Prace nad tym projektem rozpoczęły się po awarii reaktorów atomowych w Japonii i postrachu jaki ponownie ogarnął społeczeństwo, tym większy, że wybitnie podsycany przez media. Wiele osób nawet nie zdaje sobie sprawy co to jest promieniowanie jonizujące i tym bardziej się go boi. Mogłem się o tym przekonać kiedy w niedalekim czasie po awarii wystawiłem na sprzedaż w Internecie samą tubę Geigera i okazało się że mnóstwo osób zaczęło ją licytować nie zdając sobie nawet sprawy, że jest to urządzenie nie kompletne a jest jedynie podstawowym elementem dozymetru, czyli urządzenia którym można promieniowanie zmierzyć. Postanowiłem więc zbudować w miarę prosty dozymetr z wykorzystaniem łatwo dostępnych i tanich elementów.

Promieniowanie jonizujące, jak sama nazwa wskazuje zdolne jest jonizować ośrodek przez który przenika, z tego też powodu, przy dużym natężeniu może być szkodliwe lub śmiertelne dla organizmów żywych. W tym artykule nie będę się zajmował jednak naturą samego promieniowania i oddziaływaniem z materią oraz wpływu na środowisko i ludzi. Te tematy poruszę w materiale który ukaże się niebawem pod tytułem "promieniowanie wokół nas". Teraz zajmiemy się zasadą działania licznika, który wynaleziony został w roku 1928 przez Hansa Geigera i Waltera Mullera.

Rys. 1 Rurka Licznika Geigera-Mullera.

W celu zbudowania urządzenia do pomiaru promieniowania musiałem postarać się o jego serce czyli lampę gazową nazywaną Licznikiem Geigera - Mullera, to właśnie ta nazwa wprowadza często w błąd bo identycznie nazywają się gotowe urządzenia, którymi można już zmierzyć promieniowanie, a których elementem składowym jest taka lampa.

Rys. 2 Karta katalogowa licznika CTC-5.

Powyżej przedstawiłem kartę katalogową licznika o symbolu CTC-5 produkcji rosyjskiej, urządzenie pochodzi z roku 1966 i nadal jest całkowicie sprawne. Karta katalogowa zawiera kilka niezbędnych informacji bez których nie udało by się zbudować prawidłowo działającego dozymetru, ale o tym wspomnę nieco później. Najpierw postaram się wyjaśnić jak działa takie urządzenie. W tym celu nabazgroliłem poniższy rysunek, który pomoże w zrozumieniu tego, co za wystukałem na klawiaturze.

Rys. 3 Zasada działania licznika.

Licznik Geigera - Mullera to tak naprawdę prosta lampa gazowa składająca się z dwóch elektrod. Jedna z elektrod (zewnętrzna) stanowi jednocześnie szczelną obudowę licznika, jest to w rzeczywistości rurka metalowa zamknięta z obu stron izolatorem, połączona elektrycznie z jednym z zacisków. Wewnątrz rurki umieszczony jest cienki drucik połączony z drugim zaciskiem - jest to elektroda dodatnia. Sam schemat rurki lepiej widoczny jest na zdjęciu nr. 4. Zdjęcie powyżej to tylko mały wycinek na którym widać obie elektrody i to co dzieje się gdy do licznika wpadnie cząstka promieniowania. Szczelna tuba licznika wypełniona jest najczęściej argonem oraz niewielkim dodatkiem (ok. 10%) par alkoholu pod zmniejszonym ciśnieniem.

Jak sama nazwa wskazuje - promieniowanie jonizujące, czyli to którego tak wszyscy się boją i które "uwalniane jest" podczas awarii elektrowni ma zdolność do jonizowania otaczającej nas materii. Jonizacja to oderwanie się od atomu przynajmniej jednego elektronu i powstanie jonu dodatniego tegoż atomu. Tę właściwość promieniowania wykorzystano w liczniku. Gdy do środka wpadnie cząstka promieniowania jonizuje ona atomy argonu na swej drodze. Elektrody licznika spolaryzowane są napięciem ( w przypadku tego licznika do 400V) Powstające jony są więc przyśpieszane w polu elektrycznym i mkną w kierunku zewnętrznej elektrody ujemnej. Na swej drodze napotykają kolejne atomy argonu i jonizują je powodując powstawanie jeszcze większej ilości jonów. Powstaje tzw. wyładowanie lawinowe do elektrody ujemnej, która wychwytuje wszystkie jony.

Rys. 4 Schemat ideowy podłączenia licznika.

