Недавно мне досталась капсула времени -- сцинтилляционный блок детектирования БДПГ-22н от советского геологоразведочного радиометра СРП-88 с запечатанным в нем воздухом 1990 года. В этой статье мы заглянем внутрь, приведем все в порядок и традиционно подключим этот зонд к Arduino.

Внешний вид и конструкция

Изделие представляет собой сцинтилляционный детектор с ФЭУ, источником питания его высоким напряжением, и усилителем-дискриминатором импульсов, выполненный в герметичном, относительно ударопрочном исполнении. Им можно без опасений за целостность шарить в сырой траве и даже случайно макнуть в какую-нибудь лужу на глубину до метра. Поскольку предназначен радиометр к нему для геологоразведки, а во время маршрута случается многое: и дождь может полить, и байдарка перевернуться, его исполнение предполагает возможность достаточно небрежного с ним обращения.

Исходно зонд был выполнен в виде, напоминающем детский пневматический автомат: в виде толстой металлической трубы с пистолетной рукояткой на одном конце и резиновым колпачком, защищающим от ударов расположенный там сцинтилляционный кристалл -- с другой. Сам блок детектирования легко вынимается из ложа с рукояткой и может быть, например, спущен в скважину на кабель-тросе. Для ношения на плече предусмотрен ремешок, а с измерительным блоком зонд соединялся кабелем, витым, как у телефонной трубки, с десятиконтактным разъемом типа МР1-10. Мой зонд по пути ко мне утратил ложе с рукояткой и ремнем, но сохранил в целости себя и свой внутренний мир под опломбированными крышками.

Итак, разбираем зонд, сняв резиновый колпачок со стороны кристалла и выкрутив две резьбовые крышки на концах трубы. Крышки густо смазаны ЦИАТИМом и снабжены надежными резиновыми прокладками. Внутренности блока детектирования, смонтированные на едином каркасе, достаточно туго извлекаются из трубы. Теперь можно рассмотреть, что находится внутри.

А внутри у него -- неонка ФЭУ-85, соединенный с кристаллом в единый склеенный блок. Сама склейка скрыта под термоусадочной трубкой. Это было для меня сюрпризом, потому что в более раннем СРП-68-01, с которым я имел дело в детстве в геологическом кружке, кристалл и ФЭУ существовали отдельно друг от друга и легко заменялись при необходимости. ФЭУ вставлен в стандартную панельку с колпачком, внутри которого находится делитель. Стакан я не вскрывал, а лишь замерил общее сопротивление делителя: 30 МОм, что соответствует схеме. Судя по "Сборочным чертежам, схемам и перечням элементам" на СРП-88, делитель простейший, ускоряющих конденсаторов на последних динодах нет.

Питается делитель от десятикаскадного умножителя напряжения, на выходе которого должно получиться около 750 В. Смонтирован умножитель на отдельной плате, питающейся от небольшого импульсного трансформатора на броневом сердечнике, скрытого в глубине конструкции. Кстати, с этого умножителя вполне можно было снять необходимые напряжения почти без использования делителя, сделав тем самым зонд более экономичным. Но разработчики предпочли более традиционное решение.

На второй плате смонтирован двухтактный преобразователь напряжения (куда, собственно, входит вышеупомянутый трансформатор) по схеме генератора Ройера. Что интересно, тут нет никакой стабилизации высокого напряжения, при том, что питание на зонд подается непосредственно с батареи питания. Его можно регулировать с помощью многооборотного подстроечного резистора R4, включенного в качестве гасящего в цепь питания преобразователя. Тут же стоят два LC-фильтра, обеспечивающих развязку узлов зонда по питанию.

Третья плата -- аналоговый тракт, усилитель-дискриминатор. Здесь импульсы анодного тока поступают на усилитель на двух последовательно включенных микросхемах К118УН1Б, а дальше -- на компаратор К554СА3А. Есть возможность выбирать коэффициент усиления с помощью DIP-переключателя и плавно регулировать порог дискриминации.

Здесь мы остановимся подробнее, потому что из приведенной схемы ничего не понять, как она работает, если ее не расшифровать. Поэтому перерисуем схему, пользуясь внутренней схемой микросхемы К118УН1.

