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.
Шаг 2: запчасти и сборка
В качестве мозга проекта я использовал плату NodeMCU с микроконтроллером ESP8266. Мне хотелось взять то, что можно программировать как Arduino, и что будет достаточно быстрым, чтобы отрисовывать изображение на экране без задержек.
Для подачи высокого напряжения я использовал трансформатор с Aliexpress – он подаёт 400 В на трубку Гейгера-Мюллера. Учитывайте, что при проверке выходного напряжения его не получится измерять мультиметром напрямую – при слишком малом импедансе напряжение будет падать, и показания будут неточными. Сделайте делитель напряжения с сопротивлением не менее 100 МОм последовательно с мультиметром.
Питается устройство от аккумулятора формата 18650, через ещё один трансформатор, подающий стабильные 4,2 В на оставшуюся схему.
Вот список всех необходимых компонентов:
- SBM-20 GM трубка (ищите на eBay).
- Высоковольтный трансформатор (AliExpress).
- Трансформатор для 4,2В (AliExpress).
- Плата NodeMCU esp8266 (Amazon).
- 2.8" SPI сенсорный экран (Amazon).
- 18650 батарейка (Amazon) или любая LiPo батарейка на 3,7 В (500+ mAh).
- 18650 держатель для батарейки (Amazon). Этот держатель оказался великоват для платы, и мне пришлось загнуть контакты внутрь. Рекомендую взять батарейку LiPo поменьше, и припаять провода от разъёма JST к контактам для питания на плате.
Различные электронные компоненты:
- Резисторы на 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1,8M, 3M Ом. Для создания делителя напряжения также потребуются резисторы на 10 МОм.
- Конденсаторы: 220 пФ.
- Транзисторы: 2N3904.
- Светодиод 3 мм.
- Пищалка: любой пьезоэлемент на 12-17 мм.
- Держатель для предохранителя 6,5 х 32 (для надёжного крепления трубки).
- Выключатель 12 мм.
У себя на GitHub я выложил схему в PDF – там видно, как соединять все компоненты. Скорее всего, дешевле заказывать их у оптовых продавцов типа DigiKey или LCSC. На GitHub есть электронная табличка с моим заказом с LCSC для большинства компонентов.
Плату делать необязательно, но с ней сборка схемы становится проще и аккуратнее. Файлы Gerber для производства платы я также выложил на GitHub. После того, как я получил готовую плату, я сделал несколько исправлений в схеме, поэтому дополнительные джамперы в новой схеме не нужны – хотя я её не проверял.
Корпус распечатан на 3D-принтере из пластика PLA, их можно скачать здесь. Я подправил CAD-файлы, добавив отверстия для крепления новой платы. Всё должно работать, хотя я это не проверял.
Шаг 3: код и интерфейс пользователя
Для создания интерфейса дисплея я использовал библиотеку Adafruit GFX. Код выложен на GitHub.
Главная страница интерфейса показывает текущую дозу, количество срабатываний в минуту и общую накопленную дозу с момента включения устройства. Пользователь может переключаться между быстрым и медленным суммированием, меняя интервал подсчёта промежуточных сумм с 3 до 60 секунд. Пищалку и светодиод можно включать и выключать отдельно.
Есть меню базовых настроек, позволяющее пользователю менять единицы измерения дозы, порог предупреждения и фактор калибровки, соотносящий количество срабатываний в минуту и мощность дозы излучения. Все настройки сохраняются в EEPROM, и восстанавливаются после перезапуска.
Шаг 4: проверка и заключение
Счётчик Гейгера срабатывает 15-30 раз в минуту от естественного фонового излучения, чего и следует ожидать от трубки SBM-20. Небольшой образец урановой руды регистрируется как средне радиоактивный, в районе 400 щелчков в минуту, а ториевая лампа может заставить счётчик регистрировать по 5000 щелчков в минуту, если держать его вплотную к ней!
Счётчик потребляет 180 мА при 3,7 В, поэтому батарейки на 2000 мАч должно хватить примерно на 11 часов.
