Народная дозиметрия. Бюджетный детектор радиации своими руками
Готов поспорить, что вы хоть раз задумывались о покупке дозиметра для бытовых целей — измерить уровень радиации дома, на прогулке или в путешествиях.
Сегодня мы соберем простой бюджетный дозиметр на базе wifi-контроллера ESP32 и платы RadSens. RadSens — готовый I2C-модуль для газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера. В качестве сенсора будет использована надежная и распространенная трубка СБМ20-1. Впрочем, вместо нее к модулю можно подключить любую другую трубку — J305, M4011, СТС-5 и др.
Целью статьи является создание максимально подробной инструкции по сборке. Если повторить описанные шаги сможет самый юный инженер-дозиметрист — мы достигли успеха.
Но сначала, как принято, немного истории и теории…
DIY дозиметр на esp32
Матчасть по газоразрядным трубкам
Принцип работы счетчика Гейгера был предложен в 1908 году немецким физиком Гансом Гейгером. Счетчик стал дальнейшим развитием уже известной ионизационной камеры, представлявшей собой конденсатор, наполненный газом. Конденсатор использовался Пьером Кюри для изучения электрических свойств газов.
Ханс Гейгер (слева) работал вместе с Эрнестом Резерфордом (справа) с 1907 по 1913 г.
В 1925 году под началом Ханса Гейгера Вальтер Мюллер создаёт ещё несколько типов счётчиков с чувствительностью к каждому открытому на тот момент виду излучения, а именно для α-, β- и γ-излучения (нейтроны были открыты только в 1932 году).
Как показало время, надёжный, дешёвый и простой счетчик Гейгера-Мюллера остаётся одним из самых распространённых способов измерения уровня радиации как в быту, так и в промышленности.
Принцип работы основан на эффекте ударной ионизации газа в межэлектродном пространстве под действием радиоактивных частиц.
Трубка состоит из герметичного баллона из металла или стекла, наполненного инертным газом или газовой смесью. Внутри баллона имеются катод и анод. Для облегчения возникновения электрического разряда в газовом баллоне создается пониженное давление. Электроды подключаются к источнику высокого напряжения постоянного тока через нагрузочный резистор, на котором формируются электрические импульсы при регистрации радиоактивных частиц.
Участок схемы со счётчиком Гейгера-Мюллера
В исходном состоянии газовый промежуток между электродами имеет высокое сопротивление, и тока в цепи нет. Когда заряженная частица с высокой энергией сталкивается с элементами конструкции датчика (корпус, баллон, катод), она выбивает некоторое количество электронов, которые оказываются в промежутке между электродами. Под действием ускоряющего напряжения электроны устремляются к аноду. Процесс многократно повторяется, и количество электронов увеличивается, что приводит к разряду между катодом и анодом. В состоянии разряда промежуток в межэлектродном пространстве становится токопроводящим, что вызывает скачок тока в нагрузочном резисторе.
Иными словами, под действием ионизирующего излучения происходит пробой, приводящий к разряду между электродами. Интенсивность разрядов прямо пропорциональна интенсивности ионизирующего излучения.
Компоненты для сборки дозиметра своими руками
Важнейшим критерием при выборе платы и комплектующих выступала стоимость используемых компонентов. Мы ставили задачу сделать дозиметр максимально бюджетным.
Для создания дозиметра-радиометра были выбраны следующие компоненты:
Модуль дозиметра — RadSens (от 3900 руб.)
RadSens — готовый модуль в сборе с популярной трубкой СБМ-20. Не требует ничего кроме установки библиотеки в менеджере библиотек Arduino. Дозиметр готов к работе “из коробки”.
Плата ESP8266 / ESP32 (от 700 руб.)
Модуль RadSens имеет интерфейс I2C, совместим с Arduino, esp, Raspberry. Но цены на ардуинки в последнее время совсем не радуют…
OLED-экран диагональю 0.96” (от 300 руб.)
Можно взять любой экран с I2C. Но OLED-экран позволяет добавлять простую анимацию и цветовую маркировку текущего уровня радиации.
Модуль бузера (пищалки) для звуковой индикации импульсов (от 80 руб.)