Takie wyładowanie lawinowe w obwodzie elektrycznym zamkniętym rezystorem, którego wartość również opisana jest w karcie katalogowej, objawi się krótkotrwałym spadkiem napięcia. Impuls z układu jest sygnałem, że przez licznik właśnie przeszła cząstka promieniowania jonizującego. W tym momencie warto wspomnieć o kolejnym ważnym parametrze licznika a mianowicie o jego czasie martwym. Czas ten to okres od rozpoczęcia wyładowania do jego wygaśnięcia, gdyby ten czas był długo licznik miał by bardzo małą rozdzielczość bo w czasie trwania wyładowania licznik nie zasygnalizuje przejścia innej cząstki. By wyładowania szybko gasły w atmosferze znajdują się wspomniane wcześniej pary alkoholu, które skutecznie gaszą wyładowania.

Budowę licznika zaczniemy od skonstruowania w miarę stabilnego zasilacza wysokiego napięcia z możliwością jego regulacji w zakresie od 300 - 500 V

Dlaczego w zasilaczu postanowiłem zastosować precyzyjną regulację napięcia wyjściowego ? Mogłem przecież ustawić na stałe napięcie jakie wymagane jest do poprawnej pracy, a o którego wartości mogę dowiedzieć się z zamieszczonej na poprzedniej stronie karty charakterystyki. Ano związane jest to z kolejnym parametrem licznika czyli jego charakterystyką. Mówimy tu o liczbie rejestrowanych cząstek w jednostce czasu w zależności od przyłożonego napięcia przy stałym natężeniu promieniowania.

Rys. 5 Charakterystyka pracy licznika w zależności od napięcia zasilania.

Na osi X zaznaczono napięcie, oś Y to liczba impulsów dla stałego natężenia promieniowania. Poniżej pewnego napięcia Vp wyładowania wewnątrz licznika w ogóle nie powstają, napięcie jest na tyle małe że nie jest w stanie przyśpieszyć powstałych jonów. Napięcie Vp do V₁ to obszar w którym licznik nie będzie pracował poprawnie bo jony wytworzone przy przejściu cząstki są przyśpieszane zbyt niskim napięciem i zdążą rekombinować zanim zostaną wychwycone przez katodę. Tym samym liczba impulsów na wyjściu nie zawsze jest równa liczbie cząstek, które przeszły przez komorę. Obszar V₁ do V₂ to obszar tzw. Plateau licznika, czyli obszar w którym liczba impulsów odpowiada liczbie cząstek jakie przeszły przez komorę. Pozostały obszar to taki w którym mogą powstawać wtórne wyładowania i otrzymamy więcej impulsów niż przeszło cząstek lub może zapalić się wewnątrz wyładowanie ciągłe uszkadzając tym samym licznik.

Obszar Plateau dla tego licznika również podany jest w karcie, ale z uwagi na fakt, że jest to bardzo stare urządzenie wypada zbadać go samemu. Dlatego też zasilacz, który za chwile zbuduje będzie miał możliwość regulacji napięcia, jakim zasili rurkę Geigera.


Rys. 6 Zasilacz wysokiego napięcia zbudowany na transformatorku od kserokopiarki.

Wspomniany zasilacz postanowiłem zbudować w oparciu o bardzo fajne i mocne transformatorki wysokonapięciowe stosowane w starych kserokopiarkach i drukarkach laserowych. Mogą osiągać na wyjściu napięcia nawet do 5 kV i są bardzo trwałe o czym wielokrotnie się już przekonałem obciążając je dość mocno.

Rys. 7 Wyładowanie iskrowe z zasilacza WN.

Transformator do poprawnej pracy wymaga zasilania przebiegiem prostokątnym o częstotliwości powyżej 5 kHz, zastosowałem więc generator złożony z nieśmiertelnego układu scalonego NE 555 oraz drivera bramek tranzystorów MOSFET TL 426 wraz z tranzystorem MOSFET BUZ 325 i diodą zabezpieczającą przed przepięciami. Do zasilania układu zastosowałem regulowany stabilizator napięcie LM 317, który zapewni mi wspomnianą wcześniej możliwość zmian napięcia na wyjściu zasilacza. Wszystko podłączyłem wg. schematu poniżej, schemat zawiera także inne elementy urządzenia które opiszę w dalszej części.

Rys. 8 Schemat ideowy urządzenia (kliknij na obraz by powiększyć).

Transformator daje na wyjściu napięcie zmienne a licznik musi być zasilany napięciem stałym, należało więc zastosować mostek prostowniczy złożony z szybkich diod np. UF4007 oraz kondensatora filtrującego.


Rys. 9 Test zasilacza z prostownikiem jednodiodowym.

Na początku bawiłem się trochę sprawdzając możliwości zasilacza, na zdjęciu powyżej widać pomiar przy napięciu 3,82 kV i z zastosowaniem mostka na jednej diodzie, niestety napięcie było trochę nie stabilne więc później zastosowałem pełny mostek prostowniczy.