Обе микросхемы К118УН1Б включены однотипно с той разницей, что у первой в цепи обратной связи установлен корректирующий конденсатор, а у второй -- диод, облегчающий выход усилителя из перегрузки. Схема включения отличается от типовой и реализует усилитель с токовым входом, с низким, почти нулевым входным сопротивлением. За счет этого устраняется влияние выходной емкости ФЭУ, которая иначе существенно затягивает выходной импульс. Вторая микросхема обеспечивает дополнительное усиление (примерно в 20 раз) и вместе с разделительным конденсатором -- сокращение длительности импульса. Вся схема преобразует импульс фототока ФЭУ в импульс напряжения на выходе (точка А) в масштабе около 0,25 В/мкА, при этом время нарастания импульса во всем диапазоне амплитуд не превышает 200 нс. Во время прохождения импульса напряжение в точке А падает, а в точке B -- напротив, растет, так что импульсы на этих выходах направлены навстречу друг другу. При достаточно большой амплитуде импульса они "перекрываются" и напряжение в точке А становится ниже, чем в точке B, что приводит к перебросу компаратора, подключенного к этим точкам своими входами. Такие встречные импульсы на входах компаратора благоприятны для его быстрого срабатывания. Подстроечным резистором R12 регулируется постоянное смещение на инвертирующем входе и тем самым -- порог дискриминации.

Небезынтересно взглянуть, как то же самое было сделано раньше, в классическом радиометре СРП-68-01. В нем схема предусилителя выполнена на двух биполярных транзисторах. Здесь импульс фототока ФЭУ преобразуется в напряжение на нижнем резисторе базового делителя первого каскада, выполненного по схеме с общим коллектором, при этом основное усиление по напряжению обеспечивает второй транзистор. Пороговым элементом дискриминатора является триггер Шмитта на туннельном диоде.

А вот дальше у нас есть маленькая доля абсурда. Все дело в том, что, несмотря на соединение зонда с пультом радиометра с помощью дефицитного и дорогостоящего разъема МР1-10-3 аж на 10 контактов, кабель, идущий к нему... двупроводной. Питание и сигнал идут по одной и той же паре проводов. Сделано это простым и эффективным образом: компаратор К554СА3 (имеющий выход с открытым коллектором), фиксируя импульс, примерно на микросекунду накоротко (точнее, через резистор сопротивлением 10 Ом) замыкает цепь питания зонда (она же сигнальная). Для выделения этого сигнала в измерительном блоке поставили каскад на транзисторе, однако можно сделать проще, подав на зонд питание через дроссель на 200-500 мкГн. При этом срабатывание компаратора вызывает кратковременный провал напряжения на зонде практически до нуля. Чтобы этот провал не влиял на работу аналогового тракта и преобразователя напряжения, питание на них подается через LC-фильтр с блокирующим диодом L2C4VD1, расположенный на плате высоковольтного преобразователя. Замечу, что в радиометре СРП-68-01 блок детектирования соединяется с пультом трехпроводным кабелем, и сигнал передается по отдельному проводу.

Потребляемый ток зонда от напряжения 6 В -- около 12 мА, из которых 3 мА -- ток потребления дискриминатора. При напряжении 5 В работоспособность зонда сохраняется, но напряжение на катоде ФЭУ снижается, соответственно -- увеличивается порог регистрируемой энергии гамма-квантов. При естественном фоне он выдает около 50 импульсов в секунду.

Распиновка разъема: контакты 1, 2 -- плюс питания, 9-10 -- земля (минус).

Качество монтажа, конечно, своеобразное. С одной стороны красиво смонтированные платы, покрытые лаком, детали с пятой приемкой (соседствующие, правда, со вполне гражданскими микросхемами и транзисторами). С другой -- путаница проводов, незакрепленные провода к делителю (включая тот, в котором высокое напряжение) свободно болтаются в корпусе, у одного из них изоляция попросту перетерлась. Шел 90-й год... Хотя не будем идеализировать и качество более ранних приборов. Любопытно применение на плате усилителя-дискриминатора импортных компонентов (желтые конденсаторы).

Запуск

Разобрав зонд, сперва убедимся, что нет критических поломок, устраним проблему с перетершейся изоляцией проводов, дополнительно изолируем высоковольтный провод (в оригинале высокое напряжение к делителю подвели обычным МГТФом) и закрепим провода. Остальное сохраним в аутентичном состоянии. Для первого запуска -- вынимаем из панельки ФЭУ и подаем 6 В питания на контакты 1 и 10 разъема, соблюдая полярность (1 -- плюс, 10 -- минус). Потребляемый ток -- 13 мА, ничего не взрывается и не дымится. Уже хорошо. На выходном конденсаторе делителя -- 350 В, если измерять обычным мультиметром. И это нормально: нагрузочная способность преобразователя напряжения очень низкая. Он рассчитан на нагрузку 30 МОм, а у мультиметра всего 10 МОм. При сопротивлении нагрузки вчетверо меньшем, чем штатное, выходное напряжение значительно просаживается. Чтобы нормально измерить высокое напряжение, нужно воспользоваться делителем 1:100 с входным сопротивлением 1 ГОм. Сделать такой делитель несложно, раздобыв два резистора -- типа КЭВ с сопротивлением 910 МОм и любого типа (скорее всего, это окажется тот же КЭВ) на 82 МОм и включив последовательно с входом мультиметра. Получившийся коэффициент деления нужно измерить на низком напряжении и учитывать при необходимости измерить напряжение точно, а не плюс-минус 10% (точность резисторов).

