Tentokrát si postavíme intenzimetr s GM trubicí jako doplněk k Arduinu nebo Picaxe.
Zapojení přípravku s GM pro Arduino
V další části si sestrojíme vlastní měřič s dostupnou GM trubicí SBM-20 a pro lepší vyhodnocení výsledků při měření velmi slabých zdrojů záření navážeme jeho výstup na mikrokontrolér.
| Technické údaje GM trubic SBM-20 (СБМ-20) | |
| Náplň plynu | Ne + Br2 + Ar |
| Materiál katody | nerezová ocel 0,05 mm |
| Efektivní rozměry | délka 91 mm, průměr 10 mm |
| Pracovní napětí | 400 V (350 – 475 V) |
| Sklon charakteristiky | < 0,1% / 1 V |
| Doporučený anodový odpor | 5,1 MΩ |
| Kapacita | 4,2 pF |
| Provozní teplota | -50 až +70ºC |
| Čas na zotavení | < 190 μs |
| Citlivost γ (Ra226) | 29 pulzů/s při 1 mR/hod |
| Citlivost γ (Co60) | 22 pulzů/s při 1 mR/hod |
| Rozsah měření | 0,014 až 144 mR/hod |
| Životnost | 2 * 1010 pulzů |
(zdroj: www.gstube.com/data/2398/)
SBM-20 má axiální vývody, vodivý plášť je katodou. Na vývody o průměru 6,5 mm se v žádném případě nesmí vodiče pájet, dají se ale snadno použít pružné kontakty do plošného spoje určené pro trubičkové pojistky 6,3 mm. Trubice je citlivá na γ, omezeně na β záření, α neregistruje.
Zapojení starých armádních intenzimetrů vychází především z požadavku na odolnost zařízení proti účinku elektromagnetického pulzu (EMP) při blízkém jaderném výbuchu a současně na standardizované napájení bateriemi (jeden nebo dva zinkouhlíkové nebo alkalické články velikosti D – „velké monočlánky“), výstup je buď jen na sluchátko nebo na sluchátko a současně na ručkový měřicí přístroj s několika rozsahy intenzity záření a kontrolou stavu baterie. Původně se používal vibrační měnič napětí (např. intenzimetr IBG-58), později oscilátor s tranzistorem a feritový transformátor s několika vinutími, ke stabilizaci napájecího napětí pro GM sloužila doutnavka.
Většina zapojení, která lze najít na internetu, zachovává základní princip měniče s feritovým transformátorem, což často zájemce o stavbu odrazuje. Obvykle se také napájení zvýšilo na 12 V. Hlavními požadavky, které jsem na zapojení měl, bylo snadné napájení v obvodech s mikrokontroléry, tedy napětím 5 V a nižším, žádné na míru vinuté tlumivky nebo transformátory, přizpůsobitelnost i jiným GM trubicím změnou napětí nejméně od 200 do 460 V a konstrukce, kterou lze oživovat a zkoušet postupně blok po bloku.
Schema měřiče jako doplňku pro mikrokontrolér
Prvním blokem je generátor kmitů s konstantní frekvencí asi 1,5 kHz a se střídou přibližně 1:1 postavený s obvodem 555 (CMOS verze). Trimrem můžeme později upravit frekvenci v rozsahu 1,1 – 5,2 kHz tak, aby výstup měl co nejširší rozsah stabilizace napětí, jako výchozí nastavíme nejvyšší odpor (nejnižší frekvenci). Nabízí se sice zavést do generátoru zpětnou vazbu a měnit střídu nebo frekvenci po dosažení požadovaného výstupního napětí, ale toto řešení má jen nepatrně lepší účinnost a drobné rušení od měniče se z výstupu odstraňovalo obtížněji, proto je frekvence konstantní.
Druhý blok je zvyšující měnič s běžně prodávanou miniaturní tlumivkou 33 mH (MATSUTA 09P-333J). Na výstupu jsou při provozu bez navazujícího násobiče pulzy napětí téměř 300 V, takže tranzistor je zvolený podle toho, 2N6517 vydrží až 350 V. Průběh napětí při provozu ukazuje následující obrázek.
Průběh pulzů na měniči napětí
Na měnič navazuje násobič napětí s foliovými kondenzátory 22 n / 400 V. Kondenzátor 1 μF na jeho výstupu může být na napětí 450 V jen pokud rovnou osadíme paralelní stabilizátor napětí se Zenerovými diodami BZX83V075 (75 V x5). Bez zatížení (stabilizace) se na tomto kondenzátoru může objevit napětí téměř 600 V a je nezbytné osadit větší foliový kondenzátor na 630 V. Při měření napětí na výstupu se musí vzít v úvahu, že nový elektrolytický kondenzátor má větší svod a musí se zformovat, použitému kusu to trvalo něco kolem čtvrt hodiny, než se napětí ustálilo.