Rys. 10 Zwarciowe rozładowanie kondensatora o pojemności 20 nF przy napięciu 4 kV.

Zbudowany zasilacz okazał się całkiem przyzwoity i już w międzyczasie znalazłem mu kilka innych zastosowań o których na pewno jeszcze napiszę. Wyładowania iskrowe widoczne na powyższym zdjęciu były naprawdę efektowne i następowały z częstotliwością kilku Hz przy odpowiednim zbliżeniu do siebie wyjść kondensatora. Pora jednak zakończyć efektowne testy, zmniejszyć napięcie zasilające generator tak by napięcie na wyjściu nie przekraczało 400 V i rozpocząć eksperymenty z licznikiem Geigera - Mullera.

Mając zasilacz wysokiego napięcia trzeba znów odnieść się do dokumentacji licznika i poza napięciem wyczytać parametry dwóch elementów niezbędnych do poprawnej pracy. Będzie to szeregowy rezystor zasilający oraz kondensator separujący stałą składową napięcia zasilania.

Zgodnie tym, co piszą w karcie pomiędzy zasilaczem a dodatnim biegunem licznika powinien znaleźć się rezystor ograniczający prąd o wartości w zakresie 5 - 10 Mohm, a pomiędzy dodatnim biegunem a układem odbierającym impulsy powinien znaleźć się kondensator oddzielający wysokie napięcie od tegoż układu o wartości przynajmniej 10 nF. Przez ten kondensator będą przepuszczane tylko impulsy powstałe po przejściu cząstki promieniowania.


Rys. 11 Licznik Geigera połączony z zasilaczem WN prostownikiem oraz wzmacniaczem impulsów i głośnikiem.

Za wspomnianym wcześniej kondensatorem separującym należy umieścić wzmacniacz by można było każde przejście cząstki promieniowania usłyszeć jako charakterystyczny trzask pochodzący z głośniczka. Schemat tego układu znajduje się na poprzedniej stronie.


Rys. 12 Zbliżenie na prostownik wraz z kondensatorami i inne elementy przy liczniku.

Tak powstałe urządzenie może już mierzyć promieniowanie obrazując je jako trzaski w głośniczku których częstotliwość jest proporcjonalna do natężenia. Poniżej przedstawiam pracę licznika, który mierzy tzw. promieniowanie tła, czyli promieniowanie, które towarzyszy nam w każdej sekundzie naszego życia.

Film 1 Pierwszy test urządzenia.

Na filmie widać, a właściwie słychać pracę urządzenia, ale także i coś czego właśnie nie powinniśmy obserwować. Chodzi mi o zbyt dużą liczbę impulsów, które trafiają do głośniczka a szczególnie ich skupiska w pewnych miejscach. Jest to dowodem na zbyt duże napięcie zasilania, w wyniku czego powstają wyładowania wtórne, które tylko fałszują wynik. Należało dokładnie zbadać charakterystykę napięcia rejestrując liczbę cząstek w jednostce czasu i zmieniając napięcie zasilania. Trudno jednak samemu liczyć trzaski więc postanowiłem zbudować cyfrowy licznik, który będzie liczył pikanie za mnie. Poniżej film z licznikiem cyfrowym.

Film 2 Układ z cyfrowym licznikiem i przeliczaniem mocy dawki.

Układ cyfrowy zbudowałem na bazie mikrokontrolera z rodziny AVR ATMega8 połączonego z wyświetlaczem alfanumerycznym. Schemat układu znajduje się na zamieszczonym wcześniej schemacie ideowym. Sam program jest jeszcze mocno nie dopracowany i dopiero mam zamiar nad nim posiedzieć, ale jego pierwotną wersję zamieszczam do wglądu lub ewentualnych własnych prób, bo nie mogę obiecać, że nowa wersja powstanie w najbliższym czasie. Tego czasu niestety mocno mi brakuje.

Pierwsza wersja programu dla mikrokontrolera.

Wyświetlacz oprócz bieżącej liczby zliczeń na minutę (CPM) wyświetla także wynik poprzedniego zliczania, czas pomiaru oraz tzw. moc dawki.