Я планирую точно откалибровать трубку на стандартном источнике из цезия-137, что сделает показания более точными. В качестве будущих улучшений можно добавить поддержку WiFi и запись данных, поскольку у ESP8266 есть встроенный WiFi.
Надеюсь, мой проект показался вам интересным!
Комментарии (59)
FGV
24.09.2019 15:34+2Питается устройство от аккумулятора формата 18650, через ещё один трансформатор, подающий стабильные 4,2 В на оставшуюся схему.
А на схеме написано: Boost converter. Правильнее обозвать это повышающим импульсным dc-dc преобразователем.
Mogwaika
24.09.2019 15:43+1Про стрёмную разводку высоковольтных линий даже автору не раз написали. Опасная штука, не стоит повторять…
c_kotik
24.09.2019 16:33+2но я хотел сделать нечто уникальное – и я разработал GUI-дисплей с сенсорным управлением и красивым выводом информации на экран.
Кому-то безопасность и надёжность, кому-то…
Neuromantix
24.09.2019 16:28+3Почему все так любят перегружать экран кучей ненужных надписей (это еще на таком большом экране ладно, а когда на чб экранчике от Нокии много-много строчек шрифтом в 7 пикс высотой...). Зачем вообще нужно поле. где выводятся надписи «Normal background» и прочие? Что мешает просто менять цвет фона в поле дозы. И на том же фоне отображать СРМ, причем выровняв обе надписи относительно друг друга. Туда же и кнопки звука, сброса и тп. Сколько не видел любительских дозиметров — у всех эта беда. Кроме тех, у которых просто семисегментный ЖК стоит, по которому сразу все видно и понятно.
Jamato
24.09.2019 17:52А почему не на сцинтилляторе? Сейчас же можно купить такие даже в виде донгла к мобильному.
quwy
24.09.2019 20:44Сейчас же можно купить такие даже в виде донгла к мобильному
Это в гнездо наушников, что ли?
Более дурацкий способ подключения даже представить невозможно.
Да и сомневаюсь, что там сцинциллятор. ОЧЕНЬ сомневаюсь!Fox_Alex
24.09.2019 21:37Сейчас есть «кремниевые ФЭУ», очень мелких размеров и сцинтилляторы для них соответственно. hamamatsu.su/products/mppc-si-pmt-kremnievye-fotoumnozhiteli
IRFC
24.09.2019 22:00Тогда уж pin фотодиод заклеенный изолентой. Сцинтяллятор не нужен.
stalinets
24.09.2019 22:28А есть нормальные бытовые радиометры на pin-диодах? Насколько я знаю, это только всякие Air Counter'ы и толком не работающие затычки в TRRS-порт смартфонов. Гейгер на пару порядков чувствительнее их. А сцинт на пару порядков чувствительнее гейгера!
sirocco
25.09.2019 08:00А можете посоветовать какой-нибудь?
stalinets
25.09.2019 11:55Среди отечественных самый доступный с хорошим отрывом — Atom Fast, его разаботчик KbRadar выше отметился в теме. Можно за сравнимые деньги взять что-то б/у из Америки и Европы, но не такое компактное (Exploranium GR-100, Radiation Pager — форм-фактор «пара сигаретных пачек»). Есть хорошие отечественные (из СНГ) сцинтилляторы от Polimaster, АТОМТЕХ, но там уже цены не сложить.
sirocco
25.09.2019 22:15Спасибо. Но я ожидал увидеть какой-нибудь модуль для DIY, а это либо готовые, либо для профи за огромные деньги. На Ali по поиску «сцинтиллятор» выдало только одну позицию: «Япония кремния фотодод сцинтиллятор детектор датчик излучения переключатель области 10X10», но нет ни схем, ни описания.
stalinets
25.09.2019 22:56В России есть любители, которые сами делают сцинтилляторы: ищут и режут кристаллы, покупают ФЭУ и паяют схему запитки и т.д.
