úterý 24. května 2011

GM čítač

Před pár měsíci jsem ze skříně vyndal přístroj stejného účelu, co jsem stavěl před pěti lety a řekl si, že to konečně musím předělat, vylepšit, tedy nejlépe postavit celé znovu, aby to fungovalo lépe a aby se tím pokud možno dala skutečně měřit a zkoumat úroveň radiačního pozadí.
Původní zapojení bylo toto: http://pandatron.cz/?94&meric_radioaktivity

Nyní jsem se rozhodl to udělat pořádně a tak jsem hledal, jak vypadají různé komerčně vyráběné přístroje a získal tak inspiraci.

Co se týče vyhodnocovací části přístroje tak jsem si vzal asi nejvíce z této varianty klasického přístroje: http://www.eham.net/articles/23165
schema: http://www.qsl.net/k0ff/LENi%20Geiger%20Counter/LENi%20Schematic.jpg
Co se týče zdroje, tak ze zkušeností s původním jsem zvolil klasický měnič používaný v našich přístrojích RBGT: http://www.danyk.wz.cz/rbgt_n.jpg

Ale jelikož jsem jako hlavní cíl zvolil stabilitu zapojení a hlavně nezávislost pracovního napětí GM trubice v závislosti na stavu baterií, schéma se poměrně rozrostlo.
Jako napájení jsem zvolil tři NiMH akumulátory v serii (zapojení chodí i na dva, ale bere větší proud a hrozí výpadek měniče již při neúplně vybitých článcích) Měnič je k baterkám připojen přes LC filtr čistě kvůli zabránění vyzařování vf přívodními dráty. Měnič je jednočinný samokmitající se zpětnovazebním vinutím. Pracovní bod tranzistoru se nastavuje děličem odporů před zpětnovazebním vinutím, je vhodné dát poprvé místo děliče trimr 10k a pro daný měnič odladit poměr s nejlepší účinností. Nejvhodnější běžný tranzistor pro tento měnič se osvědčil konkrétně BC337-40. Například s oblíbeným C945 zapojení funguje jen velice špatně. Mezi CE je ochranná rychlá dioda, lze použít libovolný typ. (například z PC zdrojů)

Transformátor je navinut na hrníčkovém jádru průměru 25mm. Nejprve je navinuto vinutí pro kolektor tranzistoru 45z. drátem průměru 0,3mm, hned na něj zpětnovazebních 15z. průměrem 0,2mm. Pak je vhodné navinout pár vrstev tenké izolace (lepenku, papír) a na to vinout teprve sekundár 550z drátem 0,15mm. Vinutí se na kostřičku jentak tak vejde, sekundár může být ale klidně tenčím drátem. Je velmi důležité vědět, kde jsou konce a začátky vinutí, jinak zdroj vůbec nebude kmitat, nebo nedosáhneme správného napětí. (Výstupní impulzy nejsou symetrické.) Je vhodné, aby začátek sekundáru, tedy tam, kde je vinutí u primáru, byl připojen na mínus napájení a tedy, aby VN vývod sekundáru byl navrchu, dál od primáru. Po navinutí sekundár znovu izolujeme a můžeme hrníčkové jádro složit. Nakonec je vhodné transformátor impregnovat parafinem, aby měnič za provozu nepískal. Perfektně to šlo v roztaveném vosku v čajové svíčce v hliníkovém kalíšku postaveném přímo na hořáku na sporáku. Nejprve jsem ponořil pouze cívku, nechal pár minut nasáknout než odešly bubliny, pak jsem nechal vychladnout, složil jádro a znovu celé ponořil do vosku, ten se dostal všude a transformátor je tak dokonale impregnovaný.

Napětí na sekundárním vinutí je usměrňováno rychlou vysokonapěťovou diodou BA159. (Tlumivka z úsporné žárovky 2,7mH je spíš luxus než, že by měla konkrétní funkci.) Napětí je vyhlazeno svitkovým kondenzátorem kapacity 47-100n na 630V a přes pracovní odpor 10M napájí Geiger-Müllerovu trubici, zde konkrétně ruský typ STS-6.

Napětí pro měřící část se získává z naindukovaného napětí na primárním vinutí, usměrněno, vyhlazeno jde do jednoduchého stabilizátoru 24V (daného zenerovou diodou 24V).

Měnič je vybaven zpětnou vazbou pro stabilizaci VN napětí trubice (počet impulzů je závislý na napětí, které je tudíž třeba držet v určitém rozpětí definovaném pro danou trubici tzv. plato.) Z vyhlazovacího svitku tedy vedou dvě 200V zenerovy diody v serii do báze tranzistoru, který při otevření zablokuje spínací tranzistor měniče. V praxi nastane určitá rovnováha a diodami teče minimální proud a mírně otevírá tranzistor. Má to za následek negativní VA charakteristiku vstupu měniče, tedy že při větším napětí baterií odebírá měnič menší proud a naopak při vybíjení z baterek ždíme, co to jde, tak to má být.