Бузер предназначен для звукового информирования пользователя, когда нет доступа к информации на экране.
Кнопка-выключатель (от 60 руб.)
Макетная плата 120*80 мм (от 130 руб.)
Плата используется для удобного (эротичного) размещения и организации проводки между элементами.
Итоговая стоимость сборки — 5170 рублей.
Самый дешёвый дозиметр на маркетплейсе Ozon — 8700 рублей.
Пустая макетка как-бы намекает. Что и экран можно поставить поширше, и фичей побольше.
Процесс сборки самодельного дозиметра
Необходимо произвести следующие шаги:
Припаять к макетной плате элементы в желаемом положении.
Соединить все элементы по предложенной схеме.
Проверить правильность подключения сначала визуально, затем подключив ESP к USB.
Подключить библиотеку RadSens и плату ESP32 в Arduino IDE.
Добавить код в IDE и загрузить его.
Шаг 1. Подключение
Для подключения нам потребуется припаять все элементы и соединить их. Пины SDA и SCL на RadSens и OLED-экране требуется подключить к портам D22 (SCL) и D21 (SDA), они обмениваются данными по интерфейсу I2C, важно их не перепутать. Остальное подключить согласно схеме на рисунке.
Распиновка esp32 
Схема подключения
На фото один из вариантов компоновки дозиметра.
Шаг 2. Подключение библиотек RadSens, ESP32, GyverOLED
Подключение расширения для плат в Arduino IDE для платы ESP32 осуществляется следующим образом:
Arduino -> Инструменты -> Плата -> Менеджер плат -> Написать “ESP32” в поисковой строке.
После установки необходимо в пункте “Плата” указать “ESP32 Dev module”.
Далее необходимо выбрать необходимую нам плату. Для этого переходим во вкладку “Инструменты”, выбираем раздел “Плата”, далее выбираем “ESP32 Dev Module” в подразделе “ESP32 Arduino”.
Готово! Перейдем к установке библиотеки.
Для установки библиотеки RadSens необходимо проделать почти такую же операцию:
Arduino -> Скетч -> Подключить библиотеку -> Управлять библиотеками -> Написать “RadSens” в поисковой строке.
Далее необходимо установить библиотеку GyverOLED в менеджере библиотек тем же путём.
Теперь мы готовы переходить к программированию.
Шаг 3. Код
Код был написан с использованием библиотеки для OLED от Алекса Гавера. Она проста в изучении и поддерживает вывод русского языка без дополнительных манипуляций. Допустимо использовать U8G2, Adafruit или любой удобную вам библиотеку.
Тестирование самодельного дозиметра
Сегодня нами был рассмотрен самый бюджетный вариант дозиметра-радиометра. Добавив фантазии, мы заказали прозрачные пластины из оргстекла, чтобы сделать прибор более удобным и наглядным. Для проверки работы был использован сульфат калия из ближайших хозтоваров. Удобрение богато радиоактивным изотопом калием-40, активно испускающим бета-излучение.
Показатели естественного фона и при поднесении сульфата калия
Стандартный уровень радиации в помещении — 15-20 мкР/ч. При прямом контакте сульфат калия получаем 32-39 мкР/ч, что вдвое выше нормы.
В качестве заключения
Несмотря на всю эстетическую привлекательность, проект является сугубо домашним и предназначен, в большей части, для измерения порошков, предметов старины и прочих вещей, непонятным образом попавших в ваш дом 🙂
В рамках следующего материала постараемся разработать портативный и многофункциональный дозиметр с возможностью вывода информации (графиков, минимумов, максимумов) на экран и выгрузкой статистики в мобильное приложение на Блинке.
А какие возможности в следующей версии DIY-дозиметра хотели бы видеть вы? Оставляйте свои предложения в комментариях!
Команда инженеров передает приветы и благодарности соавтору и стажеру Илье Радченко за долгие часы возни с железкой и кодом, мастерской Барсуки с МЭЛЗ за стеклышки, @AlexGyverза либу «GyverOLED», а также магазину Duino.ru и лично @CyberBot за любезно предоставленные компоненты.
Ну и конечно крепко обнимаем сообщество Хабра за уделенное время и интерес к электронике и DIY. Нас мало — держимся, надеваем тельняшки.
