GM indikátor a počítadlo – merač rádioaktivity


       Geiger-Müllerov (GM) indikátor resp. čítač je zariadenie slúžiace na indikáciu (detekciu) ionizujúceho rádioaktívneho žiarenia. Prioritne pre gama ale aj beta žiarenie, niektoré trubice dokážu indikovať aj alfa žiarenie, problémom je jeho nízka prenikavosť. Hlavná súčiastka je samotná GM trubica, ktorá obsahuje inertný plyn, zvyčajne neón + zhášaciu látku (páry metylalkoholu, brómu a pod.) pre zhášanie výboja pod zníženým tlakom. Zapája sa na zdroj zvyčajne 400V pre bežné GM trubice alebo niektoré veľké majú až 800-900V napájanie. Existujú však aj kúsky na ešte vyššie napätia aj k 2kV. Jednu elektródu tvorí plášť trubice a druhú vlákno v strede trubice. Preletom častice žiarenia cez trubicu dôjde k ionizácií zriedeného plynu v trubici a nastane lavínový výboj medzi elektródami, čiže inak povedané dôjde k skratu v elektrickom obvode. Tento skrat znamená krátky impulz, ktorý je detekovaný elektronikou. Zhášacia látka v trubici slúži, ako zhášadlo pre výboj, aby trval čo najkratší čas a trubica bola schopná, čo najskôr detekovať ďalšiu časticu. Čítač nemôže detekovať dva častice letiace hneď po sebe, pretože po ionizácií časticou je GM trubica určitý čas necitlivá. Táto doba sa nazýva „mŕtva doba“. Mŕtva doba spôsobuje, že nie sú detekované všetky častice žiarenia, ale dochádza k určitej strate detekovaných impulzov, pričom táto strata rastie v dôsledku mŕtvej doby s početnosťou (tokom) častíc meraného žiarenia. Dochádza tým k porušeniu lineárnej odozvy rádiometrických prístrojov v oblasti vyšších žiarení. Ďalším faktorom predlžovania mŕtvej doby sú detekčné a tvarovacie obvody, ktoré predlžujú daný impulz vychádzajúci a meraný z GM trubice. Príklad dole na priebehoch, kde sa stráca jeden impulz v rýchlom slede po sebe a je ďalej cez tvarovacie obvody zahltený. Preto ak chceme správne počítať impulzy, musí byť vhodne pripojené počítadlo impulzov.

GM citac GM citac

       Elektronika potom dané impulzy z trubice indikuje blikaním LED, praskaním v slúchadle, výchylkou na ručičkovom meradle. Všetko je to len indikácia prítomnosti rádioaktívneho ionizujúceho žiarenia a jej zvýšenia na nejaké hodnoty oproti prirodzenému pozadiu. Stále je to len indikátor výšky intenzity žiarenia.

       Avšak pripojením počítadla impulzov a spočítaním impulzov vieme spočítať dávku. Podľa počtu napočítaných impulzov za určitý čas, vieme spočítať dávkový príkon. Používa sa jednotka CPM (Counts Per Minute) resp. ešte CPS (Counts Per Second), čiže počet impulzov za minútu resp. za sekundu. S použitím kalibračného prepočtu to vieme prepočítať na dávku či dávkový príkon. Čím viac impulzov z danej trubice (vyššia jej citlivosť), tým väčšia štatistická presnosť za kratší čas. No určiť v amatérskych domácich podmienkach správny prepočet bez kalibračného žiariča je v podstate nereálne. Pri niektorých GM trubiciach sú aj uvedené koeficienty prepočtu podľa Ra226 a Co60 no sú to len orientačné hodnoty. Armáda kalibrovala koeficientom prepočtu podľa Co60 (jadrový výbuch). Ak by si niekto aj zohnal odniekiaľ kontrolný žiarič, znova je problém s jeho súčasnou aktivitou a zrejme to bude aj bez platného certifikátu a pod. V praxi sa kalibruje pomocou etalónov, čo je pre bežného smrteľníka nedostupné. Pri meraní prirodzeného pozadia sa meria mix rôznych žiarení o rôznych energiách. Pri meraní konkrétnych žiaričov alebo rádioaktívnych predmetov, znova máme tam rôzne rádioaktívne látky o rôznych pomeroch alfa/beta/gama o rôznych energiách. GM trubice väčšina nevie detekovať alfa alebo len veľmi slabo a sú rozlične citlivé na rozsahy energií častíc žiarenia. Samotné GM trubice môžu byť v rozličnom stave vzhľadom na ich vek. Ak by niekto meral RTG z rentgenky alebo diódy upravenej pre RTG tak sa môže stať, že GM trubica pre svoju citlivosť a energiu RTG žiarenia bude detekovať o niekoľko desiatok % nižšie hodnoty. Tak asi toľko na úvod k presnosti merania v domácich podmienkach a úvodom do problematiky merania rádioaktivity a ionizujúceho žiarenia. Vzhľadom na problematickosť a obsiahlu tému to nebudem do podrobná rozoberať, viac napríklad v priložených odkazoch.

