Tentokrát připojíme postavenou ionizační komoru k Arduinu i PICAXE a pomocí záznamu se pokusíme měření zpřesnit a získat názorné grafické výsledky
Připojujeme ionizační komoru k Arduinu
Podobně jako jsme použili voltmetr k měření proudu můžeme postupovat i s AD převodníkem, výstup ionizační komory připojit k mikrokontroléru, zaznamenávat hodnoty, částečně je digitálně „vyčistit“ a graficky zobrazit, měření je pak mnohem pohodlnější a výsledky názornější.
Klíčovou vlastností je vstupní odpor AD převodníku. Když je příliš malý, nedá se použít bez dalšího předchozího zesílení proudu. Když je příliš velký, musí se přidávat paralelní odpor, což pro hodnoty do desítek MΩ ještě jde, ale pro citlivější měření jsou třeba až desítky GΩ, a ty už je problém sehnat v miniaturním provedení. Začínají být podstatné třeba svody nečistot na povrchu plošného spoje. Skládání z mnoha rezistorů nepřipadá v úvahu, čím větší smyčka vznikne, tím víc rušení se v ní indukuje.
Stojíme před úkolem Arduinem detekovat a zobrazit proud řádu jednotek pA (piko A = 0,000 000 000 001 A) až desítek fA (femto A … ještě 1000x méně), což je na první pohled zcela šílené. Nám ale nejde o měření s větší přesností, stačí porovnání a sledování vývoje hodnot podobně malých proudů. Použijeme standardní Arduino UNO a modifikujeme zapojení komory tak, aby jako ampérmetr fungoval třeba vstup A0. Je třeba přidat rezistor 10M, jinak vnitřní proud analogového vstupu trvale „vytahuje“ vstup na úroveň přibližně 1,5 V, a také kvalitní keramický kondenzátor 100 nF, ten výrazně omezí rušení 50 Hz na vstupu. Bez kondenzátoru se stává, že například každé třetí nebo čtvrté měření vychází pravidelně odlišné (až o 1 V) podle toho, jak se sejde časový rastr měření a fáze střídavého rušení.
Připojení ionizačni komory k Arduinu
Program se dál snaží jednoduchými prostředky eliminovat rušení. Měří se 20x v odstupu 0,2 s (jeden cyklus tedy trvá 4 s), z měření se dělá aritmetický průměr. Grafické znázornění hodnoty pomocí znaků # posílaných do sériového znakového terminálu vyžaduje trochu si „pohrát“ s parametry (zejména u příkazu map) při daném měření, ale dává poměrně názorný výstup.
// Cteni hodnot ionizacni komory a jejich zobrazení
int hodnota = 0; // promenna pro nacitani proudu
void setup() {
Serial.begin(9600); // nastaveni seriove komunikace
analogReference(DEFAULT); // reference 5V
}
void loop() {
hodnota = 0; // nove mereni
for (int i=0; i < 20; i++){ // 20x merit s odstupem 0,2s
hodnota = hodnota + analogRead(A0);
delay(200);
}
hodnota = hodnota / 20; // udelat aritmeticky prumer
Serial.print(hodnota); // vypsat hodnotu
Serial.print(" "); // formatovat podle poctu cislic
if (hodnota < 10) Serial.print(" ");
if (hodnota < 100) Serial.print(" ");
if (hodnota < 1000) Serial.print(" ");
hodnota = map(hodnota,90,170,1,100); // normovat rozsah (nutno upravit)
for (int i=0; i < hodnota; i++){ // graficky vystup
Serial.print("#");
}
Serial.println(" "); // ukonceni radku
}
A jak vypadá výsledek? Kdy byl zářič vložen do komory a kdy vyndán, to je myslím dost názorně vidět. Při jakékoli manipulaci se zářičem i komorou mohou vznikat špičky a zákmity už jen tím, že se přenese statický náboj na komoru nebo dochází k pohybu blízko snímací elektrody, ustálení pak trvá desítky sekund. Z více záznamů jsem vybral ten, kde tyto jevy téměř nejsou a naopak lze pozorovat postupný pokles proudu po vyndání zářiče. Domnívám se, že tento „doběh“ je způsoben skutečným doběhem iontů, které v komoře zůstaly, a ve slabém elektrickém poli se pohybují relativně pomalu. Pokud komorou pomalu řízeně proudí suchý vzduch, pak vybíjení snímací elektrody zůstává velmi podobné, ale tento doběh proudu zmizí úměrně tomu, jak vzduch ionty odnese.