Но всё это достаточно сложный и высокий уровень. Не то, что спаять купленный на Али набор «TDA2030 Hi-Fi amplifier DIY kit». Кристаллы хрупкие, гигроскопичные, много всяких нюансов.
Потом, с классическим ФЭУ компактности добиться, думаю, будет труднее, т.к. это по сути специальная радиолампа.
А твердотельные ФЭУ дорогие.
Но если есть желание, надо нагуглить темы на профильных форумах. Например, начать отсюда. Ну и когда разберётесь детальнее — с разработчиком Атом Фаста можете пообщаться.
sterr
24.09.2019 20:11Эта хрень при определенных дозах тупо заглючит и умрет. В таких областях лучше всего использовать простые радиационно устойчивые компоненты.
Neuromantix
24.09.2019 21:10В тех дозах, где нужны радиационно устойчивые компоненты, счетчик заткнется от перегруза. В быту с такими дозами (требующими радиационно устойчивых компонентов) вы точно не столкнетесь, а если столкнетесь даже — то компоненты уже не понадобятся.
John_Cena
25.09.2019 17:29Так то оно верно, но что имеется в виду под простыми компонентами? Аналоговую схему вместо микроконтроллера, что то сомневаюсь, что подобное реализуемо в домашних условиях.
По факту единственно, что может быть повреждено ИИ это чип ESP8266, но вроде как повреждается не сам чип, а флеш память в которой хранится программа.
В принципе я думаю возможно использование внешней микросхемы флеш памяти и надежность устройства будет зависить от данной микросхемы. Осталось найти вариант более устойчивый к ИИ и надежность устройства в целом возрастет.Jeka_M3
26.09.2019 22:33По факту единственно, что может быть повреждено ИИ это чип ESP8266, но вроде как повреждается не сам чип, а флеш память в которой хранится программа.
В принципе я думаю возможно использование внешней микросхемы флеш памяти и надежность устройства будет зависить от данной микросхемы.
Микроконтроллер ESP8266 не имеет собственной Flash-памяти. Поэтому там изначально используется внешняя SPI Flash-память (например Winbond W25Q80 и подобные).
stalinets
24.09.2019 21:33Счётчик потребляет 180 мА при 3,7 В, поэтому батарейки на 2000 мАч должно хватить примерно на 11 часов.
Как-то очень много. Например, заводская Терра-П на таком же счётчике может в ждущем режиме работать месяцами от пары ААA-батареек (заявлено от 6000 часов!). Другие более-менее приличные дозиметры на СБМ-20 тоже работают неделями. Даже мой неудачный в этом плане Radex 1503+ от пары щелочных AAA-батареек проработает дней 10.
И ещё у него не реализована металлическая бета-отсекающая крышечка, чтобы можно было мерять не только «гамму+бету», но и оценивать чисто бету (для этого делается замер гамма+бета, потом закрывается крышка и измеряется чисто гамма, разница и есть бета, которую можно пересчитать в распады на квадратный сантиметр).
И ещё, эти дешёвые повышающие DC-DC могут сильно шуметь, что может вызывать сбои в цифровых схемах и шумы в случае, например, аудио-применения.vt1980
25.09.2019 11:08Ну сравнили, терру, в которой дискретный экран без подсветки, и IPS матрицу с подсветкой. Например РадиаСкан-701 со включенной подсветкой работает всего 9 часов.
Автор молодец. Возможно это перерастёт в какой нибудь интересный проект.
500rur
24.09.2019 23:30«Принцип работы счётчика Гейгера прост. Тонкостенная трубка с газом при низком давлении внутри (трубка Гейгера-Мюллера) подвергается действию тока высокого напряжения. „
За такое и побить могут! :)
strongmonkey
25.09.2019 09:12Самодельный
счётчик Гейгерадозиметр на ESP8266 с сенсорным экраном
greensky
28.09.2019 02:23Это не дозиметр. Без компенсации хода с жесткостью эквивалентную дозу замерить невозможно.
smbsmn
25.09.2019 11:08В чём вообще смысл собирать самому дозиметр с «наворотами»? Только ради фана DIY?!