Jaderná a radiační fyzika
Detekce a spektrometrie ionizujícího záření
Biologické účinky ionizujícího záření
Cosmic Ray Detectors

       Moje GM trubice, na fotke zdola nahor STS-5, STS-6, SI22G a SI23G. Veľká sklenená SI23G je ako jediná až na 800V, ostatné sú na 400V.

STS-5 – staršia generácia GM trubíc pre gama a tvrdé beta žiarenie. Je predchodca SBM-20 trubíc, podobá sa mnohým technickým parametrom, ako aj veľkosti a citlivosti. Používaná ČSLA v rádiometroch RGBT-62.

STS-6 – opäť staršia generácia a predchodca SBM-19 trubíc. Vysoko citlivá GM trubica pre tvrdé beta a gama žiarenie. Používali sa aj v paralelnom zapojení viacerých trubíc pre meranie expozície na základe relatívneho počtu impulzov na vstupe počítadla zo všetkých trubíc.

SI22G – je vysoko citlivá detekčná GM trubica pre tvrdú beta a gama radiáciu. Vyrobená v ZSSR počas 80. rokov pre vojenské potreby sovietskeho inštitútu na vedecký výskum radiácie. Taktiež aj zapájanie viacerých GM trubíc paralelne pre zvýšenie citlivosti.

SI23G – veľmi vysoko citlivá sklenená detekčná trubica, údajne sa používali tieto a im podobné vysoko citlivé GM trubice v paralelnom zapojení viacero veľa trubíc (až 72ks) na hľadanie ložísk uránu z vrtuľníka.

GM citac GM citac

       Pri GM trubiciach sa v praxi používajú dve zapojenia snímania zmien prúdu. U prvom zapojení sa sníma impulzný prúd vyvolaný ionizáciou trubice, ako úbytok napätia na odpore R2 radov stoviek kOhm v katóde trubice. V druhom zapojení sa sníma cez veľký odpor R4 rádovo MOhm úbytok napätia na pracovnom odpore trubice R3. Obe zapojenia fungujú rovnako dobre, no pri snímaní v katóde trubice je odber impulzov z miesta s nižšou impedanciou, čo ma za následok kratšie impulzy. No nesmie sa dotknúť kovovým predmetom kovového obalu trubice pri blízkom meraní žiarenia, keďže tu nie je katóda priamo uzemnená. Vypadne detekcia impulzov z trubice.

zapojenie

       Zariadenie je určené iba pre demonštračné účely. Autor neručí a neberie na zodpovednosť za presnosť prístroja, namerané hodnoty a jeho zlému fungovaniu. V zariadení sa nachádza vysoké napätie a kondenzátory, ktoré ostávajú nabité aj po vypnutí prístroja !!!


Pozri tiež:

Meranie radiačného pozadia

GM počítadlo 1

       Prvá verzia GM počítadla. Cieľom bolo dosiahnuť, čo najmenší odber a napájanie zariadenia z batérií. Zariadenie je napájané napätím od 2V do 6V s odberom prúdu 3 až 6mA v závislosti od výšky napätia. S klesajúcim napätím, rastie prúd ak už napätie klesá pod hranicu 2V rastie odber ešte vyššie. Pod asi 1,7V sa už menič nerozkmitá. Zariadenie je možné napájať napríklad 2 - 4x AA tužkovými batériami, 3x Ni-MH 1,2V alebo 1x Li-Ion (3,6 - 4,2V). Ďalším cieľom bola stabilita, takže bez ohľadu na stav batérií a napájacie napätie, na GM trubici sa stále drží rovnaké napätie a zvyšok elektroniky stále rovnako ráta a detekuje impulzy z trubice.