Moc dawki promieniowania jest to wskaźnik obrazujący jak szybko organizm żywy otrzyma pewną, daną dawkę promieniowania. Sama dawka wyrażana obecnie w Sivertach (Sv) określa ilościowo promieniowanie jonizujące pochłonięte przez organizm żywy. Im więcej organizm pochłonął promieniowania w jakiejś jednostce czasu, tym większe będą negatywne skutki oddziaływania. Obecnie dopuszczalna dawka promieniowania dla ludzi zawodowo związanych z promieniowaniem wynosi 20 mSv/rok. Oznacza to, że podczas całego roku, osoba mająca kontakt z promieniowaniem nie może zebrać większej dawki jak wskazana. Roczna dopuszczalna dawka promieniowania dla zwykłego człowieka wynosi 1 mSv. Dla przykładu w elektrowni Fukuszima któregoś dnia podano, że promieniowanie wynosiło ok. 500 mikrosiwertów na godzinę. Oznaczałoby to, że znajdujący się tam zwykli ludzie mogliby w ciągu dwóch godzin otrzymać dopuszczalną roczną dawkę.

Dawkę promieniowania można by porównać do zbierania punktów na stacji benzynowej przy każdorazowym tankowaniu. Przy każdym kontakcie ze źródłem promieniowania zbieramy kilka punktów, a moc dawki można porównać do tego jak często i jak szybko te punkty wpływają na naszą kartę w skali jakiegoś czasu. Niestety tych punktów nie da się skasować wybierając jakąś nagrodę.

Oczywiście z promieniowaniem mają do czynienia nie tylko osoby związane zawodowo z fizyką jądrową, podczas jednego prześwietlenia RTG możemy uzyskać w zależności od tego co prześwietlamy od 0,1 do nawet 6 mSv. Moc dawki promieniowania naturalnego w Polsce wynosi ok 0,13 µSv/h. W ciągu roku od źródeł naturalnych takich jak: promieniowanie kosmiczne, radionuklidy w glebie i nas samych, otrzymujemy ok 3 mSv.

Wracając do tematu, producenci liczników geigera wyznaczają ich ekwiwalent dawki dla ilości impulsów na sekundę. Dla mojej tuby CTC-5 jest to 27 cps/mR/h - oznacza to że jeśli licznik rejestruje 27 impulsów na sekundę to moc dawki wynosi 1 mR/h czyli 10 µSv/h. Stosując odpowiednie obliczenia w programie "zaszyłem" przelicznik, który przelicza zliczenia na minutę na moc dawki i ta właśnie jest aktualizowana na wyświetlaczu w cyklach 1 minutowych.

Po eksperymentach z układem "na pajączku" przyszedł czas ogarnąć układ w jedną całość. Oczywiście program postanowiłem dopracować później i jak to zwykle bywa, po dziś dzień pozostał nie zmieniony.


Rys. 13 Wzór mozaiki PCB.

Na płytce oprócz wszystkich opisanych wcześniej elementów znalazł się także układ progowego wyłączania przetwornicy po naładowaniu kondensatorów do odpowiedniego napięcia. Układ taki bardzo ogranicza zużycie prądu i pozwala na zasilanie całego układu ze zwykłej baterii 9V.


Rys. 14 Test nowego układu bez części cyfrowej.


Rys. 15 Test gotowego układu z elektrodami z dodatkiem radioaktywnego toru.


Rys. 16 Test układu z wykorzystaniem starego kompasu wojskowego.

Na powyższych zdjęciach przedstawiłem wykonaną płytkę PCB z podłączoną lampą, zasilaniem, głośniczkiem i wyświetlaczem. Przykładając w pobliże lampy elektrody do spawania metodą TIG do których dodano nieznaczną ilość radioaktywnego toru w celu polepszenia zapalania łuku elektrycznego pomiędzy elektrodą ma spawanym materiałem, mogłem zaobserwować zwiększenie częstotliwości impulsów i zobaczyć jak zmienia się moc dawki promieniowania. Jeszcze większy efekt dał stary wojskowy kompas. Dlaczego kompas jest radioaktywny ?, ano do farby fluorescencyjnej, która miała świecić w ciemności dodawano promieniotwórczy izotop Radu. Po dodaniu takiego pierwiastka farba świeciła nawet jeśli nie została wcześniej naświetlona światłem słonecznym. Takie praktyki stosowano nawet w cywilnych zegarkach i moce dawek w wielu przypadkach były naprawdę duże, ale o tym już w innym artykule.

Film 3 Praca gotowego układu dozymetrycznego.

Efekt pracy jednak najlepiej widać i słychać na filmie. Do chwili obecnej jeszcze nie udało mi się urządzenia zapakować do obudowy, ale myślę, że niebawem to uczynię. Do układu dobuduję jeszcze dodatkową płytkę z układem MAX232 by można było wyniki pomiarów przesyłać do komputera i obserwować zmiany promieniowania obrazując je na wykresie.


Rys. 17 Widok zmontowanej płytki PCB.

Dodatkowe załączniki - pliki dla programi EAGLE:
Schemat urządzenia
Wzór płytki