Самодельный счётчик Гейгера на ESP8266 с сенсорным экраном

Самодельный счётчик Гейгера на ESP8266 с сенсорным экраном

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: Теория

Итак, дозиметр — на самом деле очень простой прибор, нам нужен чувствительный элемент, в нашем случае трубка Гейгера, питание для неё, обычно около 400V постоянного тока и индикатор, в простейшем случае это может быть обычный динамик. Когда ионизирующее излучение ударяется о стенку счётчика Гейгера и выбивает из неё электроны, оно заставляет газ в трубке стать проводником, поэтому ток идёт прямо на динамик и заставляет его щелкать, если вам интересно, то в сети можно найти гораздо лучшее объяснение.

Я думаю, все согласятся, что щелки — не самый информативный индикатор, тем не менее, у него есть возможность оповещать об увеличении радиационного фона, но подсчет радиации при помощи секундомера для более точных результатов — штука довольно странная, поэтому я решил добавить устройству немного мозгов.

Преимущества и недостатки конструкций

Конструкции самодельных дозиметров и индикаторов радиации с использованием датчиков СБМ-20, СТС-5, СБТ-9 достаточно просты, имеют высокую чувствительность. Но у них есть очень важный недостаток — это промышленные датчики ионизирующего излучения, которые труднодоступны и дороги для покупки.

Индикатор радиации с датчиком из полупроводникового прибора дешев, но, в связи с нелинейностью характеристик полупроводников, труден в настройке, чувствителен к изменению температуры и напряжению питания.

Прибор с самодельным датчиком из ПЭТ-бутылки предельно прост, но требует схемы с полевым транзистором, который не всегда доступен для самодельщика. Кроме того, полевые транзисторы склонны к пробою в условиях сильной радиации.

Наиболее доступными являются конструкции с датчиками на базе стартера от неисправных ламп дневного света или неоновой лампы. К недостаткам датчика из стартера, как и неоновой лампы, необходимо отнести чувствительность к изменению температуры и напряжения питания, необходимость экранирования датчика от света и электромагнитного излучения. К преимуществам относится простота изготовления и настройки счетчика Гейгера своими руками.

Вторая версия схемы дозиметра

В ещё одной версии счётчика Гейгера исключен стабилизатор 3,3 В, используя цепи CMOS серии 4000, которые имеют широкий диапазон рабочих напряжений, потребляя меньше тока чем 74HCT. Необходимый вольтаж теперь обеспечивает автоматически LM385, с током около 10 мкА.

Решено не использовать микросхему 555 в CMOS-версии в качестве моностабильного триггера, поскольку она потребляет больше тока, чем 4098, и, кроме того, в стабильном состоянии замыкает резистор в ветви RC на землю, что дополнительно вызывает протекание ненужного тока.

Под операционный усилитель, измеряющий +490 В использовался программируемый чип LM4250, потому что он дешев и доступен, можем установить потребляемую мощность (резистор R7) на очень маленькое значение – гораздо меньше, чем другие известные операционные усилители.

LM4250 работает как операционный усилитель, в котором потребление тока определяется R7. Если вы используете другой усилитель, не паяйте его. Все синхронизирующие конденсаторы также были уменьшены до минимума, чтобы минимизировать токи перезарядки.

Что касается детекторов – счетчиков радиации, существует много типов, например, STS-5, DOB-50, DOB-80, DOI-30, DOI-80, даже отечественный СБМ-2.

Счетчики Гейгера, в зависимости от конструкции, должны питаться напряжением 200-1000 В. Лучше всего подавать на него более высокое напряжение и следить за количеством импульсов. Но если происходит резкое увеличение количества импульсов, уменьшите напряжение примерно на 50 В – и при таком напряжении прибор должен работать. С резистором, который соответствует лампе, лучше не опускаться ниже 2,2 МОм. Предпочтительно 4,7 или 5,6 мегаом. Счетчики Гейгера не любят перегружаться, они от этого изнашиваются.

Потребляемая мощность импульсная, импульс 4 мс 30 мА каждые 1,2 с. В оставшийся период потребляемый ток не превышает 150 мкА. Среднее не превышает 400 мкА. В этом случае батарея на 9 В должна работать в течение месяца даже непрерывной работы. А тут можете скачать файлы

Мы привыкли, что у множества людей слово «радиация» неразрывно связано со словом «опасность». На самом деле, радиация вредна приблизительно настолько же, как, например, температура. Вред наносит не явление как таковое, а его доза, если она превышает пределы нормы.

Например, человек может комфортно существовать при температуре в 27 °С. Но если поменять этот показатель на 20% в любую сторону (-33 или 87 °С), то без должной подготовки и средств защиты (специальной одежды и приспособлений) выживать человек не сможет.

В повседневности мы не рискуем получить высокую дозу облучения. В течение всей жизни человек находится под влиянием естественной радиации, уровень которой определяется географическим положением. В большинстве городов России уровень радиации находится в пределах нормы. Исключением являются те города, в которых развита металлургическая или угледобывающая промышленность – в частности, Норильск, Липецк и Магнитогорск.