Теперь установим ФЭУ с кристаллом на свое место и обязательно соберем все в корпус, иначе подача питания при нахождении ФЭУ на свету мгновенно выведет его из строя. Питание подаем через какой-нибудь дроссель указанного выше номинала (я использовал 30 витков первого попавшегося провода на первом попавшемся кольце, получилось 400 мкГн), между выводами зонда подключаем осциллограф. И вот они, наши импульсы. Немного кривоватые снизу, но вполне пригодные для счета без дополнительных преобразований и усилений. Звон на фронтах полностью устраняется шунтированием дросселя резистором.

Ну и по традиции --

Подключение к Arduino

Схема подключения предельно проста. Сам зонд мы запитаем непосредственно от Arduino, взяв с нее напряжение 5 В и отрегулировав подстроечный резистор на плате преобразователя напряжения таким образом, чтобы напряжение ФЭУ осталось тем же самым, что было ранее при 6 В. Питание подается через дроссель, зашунтированный резистором, который устраняет "звон" на резонансной частоте колебательного контура, образованного дросселем и емкостью кабеля. Сигнал с зонда подается непосредственно порт 2 Arduino. При прохождении частицы через детектор на нем кратковременно (на 1 мкс) будет появляться нулевой логический уровень и возбуждать прерывание. Ну а дальше -- дело техники. В обработчике прерывания инкрементируем переменную, а в loop() раз в заданный интервал времени (например, в секунду) берем ее значение и снова обнуляем, получая количество импульсов в секунду. Минимальный код примерно такой:

#define COUNT_TIME 1

volatile long count = 0;

void BDPG22n_ISR_Handler(void)
{
  count++;
}

void setup() 
{
  pinMode(2, INPUT);
  pinMode(6, OUTPUT);
  attachInterrupt(0, BDPG22n_ISR_Handler, FALLING); 
  Serial.begin(9600);
  Serial.println(" ");
}

void loop() 
{
  unsigned int cps = 0;
  delay(COUNT_TIME * 1000);
  cps = count / COUNT_TIME;
  Serial.println(cps);
  analogWrite(6, cps);
  count = 0;  
}

Конечно же, для практического применения сюда нужно навесить какой-нибудь дисплей (хоть 1602...), сделать усреднение данных (например, сглаживание "коробочкой" или экспоненциальным скользящим средним), организовать какой-никакой пользовательский интерфейс. Все в меру вашей фантазии и задач. В данном же случае все ограничивается выводом информации в порт и микроамперметром на 100 мкА, подключенным к шестому порту ардуины.

А для спектрометрии годится?

Без существенной переделки -- скорее нет, чем нет. Из "начинки" зонда для этого очень условно подойдут лишь только ФЭУ с кристаллом и панелька от него. Ну умножитель. Переделывать придется и источник питания (ни о каком использовании нестабилизированного питания ФЭУ для спектрометрических целей идти не может), и аналоговый тракт. Скорее всего, не годится для спектрометрии и сам кристалл, хотя тут как повезет -- среди таких маленьких кристаллов даже среди счетных иногда попадаются кристаллы вполне спектрометрического разрешения.

* * *

Несмотря на использование столь допотопной элементной базы (К118УН1 в 1990 году...), по сравнению с зондом СРП-68 мы видим некоторый шаг вперед (по крайней мере, избавились от туннельного диода). При этом удалось достигнуть неплохого разрешающего времени: длительность импульса на выходе детектора не превышает 1 мкс, что позволяет "переваривать" сотни тысяч импульсов в секунду (это соответствует мощности дозы более 0,2 Р/ч). Вместе с тем, его габариты и вес несколько расстроят привыкшего к карманным приборам. Используя современную элементную базу, габариты такого зонда можно сократить раза в три, а при использовании твердотельных аналогов ФЭУ -- и вовсе до габаритов, едва превышающих сам сцинтилляционный кристалл-детектор. Также имеются спорные технические решения (в первую очередь -- простейший нестабилизированный преобразователь напряжения для питания ФЭУ) и просто признаки небрежной сборки.

Мой детектор я планирую отправить за окно. Его герметичное исполнение как нельзя лучше годится для уличной станции мониторинга радиационной обстановки.