Дозиметр своими руками: пошаговая инструкция
Дозиметром называют прибор, измеряющий мощность (дозу) ионизирующего излучения за временной промежуток. Иногда такой аппарат путают с радиометром: он измеряет активность радионуклида в отдельном объекте и интенсивность потока радиоактивныx излучений.
При помощи радиометра проверяются на радиоактивность предметы, одежда людей, побывавших в зоне радиоактивного заражения, и даже люди. Но такая точность формулировок важна только для специалистов. В обиходе все подобные приборы называются дозиметрами. Более того, все неспециализированные приборы совмещают обе функции: дозиметра и радиометра. Такие аппараты бывают от полукилограммовыx до крошечных, как наручные часы. Однако они снабжены системой сигналов, звуковой, световой или обеими сразу.
Какие бывают дозиметры?
Основное разделение дозиметров — профессиональные и бытовые.
Профессиональные дозиметры определяют не только интенсивность радиоактивного излучения и уровень заражения предмета, совмещая функции дозиметра и радиометра. Они определяют, какой именно изотоп обеспечивает излучение в данном конкретном случае. Это возможно благодаря считыванию энергетического спектра и особенностей излучения. Профессиональный дозиметр снабжен детектором, идентифицирующим альфа-излучение. Приборы такого класса замеряют уровень протонов и нейтронов отдельно.
Бытовые дозиметры неточны в измерении мощности радиоактивного излучения, регистрируют в основном гамма-лучи, реже — жесткие бета-лучи и еще реже определяют альфа-излучение. Однако этого достаточно для того, чтобы диагностировать факт заражения помещения, предметов, продуктов, одежды и принять меры. Главный элемент таких дозиметров — счетчик Гейгера или его усовершенствованные версии. Как индикаторы в бытовых дозиметрах используют динамики сигнализации («пищалки»), а могут и голосовые датчики. Для визуализации устанавливают светодиод или жидкокристаллический дисплей. По сути ничего из этого не принципиально. Бытовые дозиметры стоят намного дешевле, чем профессиональные. Кроме того, они меньше и легче.
Нельзя не отметить дозиметр индивидуальный, показывающий, какую дозу радиации набрал человек, и дозиметр промышленный, следящий за излучением вокруг АЭС и других стратегических объектов. В класс промышленных входят и военные дозиметры, рассчитанные на измерения излучения при атомном взрыве.
В нашей стране бытовые дозиметры стали популярными после катастрофы в Чернобыле. Очень быстро все поняли, что простой бытовой дозиметр легко сделать самостоятельно!
Как сделать дозиметр самому?
Простейший бытовой дозиметр собирается буквально за пару минут. Для этого понадобится полуторалитровая или двухлитровая пластиковая бутылка, однополюсный тестер, конденсатор открытого типа, тонкая спица и проводник. В разрезанную бутылку помещается тестер, к нему присоединяется проводник. Верх бутылки протыкается спицей, а две части бутылки склеиваются скотчем. Когда тестер включается, спица передает сигнал.
Еще один способ собрать бытовой дозиметр — использовать консервную банку. В этом случае тоже понадобятся спица, однополюсный тестер и конденсатор. Спица проходит через дно консервной банки и фиксируется, в банке располагается конденсатор.
Можно собрать дозиметр и с двухпроводным детектором. Здесь работает тот же принцип, что и в первом случае, так же используется пластиковая бутылка и проходной конденсатор, но резисторов понадобится три, и еще нужен демпфер. Демпфер — это устройство, уменьшающее амплитуду колебаний: электрических, механических и др. В данном случае демпфер устанавливается рядом с конденсатором.
Простой дозиметр на Ардуино
В сети достаточно много уже писалось по данной теме, в том числе и на cxem.net, однако я все же решил создать свое устройство детектирования радиации. Основной задачей было максимально упростить и удешевить конструкцию, сделать ее доступной для повторения начинающим радиолюбителям. Представленная ниже схема не содержит дорогих деталей и намоточных элементов, типа трансформаторов, а катушка индуктивности из стандартного ряда. Схема позволяет использовать практически любые трубки Гейгера типа СТС-5, СБМ-20 и т.п. с рабочим напряжением около 400 вольт. Кроме замера уровня радиации, устройство позволяет измерять температуру и влажность окружающей среды.