       Ako zdroj pre GM trubicu slúži jednoduchý jednočinný menič so spätnou väzbou. Transil TVS na 400V (1,5KE400A) vedený z kondenzátora C7 nastavuje výstupné napätie. Vždy pri dosiahnutí daného napätia transilu začne tiecť prúd, pootvorí sa tranzistor T2 a obmedzuje striedu oscilátora na spínacom tranzistore T1. Nastane tam rovnovážny stav, kedy je výstupné napätie z kaskadného násobiča stabilizované na cca 392,5V. Na výstupe transformátora je použitý násobič pre zníženie rozkmitu amplitúdy napätia na spínacom tranzistore T1, nižšie napätie na sekundárnej cievke, nižšie straty v jadre a nižšie kapacitné straty pre dosiahnutie ešte nižšieho odberu zariadenia z batérií. Pre najvyššiu účinnosť meniča sa dostaví minimálny odber prúdu s trimrom P1 v spätnoväzobnej cievke. Pozor pri nastavovaní trimrom P1, aby to nebolo nastavené úplne na hrane, kedy ešte vôbec daný oscilátor vôbec kmitá, inak po opätovnom zapnutí nemusí nabehnúť. Je nutné nájsť vhodný pracovný bod. Filter z cievky L1 a kondenzátorov na vstupe slúži, ako filter pred VF vyžarovaním z meniča.

       Transformátor je navinutý na hrnčekovom jadre priemeru 35mm. Na pôvodnej plastovej kostričke je vinutá primárna cievka 45z, tak feedback cievka 15z, dva vrstvy izolácie z izolačky a tak sekundárna cievka s 560z a znova izolácia s izolačky. Hlavne si označiť začiatky a konce vinutí, čo som spravil s červenou a modrou zmršťovacou bužírkou. V schéme orientácia vinutí bodkami, bodka je v tomto prípade začiatok vinutia.

       Zapojenie bolo testované s GM trubicami STS-5, STS-6 a SI22G. Všetko sú to ruské GM trubice na 400V. Čas dĺžky pulzu sa mi pri STS-5 a STS-6 podarilo dosiahnuť na hodnotu cca 160us, pri SI22G to bolo až do 200us. Aktuálne toto zapojenie používam primárne s GM trubicou STS-6, no cez svorkovnicu môžem mimo DPS pripojiť čokoľvek na 400V.

       Stabilizované napätie 6,1V pre zvyšnú elektroniku sa získava usmernením z nakmitaného napätia kolektoru tranzistora T1. Opäť filter z cievky L2 a kondenzátorov naokolo s jednoduchým stabilizátorom s tranzistorom T4.

       Počítadlo impulzov je pripojené hneď za prvým tranzistorom T3 za GM trubicou, pre detekovanie reálnych impulzov, ktoré idú z trubice. Ďalej nasleduje tvarovací obvod na predĺženie impulzov na 400us pre červenú LED a slúchadlo, prípadne nejaký repráčik či čokoľvek iné. Potom cez diódu D7 sa napája integračný článok R11 a C15 pre ručičkový u-ampérmeter a s trimrami P2 a P3 sa nastaví vhodná citlivosť a max výchylka. Zmena rozsahu, čiže počet pulzov pri ktorom pôjde ručička za roh sa nastaví zmenou kapacity C15. Takto primitívny integračný článok však nemá na výstupe lineárny prírastok napätia s počtom pulzov. Ak by sa počítadlo pripojilo až ďalej za tvarovacím obvodom niekde k slúchadlu a LED, tak by nepočítalo všetky impulzy, lebo časť by sa strácala v dlhých 400us impulzoch. Pri LED a slúchadle, chceme aj vidieť a počuť, takže je nutné predĺžiť impulz.

Schema

       Nejaké fotky z vývoja zapojenia na kontaktnom poli až po osadenie na DPS. Prvotne to bolo s STS-5, no potom som prešiel na citlivejšiu STS-6, ako mi došla GM trubka z Ukrajiny. Na posledných fotkách v ampulke vzorky uránovej rudy a tóriová pančucha do lucerny. Nejaký pokec a viac informácií o rádioaktívnych predmetoch a nameraných hodnotách v inom článku. Čo sa týka rôznej citlivosti GM trubíc, tak všetko závisí od použitia. Či je to na meranie prirodzeného pozadia, slabo rádioaktívnych predmetoch, kde sa pri citlivej trubici impulzy strácajú v pozadí alebo nejaké silné RTG z rentgenky. Avšak nezabúdať, že ťažko očakávať nejaké presne hodnoty v domácich podmienkach s takouto GM trubicou.

GM citac GM citac GM citac GM citac
GM citac GM citac GM citac GM citac


GM počítadlo 2

Verzia 2.0:
       Druhá verzia GM počítadla je už riešená so snímaním impulzov v katóde trubice, kedy som dosiahol ešte kratšie časy pulzov. Pri trubici STS-5 to bolo okolo 2,6us a pri SI22G okolo 3,8us, čo je úplne skvelé a hodí sa takéto riešenie zapojenia pre ďalšie pokračovanie projektu GM počítadla s paralelným zapojením viacerých GM trubíc pre vyššiu citlivosť, ale o tom až neskôr.

