Как сделать дозиметр своими руками

Осторожно — радиация!

Ионизирующая радиация опасна не только своей высокой поражающей способностью — доза, смертельно опасная для человека, в тепловом ее эквиваленте едва нагрела бы и стакан воды, но и тем, что она никак не воспринимается нашими органами чувств. Ни один из органорецепторов человека не предупредит его о сближении с источником радиации любой интенсивности.
Это обстоятельство позволяло долгое время скрывать от населения происходившие в нашей стране радиационные аварии и их последствия. И даже после взрыва на Чернобыльской АЭС, радиоизотопный след которого ощутила, как минимум, вся Европа, еще несколько лет у нас блокировались любые попытки дать в руки населения приборы, которые позволили бы ему самому позаботиться о своей безопасности. И лишь с появлением в свободной продаже датчиков ионизирующей радиации — так называемых счетчиков Гейгера — управлявшие нашей страной утеряли, наконец, исключительное право знать то, что не следует, по их мнению, знать населению.

• Простой дозиметр на Ардуино
• GPS-GLONASS дозиметр «Турист»
• Счетчик Гейгера — это просто
• Простой радиометр на ATmega328PU (Индикатор радиоактивности)
• Простой индикатор радиации на Arduino
• Ультра-Микрон Модуль-А2
• Индикатор радиоактивности Ультра-Микрон 4.08 (изменения)
• «Сторож-Р» — прибор непрерывного радиационного контроля
• Счётчик Гейгера-Мюллера на СТС-5
• Радиационный индикатор в радиоприемнике
• Радиолюбительский дозиметр
• Датчик радиации в охранной системе
• Экономичный источник питания счетчика Гейгера
• Сцинтилляционные детекторы ионизирующего излучения
• Цифровой дозиметр Гамма_1
• Лабораторный прибор контроля бета-излучения

1999-2024 Сайт-ПАЯЛЬНИК ‘cxem.net’
При использовании материалов сайта, обязательна
ссылка на сайт ПАЯЛЬНИК и первоисточник

Народная дозиметрия. Бюджетный детектор радиации своими руками

Готов поспорить, что вы хоть раз задумывались о покупке дозиметра для бытовых целей — измерить уровень радиации дома, на прогулке или в путешествиях.

Сегодня мы соберем простой бюджетный дозиметр на базе wifi-контроллера ESP32 и платы RadSens. RadSens — готовый I2C-модуль для газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера. В качестве сенсора будет использована надежная и распространенная трубка СБМ20-1. Впрочем, вместо нее к модулю можно подключить любую другую трубку — J305, M4011, СТС-5 и др.

Целью статьи является создание максимально подробной инструкции по сборке. Если повторить описанные шаги сможет самый юный инженер-дозиметрист — мы достигли успеха.

Но сначала, как принято, немного истории и теории…

Матчасть по газоразрядным трубкам

История счётчика Гейгера-Мюллера

Принцип работы счетчика Гейгера был предложен в 1908 году немецким физиком Гансом Гейгером. Счетчик стал дальнейшим развитием уже известной ионизационной камеры, представлявшей собой конденсатор, наполненный газом. Конденсатор использовался Пьером Кюри для изучения электрических свойств газов.

В 1925 году под началом Ханса Гейгера Вальтер Мюллер создаёт ещё несколько типов счётчиков с чувствительностью к каждому открытому на тот момент виду излучения, а именно для α-, β- и γ-излучения (нейтроны были открыты только в 1932 году).

Как показало время, надёжный, дешёвый и простой счетчик Гейгера-Мюллера остаётся одним из самых распространённых способов измерения уровня радиации как в быту, так и в промышленности.

Принцип работы трубки Гейгера-Мюллера

Принцип работы основан на эффекте ударной ионизации газа в межэлектродном пространстве под действием радиоактивных частиц.

Трубка состоит из герметичного баллона из металла или стекла, наполненного инертным газом или газовой смесью. Внутри баллона имеются катод и анод. Для облегчения возникновения электрического разряда в газовом баллоне создается пониженное давление. Электроды подключаются к источнику высокого напряжения постоянного тока через нагрузочный резистор, на котором формируются электрические импульсы при регистрации радиоактивных частиц.

В исходном состоянии газовый промежуток между электродами имеет высокое сопротивление, и тока в цепи нет. Когда заряженная частица с высокой энергией сталкивается с элементами конструкции датчика (корпус, баллон, катод), она выбивает некоторое количество электронов, которые оказываются в промежутке между электродами. Под действием ускоряющего напряжения электроны устремляются к аноду. Процесс многократно повторяется, и количество электронов увеличивается, что приводит к разряду между катодом и анодом. В состоянии разряда промежуток в межэлектродном пространстве становится токопроводящим, что вызывает скачок тока в нагрузочном резисторе.

Иными словами, под действием ионизирующего излучения происходит пробой, приводящий к разряду между электродами. Интенсивность разрядов прямо пропорциональна интенсивности ионизирующего излучения.

Компоненты для сборки дозиметра своими руками

Важнейшим критерием при выборе платы и комплектующих выступала стоимость используемых компонентов. Мы ставили задачу сделать дозиметр максимально бюджетным.

