Tentokrát se vypravíme na lov záření s mobilním telefonem.
Mobilní telefon jako intenzimetr / dozimetr?
Ionizační komory pracují s plynem. Energetická částice v něm vytváří ionty, které pak v elektrickém poli dolétnou na příslušnou opačně nabitou elektrodu, procházející proud měříme. V pevných fotocitlivých snímačích používaných k výrobě fotoaparátů, kamer, a v současné době asi nejčastěji mobilních telefonů, je energie potřebná k ionizaci menší. Snímač je v podstatě maticí světlocitlivých citlivých buněk, výstupní signál z buňky se mění podle toho, kolik světelných fotonů do dané buňky dopadne. Jenže ono to nemusí fungovat jen se světelnými fotony. α částice sice přímo na aktivní vrstvu polovodiče přes ochranné sklo nebo průhledný plast neprojdou, ale záření β a zejména γ projde a funguje podobně.
Pixel snímače, který dostane „zásah“ částicí záření, se jeví oproti ostatním jako osvětlený, i když bude potřeba výrazně zvýšit kontrast obrazu, aby to bylo vidět. Když budeme předpokládat, že signál z dané buňky má rozsah od 0 do 1023 (10 bitů AD převodu), potom zasažená buňka vykáže hodnotu na úrovni jednotek, ne o mnoho víc, než dělá teplotní šum. Stačí udělat snímek, zkontrastnit jej, spočítat na něm osvětlené pixely, oddělit je od šumu a trvale vadných pixelů, a máme počet částic záření za dobu expozice snímku na dané ploše snímače. Přirozené radiační pozadí je ale obvykle tak slabé, že musíme udělat a prohledat mnoho snímků, než nějakou prokazatelnou gama částici najdeme. Můžeme si pomoci třeba tím, že zkoušený vzorek v dokonale zatemněném prostředí položíme přímo na citlivý čip z rozebrané USB kamery, podobné pokusy jsou popsané například na internetových stránkách www.elektronik-labor.de/Projekte/GammaCam.html .
Před začátkem dalších pokusů je nezbytné si uvědomit, že záření, ať už β nebo zejména γ, elektronice rozhodně neprospívá, může ji zničit. Diskrétní tranzistory i další součástky jsou relativně velké a vůči účinkům záření celkem odolné. Čím novější a miniaturnější integrované obvody jsou, čím jsou vyrobeny pokročilejší technologií, tím jsou také citlivější na poškození zářením. Budeme-li používat naše slabé a neškodné zářiče, budou výsledky většinou pod úrovní citlivosti snímače. Dostaneme-li se k intenzitám záření, které se snadno detekují a zobrazí, budeme už v oblasti nikoli bezpečné přinejmenším pro moderní elektroniku.
Mezi aplikacemi pro mobilní telefony najdeme celou řadu takových, které se nazývají „detektor záření“, „detektor radioaktivity“, „dozimetr“ nebo „geiger“. Drtivá většina těchto programů jsou jen hříčky, které napodobují typické projevy intenzimetrů nebo dozimetrů, zobrazují klasická ručková měřidla, často v retro stylu, a zejména simulují „tikání“. Aby byl dojem věrohodnější, je náhodné nepravidelné tikání svázáno se zobrazenou hodnotou „záření“ a současně také nějak nenápadně ovládáno, třeba nakloněním telefonu nebo prostřednictvím magnetometru. S funkcí skutečného měření intenzity záření toto nemá naprosto nic společného a bohužel jen některé z uvedených programů to přiznají nebo třeba jen naznačí.
Dva falešné intenzimetry
Výhodou mobilu je především to, že jej vlastní skoro každý. Výborný program, který skutečně dokáže přeměnit mobil v intenzimetr, vytvořil Rolf-Dieter Klein z německého Mnichova (www.hotray-info.de/html/radioactivity.html), který se měření radioaktivity věnuje dlouhodobě a má možnost funkci zařízení ověřit v profesionální vědecké laboratoři Helmholzova centra. Placený program „Radioactivity Counter“ ve verzi 1.8 pro systém Android 2.2 nebo novější toho umí docela hodně, dostupná je i verze pro iPhone. Fotoaparát mobilu se musí předem dokonale zatemnit třeba vícenásobným přelepením černou lepicí páskou (vhodná je elektrikářská izolační páska).