Их же в магазине купить можно, если реально необходимо. Мне такое поделие доверия не внушает.
ЗЫ
Когда мы в полевых условиях перезаряжали гамма-дефектоскопы (в 2007-м я работал инженером-дозиметристом) — вообще древний ДКС-04 использовали (времён СССР, наверное) — потому что он пищал ок.
Для фиксации накопленной дозы за период (кроме тлд-шек) — какой-то современный с примерно теми же функциями, что и в статье, но он тоже мог на куртку крепиться.
Для оперативного контроля изделие не очень подходит — судя по габаритам.stalinets
25.09.2019 12:05А многие магазинные тоже не должны внушать доверие. Бо?льшая часть бытовых дозиметров на СБМ-20 подвержены опасному и подлому эффекту зашкала.
www.youtube.com/watch?v=XbAV6qaor38Neuromantix
25.09.2019 14:03В каждой статье про дозиметры постят это видео, и в каждой статье приходится писать, что это проблема не счетчика, а пересчетной схемы (недостаточность быстродействия). В случае пересчетных схем без Мк и прочих тормозилок подобного эффекта нет.
namikiri
25.09.2019 16:23Так всё-таки Олег был неправ, говоря, что в счётчике возникает тлеющий разряд и что-то вроде КЗ?
Neuromantix
25.09.2019 16:31У меня загнать счетчик в подобный режи с университетской рентген-установкой не вышло, при этом готовый дозиметр фабричный загоняется легко. Самодельный счетчик на рассыпухе так же не загоняется. Ну и в дозиметрах обычно мощность источника питания счетчика настолько мала и сопротивление в его цепи велико, что тлеющий разряд в нем не загорится (в неонке вместо счетчика включенной не загорается)
greensky
27.09.2019 00:59Счетчик Гейгера «захлебывается» (и занижает показания) из-за присутствия у него такого свойства, как «мертвое время», которое зависит от типа трубки и величины балластного резистора в цепи питания (для схем на СБМ-20 «мертвое время» обычно около 200 мкс).
Если средний интервал между детектируемыми частицами становится существенно меньше этого параметра, то никакое быстродействие пересчетной схемы эту проблему не компенсирует. Это физическое ограничение счетчика Гейгера: он не может зафиксировать больше импульсов в секунду, чем 1/[мертвое время].
KbRadar
27.09.2019 15:36В пересчётной схеме это компенсируют используя простую формулу. Позволяет расширить диапазон раз в 5-10 по сравнению с «максимальным паспортным» для данного счётчика. Есть ещё режим time to count — позволяет ещё раз в 100 продвинуться в пекло но требует изменения схемы.
greensky
27.09.2019 23:26Корректирующая формула — это хорошо, но, как я понимаю, она только интерполирует количество импульсов в «мертвое время», при условии что в целом счетчик продолжает корректно фиксировать импульсы. Если же «мертвое время» одного импульса начинает сливаться со следующим, то она уже не поможет…
Насчет time-to-count — судя по названию, это режим, в котором отсчитывается не количество импульсов в единицу времени, а период до первого импульса?
А для определения «зашкала», кстати, напрашивается контроль тока, потребляемого трубкой. Это применяется? (думаю сделать что-то такое в своей реализации счетчика). Как более сложный вариант — можно вообще следить за формой (продолжительностью) импульсов, а не только считать их количество.Neuromantix
28.09.2019 08:03В какие реакторы вы лазаете, если у вас счетчики затыкаются? Ну и есть дубовые гейгеры до сотен р/ч, если уж надо лезть в реактор.
KbRadar
28.09.2019 08:04+1Мёртвое время бывает двух видов:
1) Если в течение мёртвого времени прилетает частица то она не регистрируется
2) Если в течение мёртвого времени прилетает частица то она не регистрируется, а мёртвое время продлевается.