Для создания дозиметра-радиометра были выбраны следующие компоненты:

1. Модуль дозиметра — RadSens (от 3900 руб.)
   RadSens — готовый модуль в сборе с популярной трубкой СБМ-20. Не требует ничего кроме установки библиотеки в менеджере библиотек Arduino. Дозиметр готов к работе “из коробки”.
2. Плата ESP8266 / ESP32 (от 700 руб.)
   Модуль RadSens имеет интерфейс I2C, совместим с Arduino, esp, Raspberry. Но цены на ардуинки в последнее время совсем не радуют…
3. OLED-экран диагональю 0.96” (от 300 руб.)
   Можно взять любой экран с I2C. Но OLED-экран позволяет добавлять простую анимацию и цветовую маркировку текущего уровня радиации.
4. Модуль бузера (пищалки) для звуковой индикации импульсов (от 80 руб.)
   Бузер предназначен для звукового информирования пользователя, когда нет доступа к информации на экране.
5. Кнопка-выключатель (от 60 руб.)
6. Макетная плата 120*80 мм (от 130 руб.)
   Плата используется для удобного (эротичного) размещения и организации проводки между элементами.

Итоговая стоимость сборки — 5170 рублей.

Самый дешёвый дозиметр на маркетплейсе Ozon — 8700 рублей.

Процесс сборки самодельного дозиметра

Необходимо произвести следующие шаги:

1. Припаять к макетной плате элементы в желаемом положении.
2. Соединить все элементы по предложенной схеме.
3. Проверить правильность подключения сначала визуально, затем подключив ESP к USB.
4. Подключить библиотеку RadSens и плату ESP32 в Arduino IDE.
5. Добавить код в IDE и загрузить его.

Шаг 1. Подключение

Для подключения нам потребуется припаять все элементы и соединить их. Пины SDA и SCL на RadSens и OLED-экране требуется подключить к портам D22 (SCL) и D21 (SDA), они обмениваются данными по интерфейсу I2C, важно их не перепутать. Остальное подключить согласно схеме на рисунке.

На фото один из вариантов компоновки дозиметра.

Шаг 2. Подключение библиотек RadSens, ESP32, GyverOLED

Подключение расширения для плат в Arduino IDE для платы ESP32 осуществляется следующим образом:
Arduino -> Инструменты -> Плата -> Менеджер плат -> Написать “ESP32” в поисковой строке.

После установки необходимо в пункте “Плата” указать “ESP32 Dev module”.

Далее необходимо выбрать необходимую нам плату. Для этого переходим во вкладку “Инструменты”, выбираем раздел “Плата”, далее выбираем “ESP32 Dev Module” в подразделе “ESP32 Arduino”.

Готово! Перейдем к установке библиотеки.

Для установки библиотеки RadSens необходимо проделать почти такую же операцию:
Arduino -> Скетч -> Подключить библиотеку -> Управлять библиотеками -> Написать “RadSens” в поисковой строке.

Далее необходимо установить библиотеку GyverOLED в менеджере библиотек тем же путём.

Теперь мы готовы переходить к программированию.

Шаг 3. Код

Код был написан с использованием библиотеки для OLED от Алекса Гавера. Она проста в изучении и поддерживает вывод русского языка без дополнительных манипуляций. Допустимо использовать U8G2, Adafruit или любой удобную вам библиотеку.

// Подключаем необходимые библиотеки #include // Библиотека RadSens #include // I2C-библиотека #include // Библиотека для OLED Gyver'а идеально подойдёт для понимания методики работы с OLED-экраном, к тому же тут сразу есть русский шрифт #define buz 18 // Устанавливаем управляющий пин пьезоизлучателя. Если вы выбрали другой управляющий пин - замените значение GyverOLED oled; // Инициализируем OLED-экран ClimateGuard_RadSens1v2 radSens(RS_DEFAULT_I2C_ADDRESS); // Инициализируем RadSens uint32_t timer_cnt; // Таймер опроса интенсивности излучения и импульсов для OLED-экрана uint32_t timer_imp; // Таймер опроса импульсов для пьезоизлучателя uint32_t timer_oled; // таймер обновления дисплея float dynval; // Переменная для динамического значения интенсивности float statval; // Переменная для статического значения интенсивности uint32_t impval; // Переменная для кол-ва импульсов uint32_t pulsesPrev; // Переменная, содержащая кол-во импульсов за прошлый цикл void setup() < pinMode(buz, OUTPUT); // Инициализируем пьезоизлучатель как получатель данных ledcSetup(1, 500, 8); // Инициализируем ШИМ (только для ESP, для Arduino это необходимо стереть) ledcAttachPin(buz, 1); // Задаём пин вывода пьезоизлучателя для ШИМа (только для ESP, для Arduino это необходимо стереть) oled.init(); // Инициализируем OLED в коде oled.flipV(1); // Я перевернул экран для удобства oled.flipH(1); // Для нормального отображения после переворота нужно инвертировать текст по горизонтали oled.clear(); oled.setScale(2); // Устанавливаем размер шрифта radSens.radSens_init(); oled.clear(); radSens.setSensitivity(105); // Задаем чувствительность трубки (если вы заменили СБМ-20 на другую - проверьте чувствительность в документации и измените значение в скобках) int16_t sensval = radSens.getSensitivity(); oled.setCursor(10, 2); oled.print("Чувствит:"); oled.setCursor(42, 4); oled.print(sensval); delay(4000); oled.clear(); pulsesPrev = radSens.getNumberOfPulses(); //Обнуляем значение перед началом работы пьезоизлучателя для предотвращения длинных тресков >void beep(int deltime) < // Функция, описывающая время и частоту пищания пьезоизлучателя ledcWriteTone(1, 500); // Включаем на частоте 500 Гц delay(3); ledcWriteTone(1, 0); // Выключаем delay(deltime); >/* void beep(int deltime) < tone(buz, 500, deltime) >та же функция для Arduino */ void loop() < if (millis() - timer_imp >250) < // Функция, создающая "треск" пьезоизлучателя timer_imp = millis(); int pulses = radSens.getNumberOfPulses(); if (pulses >pulsesPrev) < for (int i = 0; i < (pulses - pulsesPrev); i++) < beep(30); // Вы можете изменить параметр, если хотите, чтобы интервал между тресками был больше или меньше >pulsesPrev = pulses; > > if (millis() - timer_cnt > 1000) < // Записываем в объявленные глобальные переменные необходимые значения timer_cnt = millis(); dynval = radSens.getRadIntensyDynamic(); statval = radSens.getRadIntensyStatic(); impval = radSens.getNumberOfPulses(); >if (millis() - timer_oled > 1000) < //Записываем переменные в строки и выводим их на OLED-экран timer_oled = millis(); String dynint = "Дин: "; dynint += dynval; String statint = "Ст: "; statint += statval; String nimp = "Имп: "; nimp += impval; oled.setCursor(0, 1); oled.print(dynint); oled.setCursor(0, 3); oled.print(statint); oled.setCursor(0, 5); oled.print(nimp); >>