Popisované zapojení na univerzální DPS
Napětí pro GM trubici je stabilizováno na úrovni 375 V, ne na 400 V, jak většina návodů a také údaje od výrobce doporučují. Zkoušel jsem změny citlivosti trubice při změnách napájecího napětí s konstantním zářičem a v rozsahu 360 až 440 V se nijak významně nemění, malý pokles je znát až kolem 300 V. Funkce trubice ostře nasazuje kolem 270 V. Stabilizace doutnavkou byla podstatně méně přesná než stabilizace ZD. Měnič je dost měkký zdroj, při měření napětí musíme používat voltmetr se vstupním odporem 10 MΩ a i ten významně zdroj zatěžuje, ovlivnění přestává být podstatné až při odporu kolem 100 MΩ. Improvizovaně takový voltmetr získáme, když voltmetru (10 MΩ) předřadíme sérii devíti rezistorů 10 MΩ (nejvyšší hodnota, která se v obchodech běžně prodává) a naměřené napětí dělíme 10.
Citlivost SBM-20 při různém napětí
Anodový odpor GM trubice je sestaven z pěti rezistorů 1 MΩ kvůli rozdělení napětí mezi součástky. Na katodovém odporu 100 k se snímají výstupní pulzy, které jsou po úpravě tranzistorem záporné a mají délku kolem 250 μs. Tyto pulzy se zpracují vstupem mikrokontroléru. Jestliže je cílem jen detekovat intenzitu záření bez dalšího zpracování, zařadíme ještě další obvod 555, který výstupní pulzy prodlouží podle nastavení trimru (2,5 ms – 25 ms), blikání LED je pak při nízkých úrovních záření mnohem nápadnější a piezoměnič KPE222A generující tón kolem 3,2 kHz je také výraznější než obvyklé „praskání“.
Doplněk pro zviditelnění a lepší slyšitelnost pulzů
Pro trubici SBM-20 udrží měnič konstantní napájení 375 V v rozsahu vstupního napětí 3,8 až 5,5 V, odběr proudu je u ustáleném stavu kolem 12 mA při 5 V, takže celý měnič lze dokonce napájet i z výstupu mikrokontroléru. Samostatně se může zařízení napájet ze 4 článků NiMH, 3 článků NiZn, nebo s předřazeným stabilizátorem 5 V z jakéhokoli zdroje do 24 V.
Při stavbě první verze elektroniky na univerzální DPS se ukázalo, že je potřeba dávat pozor na svody na desce a po pájení ji důkladně vyčistit. Například zbytky pájecí pasty Proskit vytvořily takový svod, že napětí na výstupu násobiče zůstalo na 120 V. Klasická kalafuna je pro tyto účely mnohem lepší, ale i tu je vhodné vyčistit.
Bude-li GM trubice umístěna dále od elektroniky, má smysl věnovat pozornost vlastnostem kabelu, ne každý je vhodný pro napětí až 400 V. Setkal jsem se s tím, že starší koaxiální kabel dlouhý asi 1 m probíjel sršením, což se na výstupu přístroje projevilo pulzy přinejmenším jako při jaderné havárii. Význam má i kapacita kabelu, vlastní kapacita trubice je jen 4 pF a kabel se podílí na době nutné na zotavení po výboji vyvolaném částicí, tedy i na linearitě při vyšších intenzitách záření a maximální měřitelné úrovni. Je žádoucí, aby kabel měl kapacitu co nejmenší.
Kovové pouzdro na GM trubici
GM trubice může být umístěna přímo na DPS nebo uvnitř přístroje, pak bude měřit úroveň záření v prostoru, ale těžko půjde zaměřit (osahat) malý zdroj, navíc tím ztratíme značnou část citlivosti při použití našich slabých zářičů, kde záleží na co nejmenší vzdálenosti od trubice. K rozlišení β a γ záření je možné použít duralové pouzdro s clonou jako je na předchozím obrázku. Pro záření β a γ prochází částice pod štěrbinami jen tenkou hliníkovou fólií, pro měření γ asi 5 mm silnou stěnou z hliníku. Při vkládání do pouzdra se musí GM trubice správně orientovat, plášť je spojený s tělem pouzdra a připojený k zemi, „živý“ vývod je izolovaný. Pro naše pokusy vyhovuje spíše trubice bez krytu jen s izolovanými vývody.
Oživený intenzimetr registroval pozadí přibližně 20 pulzů za minutu, spolehlivě reagoval na jediný korálek z uranového skla přiložený k trubici nebo třeba na punčošku ze vzdálenosti víc než 10 cm. Slabší zdroje záření, jako třeba popel z uhlí nebo prací prášky, už většinou nepůjdou dobře rozeznávat sluchem, ale na grafickém záznamu jsou průkazné. Budeme pokračovat připojením citlivého GM detektoru k Arduinu a „průzkumem“ záření věcí z domácnosti.