В счётчике Геёгера мёртвое время по первому типу. Если его узнать достаточно точно то формула даёт точный результат. Проболема в том что мёртвое время у счётчика Гейгера это не параметр собственно счётчика а параметр схемы и зависит от ёмкости счётчика+монтажа, напряжения начала счёта, анодного напряжения и сопротивления, ёмкости и сопротивления нагрузки. Напряжение начала счёта зависит от степени износа самого счётчика. Я неоднократно видел приборы МКС01СА1М (предел 1 Р/ч) неспособные показать больше чем 0.5-0.8 Р/ч сколько на них не свети: изменилось мёртвое время и вся калибровка должна быть проведена заново.
Да, режим time to count — это когда счётчик используется практически без анодного сопротивления, а именно с минимальным оным. Включаем быстро (чем быстрее тем лучше, десятки наносекунд) ему анодное и как только видим ток по сопротивлению — выключаем, тоже чем быстрее тем лучше иначе счётчик будет повреждён. Длительность между включением и первым импульсом и даёт нам информацию о мощности дозы. Режим хорош тем что позволяет расширять диапазон вверх в сотни раз и сохраняет при этом ресурс счётчика: на каждое гашение в нём расходуется немножечко гасящей добавки, поэтому в паспортах рабочий ресурс газоразрядных счётчиков измеряется количеством импульсов.
Да, контроль тока — прекрасный инструмент проверки зашкалили мы или нет. В том же Atom tag такой способ используется. Коварен тем что при крайнем износе счётчика, когда его гашение нарушено, при естественном фоне можно наблюдать все признаки «зашкала» и отличить можно лишь заменив счётчик на заведомо исправный.
KbRadar
26.09.2019 20:48По моей статистике 99% бытовых дозиметров ни разу за свою жизнь не видят мощность дозы выше 1 мР/ч. Измеряет не прибор а дозиметрист с помощью прибора, и хороший дозиметрист плохим прибором скорее получит правильный результат чем плохой дозиметрист хорошим прибором.
stalinets
26.09.2019 21:40Вот кстати, мы как-то общались, и Вы говорили, что неплохо бы написать статью про «атомный» проект. Это одно.
А ещё — что, если написать в научно-популярном жанре статью о том, как правильно пользоваться дозиметрами?
От простого к сложному.
Как ведут себя те или иные по конструкции дозиметры в условиях альфы, беты, гаммы.
Как подручными средствами понять, что тут, скажем, орёт именно на бету, а не на гамму.
Опять коснуться эффекта зашкала.
Как понять, что вот тут можно поизмерять, а тут надо срочно валить.
Дать несколько вымышленных примеров, когда у тебя такой-то (или другой) дозиметр, он вдруг сработал так-то и так-то, тогда следует сделать то-то и то-то, чтобы получить целостную картину.
Написать про работу в смешанных полях.
И в конце логический алгоритм: вот запищал дозиметр, и пошло ветвление. Первая ветвь. Если показывает небольшое превышение, можно сделать так-то и так-то, чтобы понять, что тут фонит. И далее варианты.
Вторая ветвь. Фонит сильно. Два варианта: быстро валим и «валить нельзя, всё равно необходимо разобраться» и пошло дальше ветвление, что можно сделать, что можно увидеть, что это значит и чем грозит…
Потому что как-то нет простого и доступного материала, как, собственно, пользоваться дозиметром как инструментом, что он способен показать в умелых руках. Интересующиеся (вроде меня) выдёргивают информацию по чуть-чуть из видео всяких блогеров, из постов на форумах, из некоторых профильных и не очень книжек. Но это не то. А на курсы дозиметристов идти — ну как-то… не то.
Ситуация сейчас похожа на то, что люди накупили скрипок и просто бренчат на них, дёргая струны, тогда как мастер, взяв скрипку, сможет сыграть концерт Чайковского. Но мастера, чтобы научил, просто нет. Мастер сидит в подмосковье и сам делает скрипки)))KbRadar
28.09.2019 08:06+1Вот сейчас скрипичный заводик небольшой в строй запущу и напишу… Покой нам только снится. Ситуация осложняется тем что дозиметры — далеко не единственный мой проект и всё требует внимания.