Radioactivity Counter nejprve změří spektrum šumu, zjistí a vyloučí vadné pixely. Během několika minut zaznamená radiační pozadí v prostředí bez zářiče. Kvalitu zatemnění je dobré ověřit tím, že fotoaparát zblízka vystavíme světlu, spektrum se nesmí měnit. Program při měření ukazuje počet registrovaných pulzů a v minutových intervalech je zaznamenává. Zobrazí buď sloupcový graf počtu částic (odpovídá intenzitě záření) nebo spektrum pulzů, které v části nad šumem odpovídá energii částic a tím může naznačit i jejich původ. Záznam může být doplněn informacemi o teplotě (má vliv na šum) a GPS poloze, dá se graficky zobrazit přes celou obrazovku telefonu.
7 minut pozadí, 7 minut u zářiče, 7 minut pozadí
Rolf-Dieter Klein na svých internetových stránkách zveřejnil a stále doplňuje výsledky profesionálního měření různých typů telefonů. Konstanty se dají zadat do programu a tím „zkalibrovat“ zařízení, takže už lze dělat i převod z počtu pulzů na intenzitu v μGy/hod nebo mGy/hod. Má-li telefon přední i zadní kameru, má smysl vyzkoušet funkci obou, mohou mít velmi rozdílné vlastnosti. Výsledky se dají mailem poslat nebo uložit do souboru. Součástí programu je také převodní kalkulačka jednotek a veličin souvisejících s měřením záření.
Převodní křivky pro přepočet registrovaných pulzů na μGy/hod
V čem jsou úskalí použití programu Radioactivity Counter? V první řadě ve velkých rozdílech v citlivosti fotoaparátů jednotlivých telefonů. Některé vykazují výborné výsledky (např. zadní kamera HTC Desire S), jiné jsou téměř nepoužitelné. Není-li daný telefon v seznamu, je nutné se spojit s autorem programu nebo program koupit „naslepo“ a vyzkoušet.
Druhé úskalí je většinou malá citlivost při kontrole pozadí, ale už třeba blízko hald hlušiny u Příbrami čidlo reaguje jednoznačně. Může něco ukázat při delším letu letadlem ve velké výšce, k pokusům se však příliš nehodí. Totéž je do jisté míry i výhodou. Kamera v telefonu je méně citlivá než GM trubice, ale může být citlivější a lépe po ruce, než ionizační komora.
Třetí úskalí je v tom, že při déle trvajících vyšších úrovních záření může dojít k poškození elektroniky mobilu. Pokud by bylo potřeba detekovat záření v „ostré“ situaci, přeměna telefonu na intenzimetr je velmi rychlá a dostupná i těm, kdo nemají technické schopnosti a vybavení. S vhodným telefonem stačí stáhnout cenově dostupný program, přelepit fotoaparát a nastavit podle seznamu několik konstant.
Je více konstrukcí detektorů záření, které využívají mobilní telefon pro zobrazení a záznam měření, ale vlastní čidlo záření je samostatné a připojuje se buď bezdrátově (bluetooth) nebo například přes USB konektor. Podívejme se dále na jeden hotový prodávaný výrobek z této oblasti.
FSG-001 – miniaturní detektor γ a RTG záření
Zejména po havárii ve Fukušimě vzrostl nejen v Japonsku, ale v celé okolní oblasti zájem o malé snadno použitelné měřiče radioaktivity, které by byly kdykoli rychle při ruce a daly se používat v běžném denním životě. Typickou situací může být třeba nákup ryb na trhu. Tomu, odkud pocházejí, můžete, ale také nemusíte věřit. Stačí na několik okamžiků přiložit senzor a je přinejmenším jasné, jestli tenhle úlovek má výrazněji zvýšenou aktivitu, nebo ne. Přesnější měření trvá 3, případně 10 minut.
