Приветствие и цель проекта
Друзья, приветствую всех любителей технического творчества! В этой статье я подробно расскажу о создании универсального самодельного радиометра «Атом-Скан». Этот прибор уникален своей способностью работать с самыми разными счетчиками Гейгера, включая слюдяные, и детектировать альфа-, бета- и гамма-излучение. Мы пройдем весь путь: от сборки схемы и поиска компонентов до настройки, 3D-печати корпуса и сравнительных испытаний с другими дозиметрами, чтобы выяснить, на что способна эта самоделка.
История создания и вдохновение
Всё началось с находки на радиорынке старого счетчика Гейгера с боковым окошком. Продавец утверждал, что он может регистрировать альфа-частицы. Эта встреча пробудила интерес, и начались поиски схем для его «оживления». На одном из форумов я познакомился с разработчиком под ником DocDizel, который как раз работал над подобным проектом. Исходная прошивка поддерживала лишь несколько моделей счетчиков, но после нашего общения и обсуждения моих идей проект был доработан. В результате появилась практически универсальная прошивка, превратившая устройство в гибкий инструмент для радиометрических измерений.
Первые испытания и терминология
Первые полевые испытания радиометра прошли в Припяти. Прибор, закрепленный на штанге металлоискателя с слюдяным счетчиком СБТ10 внизу, зафиксировал максимальный фон у гостиницы «Полесье» — около 2 мР/ч. Этот опыт доказал работоспособность концепции. Прежде чем двигаться дальше, важно разграничить понятия. Дозиметр — это прибор, измеряющий накопленную дозу облучения за определенное время (например, RadiaScan, RadiaCode, бытовые «карандаши»). Радиометр (к которому относится и «Атом-Скан») показывает текущую мощность дозы в конкретной точке пространства (как, например, «Белла» или «ДП-5»).
Цель и начало разработки
Моей целью было создать максимально компактный и чувствительный прибор. После нескольких часов работы была готова принципиальная схема, а через две недели из Китая пришли изготовленные печатные платы (я заказываю на PCBWay). Сборка первого прототипа прошла успешно, что, как шутят преподаватели, большая редкость для первого раза.
Компоненты и детектор
Для сборки нужен базовый набор радиодеталей и дисплей от старого кнопочного телефона (например, Nokia 1280). Сердце устройства — микроконтроллер ATmega88PA-AU. Также потребуются SMD-резисторы и конденсаторы размера 0805, транзисторы, кнопки, разъем microUSB, пьезоизлучатель, дроссель и элементы высоковольтного преобразователя. В качестве детектора я использовал слюдяной счетчик СБТ-11А, который, согласно распространенному мнению, обладает повышенной чувствительностью к альфа-излучению благодаря тонкому слюдяному окну.
Типы счетчиков Гейгера
Счетчики Гейгера делятся на несколько типов. Стеклянные (например, СИ3БГ) регистрируют только жесткое гамма-излучение. Металлические (СБМ20, СИ21) видят жесткое бета- и гамма-излучение. Наиболее универсальны слюдяные счетчики (СБТ10, СБТ11), способные детектировать альфа-, мягкое бета- и гамма-излучение. Чувствительность к альфа-частицам зависит от толщины слюды. Универсального датчика, который одинаково хорошо регистрирует все виды излучения, не существует — каждый оптимизирован под свой диапазон.
Процесс пайки и настройки
Пайку нужно проводить аккуратно, с хорошим флюсом и паяльником. Особое внимание — к высоковольтной части. На плате есть площадка для керамического конденсатора (5-10 пФ, на 500 В), через который импульсы со счетчика поступают на микроконтроллер. После пайки плату необходимо тщательно промыть. Затем устанавливаются дисплей, кнопки и разъем. Процесс сборки занимает около 30 минут.
Далее микроконтроллер нужно запрограммировать. Я использовал старый программатор USBASP. В архиве с проектом есть отдельные прошивки для разных счетчиков и универсальная версия. После прошивки на экране появляется значок радиационной опасности.
Важные компоненты: экран и дроссель
Дисплей можно найти в старых телефонах Nokia (1202, 1203, 1280) или заказать отдельно. Выпаивать его нужно осторожно, с прогревом всей платы. Ключевой элемент высоковольтного преобразователя — дроссель с индуктивностью 2-7 мГн. Идеальный вариант — планарные дроссели для компактности. Интересный лайфхак: дроссель из драйвера светодиодной лампы можно использовать как основу для самодельного повышающего трансформатора, что решает проблему с намоткой.
Настройка схемы
Настройка начинается с проверки сигналов на затворе силового транзистора IRF840 с помощью осциллографа. Далее нужно откалибровать делитель для измерения напряжения батареи, подбирая резистор так, чтобы показания на экране совпадали с реальным напряжением. При падении ниже 3В прибор отключается для защиты аккумулятора.
Самый ответственный этап — настройка высоковольтной части. Без специализированного оборудования (например, электростатического киловольтметра С50) это сложно. Принцип его работы похож на школьный электроскоп, но он практически не вносит искажений в измеряемую цепь. Подбирая емкость накопительного конденсатора (я использовал SMD-конденсаторы на 500 В), нужно добиться, чтобы импульсы подкачки возникали примерно раз в секунду, а напряжение на счетчике стабильно держалось на уровне 400 В. В моем случае подошла емкость 3 нФ.
Обратная связь в схеме устроена умно: супрессор ограничивает напряжение на уровне 400В. Если импульс с дросселя превышает этот порог, защитный диод шунтирует избыток, и микроконтроллер, детектируя это событие, регулирует скважность импульсов. Получается экономичная и надежная схема без необходимости мотать трансформатор.