Верхний предел допустимой мощности — 0.5 мЗв/час. К примеру, космонавты МКС получают такую дозу облучения за один день нахождения на орбите. В среднем по всей Земле человек получает где-то 2.4 мЗв в год. Безусловно, существуют загрязненные участки земли и целые города, где уровень радиации существенно превышает норму. И чтобы обезопасить себя, например, перед покупкой будущего жилья, можно купить дозиметр радиации.

Дозиметр в повседневной жизни

Если ваша работа не связана с радиоактивными веществами, вероятность столкновения с высоким уровнем излучения крайне мала. Однако прибор для измерения пригодится, если вам интересно узнать уровень естественной радиации, исходящей от стены дома, земли в вашем дворе или продуктов питания. Бытовой дозиметр радиации способен показать уровень гамма-излучения. Альфа- и бета-частицы этот прибор тоже фиксирует, но переводит данные в рентгены или зиверты, как если бы по-прежнему измерял гамма-частицы.

Чтобы измерить уровень потока альфа- и бета-частиц, понадобится дозиметр-радиометр, которому можно «сообщить», какое излучение вы замеряете, и он будет пересчитывать показания в число частиц на квадратный сантиметр площади сечения датчика в единицу времени. То есть, сначала можно измерить данные с фильтром, чтобы получить результат гамма-излучения, после чего снять фильтр, измерить еще раз, вычесть из второго показания первое, и вы получите уровень потока бета-частиц.

Если вы любитель ходить в походы, и ваш маршрут зачастую пролегает в лесу или в горах, обзавестись дозиметром будет полезно. Вам могут попасться загрязненные участки, которые лучше обходить стороной. Внешне они ничем не отличаются от «чистых», и невооруженным глазом их не заметить.

Чтобы получить правильные показания в таких условиях, необходимо, чтобы датчик прибора можно было считать точечным. То есть, источник радиации или расстояние от него до датчика должны быть в разы больше, чем сам датчик. Измерения на поверхности (когда мы кладем дозиметр излучения на источник) могут применяться для источников большого размера – например, загрязненный грунт – или когда необходимо не измерить, а обнаружить наличие излучения с высокой чувствительностью.

Как выбрать бытовой дозиметр

При выборе дозиметра исходите из собственных требований и возможностей прибора. Подумайте, в каких условиях вы будете его использовать, какая точность вам нужна, важно ли наличие дополнительных функций.

Пожалуй, единственная функция, жизненно необходимая для домашнего дозиметра (кроме непосредственно измерения данных) – это наличие детектора, который будет оповещать вас, если уровень излучения выходит за пределы нормы. Кроме этого, в некоторых есть функция контроля накопленной дозы радиации. Например, дозиметр радиации Соэкс измеряет уровень излучения непрерывно, и если накопленная за месяц доза радиации превышает норму, прибор вас предупредит. Особенно это будет полезно для тех, кто часто проходит рентгенографию в больнице или летает на самолетах.

Каждый дозиметр Соэкс изготовлен на базе счётчика Гейгера СБМ-20-1. В некоторых моделях, считающихся профессиональными, встроены сразу два датчика для большей точности. Приборы обладают понятным и простым интерфейсом, ярким дисплеем и функцией сохранения данных либо их передачи на компьютер через USB-порт.

Чтобы измерить данные, необходимо поднести дозиметр к измеряемому объекту и вскоре на экране отобразится результат. Если радиационный фон в норме, данные на экране будут зеленого цвета. Желтый цвет означает, что уровень излучения повышен, красный – уровень излучения является опасным для здоровья.

Если вы хотите измерять радиационный фон продуктов или предметов, можно выбрать самый простой индивидуальный дозиметр. В таком приборе будут все необходимые функции, а самое главное — он сможет определить превышение допустимого уровня радиации. В общем-то, это все, что потребуется в быту.

Если вы заядлый турист, или же ваша работа связана с безопасностью (таможенные службы, МЧС) либо напрямую с АЭС, лучше выбрать более сложное устройство.

Прибор, который вы сможете использовать и как профессиональный, и как бытовой — дозиметр-радиометр Соэкс Квантум . Этот прибор внесен в реестр средств измерения и может использоваться на профессиональном уровне, а при необходимости вы можете проверить его в любой аккредитованной лаборатории. Он обладает двумя счетчиками Гейгера, цветовой и звуковой индикацией и возможностью переноса данных на компьютер.

Если вы используете дозиметр в условиях постоянно повышенного радиационного фона, необходимо защитить прибор. Дело в том, что радиационные частицы могут оседать на корпусе прибора, и тогда показания будут постоянно завышены. Поместите дозиметр в пластиковый zip-lock пакет, и утилизируйте пакет после выхода из области повышенного радиационного фона.