FSG-001 (http://allsmartlab.com/eng/Smart_Geiger.php) má podobu malého černého válečku (průměr 10 mm, délka 31 mm, hmotnost 6 g), z něhož vystupuje čtyřpólový 3,5 mm konektor. Připojuje se k mobilu do konektoru pro sluchátka a mikrofon. Polovodičový senzor je umístěn za plochým čelem. Příprava měření spočívá jen v zasunutí FSG-001 do mobilu v němž je předem nainstalovaný program Smart Geiger dostupný zdarma na Google Play pro telefony s OS Android nebo program FTLAB na Apple App Store pro iPhone. Modul má velmi malou spotřebu energie a nevyžaduje vnější napájení.
Program funguje především jako měřič intenzity záření v μSv/h, číselný údaj je vyjádřen i graficky a kruh se názorně přebarvuje od zelené po červenou podle míry nebezpečí. Měření probíhá kontinuálně, případně jednorázově 3, 5, 10 nebo 30 minut. Zobrazuje se doba měření, počet registrovaných pulzů a počet pulzů za minutu. Je možné uložit kopii displeje do souboru (odeslat, sdílet, …) nebo záznam do historie v paměti. Funkce je jednoduchá, zobrazení přehledné, žádný velký komfort ani zbytečnosti.
Chcete-li si opatřit měřič, který funguje nejen jako detektor výskytu záření, ale dá se jím skutečně měřit intenzita, je FSG-001 pravděpodobně nejlevnějším moderním dostupným zařízením, při nákupu přes ebay přijde přibližně na 800 Kč. Zjistí typicky γ záření, případně záření v RTG spektru a částečně i β částice. Udávaný rozsah měření je 0,1 až 200 μSv/h, v rozsahu 20 až 120 μSv/h je linearita lepší než 97% při rozsahu pracovní teploty 10 až 40°C. Přípustná chyba je ±30 % a vyplývá především z rozdílů mezi různými typy telefonů.
V čem je problém? FSG-001 není kompatibilní se všemi telefony, program v nich sice může fungovat, ale neregistruje signál ze senzoru. Je kompatibilní se všemi iPhony 4, 4S, 5, 5S, 6, iPady 3, 4, 5, Samsungem Galaxy S2, S3, S4, S5, Round, Note 2, 3, 4, LG G, G2, G3, G PRO, G Flex, Optimus LTE 2, 3, TAG, Vega Racer2, Racer3 a No.6 i dalšími. Na stránkách výrobce je přehled vyzkoušených typů. Nejsou podporovány například mobily Vega Iron2, Nexus 7 1 Gen, LG nebo Sony Xperia Z2.
Podívejme se blíže na to, jak FSG-001 pracuje, a proč mohou být problémy s kompatibilitou. Z toho pak vyplynou dvě důležité věci: možnost propojit FSG-001 i s jinými zařízeními než telefony a naopak, využití telefonu s programem Smart Geiger případně s jiným (vlastním) senzorem.
Čtyřpólový 3,5 mm konektor Jack používaný v mobilech je na předchozím nákresu. Vyjdeme ze zapojení standardního (nf stereo) třípólového konektoru, které se obecně dodržuje. Pokud je použit pro headset v monofonním provedení, tedy zaměřený jen na telefonování (stereofonní hovory zatím nemáme), je „živý“ vývod mikrofonu na hlavě konektoru, FSG-001 nefunguje (má zkratovaný výstup pulzů) a je případně možné udělat konektorovou redukci. Je-li konektor čtyřpólový, takový, jaký používá Nokie, je segment země rozdělený na část mikrofonu a země a to tak, že je (logicky) zem na konektoru jako poslední, spojená s držákem kabelu a se stínícím vodičem kabelu. FSG-001 ale používá zapojení kompatibilní s telefony Apple iPhone, které mají prohozené zapojení segmentů mikrofonu a země. Mimo jiné to znamená, že když použijeme univerzální celokovový konektor a zapojíme jej podle zvyklostí, bude na krytu konektoru nikoli zem (stínění), ale „živý“ vodič mikrofonu. Budiž, vodiče se dají prohodit, ale musíme to vědět!
