в режиме записи. Но с дисплеем затык в другом: вся схема питается от 3.3В, контроллеру дисплея это фиолетово, однако чтобы видеть информацию на дисплее необходимо обеспечить на ноге контрастности разницу напряжения относительно линии питания не менее 4В (что при трехвольтовом питании определяет необходимость отрицательного напряжения). Да дисплейные модули предусматривают реализацию такой фишки путем установки на их плату преобразователя 7660 с двумя конденсаторами в придачу. Но разработчики схемотехники данного устройства пошли другим путем – решив поднимать напряжение питания дисплея до 5В отдельным преобразователем (на плате устройства) … Все бы хорошо, но для того чтобы «завести» данный преобразователь необходимо чтобы основной контроллер генерировал непрерывно меандр с частотой 2кГц на одной из своих ног (иначе дисплей питается от 3В, на ноге контрастности 0.9В и ничего не видно в результате). Помимо этого (как показала практика) дисплей капризен к стабильности питающего напряжения …

… вобщем в настоящий момент проект ардуинизации так и не завершен.

Заключение

Несмотря на различное конструктивное исполнение и программную составляющую (прошивку контроллера), хоть и в немалой степени определяющих удобство использования устройства - основным все же является используемая трубка-датчик и аналоговая (высоковольтная) обвязка (правильно настроенная) позволяющая трубке работать в штатном режиме. Контроллер же просто считает поступившие импульсы и соотносит их с интервалами времени.

Датчики же, трубки гейгера-мюллера, имеют различные паспортные характеристики, в том числе разную чувствительность. Так например чувствительность СБТ20 очень невысокая – видать неспроста их в советских приборах использовали по 4шт включенных параллельно (хоть одна да сработает). Также разные модели трубок могут (или не могут) детектировать лишь определенные виды излучений. Для большинства это только бета- и гамма- (иногда только гамма-) – такие трубки имеют стальной, иногда стеклянный корпус (для указанных видов излучений преградой они не являются). Для возможности фиксации альфа-, необходимо чтобы трубка имела специализированное слюдяное окошко (как СБТ9) «прозрачное» для альфа-частиц.

Хоть на практике мне ни одним из выше описанных устройств не довелось наблюдать показания отличные от общего фона, т.е. 20-30CPM в помещении и 30-40CPM на улице, общая теория определения вида излучения, вкратце, такова: при наличии окошка для альфа-частиц сначала производим замер с открытым (незащищенным) окошком – видим результат, закрываем окошко (хоть листком бумаги, хоть чем посерьезнее) измеряем еще раз; если показания не изменились – то альфа-частиц в поле датчика нет; далее чтобы отличить бету- о гаммы- нужно произвести замеры в разных точках отстоящих друг от друга например на метр. Интенсивность бета-излучения будет существенно изменяться даже при небольшом (пара метров) расстоянии от источника, в то время как для гамма-излучения такое расстояние не оказывает существенного влияния на изменение интенсивности. (Можно конечно в обратном порядке алгоритм использовать).

MiGeRA (2014-2020)