Проверка напряжения на разных приборах
Я проверил рабочее напряжение на счетчиках нескольких дозиметров. У большинства самодельных и промышленных образцов («Белла», РКГБ-01, «Сосна») оно было в допустимом диапазоне 380-460 В. Больше всего удивил китайский дозиметр FNIRSI GC-01, у которого напряжение на счетчике достигало 650 В, что явно превышает паспортные нормы и может сократить срок службы датчика.
Краткий обзор FNIRSI GC-01
Несмотря на завышенное напряжение, у этого прибора есть плюсы: низкая цена (около $45), удобный корпус с прорезиненными вставками, цветной дисплей, USB Type-C и длительное время работы. Он позиционируется как бытовой дозиметр-радиометр. Внутри установлен стеклянный счетчик J321 (аналог СБМ20). Его точность мы проверим в сравнительном тесте.
Обратите внимание: Иммунная система Альпаки поможет в лечении больных раком.
Подключение счетчика и первая проверка
При подключении счетчика критически важно соблюдать полярность (для СБТ11 три нижних вывода — аноды, два верхних — катоды). Ошибка приведет к тлеющему разряду и быстрому выходу датчика из строя. Для проверки работоспособности я использовал источник альфа-излучения на основе америция-241 из дымового извещателя. Радиометр среагировал увеличением показаний и отображением на экране символа опасности.
Корпус и внешний вид
Носить плату с проводами неудобно, поэтому я смоделировал в SolidWorks компактные корпуса под разные счетчики (СБТ10 и СБТ11) и напечатал их на фотополимерном принтере. После обработки (удаление поддержек, шлифовка) корпус был собран. Плата фиксируется внутри с помощью термоклея. Для украшения я добавил в эпоксидную смолу светонакопительный порошок — в темноте прибор выглядит очень эффектно.
Потребление устройства минимально: 1.2 мА с выключенной подсветкой, 8 мА с включенной и менее 1 мкА в спящем режиме.
Программная настройка и калибровка
Первым делом нужно скорректировать встроенные часы микроконтроллера, сравнив время замера на приборе с эталонным на телефоне. Полученный поправочный коэффициент вводится в меню. Это нужно для точного расчета накопленной дозы.
Затем настраивается чувствительность под конкретный счетчик. Поскольку площадь счетчиков разная, они регистрируют разное количество частиц фонового излучения за одно и то же время. Например, для СБТ10 время счета для отображения фона 12 мкР/ч составляет 6 секунд. Для СБТ11 с меньшей площадью это время нужно увеличить до 36 секунд. Коэффициенты для популярных счетчиков известны и вносятся в меню устройства. Если вашей модели нет в списке, коэффициент подбирается экспериментально, замеряя естественный фон.
Измерение разных видов излучения
«Атом-Скан» может раздельно оценивать активность альфа-, бета- и гамма-излучения. Для этого используется метод экранирования. Прибор помещается на источник, и начинается измерение общей активности. Затем между источником и датчиком помещается лист бумаги (задерживает альфа-частицы), и измерение повторяется — так определяется бета-гамма составляющая. После этого добавляется свинцовая пластина (поглощает бета-излучение), что позволяет оценить только гамма-составляющую. Разница в показаниях дает искомые значения.
В полной темноте можно наблюдать вспышки внутри счетчика при регистрации частиц — зрелище завораживающее.
Сравнительный тест счетчиков
Я проверил чувствительность разных счетчиков к альфа-излучению (от америция-241) и бета-излучению (от фильтра ЗС-7). Рекордсменом по альфа-чувствительности стал счетчик СБТ11А, показавший 1765 импульсов в секунду, что в 30 раз больше, чем у СБТ10. По бета-излучению результаты больше зависели от площади окна счетчика. Идеального датчика «на все случаи» не существует, поэтому в профессиональной технике их часто комбинируют.
Масштабное сравнение бытовых дозиметров
Я собрал коллекцию бытовых дозиметров и радиометров для масштабного сравнения. Устройства можно разделить на категории: 1) измеряющие только гамма-фон (со свинцовым экраном или сцинтилляционные), 2) измеряющие гамма + жесткое бета (часто в пластиковом корпусе), 3) способные оценивать плотность потока бета-излучения, 4) универсальные со слюдяными счетчиками (как «Атом-Скан»), детектирующие альфа-частицы.
В течение двух дней все приборы тестировались на одном источнике (фильтр ЗС-7). Результаты сведены в таблицу. Выяснилось, что показания гамма-фона у большинства приборов близки. Показания «гамма+бета» зависят от конструкции. «Атом-Скан», будучи самоделкой, показал себя достойно. Китайский FNIRSI GC-01 также продемонстрировал адекватную работу, особенно учитывая его цену.
Заключение
Работа над этим проектом заняла около двух месяцев. Стоимость комплекта для сборки «Атом-Скан» (без счетчика Гейгера) составляет около 20 долларов. Это, пожалуй, один из самых доступных и интересных проектов в области любительской дозиметрии. Благодаря DocDizel, создавшему эту схему и прошивку, каждый энтузиаст может собрать свой собственный универсальный радиометр. Дозиметрия — это увлекательный раздел прикладной физики, который позволяет лучше понять мир вокруг нас.
Поддержите нас на YouTube
Поддержите нас на Патреоне
Наш инстаграм
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: ТАКОЙ ДОЗИМЕТР МОЖЕТ СДЕЛАТЬ КАЖДЫЙ.