Тестирование самодельного дозиметра

Сегодня нами был рассмотрен самый бюджетный вариант дозиметра-радиометра. Добавив фантазии, мы заказали прозрачные пластины из оргстекла, чтобы сделать прибор более удобным и наглядным. Для проверки работы был использован сульфат калия из ближайших хозтоваров. Удобрение богато радиоактивным изотопом калием-40, активно испускающим бета-излучение.

Стандартный уровень радиации в помещении — 15-20 мкР/ч. При прямом контакте сульфат калия получаем 32-39 мкР/ч, что вдвое выше нормы.

В качестве заключения

Несмотря на всю эстетическую привлекательность, проект является сугубо домашним и предназначен, в большей части, для измерения порошков, предметов старины и прочих вещей, непонятным образом попавших в ваш дом 🙂

В рамках следующего материала постараемся разработать портативный и многофункциональный дозиметр с возможностью вывода информации (графиков, минимумов, максимумов) на экран и выгрузкой статистики в мобильное приложение на Блинке.

А какие возможности в следующей версии DIY-дозиметра хотели бы видеть вы? Оставляйте свои предложения в комментариях!

Команда инженеров передает приветы и благодарности соавтору и стажеру Илье Радченко за долгие часы возни с железкой и кодом, мастерской Барсуки с МЭЛЗ за стеклышки, @AlexGyverза либу «GyverOLED», а также магазину Duino.ru и лично @CyberBot за любезно предоставленные компоненты.

Ну и конечно крепко обнимаем сообщество Хабра за уделенное время и интерес к электронике и DIY. Нас мало — держимся, надеваем тельняшки.

Мой самодельный дозиметр

Разработка самодельного дозиметра связана с тем, что в моем дозиметре ДБГБ-01 «Ратон-901» вышел из строя стабилитрон СГ301-С.
Стабилитрон тлеющего разряда СГ301-С в стеклянном заполненном водородом корпусе специально разрабатывался для работы с 400-вольтовыми счётчиками Гейгера (например, СБМ-20). Его напряжение стабилизации равно 390 В.

Проявлялась неисправность стабилитрона в полном безразличии дозиметра к радиоактивному излучению 🙂 Но так как радиационная разведка — увлекательное занятие, мне захотелось все-таки обратно заполучить в свои руки дозиметр. Восстанавливать старый дозиметр — скучно, купить — слишком банально, гораздо интереснее сделать самому!
Я использовал из своего заводского дозиметра только счетчик Гейгера, тот самый таинственный ПРГИ-101.
Мой DIY-дозиметр представляет собой объединенные в одном корпусе высоковольтный источник, счетчик Гейгера и формирователь импульсов —
блок-схема дозиметра

вид дозиметра внутри

1 — CCFL-инвертор
2 — умножитель
3 — счетчик Гейгера
4 — формирователь импульсов
5 — согласующая цепь
6 — выключатель питания и разъем для внешнего питания
7 — штеккер для подключения к аудиоразъему смартфона/ноутбука

вид дозиметра снаружи

Как Вы успели заметить, корпусом служит футляр от видеокассеты 🙂 из полипропилена.
принципиальная схема дозиметра
(щелкните мышкой для просмотра схемы в увеличенном масштабе)

Как основу для высоковольтного источника я использовал инвертор для вышедшей из строя CCFL лампы подсветки.
Умножитель C2-C5, VD2-VD4 обеспечивает увеличение напряжения, вырабатываемого CCFL-инвертором, в несколько раз и его выпрямление. Конденсатор C6 сглаживает пульсации напряжения. Напряжение для регулировки снимается с делителя R11-R16 и поступает на инверсный вход ОУ DA1.2, а опорное напряжение снимается с регулируемого делителя R8-R10 и поступает на прямой вход ОУ DA1.2. При превышении напряжением на выходе умножителя заданного уровня на выходе ОУ DA1.2 напряжение резко снижается, МДП-транзистор VT1 закрывается, что вызывает закрытие p-n-p транзистора VT2. При этом подача напряжения на CCFL-инвертор прекращается.
Напряжение с выхода умножителя поступает через резистор R22 на трубку Гейгера-Мюллера. При попадании частицы ионизирующего излучения в счетчике происходит разряд, возникает импульс тока, и, как следствие, импульс напряжения на резисторе R23. Через резистор R24 и ограничивающий диод VD7 этот импульс поступает на прямой вход ОУ DA1.1. На инверсный вход поступает опорное напряжение, снимаемое с регулируемого делителя R18-R20. При превышении импульсом напряжения от счетчика Гейгера уровня опорного напряжения на выходе ОУ вырабатывается импульс напряжения, через резистор R21 поступающий на затвор МДП-транзистора VT3 и открывающий его. Напряжение на стоке транзистора VT3 резко падает и, поступая на вывод 2 таймера DA2, вызывает срабатывание одновибратора на таймере DA2. Удлиненный импульс с вывода 3 таймера DA2 поступает на бипер SP1 и зажигает светодиод HL3 через резистор R26. Также импульс напряжения со стока транзистора VT3 поступает на вход схемы согласования дозиметра и смартфона. Конденсатор C10 развязывает дозиметр и смартфон по постоянному напряжению. Резисторы R27 и R28 составляют делитель напряжения, уменьшающий уровень импульса напряжения. Светодиоды HL4 и HL5 дополнительно ограничивают уровень выходного напряжения, поступающего на микрофонный вход смартфона.

