Самодельный счётчик Гейгера на ESP8266 с сенсорным экраном

Привет всем! Как ваши дела? Сегодня я хочу показать вам, как сделать счетчик Гейгера своими руками. Я начал создавать этот прибор примерно в начале прошлого года. С тех пор он претерпел мою лень и три полных переосмысления.

Идея сделать бытовой дозиметр появилась в самом начале моего увлечения электроникой, идея радиации всегда интересовала меня.

Разновидности конструкций самодельных счетчиков Гейгера

Счетчик Гейгера своими руками разработали и изготовили уже многие конструкторы-любители. Вариантов конструкций много. Известны наиболее распространенные схемы самодельных разработок:

• Радиометр, с использованием стартера от лампы дневного света или неоновой лампы в качестве датчика бета- и гамма-излучения.
• Простой самодельный индикатор радиации на базе датчика СТС-5.
• Простейший дозиметр с датчиком СБМ-20.
• Малогабаритный радиационный индикатор на базе датчика СБТ-9.
• Индикатор ионизирующего излучения на базе датчика из полупроводникового прибора — диода.
• Простейший индикатор радиации с самодельным разрядником, изготовленным из ПЭТ-бутылки и консервной банки.

Как собрать дозиметр радиации своими руками

Существует большое количество схем по сбору портативного устройства для измерения радиационного фона. Для начинающих постигать основы радиотехники подойдут самые простые устройства на резисторах СБМ-20. Более опытные любители могут сконструировать дозиметр радиации своими руками с двух- или трехпроводным детектором, а также используя векторные или интегральные резисторы.

Независимо от выбора схемы будущего устройства, при его сборке стоит использовать несколько простых правил. Они позволят получить максимально качественный прибор, который будет безопасен для жизни и здоровья человека. Большинство экспертов советуют:

1. Использование 400 вольтовых счетчиков. Если модуль рассчитан на 500 вольт, придется вносить дополнительные корректировки в настройки цепи.
2. Перед началом использования прибора необходимо измерить его выходную мощность при помощи 10 Мом вольтметра. Оно должно составлять ровно 400 вольт. Стоит помнить, что несмотря на малую удельную мощность, при неправильной настройке конденсаторы могут нести опасность здоровью.
3. Необходимо исключить возможность доступа к элементам, на которые подается высокое напряжение. Корпус должен плотно закрывать электрические приборы.
4. Подключение всех узлов производится при отключенном питании и разряженных конденсаторах.

Несмотря на выбор схемы будущего устройства, общий принцип работы дозиметра радиации будет практически одинаковым. Он будет выдавать некоторое количество звуковых сигналов. При нормальном радиационном фоне этот показатель будет на уровне 30. Увеличенное количество сигналов говорит о значительном повышении уровня загрязнения окружающей среды.

Схема простого дозиметра своими руками за 3 минуты

Такой метод позволяет получить самодельный прибор для измерения радиации в максимально короткие сроки. Технология подразумевает минимальный набор навыков и самое простое оборудование.

Чтобы изготовить такое устройство, потребуется:

• пластиковая бутылка;
• консервная банка;
• простой тестер;
• 20 см медной или стальной проволоки;
• транзистор кп303.

У жестяной банки удаляют верхнюю часть и слегка полируют края наждачной бумагой, чтобы не поранить руки. Бутылку обрезают под горлышко, оставляя около 10-15 см — она должна плотно входить в банку. В крышке делают 2 отверстия — в одно из них вставляют проволоку, чтобы она выходила на 1-2 см. После этого второй конец загибают и вставляют во вторую дырку.

Важно! Конец проволоки ни в коем случае не должен касаться дня жестяной банки.

Тестер выполняет роль измерительного прибора

Ножку транзистора прикручивают к получившейся петле. К его истоку и стоку подключают клеммы тестера. После этого можно приступать к непосредственной калибровке дозиметра. В качестве эталона используют лабораторные источники излучения.

Схема дозиметра своими руками на СБМ-20

Более продвинутые модели можно собрать, использовав специальные счетчики. СБМ-20 состоит из герметичной трубки — катода, сквозь который проходит анод в виде проволоки. Внутри полость наполнена газом — это обеспечивает оптимальную электропроводность.