Záznam z ionizační komory připojené k Arduinu (1)
Záznam z ionizační komory připojené k Arduinu (2) – zde je výrazněji vidět postupný pokles proudu a „doběh“ iontů
Je nutné jasně a otevřeně říct, že takto úhledný výsledek nezískáte při prvním pokusu. Musíte pokusy mnohokrát opakovat a postupně vylučovat to, co výsledek ovlivňuje. Často se třeba po vyjmutí vzorku z komory nevrátí ani po desítkách sekund proud na původní hodnotu, což ukazuje, že „něco je špatně“. Takto jednoduše koncipovaná komora je velice citlivá a špatně chráněná, ovlivní ji pohyb v okolí (na pohyb člověka reaguje i ze vzdálenosti 2 m a zálezí mimo jiné na materiálech oblečení, materiálu podlahy a podrážce bot!), stačí se dotknout kovovou pinzetou pláště komory a výstup vyletí do saturace (cca 8 V) nebo naopak spadne na několik sekund do nuly, reaguje na vdechnutí (vlhčího) vzduchu, na změnu rozložení kovových předmětů v okolí, na zapnutí blízkého spotřebiče (lampičky) atd.
Takže: Opravdu to jde, ale mějte stále na mysli, v jak extrémně malých hodnotách proudu (pA až fA) se pohybujeme a že v podstatě „lovíme duchy“! O to je cennější, když se naučíte zvládnout měření tak, že se téměř vždycky podaří.
Připojujeme ionizační komoru k PICAXE
I když by se mohlo zdát, že připojení komory k PICAXE ( v daném případě 08M2) bude víceméně stejné, bohužel to není pravda. Analogové vstupy PICAXE respektive mikrokontrolérů PIC, které jsou navrhovány pro průmyslové prostředí a musí mít především vysokou odolnost, mají podstatně menší vnitřní odpor (kvůli integrované diodové ochraně podstatně větší svod a ještě nelineární). Takže když k nim připojíme komoru stejným způsobem jako k Arduinu, bude na vstupu trvale nula bez ohledu na vložení zářiče, možná tu a tam probleskne hodnota 1 .
Trochu upravíme zapojení. Jednak změníme referenční napětí PICAXE na 2,048 V z vnitřního stabilizátoru, tím vlastně zvýšíme citlivost 2x, jednak k Darlingtonu BC517 přidáme další tranzistor, čímž se zvýší proudové zesílení asi 250x. Tím se ale také celé zapojení stane podstatně citlivější na veškeré rušivé vlivy. To, co děláme, je v podstatě už téměř citlivý elektroskop.
Připojení ionizační komory k PICAXE 08M2
Program měří napětí na vstupu postupně 10x v odstupu 0,1 s (jeden cyklus tedy trvá 1 s), z měření se dělá aritmetický průměr. Ke grafickému znázornění využijeme možnosti volby „datové spojení“, která se volá klávesou F9, volbami postačí nechat ve funkci jeden vstup. Data se předávají po stejném kabelu, po němž se mikrokontrolér programuje. Pro ukázku byl použit tento program:
REM Mereni ionizacni komory fvrsetup FVR2048 ;vnitrni reference 2,048V adcconfig %011 ;reference podle FVR let adcsetup = %00001000 ;plati pro ADC 4 start: inc w0 ;prirustek osy x w1=0 ;vynulovani hodnoty for b10=1 to 10 ;10x mereni readadc 4,w2 ;mereni napeti na ADC 4 w1=w1+w2 ;poscitat hodnoty pause 100 ;10 mereni za 1s next b10 w1=w1/10 ;prumer sertxd (#w0,",",#w1,13,10) ;odeslání dat do PC goto start
Výsledek není tak výrazný jako z Arduina, a to zejména proto, že se v grafu zobrazuje celý rozsah od 0 do 255, zatímco u Arduina jsme zvýraznili změnu vhodnou volbou mezí v příkazu map. Přesto se dá říci, že je výstup názorný a prokazatelný. Nejdřív proběhlo jednu minutu kontrolní měření bez zářiče, pak byl na jednu minutu vložen zářič (několik „motýlků“ z uranového skla) a na konci je opět jedna minuta bez zářiče. Rušení vznikající při manipulaci je výraznější, nicméně hodnoty se ustalují rychle a po vyjmutí zářiče je dobře vidět i doběh iontů podobně jako na záznamu z Arduina.
Záznam grafu z obslužného programu PICAXE
Zatím okrajově – detekce radonu
Poměrně často se setkáme s problémem radioaktivity v souvislosti s výskytem radonu, jeho pronikáním do staveb a hromaděním zejména ve sklepních špatně větraných místnostech. I takto jednoduchou ionizační komoru lze využít k detekci a sledování změn koncentrace radonu, dokonce se k tomu poměrně dobře hodí, protože izotopy radonu jsou téměř výhradním α zářičem a tyto částice se jinak sledují obtížně. Jsou dvě základní možnosti:
- Nabraný vzduch s radonem ponecháme uzavřený v komoře a průběžně měříme a zaznamenáváme proud. Okolí by mělo být odstíněné (kovová krabice) a zamezený přísun „čerstvého radonu“ k zařízení. Po určité době zjistíme pokles aktivity, počkáme na pokles nejméně na 1/4. Z křivky poklesu zjistíme poločas rozpadu (za jak dlouho klesne proud na polovinu) a porovnáme s tabulkovými hodnotami, pokud se čas shoduje (je blízký), je to víceméně důkaz přítomnosti radonu. Problém tohoto měření je v tom, že trvá dlouho, a je otázkou, jak dalece je komora i podmínky v okolí stabilní. To, že bez radonu se komora udrží bez výraznějších změn stejnou dobu, jako trvá měření, bychom měli ověřit jak před, tak po daném měření.