Питание
Питание дозиметра осуществляется от призматической батареи («Кроны») напряжением 9 В.
Также предусмотрен разъем для подключения внешнего источника питания.

Для счетчика Гейгера поддержание напряжения питания на номинальном уровне играет важную роль в работе счетчика. При пониженном напряжении питания попадание частицы радиации внутрь счетчика не приведет к его срабатыванию. При повышенном напряжении питания в трубке счетчика будут возникать самопроизвольные разряды, т.е. счетчик будет срабатывать даже при отсутствии радиации. Для работы счетчика в нормальном режиме напряжения питания должно находиться в диапазоне, получившем название плато Гейгера (Geiger plateau).
характеристическая кривая (characteristic curve) счетчика Гейгера

На характеристической кривой плато Гейгера соответствует почти горизонтальная линия, т.е. на этом участке скорость счета почти не зависит от напряжения. Для продления срока службы трубки Гейгера номинальное напряжение U₀ выбирается в пределах первой трети плато (обычно значение больше предела примерно на 100 В). Для счетчика Гейгера ПРГИ-101, как и для СБМ-20, номинальное напряжение питания составляет ~ 390 В. При напряжении питания в диапазоне 7. 15 В на выходе умножителя моего дозиметра поддерживается напряжение ~ 400 В, оптимальное для используемого счетчика Гейгера.
Потребляемый ток дозиметра составляет при этом ~ 30 мА и практически не изменяется при изменении напряжения питания в диапазоне 7. 15 В.

При снижении напряжения питания ниже 7 В напряжение, поддерживаемое на выходе умножителя, уменьшается.

Напряжение питания, В	Напряжение на выходе умножителя, В
7	~ 400
6,5	~ 380
6	~ 340
5,5	~ 300
5	~ 260

Снижение напряжения объясняется, в основном, тем, что опорное напряжение в регуляторе выходного напряжения получается с помощью делителя, подключенного к выходу интегрального стабилизатора 7805. В этом стабилизаторе для обеспечения выходного напряжения, равного 5 В, входное напряжение должно быть не ниже определенного уровня. Таким образом, при снижении напряжения питания снижается опорное напряжение и понижается уровень напряжения, поддерживаемого регулятором.
При напряжении питания 4,5 В и менее генерация в преобразователе прекращается и напряжение на выходе падает до нуля.
Указанный эффект снижения напряжения на счетчике при уменьшении напряжения питания позволяет построить характеристическую кривую для счетчика ПРГИ-101.

Плато на кривой начинается примерно с 340 В.

Индикация
В дозиметре предусмотрена звуковая и световая (красный светодиод) индикация регистрации разряда в счетчике Гейгера и световая индикация поданного питания, а также индикация неверной полярности напряжения питания (светодиод HL1 (красный) служит для индикацию неправильной полярности напряжения питания, светодиод HL2 (синий) — для индикации правильной полярности напряжения питания).

Регистрация импульсов
Выход формирователя импульсов подключается через согласующее устройство к аудиоразъему смартфона под управление операционной системы Android или ноутбука.
схема согласующего устройства

внешний вид согласующего устройства

1 — конденсатор C1 — для развязки дозиметра и смартфона по постоянному току
2 — резистор R1 — резистор делителя напряжения
3 — резистор R2 — резистор делителя напряжения
4 — светодиод HL1 — ограничительный зеленый светодиод
5 — светодиод HL2 — ограничительный зеленый светодиод

Бесплатная программа Audacity позволяет записать импульсы, поступающие с дозиметра через согласующее устройство на аудиовход компьютера (ее же я использовал и для определения скорости снаряда моей пушки Гаусса) —
последовательность импульсов, регистрируемых счетчиком Гейгера

два импульса, показанные в увеличенном масштабе

При регистрации импульсов важную роль играет интервал между ними. В вышеприведенном случае он составляет 5645 сэмплов. С учетом того, что частота записи составляла 96000 Гц, длительность одного сэмпла равна 1/96000=0,0000104 с или 10,4 мкс. Таким образом, интервал между началом двух соседних импульсов длился 58,7 мс.
один импульс в увеличенном масштабе

Длительность самого импульса составила 20 сэмплов или 208 мкс.

Также специализированное приложение для Android позволяет записывать сигнал с микрофонного входа и отображать на экране —

На вышеприведенном скриншоте четко видны импульсы, поступающие на микрофонный вход смартфона с формирователя импульсов дозиметра.