Схема дозиметра приведена ниже:
Питание дозиметра осуществляется от литиевого АКБ 18650 через повышающий DC-DC преобразователь, который является одновременно и платой зарядки. Перед подключением основной схемы к питанию, следует установить напряжение на выходе преобразователя +5 вольт! Так как в схеме применяется контроль заряда АКБ, то подключение АКБ производится через сдвоенный выключатель. На транзисторе VT2, индуктивности L1, диоде VD1 и конденсаторе C2 собран преобразователь высокого напряжения для питания трубки Гейгера. ШИМ сигнал на преобразователь поступает с пина 9 Ардуино. Резистор R4 является нагрузочным, его сопротивление от 330 кОм до 390 кОм (подбирается при настройке!). Перед подключением трубки в схему следует настроить уровень высокого напряжения, для СТС-5 — 390 в, для СБМ-20 — 400 в., для других датчиков смотрим данные в паспорте на датчик. Уровень напряжения зависит от скважности ШИМ, который нужно подобрать в скетче, в строке #define DUTY 550 (чем выше скважность — тем выше напряжение!), а так же от значения нагрузочного резистора R4 — чем выше сопротивление, тем выше напряжение. На транзисторе VT1 собран счетчик импульсов, которые принимаются пином 2 Ардуино. Дисплей LCD1602 и датчик температуры и влажности AHT10 подключены к Ардуино по шине I2C. Контроль заряда АКБ осуществляется на пине A0 Ардуино, управление зуммером — на 3 пине. Дозиметр собран на макетной плате 8х12 см.
При подсчете импульсов, в скетче используется аппаратное прерывание на пине D2, считается количество импульсов за 60 сек., полученное количество преобразуется в мкР/ч. В скетче можно настроить исходные данные, для замера радиоактивности, путем изменения констант «#define NORMA 27 // количество импульсов в минуту при нормальном фоне, для СТС-5 = 27, для СБМ-20 = 67, для других счетчиков см.паспорт» и «#define FON_NORMA 15 // нормальный радиационный фон 15мкР/ч». Если возникает необходимость показывать радиационный фон в Зивертах — измените формулу подсчета переменной «DOZA» ( 1 микрорентген в час [мкР/ч] = 0,01 микрозиверты в час [мкЗв/час] ), но мне кажется в мкР/ч все же удобнее.
Плата с АКБ помещена в пластиковый корпус склеенный из листового пластика толщиной 5мм, который используется для рекламных вывесок.
Три варианта сборки самодельного дозиметра
Измерение уровня радиоактивного фона осуществляется с помощью специального прибора – дозиметра. Его можно приобрести в специализированном магазине, но домашних умельцев привлечет другой вариант — сделать дозиметр своими руками. Бытовую модификацию можно собрать в нескольких вариациях, например, из подручных средств или с установкой счетчика СБМ-20.
Возможности самодельного аппарата
Естественно, профессиональный или многофункциональный дозиметр собрать будет довольно сложно. Бытовые портативные или индивидуальные приборы регистрируют бета или гамма излучение. Радиометр предназначен для исследования конкретных объектов и считывают уровень радионуклидов. Фактически дозиметр и радиометр – это два разных устройства, но бытовые версии часто совмещают в себе и первое, и второе. Тонкая терминология играет роль только для специалистов, потому даже комбинированные модели называют обобщенно – дозиметр.
Выбрав одну из предложенных схем для сборки, пользователь получит простейшее устройство с низкой чувствительностью. Польза в таком приборе все же есть: он способен регистрировать критичные дозы радиации, это будет свидетельствовать о реальной угрозе здоровью человека. Несмотря на то, что самодельное устройство в разы уступает любому бытовому дозиметру из магазина, для защиты собственной жизни его вполне можно использовать.
Полезные советы
Перед тем, как выбрать для себя одну из схем сборки, ознакомьтесь с общими рекомендациями по изготовлению прибора.