Также для дозиметра радиации своими руками потребуется:

• счетчик на 400 вольт СТС-5;
• резистор до 2 вт;
• керамические или бумажные конденсаторы.

Дозиметр состоит из двух пластиковых блоков — сетевого выпрямителя и индикатора. Их соединяют между собой разъемом. Сетевой выпрямитель собирают согласно схеме. Перед включением необходимо зарядить конденсаторы — для этого прибор включают в сеть на небольшой промежуток времени.

Важно! Устройство в сборе должно иметь закрытый блок с резисторами. Недопустимо прикасаться к их контактам голыми руками.

Каждый из блоков должен быть герметично укрыт в пластиковом корпусе

После зарядки к дозиметру подключают телефоны с высокими показателями сопротивления. При естественном природном уровне радиации аппарат будет регистрировать редкие телефонные сигналы. Загрязнение окружающего пространства повлечет более частые сигналы. Если дозиметр совсем замолчал — скорее всего, кончился заряд конденсаторов. Полностью заряженное устройство способно работать около 20 минут.

Дозиметр с двухпроводным детектором своими руками

Такой прибор отлично подойдет для улавливания значительных изменений радиации. Процесс изготовления такого дозиметра не доставит сложностей опытным радиолюбителям.

Для его сбора своими руками необходимо:

• конденсатор проходной;
• двухпроводной детектор;
• 3 резистора;
• одноканальный демпферный элемент;
• пластиковый контейнер.

Для конструкции не используют расширители, предпочитая им резонансные выпрямители. Демпфер ставят непосредственно после детектора для снижения амплитуды колебаний. За ним устанавливают проходной конденсатор — именно он определяет исходную дозу радиации. Изготовленный своими руками по такой технологии дозиметр будет более чувствительным к колебаниям радиации, однако потребует больше времени в сборке.

Дозиметр с трехпроводным детектором своими руками

Более сложные устройства относят уже к профессиональным приборам измерения. Они показывают не только уровень радиации, но и текущую мощность излучения. Задача сборки такого дозиметра может стать сложной даже для опытных радиолюбителей.

Важно! Детектор устанавливают лишь после закрепления всех проходных конденсаторов.

Для сборки используют электролитические резисторы закрытого типа и одноканальные демпферы. В выборе расширителей отдают предпочтение низкочастотным вариантам. Замер радиации выполняется только резонансными выпрямителями.

Дозиметр радиации на трехканальном детекторе позволяет замерять также мощность излучения

Мощность собранного своими руками дозиметра зависит от используемого выходного резистора. Отдельным моментом при сборке такого аппарата стоит отметить довольно частый отказ от использования стабилитронов — они являются причиной высоких погрешностей при измерении.

Как сделать самому дозиметр с векторными резисторами

Векторные элементы являются дополнением к более традиционным приборам с сетевыми детекторами. Основным отталкивающим фактором в изготовлении таких дозиметров радиации является итоговая цена основной запчасти — ее приобретение может вылиться в довольно внушительную сумму.

Векторные резисторы более дорогостоящие по сравнению с другими аналогами

Как и в случае с детекторными дозиметрами векторные резисторы устанавливают лишь после закрепления всех проходных конденсаторов. Число последних может варьироваться от одного до двух на одну модель в зависимости от желаемой мощности. Для нормальной работы необходимы конденсаторы объемом около 20 пФ.

Важно! При большом количестве проходных конденсаторов может значительно увеличиваться сопротивление, и, как следствие, итоговые погрешности.

После установки векторных резисторов в дозиметр радиации можно переходить к монтажу выпрямителя. Лучше всего использовать модели резонансного типа. Кроме того, эксперты говорят о возможности применения позиционных выпрямителей. После полного сбора устройства его помещают в пластиковый корпус и калибруют в лабораторных условиях.

Самодельный дозиметр с интегральными резисторами

Изготовленный по такой технологии прибор отличается высокими показателями чувствительности. Схема дозиметра радиации своими руками на микроконтроллере не представляет сложностей для опытных радиолюбителей. Встречаются как одноканальные, так и многоканальные модели.

Первым делом для изготовления дозиметра радиации своими руками необходимо подобрать корпус. Подойдет обычная пластиковая коробка соответствующих размеров. В нее устанавливают демпфер. Дальнейшая сборка совпадает с технологией изготовления прибора с векторными резисторами.