- Pokud nejde o důkaz radonu, ale o sledování aktivity, pak můžeme určitou dobu (jednotky hodin) filtrovat vzduch přes jemnou látku. Na ní sezachytí prach a také zakoncentrují aktivní produkty rozpadu radonu. Filtr potom přiložíme k ionizační komoře (dáme do ní) a změříme aktivitu v porovnání s „pozadím“. Celý postup je názorně popsán na těchto internetových stránkách. Nedokážeme sice aktivitu vyjádřit číselně, ale porovnání ve smyslu „dvakrát větší“ nebo „dvakrát menší“ tato komora celkem dobře zvládne.
Detekci radonu nyní opustíme a případně se k ní vrátíme později, protože jde o téma, které může zajímat zejména majitele nemovitostí v problémových oblastech ČR. Dál se budeme se dál věnovat různým verzím ionizačních komor.
Ionizační komora se zvukovou indikací
Podobně jako každá pořádná bomba ve filmech z Hollywoodu odpočítává čas na velkém červeném displeji (aby se dala zneškodnit asi tak 3 sekundy před výbuchem), je i s měřením radiace v obecném povědomí spojen jeden efekt, a to „tikání“ měřicího přístroje. Dokud tiká nepravidelně a pomalu, je to dobré, jak začne souvisle chrčet, jde o život. Vyhovme tedy tomuto očekávání následující konstrukcí malé ionizační komory. Předem upozorňuji, že není citlivější než ty předchozí, naopak, ale má efektní zvukový výstup. V žádném případě nezaměňujte její tikání za výstup detektoru s GM trubicí, tam opravdu jeden „tik“ znamená jednu registrovanou částici (lavinu vyvolanou jednou částicí), to tady neplatí!
Základem je ionizační komora z plechovky stejná jako jsme již použili, ale může být i menší, vyrobená třeba z měděné vodovodní trubky o průměru kolem 20 mm a délce 50 mm. Prostřední vodič je připojen na řídící elektrodu JFET N tranzistoru 2N4117. Tento tranzistor je zajímavý tím, že při VGS = 0 V (a VDS = 10 V) má proud kanálem jen 30 až 90 μA, takže se s ním velmi dobře pracuje, je citlivý a nezatěžuje zdroj zbytečným proudem. Zapojení doplněné dvěma univerzálními bipolárními tranzistory funguje jako generátor pulzů. Trimr pro nastavení pracovního bodu PNP tranzistoru je lepší použít víceotáčkový. Piezoměnič může být víceméně jakýkoli, samozřejmě bez vlastního oscilátoru.
„Tikající“ ionizační komora
Trimr nastavíme blíže ke konci spojenému se zemí a připojíme napájení. Pravděpodobně se zapojení rozkmitá, z piezoměniče uslyšíme tón nebo chrčení. Pomalu otáčíme trimrem směrem k vyššímu napětí, četnost kmitů by měla klesat. Nastavíme bod, kdy kmitání vysadí nebo se ozve prasknutí vždy až po několika sekundách. Zní to podobně jako výstup z GM detektoru, ale tady pulzy nejsou nepravidelné podle toho, kdy přiletí nějaká nabitá částice, ale pravidelné. Je to efekt sloužící k indikaci procházejícího proudu. Při zachycení většího množství nabitých částic projde proud, kmitočet se zvýší, respektive ozve se častější praskání.
Při první zkoušce funkčnosti můžeme do komory fouknout ústy, ale ustálení a vyschnutí komory pak bude trvat několik minut. Je možné, že komora s touto elektronikou nebude mít dostatečnou citlivost na to, aby reagovala na slabé zářiče jako jsou korálky z uranového skla nebo punčošky do lamp, na silnější zdroj ale reaguje spolehlivě a velmi efektně. Pokud by šlo o to použít podobný detektor k odhalení nebezpečné úrovně záření, je plně funkční a dá se dobře miniaturizovat, takže může být podstatně praktičtější, než jak vypadají pokusy s plechovkou od konzervy.
Příště si vyrobíme opravdu miniaturní ionizační komoru a ukážeme si jiný princip vyhodnocení proudu komorou.