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: базовая теория
Принцип работы счётчика Гейгера прост. Тонкостенная трубка с газом при низком давлении внутри (трубка Гейгера-Мюллера) подвергается действию тока высокого напряжения. Создаваемого электрического поля недостаточно для диэлектрического пробоя, поэтому ток через трубку не течёт – до тех пор, пока фотон ионизирующего излучения не пройдёт через неё.
Когда сквозь трубку проходит бета- или гамма-излучение, оно может ионизировать часть молекул газа внутри, что приводит к появлению свободных электронов и положительных ионов. Частицы начинают двигаться под воздействием электрического поля, и электроны набирают достаточно скорости, чтобы начать ионизировать другие молекулы, что приводит к каскаду заряженных частиц, которые на короткое время начинают проводить ток. Этот краткий импульс тока можно зарегистрировать при помощи приведённой схемы, которая создаёт щёлкающий звук, или, как в данном случае, передаёт информацию в микроконтроллер, который может проводить вычисления с этими данными.
Я использую трубку Гейгера-Мюллера SBM-20, поскольку её легко найти на eBay, и она достаточно чувствительна к бета- и гамма-излучению.
Шаг 2: запчасти и сборка
В качестве проекта я использовал плату NodeMCU с микроконтроллером ESP8266. Мне хотелось взять то, что можно программировать как Arduino, и что будет достаточно быстрым, чтобы отрисовывать изображение на экране без задержек.
Для подачи высокого напряжения я использовал трансформатор с Aliexpress – он подаёт 400 В на трубку Гейгера-Мюллера. Учитывайте, что при проверке выходного напряжения его не получится измерять мультиметром напрямую – при слишком малом импедансе напряжение будет падать, и показания будут неточными. Сделайте делитель напряжения с сопротивлением не менее 100 МОм последовательно с мультиметром.
Питается устройство от аккумулятора формата 18650, через ещё один трансформатор, подающий стабильные 4,2 В на оставшуюся схему.
Вот список всех необходимых компонентов:
- SBM-20 GM трубка (ищите на eBay).
- Высоковольтный трансформатор (AliExpress).
- Трансформатор для 4,2В (AliExpress).
- Плата NodeMCU esp8266 (Amazon).
- 2.8" SPI сенсорный экран (Amazon).
- 18650 батарейка (Amazon) или любая LiPo батарейка на 3,7 В (500+ mAh).
- 18650 держатель для батарейки (Amazon). Этот держатель оказался великоват для платы, и мне пришлось загнуть контакты внутрь. Рекомендую взять батарейку LiPo поменьше, и припаять провода от разъёма JST к контактам для питания на плате.
Различные электронные компоненты:
- Рещисторы на 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1,8M, 3M Ом. Для создания делителя напряжения также потребуются резисторы на 10 МОм.
- Конденсаторы: 220 пФ.
- Транзисторы: 2N3904.
- Светодиод 3 мм.
- Пищалка: любой пьезоэлемент на 12-17 мм.
- Держатель для предохранителя 6,5 х 32 (для надёжного крепления трубки).
- Выключатель 12 мм.
У себя на GitHub я выложил схему в PDF – там видно, как соединять все компоненты. Скорее всего, дешевле заказывать их у оптовых продавцов типа DigiKey или LCSC. На GitHub есть электронная табличка с моим заказом с LCSC для большинства компонентов.
Плату делать необязательно, но с ней сборка схемы становится проще и аккуратнее. Файлы Gerber для производства платы я также выложил на GitHub. После того, как я получил готовую плату, я сделал несколько исправлений в схеме, поэтому дополнительные джамперы в новой схеме не нужны – хотя я её не проверял.
Корпус распечатан на 3D-принтере из пластика PLA, их можно скачать здесь. Я подправил CAD-файлы, добавив отверстия для крепления новой платы. Всё должно работать, хотя я это не проверял.
Шаг 3: код и интерфейс пользователя
Для создания интерфейса дисплея я использовал библиотеку Adafruit GFX. Код выложен на GitHub.
Главная страница интерфейса показывает текущую дозу, количество срабатываний в минуту и общую накопленную дозу с момента включения устройства. Пользователь может переключаться между быстрым и медленным суммированием, меняя интервал подсчёта промежуточных сумм с 3 до 60 секунд. Пищалку и светодиод можно включать и выключать отдельно.
Есть меню базовых настроек, позволяющее пользователю менять единицы измерения дозы, порог предупреждения и фактор калибровки, соотносящий количество срабатываний в минуту и мощность дозы излучения. Все настройки сохраняются в EEPROM, и восстанавливаются после перезапуска.
Шаг 4: проверка и заключение
Счётчик Гейгера срабатывает 15-30 раз в минуту от естественного фонового излучения, чего и следует ожидать от трубки SBM-20. Небольшой образец урановой руды регистрируется как средне радиоактивный, в районе 400 щелчков в минуту, а ториевая лампа может заставить счётчик регистрировать по 5000 щелчков в минуту, если держать его вплотную к ней!
Счётчик потребляет 180 мА при 3,7 В, поэтому батарейки на 2000 мАч должно хватить примерно на 11 часов.
Я планирую точно откалибровать трубку на стандартном источнике из цезия-137, что сделает показания более точными. В качестве будущих улучшений можно добавить поддержку WiFi и запись данных, поскольку у ESP8266 есть встроенный WiFi.
Надеюсь, мой проект показался вам интересным!
Автор: Вячеслав Голованов