Jde-li jen o mikrofon, bude mobil se zapojením podle iPhonu pracovat jak s headsetem Nokia tak Apple, se sluchátky to bude horší, ale ty nutně nepotřebujeme. Na fázi signálu z mikrofonu až tak nezáleží. Jenže v FSG-001 je fotodioda a také elektronický zesilovač, který se napájí napětím přiváděným na mikrofon, a toto napájení má opačnou polaritu (uvnitř je jako ochrana paralelní dioda). Takže s mobily kompatibilními s headsetem Apple by měl modul FSG-001 pracovat, s ostatními ne. Je možné udělat si konektorovou redukci, ale ani pak není vyhráno. Záleží pochopitelně i na velikosti signálu z mikrofonu, FSG-001 posílá pulzy s amplitudou asi 10 mV a některým telefonům to nemusí stačit.
FSG-001 jde snadno připojit k jinému zařízení podle předchozího obrázku. V telefonu se napájí napětím kolem 2 V, zde použijeme stabilizované napětí 2,5 V z IO TL431, je ale vhodné z něj alespoň částečně odstranit šum. Pulzy mají typicky velikost 10 až 15 mV a délku 100 až 200 μs, dají se dobře zesílit nebo tak jak jsou detekovat komparátorem nastaveným na 8 mV s hysterezí kolem 3 mV a třeba zpracovat mikrokontrolérem. Výstupní signál ukazuje další obrázek.
Doba, kterou senzor potřebuje na zotavení po pulzu než dobře přijme další, je kratší než 500 μs. Porovnáním s programem v mobilu můžeme nastavit i převod četnosti pulzů za minutu (CPM) na intenzitu záření v μSv/h bez použití normálového zářiče nebo jiného (pokud možno přesnějšího) intenzimetru, což je výhodné.
Při opačné snaze využít stejný program v mobilu s jiným (vlastním) senzorem narazíme nejprve na problém s detekcí připojení modulu FSG-001. Zdálo by se, že stačí zasunout konektor do zdířky, a mobil by měl detekovat sluchátka a sdělit to programu. Bohužel to tak není. Některé mobily nekontrolují jen konektor, ale také odpor (impedanci) sluchátek, která je typicky 32 Ω, a dokonce přítomnost mikrofonu respektive přibližný odpor, který mají jeho vývody v headsetu mezi sebou mít (tento vývod se používá někdy i k ovládání hlasitosti nebo funkcí MP3 přehrávače). Je možné, že důvodem je také to, aby mobil dokázal poznat headset s přerušeným vodičem. FSG-001 kvůli tomu má rezistory 33 Ω mezi zemí a výstupy na obě sluchátka a tak simuluje jejich přítomnost. Když mobil signalizuje přítomnost headsetu po zasunutí nepřipojeného konektoru, nemusíme se tím zabývat, jinak nezbývá než simulovat sluchátka také.
Běžným ohmmetrem v multimetru změříme odpor mezi přívody k mikrofonu u originálního headsetu k danému mobilu, podobný odpor pak zařadíme do obvodu. Mobil by už měl zasunutí konektoru bez problémů detekovat jako headset. Zbývá z logického signálu vytvořit pulzy přiměřené amplitudy (o řád větší většinou nevadí) a vyslat je do vstupu mobilu, vyzkoušený obvod je na následujícím obrázku. Vstupní logické pulzy mohou mít úrovně 3 – 5 V a šířku 100 – 500 μs, není to nijak kritické.
Tímto způsobem je možné snadno vyzkoušet, na jakou převodní konstantu je program nastaven, jaká odpovídá senzoru podle výrobce. Frekvence 1 Hz (60 CPM) se zobrazila na vzorku jako 9,42 μSv/h, frekvence 10 Hz (600 CPM) jako 94,18 μSv/h (jsme přibližně v polovině udávaného rozsahu) a 50 Hz (3000 CPM) jako 470 μSv/h (deklarovaný rozsah 2,5x překročen). Jakmile ale použijeme k programu jiný senzor, bude vyžadovat pochopitelně jinou konstantu.
Pro srovnání: FSG-001 ponořený do sáčku s korálky z uranového skla ukázal intenzitu 1,0 až 1,1 μSv/h (světle žluté pole), při těsném obalení punčoškou do lampy intenzitu kolem 3,0 μSv/h (na mezi oranžového pole), to vše při pozadí <0,1 μSv/h (nejnižší zobrazená hodnota a méně než 1 pulz za 10 minut).
Příště budeme detekovat záření fotodiodou.