Připojení k Arduinu
Naším cílem nebude hned kompletní konstrukce komfortního měřicího přístroje s displejem, přepočítáváním míry záření, dlouhodobým sledováním expozice a grafickým zobrazením nebo hlídáním nastavené meze intenzity a vyhlašováním poplachu. To všechno jsou efektní, relativně pracné a současně technicky nenáročné nadstavby. Soustředíme se na základní grafickou indikaci podobně jako to bylo u připojení ionizační komory. Vyšší citlivost a mnohem lepší oddělení od rušivých vlivů nám dovolí dělat s GM pokusy s podstatně slabšími zářiči.
Nejprve připojíme výstup pulzů z elektroniky přípravku k Arduinu Uno. K napájení poslouží výstupy +5V a GND, signál vedeme na pin D2. Jednotlivé pulzy se načítají do proměnné přes přerušení, do grafu se vynáší počet pulzů za jednu minutu, to pro první pokusy stačí. I s jednou GM trubicí můžeme pracovat velmi přesně, musíme ale obětovat čas a měřit v až desetiminutových cyklech, jedno opakované měření může trvat několik hodin. Jinou cestou je postupovat stejně jak jsme to viděli u vyráběných měřičů, použít více GM trubic paralelně a zvýšit počet zachycených částic. Jak se trubice spojují ukazuje další obrázek.
Paralelní spojení více GM trubic
// Mereni zareni beta/gama pomoci GM trubice
int pocet; // promenna pro nacitani castic
unsigned long time; // sledovani casu
void setup() {
pinMode(2, INPUT); // pin 2 vstup GM
attachInterrupt(0, nacti, RISING); // nastaveni interruptu
Serial.begin(9600); // nastaveni seriove komunikace
Serial.println(" "); // odradkovani pri resetu
}
void nacti() {
pocet = pocet++; // obsluha int0
}
void loop() {
pocet = 0; // nove mereni
time = millis() + 60000; // cas konce
while (time > millis()) {} // cekani 1 min
if (pocet < 10) Serial.print(" "); // formatovat podle poctu cislic
if (pocet < 100) Serial.print(" ");
if (pocet < 1000) Serial.print(" ");
Serial.print(pocet); // vypsat pocet rozpadu/min
Serial.print(" ");
for (int i = 0; i < pocet; i++) { // graficky vystup
Serial.print("#");
}
Serial.println(" "); // ukonceni radku
}
Na následujícím obrázku je výsledek měření starší mohutné optické čočky z projektoru. Optické sklo má třeba proti uranovému sklu velmi malou aktivitu a pomocí ionizační komory nebylo možné ji zjistit. Při poslechu zvukového výstupu bez záznamu už bylo zřejmé, že tam určitá aktivita je, ale nešlo odhadnout, jak je velká. Na záznamu, který nemá potlačenou nulu a každá hvězdička skutečně odpovídá jednomu registrovanému pulzu, je nejprve 20 minut měření pozadí. Je vidět, že minutový interval je příliš krátký na to, aby byly výsledky vyrovnané, nejmenší počet zaznamenaných pulzů byl 13, nejvyšší 36. Červená čára znázorňuje průměr, v daném případě 23 pulzů/min.
Měření optické čočky
Měření optické čočky
Následující záznam 16 minut s GM trubicí položenou na čočce poskytl průměrně 46 pulzů/min, přesně dvojnásobek. Můžeme vyvodit, že optické sklo čočky přispělo k výsledku 23 pulzy/min, i když tento výsledek je jen přibližný a ze statistického hlediska dokonce ne zcela jistý. Můžeme se pokusit měřit ještě slabší zdroje záření, třeba prací prášky, popel, tropické ovoce, kovové slitiny magnetů nebo cokoli jiného, analogicky se můžeme pokusit detekovat přítomnost dosud používaných zářičů už ne na malou vzdálenost (na dotyk), ale třeba na 10, 30 nebo 100 cm. Podobný výsledek jako zmíněná čočka poskytlo i měření starého otáčkoměru ze vzdálenosti 0,5 m nebo kontrola starých odpadů z hrudkoven u Mníšku pod Brdy.
Při nastavení jednoho cyklu měření 5 minut a snímání 10 cyklů bez zářiče (pozadí) a následně 10 cyklů s ním se tímto způsobem (pravděpodobně) podařilo detekovat i aktivitu banánů, což je asi na samé mezi možností. Bohužel se mi nepodařilo zjistit, odkud konkrétní banány pocházely, na tom aktivita dost silně závisí. Jedno provedené měření v délce 100 minut samo o sobě není průkazné, nárůst počtu pulzů je jen asi 20% proti pozadí. To by se stále ještě dalo „svést na statistiku“, ale když podobně vyjdou čtyři měření po sobě (dvě nejdřív pozadí pak zářič, dvě s prohozeným pořadím), tak už je dostatečně zřejmě, že „tam něco je“ a můžeme i odhadnout jak je záření intenzivní. Průměrný příspěvek banánů dělal asi tak 4 detekované částice za minutu, což by odpovídalo 8 nSv/h. Citlivějšího a přesnějšího měření v přijatelném časovém intervalu těžko dosáhneme.
Výsledek měření banánu
A příště si už budeme jen hrát …