Создание счетчика Гейгера на Raspberry Pi — туториал по открытому датчику радиации

Содержание

• Манифест
• Плата
• Гейгеровская трубка
• Типы излучения
• Поддерживаемые Гейгеровские трубки
• Испытательные источники
• Актуаторы
• От CPM к Зивертам
• Исходный код
• Схема
• Участие
• Покупка
• Ссылки и документация

ПРИМЕЧАНИЕ: Все примеры кода в этом туториале используют библиотеку arduPi. Вы можете просмотреть документацию и скачать библиотеку из репозитория.

Манифест

Цель платы датчика радиации для Raspberry Pi — дать возможность отдельным лицам в Японии — и где угодно еще — независимо измерять фоновый уровень радиации после фукусимской ядерной аварии марта 2011 года. Сочетая доступную, удобную Raspberry Pi с открытой аппаратной платой датчика, пользователи могут получать реальные показания с конкретных локаций вместо того, чтобы полагаться только на внешние рекомендации. Первый выпуск был отправлен бесплатно в Tokyo Hackerspace и другие локальные группы для поддержки общественных усилий.

И аппаратный дизайн платы, и её прошивка выпущены под GPL, отражая нашу приверженность принципам открытого исходного кода и научной прозрачности.

— Команда Libelium, апрель 2011

Плата

Плата разделена на два функциональных раздела: высоковольтный блок питания (400–1000 В) для Гейгер-Мюллеровской трубки и схема формирования сигнала, преобразующая электрические импульсы трубки в формат, подходящий для микроконтроллера.

После включения трубка излучает кратковременный импульс тока для каждого обнаруженного ионизирующего события. Микроконтроллер считает эти импульсы; подсчет в течение 10 секунд и умножение на 6 дает счеты в минуту (CPM). Согласно даташиту трубки, CPM затем делится на коэффициент преобразования (360 для стандартной трубки) для получения дозовой мощности в микрозивертах в час (мкЗв/ч).

В зависимости от конкретной трубки может потребоваться скорректировать коэффициент преобразования. Протестируйте разные значения и сообщите, какая калибровка дает наиболее точные результаты.

Электроника платы может быть разделена на пять компонентов:

1. Высоковольтный блок питания

   Этот модуль использует осцилляторно-драйвенный напряжения мультипликатор, состоящий из диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов (см. схему). Он генерирует 500 В для трубки, с опциональными зенерными диодами последовательно для повышения выходного напряжения, если требуется более высокое напряжение.

2. Схема адаптации выхода

   NPN-транзистор преобразует импульс Гейгеровской трубки в чистый логический сигнал, триггерящий прерывание микроконтроллера. Тот же транзистор также управляет пьезо-динамиком и светодиодным индикатором для звуковой и визуальной обратной связи.

3. Пьезо-динамик и светодиодный индикатор

   Они подключены к схеме адаптации; каждый обнаруженный импульс вызывает вспышку светодиода и щелчок динамика.

4. LCD-экран

   16×2 LCD подключен через 4-битную параллельную шину (RS, EN, RW и четыре линии данных). Он отображает CPM и дозовую мощность в реальном времени.

5. LED-бар

   Бар из пяти светодиодов (три зеленых, два красных) дает быстрый визуальный индикатор интенсивности радиации. Каждый светодиод управляется с цифрового пина через последовательный резистор.

Подключение платы радиации к Raspberry Pi

Плата подключается к Raspberry Pi через стандартный интерфейс Arduino shield. Питание поставляется от 5 В пина Pi, а подсчет импульсов происходит на GPIO пине 2 Pi, настроенном как вход прерывания.

Гейгеровская трубка

Гейгер-Мюллеровская трубка содержит низкое давление (≈0,1 атм) инертный газ — обычно неон — с тонкой органической или галогенной примесью. Катод трубки — металлическая стенка, анод — тонкий провод вдоль центра. Высокий потенциал (~500 В) приложен между этими электродами, создавая сильное электрическое поле.

Когда ионизирующее излучение входит в трубку, оно ионизирует газ, производя свободные электроны и положительные ионы. Электроны ускоряются к аноду, инициируя лавину дальнейших ионизаций. Эта каскада производит короткий, высокотоковый импульс, обнаруживаемый выходной схемой.

Типы излучения

• Альфа

  Альфа-частицы (гелиевые ядра, заряд +2) плотны и не проникают более чем на несколько миллиметров воздуха или лист бумаги. Они несут минимальный внешний риск, но могут быть опасны при попадании внутрь, повреждая ткани изнутри. Многие счетчики Гейгера обнаруживают альфа-излучение только через тонкие мيكا-окна.

• Бета

  Бета-частицы (электроны, заряд –1) легче и проникают на несколько миллиметров алюминия. Они могут быть опасны при попадании внутрь и обнаруживаются многими Гейгеровскими трубками в зависимости от толщины стенки и наличия окна.

• Гамма

  Гамма-лучи — высокоэнергетические фотоны, способные проходить практически через любой материал. Они эффективно экранируются только высокоатомными веществами вроде свинца. Гамма-излучение вездесуще в космических источниках и обнаруживается практически всеми счетчиками Гейгера.

Для дополнительных технических деталей см. Geiger Counter – Radiation Sensor Board for Raspberry Pi tutorial.

Ссылки и документация

• arduPi Library on GitHub — исходный код и документация
• Board Schematic PDF — детальные электрические схемы
• Project README — инструкции по установке и советам по калибровке