Особенностью интегральных резисторов является высокая точность измерения

Важной особенностью является установка конденсаторов после резисторов. В среднем понадобится около 3 элементов. Чувствительность конденсаторов напрямую зависит от используемого расширителя. После подбирается специальный счетчик двоичного типа. Их устанавливают непосредственно на сам детектор.

Устройства счетчика Гейгера-Мюллера и принципы работы

Газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера, главным образом, выполняются как герметичные трубки, стеклянные или металлические, из которых выкачан весь воздух. Его заменяют добавленным инертным газом (неоном или аргоном или их смесью) при невысоком давлении, с галогеновым или спиртовыми примесями. По осям трубок натянуты тонкие проволоки, а соосно с ними расположены металлические цилиндры. И трубки и проволоки – это электроды: трубки – катоды, а проволоки – аноды.

К катодам подключаются минусы от источников постоянного напряжения, а к анодам – с использованием большого постоянного сопротивления – плюсы от источников с постоянным напряжением. С электрической точки зрения выходит делитель напряжения. а в середине него уровень напряжения почти такой же, как напряжение на источнике. Как правило, он может доходить до нескольких сот вольт.

В процессе пролета ионизирующих частиц через трубки, атомы в инертном газе, которые уже находятся в электрополе высокой интенсивности, сталкиваются с этими частицами. Та энергия, которая была отдана частицами в процессе столкновения немалая, ее хватит для того, чтобы оторвались электроны от атомов газа. Образовавшиеся электроны вторичного порядка сами в состоянии формировать дальнейшие столкновения, после чего выходит целый электронный и ионный каскад.

При воздействии электрополя происходит ускорение электронов по направлению к анодам, а положительно заряженных ионов газа – к катодам трубок. Вследствие этого зарождается электроток. Поскольку энергию частиц уже израсходовали для столкновений, целиком или отчасти (частицы пролетели через трубку), ионизированные атомы газа стали заканчиваться.

Как только заряженные частицы попали в счетчик Гейгера-Мюллера, путем зарождающегося тока произошло падение сопротивления трубки, одновременно с этим изменяется напряжение в центральной отметке разделителя, о чем было указано ранее. После этого сопротивление в трубке в результате его роста возобновляется, а уровень напряжения снова приходит в прежнее состояние. В результате, получаются отрицательные импульсы напряжения. Произведя отсчет импульсов, можно установить количество частиц, которые пролетели. Самая большая интенсивность электрополя наблюдается рядом с анодом, благодаря его малым размерам, вследствие этого счетчики становятся более чувствительными.

Радиация – стоп!

Для поддержания контроля радиоактивного излучения в бытовых и во многих профессиональных сферах используют счетчик Гейгера-Мюллера. Этот счетчик стал одним из важнейших детекторов излучения еще 18 в. Прибор изобретен в 1908 немецким физиком-экспериментатором Хансом Вильгельмом Гейгером, а в 1928 году, благодаря совместной работе с Вальтером Мюллером, счетчик был усовершенствован.

В основном счетчик Гейгера-Мюллера использовался для регистрации и измерения интенсивности процессов распада радиоактивных материалов при разработке атомной энергетики и при создании ядерного оружия.
Принцип работы прибора основано на эффекте ударной ионизации газовой среды под действием радиоактивных частиц или квантов электромагнитных колебаний в межэлектродном пространстве при высоком ускоряющем напряжении.

Строение и принцип работы

Счётчик состоит из стеклянного баллона, наполненный инертным газом (обычно аргон или неон). Внутри баллона, вдоль его оси, натянута металлическая нить являющаяся анодом, а вокруг нити расположен цилиндрический металлический катод. Электроды Анод и Катод подключаются к источнику высокого напряжения через нагрузочное сопротивление R (через резистор), который формирует электрические импульсы при регистрации радикальных частиц.

Обычно в стартовом состоянии показатели сопротивления между электродами высокие, при отсутствии заряженных частиц, при этом ток по цепи не идет. Но при попадании во внутрь баллона ионизирующей частицы g-квант, происходит ионизация атома Ar, в результате появляется положительно заряженный ион Ar и отрицательно заряженный электрон. Отрицательные электроны движутся ускоренно к Аноду, по дороге ионизируют атомы Ar. Возникает лавина ионизированных частиц, вследствие чего по цепи проходит ток. На нагрузочном сопротивлении R происходит падение напряжения U=IR, это напряжение подается на регистрирующее устройство: осциллограф, усилитель низкой частоты и с него на динамик, на пересчетное устройство и т. п.