Приложение GeigerCounter
Разрабытываемое мной приложение GeigerCounter для смартфона под управлением ОС Android обеспечивает подсчет импульсов, формируемых дозиметром при попадании частиц ионизирующего излучения в счетчик Гейгера, и их статистическую обработку. Также приложение определяет географические координаты смартфона и записывает протокол измерений в файл на SD-карту смартфона.
Подробная информация о работе с приложением GeigerCounter приведена на странице http://foxylab.com/GeigerCounter.php .
Скачать бесплатное приложение GeigerCounter можно в магазине приложений Google play :

скриншот приложения GeigerCounter после длительного измерения естественного фона

Вот как изменяется доверительный интервал (через промежутки времени 15 минут):

50,47 . 50,67

48,20 . 52,13

48,20 . 52,13

46,93 . 52,13

46,93 . 53,87

На адекватность результатов измерений влияет параметр «Пауза» приложения (определяет «мертвое время» после регистрации импульса), причем его требуемое значение зависит от частоты дискретизации аудиосигнала при записи, отличающейся у разных смартфонов.
Эта частота, с которой оцифровывается сигнала при записи, может быть определена с помощью приложения Audio Buffer Size от Raph Levien (Twiiter — https://twitter.com/raphlinus):
Google Play: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.levien.audiobuffersize

Для смартфона Huawei Y6 SCL-L01 с частотой дискретизации 48 кГц

я получил такую зависимость между полученным доверительным интервалом CPM и величиной паузы:

Пауза	CPM
3	88. 89
5	84. 88
8	62. 62
10	55. 58
15	54. 57

Как видно, для частоты дискретизации 48 кГц при длительности паузы 10 сэмплов и более величина CPM практически не изменяется, что свидетельствует об адекватности результатов измерений, например, при величине паузы, равной 15 сэмплам. Задание заниженного значения паузы приводит к завышению результатов измерений радиационного фона.

Для смартфона Huawei G600 U8950-1 с частотой дискретизации 44,1 кГц

можно использовать величину паузы, равную 5 сэмплам.

Также на показания прибора влияет заданное значение уровня.

Я получил такую зависимость между CPM и величиной уровня (для паузы, равной 15):

Уровень	CPM
10	89
15	57
20	50
25	51
30	52

При значении уровня 30 % и выше импульсы перестают учитываться.
Как видно из таблицы, целесообразно выбрать уровень, равный 25 %.

Аналогичные приборы
Дозиметры Pocket Geiger Counter (цена $46) c восемью фотодиодными сенсорами или более совершенный Pokega Type2 (цена $65), разработанные японской некоммерческой организацией Radiation Watch, также рассчитаны на подключение к аудиовходу смартфона Apple iPhone для эксплуатации совместно с приложением Pocket Geiger Counter App:

Статистический анализ результатов измерений
Радиоактивный распад является случайным процессом. Количество распадов радиоактивного источника за единицу времени подчиняется распределению Пуассона (Poisson distribution)). Распределение Пуассона описывает вероятность случайных событий в определенном временном или пространственном интервале и применимо к множеству явлений.
Если использовать для описания таких случайных событий, как попадания ионизирующих частиц в счетчик Гейгера, распределение Пуассона, то вероятность того, что за заданный интервал времени $T$ в счетчик попадет $x$ частиц, определяется выражением $P\left(x\right) = \mu^x \over x!>$ , где $\mu$ — среднее число частиц, попадающих в счетчик за интервал $T$, а $x$ — целое неотрицательное число.
пример распределения Пуассона для $\mu = 10$

$\mu = \lambda T$ , где $\lambda$ (или $n$) — среднее число частиц, попадающих в счетчик за единицу времени (скорость счета). Скорость счета обычно измеряется в импульсах в минуту — CPM (Counts Per Minute) и является относительным показателем радиационного фона.
Следует отметить, что при большой скорости радиоактивного распада можно использовать и более удобное нормальное распределение (Gaussian distribution).
сравнение распределений Пуассона и Гаусса при $\mu = 100$

В этом случае вероятность того, что за заданный интервал времени $T$ в счетчик попадет $x$ частиц, определяется выражением $P\left(x\right) = <1\over<\sqrt<2\pi\mu>>> ^2>\over<2\mu>>>>$ , где $\mu$ — среднее число частиц, попадающих в счетчик за интервал $T$, а $x$ — целое неотрицательное число.
Для оценки погрешности измерений интенсивности ионизирующего излучения можно использовать методы математической статистики.
Выполнение серии измерений.
Проводя $N$ измерений, получаем различные значения скорости счета импульсов (count rate) $n$. Если количество измерений велико, то распределение скоростей счета может быть аппроксимировано нормальным распределение (Gaussian Distribution).
Определим среднее значение скорости счета (mean count rate) $n_A = ^N\over N>$. Мерой рассеяния данных измерений возле среднего значения является выборочное стандартное отклонение скорости счета (sample standard deviation of the count rate), которое для нормального распределения определяется выражением $\sigma_s \left(s_x \right) = \sqrt<\sum<<\left(n-n_A\right)>^2> \over N — 1>$. Увеличение доверия к вычисленному среднему значению скорости счета $n_A$ как показателю радиационного фона при увеличении числа измерений $N$ учитывается в стандартном отклонении средней скорости счета (standard deviation of the mean count rate) $\sigma_M = <\sigma_S\over \sqrt>$.
С вероятностью 68 % истинное среднее значение скорости счета лежит в интервале $n_A\pm \sigma_M$, 95 % — в интервале $n_A\pm 2\sigma_M$, 99,7 % — в интервале $n_A\pm 3\sigma_M$ (правило трех сигм) —

При этом количество измерений, которые необходимо выполнить, чтобы определить среднее значение скорости счета с доверительной вероятностью 95 %, определяется выражением $\sqrt = \over>$ .
Для наглядности можно построить гистограмму, на которой по горизонтальной оси отложены численные значения скорости счета (count rate) или число импульсов (counts) за заданный интервал времени (gate time), и у каждого интервала скорости счета или числа импульсов строится столбец, высота которого соответствует количеству измерений (frequency), в которых наблюдалась скорость счета или число импульсов, входящие в этот интервал.
Я провел опыт по многократному измерению радиационного фона в квартире — число измерений N = 61, среднее значение скорости счета 50,61 CPM, стандартное отклонение средней скорости счета 0,89 CPM:

Файл с результатами измерений можно загрузить здесь.
Гистограмма для скоростей счета:

Также я провел измерения в частном доме в деревне Еремино недалеко от Гомеля — число измерений N = 80, среднее значение скорости счета 52,99 CPM, стандартное отклонение средней скорости счета 0,86 CPM:
Файл с результатами измерений можно загрузить здесь.
Гистограмма для скоростей счета:

Выполнение одного измерения.
Если мы проводим одно измерение числа импульсов $N$ за достаточно длительный интервал времени $T$, то доверительный интервал, в котором с вероятностью 95 % находится истинное число импульсов, можно определить как $N \pm \sqrt$ . Относительная погрешность полученного значения уменьшается с ростом измеренного числа импульсов, так как она равна $1 \over<\sqrt>$ . Такая же относительная погрешность будет и у измеренной скорости счета $n = >$ .

Погрешность из-за «мертвого» времени счетчика
Для счетчика Гейгера при измерении высокого радиационного фона существует проблема, связанная с наличием у счетчика «мертвого» времени. После попадания гамма-частицы в счетчик в течение некоторого интервала времени («мертвого» времени счетчика — dead-time) он не сможет детектировать попадание новой частицы. Из-за этого наблюдаемая скорость счета $N_$ оказывается несколько меньше истинной $N_$. Ситуация ухудшается тем, что попадание новой частицы не только не детектируется, но и продлевает «мертвое» время.
Связь между наблюдаемой и истинной скоростями счета определяется выражением:
$N_ = N_ e^<-N_\tau>$ , где $\tau$ — «мертвое» время счетчика (20 мкс для старых моделей).
Следует отметить, что это уравнение трансцендентное, т.е. его нельзя записать в виде $N_=. $.

Космические лучи
Одной из причин возникновения фоновых разрядов в счетчике Гейгера являются мюоны. Детектирование этих частиц — не менее интересный процесс, чем поиск радиоактивных артефактов.

Экспериментальная проверка работоспособности дозиметра и приложения GeigerCounter
измерение уровня радиоактивности немецкого компаса времен ВМВ
Я владею немецким компасом, у которого на кончик стрелки и на метки циферблата нанесен светящийся состав, содержащий радий-226.
внешний вид компаса

Результаты многократных измерений (N=15) показали, что средняя скорость счета дозиметра, расположенного вблизи компаса, составила 275,4 ± 4,24 CPM.
измерение ионизирующего излучения компаса

Естественный радиационный фон составил 52,2 ± 1,67 CPM.
Таким образом, превышение уровня излучения от компаса составило 5,3 раза.
измерение уровня естественного радиационного фона

В учебной лаборатории моего университета имеются три тахометра, использовавшиеся на самолетах Ан-2.
измерение уровня радиоактивности тахометра из учебной лаборатории

Результаты многократных измерений (N=15) показали, что средняя скорость счета дозиметра, расположенного вблизи тахометра, составила 4082,33 ± 17,20 CPM.
измерение ионизирующего излучения тахометра

Также я экспериментально оценил возможность экранирования ионизирующего излучения различными материалами.

Электромагнитные помехи
Следует заметить, что на дозиметр оказывают мешающее воздействие источники электромагнитного излучения, например, мобильные телефоны. Я провел опыт, расположив ВЧ-модуль мобильного телефона над счетчиком Гейгера и осуществив звонок с этого телефона. При наборе номера дозиметр «трещал» периодически (в такт импульсам излучения телефона (этот характерный звук мы слышим в динамиках колонок компьютера, если рядом лежит мобильный телефон), а в процессе дозвона — непрерывно:

1 — импульс от частицы ионизирующего излучения;
2 — шум;
3 — набор номера;
4 — дозвон до абонента.
Импульсы помехи от телефона:

Как видно из осциллограммы, период импульсного сигнала, регистрируемого дозиметром, составляет 1/44100*203 ~ 4,6 мс.
Помеха воздействовала на дозиметр при удалении телефона на несколько сантиметров от счетчика Гейгера.

Альтернативные подходы к подсчету импульсов, поступающих со счетчика Гейгера
Подсчет импульсов от счетчика Гейгера, подключенного к звуковой карте компьютера, с помощью специализированных программ
Для счетчика Гейгера CDV-700 или другого счетчика с импульсным выходом, подключаемым к линейному входу звуковой карты, существует программа CDV Counter.

Подсчет импульсов от счетчика Гейгера, подключенного к звуковой карте компьютера, с помощью MATLAB
A. A. Azooz
В статье Operating a Geiger–Müller tube using a PC sound card, опубликованной в European Journal of Physics 30 (2009), описывается использование MATLAB для захвата данных со звуковой карты, к линейому входу которой подключен счечик Гейгера. Автор статьи — профессор Aasim Abdulkareem Azooz (университет Мосула, Ирак).
Статью в PDF-формате можно прочитать по ссылке https://foxylab.com/Geiger_Azooz.pdf (568 Кбайт).
В статье указывается, что трубки Гейгера и высоковольтные источники относительно дешевы и широко доступны в большинстве лабораторий, но счетчики импульсов на так доступны, особенно в разивающихся странах. Использование звуковой карты компьютера для подсчета импульсов с трубки Гейгера-Мюллера обеспечивает как высокую частоту оцифровки, так и доступность на любом компьютере.
схема экспериментальной установки