А пока задавайте вопросы, постараюсь ответить.
victorbolshakov
25.09.2019 11:08FYI: JST IS NOT A CONNECTOR hackaday.com/2017/12/27/jst-is-not-a-connector
Bench2501
25.09.2019 11:08Одна из бед всех любительских дозиметров это "дубовые" СБМы которые альфа излучение не увидят вообще, а при попадании алифа активных частиц внутрь организма или на слизистые это серьезная угроза. Другая беда это автономность, мало кто производит измерения каждый день, а в случае заражения местности или проноса в дом активного объекта выключенный прибор с красивым сенсорным экраном не отреагирует. И третье, у самогасящихся счётчиков есть срок службы и когда он выйдет из строя никто не знает.
Кто ещё строит аналогичное, могу посоветовать В.А. Хитун " Счётчики ядерного излучения и счётные устройства"stalinets
28.09.2019 11:14+1Если фонит по альфе, то обычно есть хоть немного гаммы. Поэтому нося с собой очень чувствительный к гамме дозиметр (сцинтиллятор), я в целом обеспечиваю себе безопасность и от альфы, так как увижу, что тут что-то не то.
Наверное, может быть ситуация, что действительно на местности лежит альфа-активная пыль, её недостаточно много, чтобы поднять тревогу, но достаточно много, чтобы навредить. Читал что-то про какие-то населённые пункты с высокой смертностью от рака, и там как раз по альфе всё было не очень хорошо. А по гамме в пределах нормы.
Но за разумные деньги я не встречал универсального дозиметра, чтобы содержал и кристалл, и слюдный датчик, и пару гейгеров (СБМ-20 и какой-нибудь дубовый для сверхвысоких уровней). Рынок маленький, датчики дорогие, сборка ручная, -> радуемся высоким ценам даже на простые модели.
yurikss
26.09.2019 22:01С первого взгляда красив, но эргономика отсутствует, да и практичность тоже.
Есть куда двигаться: сделать более квадратно-компактным, чтоб в карман помещался, автономности добавить.
greensky
27.09.2019 00:21Интересное инженерное решение, но если я правильно понял, компенсация хода с жесткостью (нелинейность чувствительности трубки Гейгера к частицам разных энергий) у данного прибора отсутствует?
В таком случае нужно помнить, что называть его дозиметром нельзя (впрочем, автор поста и не называет), т.к. замерить более-менее реальную эквивалентную дозу он не может. Это скорее поисковый радиометр.
Простейший вариант такой компенсации — обмотать трубку 0.5 мм свинцовой фольги (так сделано в счетчике «Белла», например).
Кстати, существует в 4 раза более чувствительная трубка отечественного производства: СБМ-19 (хотя и существенно большая по габаритам — длина около 20 см). Она еще больше подходит для радиометра-поисковика, т.к. соответственно быстрее позволяет получить статистически достоверный результат.KbRadar
28.09.2019 08:15Откуда цифирь в 0.5 мм свинца вокруг СБМ20? Давно когда-то читал статью с выкладками и результатами измерений, там пришли к тому что 240 мкм даёт наилучшую точность. Кажется статья была в отсканированной но не распознанной книге дремучих времён. Сейчас найти навскидку не получилось. Память хранит только то что может пригодиться на практике, ту самую толщину…
Mogwaika
СБМ-20 можно было и по-русски написать…
reticular
возможно переводчик не знает что это древний СОВЕТСКИЙ! даже еще, датчик ИИ
IRFC
Советские компоненты даже за рубежом используют...
KbRadar
Это тот самый редчайший случай.
stalinets
Ну вроде это не old new stock (старые запасы), их же делают и сейчас. Многие бытовые дозиметры их используют в конструкции.