При возникновении тока внутри счетчика, внутреннее сопротивление между Катодом и Анодом резко уменьшается, а напряжение, подающееся в цепь счетчика, перераспределяется. Из-за резкого падения сопротивления счетчика, падение напряжения будет происходить на нагрузочном сопротивлении. Раньше падение напряжения являлось как разность потенциалов, проложенная между катодом и анодом, то сейчас из-за резкого уменьшения сопротивления счетчика это падение напряжения будет происходить на нагрузочном сопротивлении. Вследствие этого ионизация электрического поля резко уменьшится внутри счетчика, ионизация частиц и тока прекращается. Таким образом, счетчик Гейгера работает в импульсном режиме, регистрируя каждую влетевшую ионизирующую частицу.

Характеристики счетчиков Гейгера

1) Конструкция и назначение. Основные виды счетчиков — цилиндрические и торцевые, реже встречаются торцевые. Устройства могут регистрировать как отдельный вид радиоактивного излучения (альфа, бета, гамма), так и их комбинацию (например, гамма+бета или альфа+бета+гамма). Это достигается особенностями конструкции корпуса, электродов, а также выбором материала для их изготовления.
2) Площадь входного окна или рабочей зоны. Это пространство, через которое проходят детектируемые частицы или кванты. Чем больше площадь пространства, тем больше частиц уловит счетчик, т. е. тем больше он будет чувствителен к радиации.
3) Собственный фон. Это излучение деталей самого счетчика или иные причины самопроизвольного срабатывания при максимальном изолировании изделия от радиационного воздействия внешней среды (например, в свинцовой камере).
4) Радиационная чувствительность. Показывает скорость счета при определенном уровне облучения, измеряется в импульсах в секунду (имп/с) либо в импульсах на микрорентген (имп/мкР) в пересчете на уровень 1 мкР/с. Этот параметр сильно зависит от типа стандартного источника ионизирующего излучения, по которому производят измерение.
5) Эффективность регистрации. По разным причинам счетчики Гейгера не могут зафиксировать все без исключения пролетающие частицы или гамма-кванты. Данная величина указывает процент фактически зарегистрированных радиоактивных частиц от всего их количества, пролетающего через площадь рабочей зоны.
6) Диапазон регистрируемых энергий. Это энергетический спектр улавливаемых счетчиком Гейгера фотонов, альфа или бета-частиц. Может указываться как в общем, так и раздельно для каждого вида излучения. Единицы измерения — мегаэлектронвольты (МэВ) либо килоэлектронвольты (кэВ).

На сегодняшний день выпускается широкий ассортимент счетчиков Гейгера-Мюллера для нужд приборостроительной отрасли. Наиболее типичные из них, которые нашли применение в современных дозиметрических приборах, необходимы для:

• Регистрации гамма-фотонов и жесткого бета-излучения;
• Обнаружение фотонов рентгеновского и гамма-излучения
• Регистрации гамма и мягкого бета-излучения.

Устройство счетчика Гейгера-Мюллера оказалось простым, доступным (экономным), надежным. Однако прибор не является самым точным инструментом при исследовании отдельных видов излучения или частиц, но он подходит для общего измерения интенсивности ионизирующих излучений.

Шаг 7: Регулировка высокого напряжения

Вы можете отрегулировать высокое напряжение с или без акрилового покрытия.

Установите мультиметр на самое высокое напряжение.

Подсоедините положительный датчик измерителя к положительной стороне трубки Гейгера.

Подключите отрицательный щуп прибора к земле.

НЕ ПОДКЛЮЧАЙТЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЗОНД К ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ СТОРОНЕ ТРУБЫ GEIGER. Это заставит счетчик Гейгера визжать, как банши, и загорится светодиодный индикатор.

Затем отрегулируйте напряжение вверх или вниз по мере необходимости.

Хотя в техническом описании рекомендовалось более высокое напряжение, самое высокое напряжение, которое я мог получить, составляло 215 вольт.

С поправкой на право вы должны получать тик каждую секунду или две от фонового излучения.

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.