       Samotné GM počítadlo som rozdelil na dva DPS pre menič na univerzálnej doske a samotný detektor s trubicou. Mám v pláne ďalšie pokračovanie a testovanie ešte iných zapojení, tak aby som mal univerzálny menič na 400V a 800V pre ďalšie zapojenia a GM trubice. Menič ostáva rovnaký, ako v prvej verzii s pár zmenami, dal som na sekundárnu cievku až 700z, len zdvojovač za transformátorom, hrnčekové jadro ostáva rovnaké s priemerom 35mm a pridal som ďalší 400V transil s jumperom na prepínanie výstupného napätia medzi 400 a 800V. Mám aj veľkú GM trubicu SI23G, ktorá potrebuje až 800V, tak aby som už mal použiteľný menič na napájanie. Avšak bude treba pre ňu inak riešiť elektroniku na detekciu impulzov, lebo táto aktuálna nechcela správne spolupracovať.

       Druhá časť elektroniky na detekciu impulzov z GM trubice sa zjednodušila a väčšina tranzistorov a súčiastok bola nahradená dvoma NE555. Horná 555 je čisto pre počítadlo s krátkymi impulzmi, aby sa pri zvýšenom žiarení nezahlcovali a nestrácali pulzy a počítadlo rátalo všetko, ako ide z GM trubice. Potom samotné zahltenie impulzov je už len čisto na citlivosti a mŕtvom čase samotnej GM trubice. Spodná 555 je s dlhším časom, rovnako, ako pri prvom zapojení 400us pre slúchadlo a červenú LED, logicky, aby aj bolo to blikanie LED vidieť a počuť praskot. V tomto prípade strácanie a zahltenie impulzov nie je dôležité, rovnako, ako v predošlom zapojení. Dôležité je počítať každý impulz z GM trubice.

       Táto verzia GM počítadla 2.0 je napájaná pevným napätím 5V s odberom 10-11mA.

Schema

       Pár fotiek z vývoja, menič šiel na univerzálnu dosku s možnosťou prepínania medzi 400V a 800V, detekčný obvod klasika na DPS. Skúšal som aj veľkú GM trubicu SI23G, ale detekčný obvod nespolupracoval, chce ho inak riešiť pre túto trubku. Trubka má rozdielne impulzy, to niekedy inokedy. Na poslednej fotke je pripojená SI22G.

GM citac GM citac GM citac GM citac
GM citac GM citac

Verzia 2.1:
       Ďalšie vylepšenie GM počítadla 2.1 má doplnené stabilizované napájanie pre NE555, znova z nakmitaného napätia na kolektore tranzistora T1 cez usmerňovaciu diódu D4, filter a jednoduchým stabilizátorom s tranzistorom T4. V tomto prípade už je možné napájať zariadenie znova z batérií. Ideálne 1x Li-Ion (3,6 - 4,2V) alebo 3 - 4x Ni-MH 1,2V či 3 - 4x AA tužkové batérie. Zariadenie pracuje najlepšie s napätím 3 – 6V s odberom prúdu podľa napätia v rozmedzí 20,5 – 45mA. S klesajúcim napätím na batériách rastie prúd nahor.

       Jediná vec, ktorá tu už nie je, je pripojenie ručičkového u-ampérmetra, ktorý som nepokladal za dôležitý. Aj tak je to len nič nehovoriaca výchylka, na LED a slúchadle aspoň vidím a počujem početnosť impulzov a dôležité je pre mňa počítať impulzy. No nie je problém na výstup dolnej 555 pripojiť aj u-ampérmeter s integračným článkom podľa potreby.

Schema

       Posledné fotky tohto GM počítadla, k meniči pribudla ešte 5V vetva na napájanie 555. Pri meniči ešte vidieť 200V zenerové diódy, ktoré som neskôr vymenil za 400V transily zo spodku DPS.

GM citac GM citac GM citac GM citac


Datasheety používaných GM trubíc


STS-5:

STS-5


STS-6:

STS-6


SI22G:

SI22G

Working Voltage: 360 – 440V
Initial Voltage: 285 – 335V
Recommended Operating Voltage: 400V
Plateau Length: 100V
Plateau Slope: 0.125% / 1V
Inherent counter background (cps): 1.16 Pulses/s
Cobalt-60 Pulse Gamma Sensitivity: 540 pulse/mkR
Inter-electrode (internal) Capacitance: 10pF
Load Resistance: 9 – 13 MOhms
Working Temperature Range: -50 to +70
Length: 220mm
Diameter: 19mm


SI23G:

SI23G


© copyright 2010 - 2019   |   Jakub Tejiščák   -   tesla.kubo(zavináč)gmail.com