При параметрах элементов R = 4,7 кОм, C = 100 нФ вырабатываются импульсы величиной около 0,6 В, которые поступают на вход звуковой карты.
Программная обработка сигнала на входе звуковой карты осуществляется с помощью программного пакета MATLAB.
Для детектирования импульсов при этом используются два критерия:
1 — напряжение сигнала превышает заданный лимит (это необходимо для устранения влияния шума и резко уменьшает загрузку процессора, предел задан равным 0,4 В, он может быть изменен в строке 21 кода программ GM1 и GM2):

2 — значения напряжения слева и справа от рассматриваемой как пик импульса точки должны быть меньше напряжения в этой точке (это позволяет уменьшить «мертвое » время счетчика Гейгера и учитывать импульс, наложившийся на предыдущий импульс, как отдельный):

Сравнение вида импульса на осциллографе и построенного в MATLAB показывает их хорошее совпадение по форме:

Я тоже провел эксперименты по обработке импульсов от своего DIY-дозиметра, подключенного к аудиоразъему ноутбука, в MATLAB. Подробнее об этих экспериментах можно прочитать здесь.

Подсчет импульсов от счетчика Гейгера, подключенного к параллельному порту компьютера, с помощью специализированных программ

Fernando Arqueros
В статье Studying the statistical properties of particle counting with a very simple device, опубликованной в European Journal of Physics 25/2004 описывается подключение трубки Гейгера к параллельному порту персонального компьютера. Авторы статьи — F. Arqueros, F. Blanco, B. Jim´ enez de Cisneros (университет Комплутенсе, Мадрид — крупнейший вуз Испании, основан в 1499 году).
Статью в PDF-формате можно прочитать по ссылке https://foxylab.com/Geiger_Arqueros.pdf (154 Кбайт).
В статье описывается подключение трубки Гейгера к входной линии (11) LPT-порта через схему для укорочения импульса:

Для укорачивания импульса используется дифференцирующая RC-цепочка, которая превращает входной прямоугольный импульс в экспоненциальный выходной.
Для детектирования импульсов можно использовать простую программу на BASIC:

10 DEF SEG=0:P=PEEK(1032)+256*PEEK(1033) ’Localize port direction 20 WAIT P+1,128:PRINT TIMER ’Wait for signal, annotate arriving time 30 IF INKEY$=”z” THEN STOP ELSE GOTO 20 ’Repeat loop and stop control

Число 128 в строке 20 в команде WAIT соответствует использованному выводу 11 параллельного порта (числа 64, 32, 16 и 8 соответствовали бы выводам 10, 12, 13 и 15 соответственно).
Эта программа печатает моменты времени t₁, t₂, . , t_N, в которые детектировался разряд в трубке Гейгера.

Подсчет импульсов от счетчика Гейгера с помощью LabVIEW
В статье Computer based radioactivity measurement with acquisition and monitoring radiation data using LabVIEW, опубликованной в 2008 году, описывается подсчет импульсов счетчика Гейгера с помощью LabVIEW. Авторы статьи — Masudul Hassan Quraishi, Md. Aminul Hoque, Anisa Begum, Mohammad Jahangir Alam (университет инжиниринга и технологий в городе Дакка, Бангладеш).
Статью в PDF-формате можно прочитать по ссылке https://foxylab.com/Geiger_Quraishi.pdf (2,84 Мбайт).
схема экспериментальной установки

Недостатком такого метода является необходимость наличия специализированной подключаемой к компьютеру DAQ-карты, которая «захватывает» импульсы с детектора, подключенного к трубке Гейгера.

Применение счетчика Гейгера в качестве генератора случайных чисел
Основополагающими работами по использованию лабораторного радиоактивного источника в качестве генератора случайных событий можно считать статьи MacLeod A M 1976 года в Am. J. Phys. 44 177-80, 172-6 и 1980 года в Eur. J. Phys. 1 88-97. В этих статьях описано исследование распределения Пуассона, описаны детали схемы счетчика и схемы вывода графических данных на телевизионный экран. Элементная база 1976 года обусловила достаточно громоздкое построение схемы счетчика из 34 интегральных микросхем 74-й серии.
F. J. Mulligan
В статье F. J. Mulligan 1987 года Letters and comments в Eur. J. Phys. 8 53-57 описана замена этой сложной схемы двумя вентилями И-НЕ и микросхемой 6522 VIA:

Статью в PDF-формате можно прочитать по ссылке https://foxylab.com/Geiger_Mulligan.pdf (261 Кбайт).
Микросхема 6522 Versatile Interface Adapter (VIA) является контроллером портов ввода-вывода для микропроцессоров серии 6502 (параллельный ввод-вывод, таймеры, регистр сдвига для последовательного ввода-вывода данных). Она содержит 20 линий ввода-вывода и 4 управляющих линии.

Продолжение следует

• Войдите, чтобы оставлять комментарии

Три варианта сборки самодельного дозиметра

Измерение уровня радиоактивного фона осуществляется с помощью специального прибора – дозиметра. Его можно приобрести в специализированном магазине, но домашних умельцев привлечет другой вариант — сделать дозиметр своими руками. Бытовую модификацию можно собрать в нескольких вариациях, например, из подручных средств или с установкой счетчика СБМ-20.