- Для аппарата собственной сборки выбирают 400 вольтовые счетчики, если преобразователь рассчитан на 500 вольт, то нужно корректировать настройку цепи обратной связи. Допустимо подобрать иную конфигурацию стабилитронов и неоновых ламп, смотря, какая схема дозиметра применяется при изготовлении.
- Выходное напряжение стабилизатора замеряется вольтметром с входным сопротивлением от 10 Мом. Важно проверить, что оно фактически равно 400 вольт, заряженные конденсаторы потенциально опасны для человека, несмотря на малую мощность.
- Вблизи счетчика в корпусе делается несколько мелких отверстий для проникновения бета-излучений. Доступ к цепям с высоким напряжением должен быть исключен, это нужно учесть, при установке прибора в корпус.
- Схему измерительного узла подбирают на основании входного напряжения преобразователя. Подключение узла осуществляется строго при отключенном питании и разряженном накопительном конденсаторе.
- При естественном радиационном фоне самодельный дозиметр будет выдавать порядка 30 – 35 сигналов за 60 секунд. Превышение показателя свидетельствует о высоком ионном излучении.
Схема №1 — элементарная
Чтобы сконструировать детектор для регистрации бета и гамма-излучений «быстро и просто», этот вариант подойдет как нельзя лучше. Что понадобится до конструирования:
- пластиковая бутылка, а точнее – горлышко с крышкой;
- консервная банка без крышки с обработанными краями;
- обычный тестер;
- кусок стальной и медной проволоки;
- транзистор кп302а или любой кп303.
Для сборки нужно отрезать горлышко от бутылки таким образом, чтобы оно плотно вошло в консервную банку. Лучше всего подойдет узкая, высокая банка, как от сгущенки. В пластиковой крышке делается два отверстия, куда нужно вставить стальную проволоку. Один ее край загибают петлей в виде буквы «С», чтобы она надежно держалась за крышку, второй конец стального прута не должен касаться банки. После крышка закручивается.
Ножку затвора КП302а прикручивают к петле стальной проволоки, а к стоку и истоку подсоединяют клеммы тестера. Вокруг банки нужно обкрутить медную проволоку и одним концом закрепить к черной клемме. Капризный и недолговечный полевой транзистор можно заменить, например, соединить несколько других по схеме Дарлингтона, главное – суммарный коэффициент усиления должен быть равен 9000.
Самодельный дозиметр готов, но его нужно откалибровать. Для этого используют лабораторный источник радиации, как правило, на ней указана единица его ионного излучения.
Схема № 2 — установка счетчика
Для того, чтобы собрать дозиметр своими руками, подойдет обычный счетчик СБМ-20 — его придется купить в специализированном магазине радиодеталей. Сквозь герметичную трубку-катод по оси проходит анод – тонкая проволока. Внутреннее пространство при малом давлении наполнено газом, что создает оптимальную среду для электрического пробоя.
Напряжение СБМ-20 порядка 300 – 500 В, его необходимо настроить так, чтобы исключить произвольный пробой. Когда попадает радиоактивная частица, она ионизирует газ в трубке, создавая большое количество ионов и электронов между катодом и анодом. Подобным образом счетчик срабатывает на каждую частицу.
Важно знать! Для самодельного аппарата подойдет любой счетчик, рассчитанный на 400 вольт, но СБМ-20 – самый подходящий, можно приобрести популярный СТС-5, но он менее долговечный.
Схема дозиметра представляет собой два блока: индикатор и сетевой выпрямитель, которые собирают в коробочках из пластика и соединяют разъемом. Блок питания подключают к сети на небольшой промежуток времени. Конденсатор заряжается до напряжения 600 Вт и является источником питания устройства.
Блок отключают от сети и от индикатора, а к контактам разъемам подсоединяют высокоомные телефоны. Конденсатор следует выбрать хорошего качества, это продлит время работы дозиметра. Самодельный аппарат может функционировать в течение 20 минут и больше.
- резистор выпрямителя оптимально подобрать с рассеивающей мощностью до 2 вт;
- конденсаторы могут быть керамические или бумажные, с соответствующим напряжением;
- счетчик можно выбрать любой;
- исключите вероятность прикосновения руками к контактам резистора
Естественный радиационный фон будет регистрироваться как редкие сигналы в телефонах, отсутствие звуков означает, что нет питания.
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.