I když bylo na vybitých baterkách celkem jen 1,9V měřák načítal přesto stále naprosto stejné hodnoty, přesně tak to má fungovat.

Při zaznamenání radioaktivního rozpadu naskočí v trubici krátce výboj a na jejích svorkách prudce poklesne napětí. Tento pokles otevře přes vazební kapacitu 15pF a ochranný 10M odpor (Chrání trubici před proudem z vazební kapacity) PNP tranzistor T4. Ten obrátí polaritu pulzu, který pokračuje do tvarovacího klopného obvodu, který na základě vazební kapacity C9 vytvoří obdélníkový pulz pevné délky. (Impulzy z trubice jsou velmi krátké)

Přes diodu D7 je napájen jednoduchý integrační článek R13 a C11 zatížený ručkovým mikroampérmetrem. Odporový dělič s trimrem slouží k nastavení vhodné citlivosti.
Změna měřícího rozsahu (počet pulzů, při kterém jde ručička za roh) se provádí změnou kapacity C9. (Kratších pulzů musí být víc, aby za integrátorem bylo stejné napětí)

Takto primitivní integrátor však nemá na výstupu lineární přírůstek napětí s počtem pulzů, je tedy nutné stupnici nacejchovat podle generátoru pulzů připojeného místo trubice nebo podle jiného radiometru. Konstrukce lineárního integrátoru by mohla být cílem dalšího vývoje.

Ke stejnému bodu jako vazební dioda je připojen přes vazební C8 a R14 PNP tranzistor, který spíná T8 k jehož kolektoru je možno připojit elektromechanické počítadlo. D8 slouží k ochraně T8 před špičkami z připojeného elektromagnetu počítadla. Paralelně je přes odpor připojena signalizační žlutá LED dioda D9.

Přes R15 a C12 je vyveden ještě výstup impulzů, kam se dá připojit sluchátko, nebo jiný počítací nebo záznamový stroj.

Provedení na desce:


V krabičce:


Trubice STS-6


Oreginální katalogový list trubice STS-6 (bohužel jeho vybledlá termokopie)

Normálně nemám moc v lásce techniku bývalého sovětského svazu, ale tohle je jedna z čestných vyjímek. Trubice vyrobená v srpnu 1962, nepoužitá uložená ve skladech, dnes funguje na 100% a nemusím se obávat, že by si něco vymýšlela, měří tak, jak byla navržena.

Původní konstrukce z května 2005



Pro zajímavost, naměřené hodnoty v počtech impulzů za minutu (cpm). Konkrétní čísla závisí na velikosti a typu trubice, pro STS-6 je udané maximální přirozené pozadí 110cpm, tedy po nehodě v japonské jaderné elektrárně se k nám nedostalo množství radiace, co by ovlivnilo stabilní přirozené radiační pozadí, které zde celé roky máme. Jedině se dá diskutovat o spadu deště ze dne 1.4.2011 (první déšť od nehody) Kdy hodnoty skokově vzrostly a další dny pomalu klesaly až do dalšího deště. Ale hodnoty se mění v určitém rozsahu každý den, i v průběhu dne. Trubice tohoto typu snímá záření beta a gamma. Přirozené pozadí zde tvoří zejména kosmické záření z okolního vesmíru a část záření ze zemského podloží, z hornin. Na měření záření alfa, například plynu radonu, který se u nás často vyskytuje a proniká z podzemí do starých domů, je nutné měřit trubicí se slídovým okénkem, případně jinými typy detektorů.

Uvedené hodnoty byly měřeny po dobu 30-120 minut s průběžnou kontrolou konvergence. Problém byl při měření okolo západu slunce kdy hodnoty stabilně pomalu narůstaly, nekonvergovaly k průměrné hodnotě, těžko říct, čím to bylo způsobeno, je to ještě na další studium.
Ovšem jedno ráno dne 16.4.2011 bylo z hlediska měření zvlášť zajímavé, měřil jsem stejným způsobem jako předchozí dny, avšak naměřené hodnoty dosahovaly neuvěřitelných výšek, některé minuty překonaly i hranici 100cpm a drželo se to tak v horizontu celé hodiny. Jednu minutu dokonce naskákalo 119cpm, zřejmě náhoda, ale předtím ani potom jsem to neviděl. Avšak hodnota na 100 minut vyšla 93cpm a na 120 už jen 90cpm... Je tedy na místě otázka k jakému času hodnoty přirozeného pozadí vztahovat, když se náhodně mění každou chvíli.