Возможности самодельного аппарата

Естественно, профессиональный или многофункциональный дозиметр собрать будет довольно сложно. Бытовые портативные или индивидуальные приборы регистрируют бета или гамма излучение. Радиометр предназначен для исследования конкретных объектов и считывают уровень радионуклидов. Фактически дозиметр и радиометр – это два разных устройства, но бытовые версии часто совмещают в себе и первое, и второе. Тонкая терминология играет роль только для специалистов, потому даже комбинированные модели называют обобщенно – дозиметр. Выбрав одну из предложенных схем для сборки, пользователь получит простейшее устройство с низкой чувствительностью. Польза в таком приборе все же есть: он способен регистрировать критичные дозы радиации, это будет свидетельствовать о реальной угрозе здоровью человека. Несмотря на то, что самодельное устройство в разы уступает любому бытовому дозиметру из магазина, для защиты собственной жизни его вполне можно использовать.

Полезные советы

1. Для аппарата собственной сборки выбирают 400 вольтовые счетчики, если преобразователь рассчитан на 500 вольт, то нужно корректировать настройку цепи обратной связи. Допустимо подобрать иную конфигурацию стабилитронов и неоновых ламп, смотря, какая схема дозиметра применяется при изготовлении.
2. Выходное напряжение стабилизатора замеряется вольтметром с входным сопротивлением от 10 Мом. Важно проверить, что оно фактически равно 400 вольт, заряженные конденсаторы потенциально опасны для человека, несмотря на малую мощность.
3. Вблизи счетчика в корпусе делается несколько мелких отверстий для проникновения бета-излучений. Доступ к цепям с высоким напряжением должен быть исключен, это нужно учесть, при установке прибора в корпус.
4. Схему измерительного узла подбирают на основании входного напряжения преобразователя. Подключение узла осуществляется строго при отключенном питании и разряженном накопительном конденсаторе.
5. При естественном радиационном фоне самодельный дозиметр будет выдавать порядка 30 – 35 сигналов за 60 секунд. Превышение показателя свидетельствует о высоком ионном излучении.

Схема №1 — элементарная

Чтобы сконструировать детектор для регистрации бета и гамма-излучений «быстро и просто», этот вариант подойдет как нельзя лучше. Что понадобится до конструирования:

• пластиковая бутылка, а точнее – горлышко с крышкой;
• консервная банка без крышки с обработанными краями;
• обычный тестер;
• кусок стальной и медной проволоки;
• транзистор кп302а или любой кп303.

Для сборки нужно отрезать горлышко от бутылки таким образом, чтобы оно плотно вошло в консервную банку. Лучше всего подойдет узкая, высокая банка, как от сгущенки. В пластиковой крышке делается два отверстия, куда нужно вставить стальную проволоку. Один ее край загибают петлей в виде буквы «С», чтобы она надежно держалась за крышку, второй конец стального прута не должен касаться банки. После крышка закручивается.

Ножку затвора КП302а прикручивают к петле стальной проволоки, а к стоку и истоку подсоединяют клеммы тестера. Вокруг банки нужно обкрутить медную проволоку и одним концом закрепить к черной клемме. Капризный и недолговечный полевой транзистор можно заменить, например, соединить несколько других по схеме Дарлингтона, главное – суммарный коэффициент усиления должен быть равен 9000.

Самодельный дозиметр готов, но его нужно откалибровать. Для этого используют лабораторный источник радиации, как правило, на ней указана единица его ионного излучения.

Схема № 2 — установка счетчика

Для того, чтобы собрать дозиметр своими руками, подойдет обычный счетчик СБМ-20 — его придется купить в специализированном магазине радиодеталей. Сквозь герметичную трубку-катод по оси проходит анод – тонкая проволока. Внутреннее пространство при малом давлении наполнено газом, что создает оптимальную среду для электрического пробоя.

Напряжение СБМ-20 порядка 300 – 500 В, его необходимо настроить так, чтобы исключить произвольный пробой. Когда попадает радиоактивная частица, она ионизирует газ в трубке, создавая большое количество ионов и электронов между катодом и анодом. Подобным образом счетчик срабатывает на каждую частицу.

Важно знать! Для самодельного аппарата подойдет любой счетчик, рассчитанный на 400 вольт, но СБМ-20 – самый подходящий, можно приобрести популярный СТС-5, но он менее долговечный.

Схема дозиметра представляет собой два блока: индикатор и сетевой выпрямитель, которые собирают в коробочках из пластика и соединяют разъемом. Блок питания подключают к сети на небольшой промежуток времени. Конденсатор заряжается до напряжения 600 Вт и является источником питания устройства.

Блок отключают от сети и от индикатора, а к контактам разъемам подсоединяют высокоомные телефоны. Конденсатор следует выбрать хорошего качества, это продлит время работы дозиметра. Самодельный аппарат может функционировать в течение 20 минут и больше.

• резистор выпрямителя оптимально подобрать с рассеивающей мощностью до 2 вт;
• конденсаторы могут быть керамические или бумажные, с соответствующим напряжением;
• счетчик можно выбрать любой;
• исключите вероятность прикосновения руками к контактам резистора

Естественный радиационный фон будет регистрироваться как редкие сигналы в телефонах, отсутствие звуков означает, что нет питания.

Схема № 3 с двухпроводным детектором

Можно сконструировать самодельный дозиметр с двухпроводным детектором, для этого нужна пластиковая емкость, проходной конденсатор, три резистора и одноканальный демпфер.

Сам демпфер снижает амплитуду колебаний и устанавливается за детектором, непосредственно рядом с проходным конденсатором, который измеряет дозу. Для такой конструкции подойдут только резонансные выпрямители, а вот расширители практически не используются. Прибор будет более чувствителен к радиации, но потребует больше времени для сборки.

Существуют и другие схемы, как сделать дозиметр самостоятельно. Радиолюбители разработали и протестировали множество вариаций, но большинство из них основывается на схемах, описанных выше.