Elektronika Komora jonizacyjna - urządzenie do pomiaru promieniowania radioaktywnego

RobertG · Listopad 11, 2019

Idea działania

Komora jonizacyjna, to urządzenie składające się z dwóch elektrod do których doprowadzane jest stałe napięcie, co powoduje powstanie pola elektrycznego w jej środku. Gdy kwant promieniowania "uderzy" w atom gazu znajdującego się w komorze, "rozbija" go na dwa jony (dodatni i ujemny), które są przyciągane do elektrod (dodatni do ujemnej i vice versa). Mierząc prąd płynący między dodatnią, a ujemną elektrodą, będzie on proporcjonalny do ilości tych jonów, zaś to będzie proporcjonalne do mierzonego promieniowania.

Utrudnieniem jest, że wspomniane prądy są małe, więc wymagają dużego wzmocnienia, co zaś wymaga m.in. starannego filtrowania zasilania, oraz ekranowania, by urządzenie się nie wzbudzało.

Poniżej znajduje się schemat blokowy prezentowanego rozwiązania.

Część elektroniczna

Pierwotnie do wytworzenia napięcia polaryzującego, miałem w planach użycie przetwornicy, jednak okazało się, że napięcie 12V z baterii jest wystarczające. Sygnał z komory trafia do wzmacniacza transimpedancyjnego, w pętli sprzężenia znajdują się szeregowo dwa rezystory o wartości aż 50G. Połączenie owych rezystorów, elektrody komory jonizacyjnej i nóżki wzmacniacza musi być wykonane w powietrzu, by uniknąć pasożytniczych rezystancji.

Poniżej znajduje się render w KiCADie, oraz rzeczywiste urządzenie (wiem, fotka jest dość niskiej jakości).

Część programistyczna

Sygnał analogowy trafia do przetwornika ADC, i jest zbierany przez procek - tu użyłem dość mało popularnego STM8. Zaskoczeniem było dla mnie, że GCC nie obsługuje tych procesorów, zaś poświęcony im SDCC nie umie wycinać z binarki funkcji, które nie są używane! Do komunikacji z hardwarem użyłem stdperiph. Komunikacja z światem zewnętrznym jest jednokierunkowa (urządzenie wysyła pomiary co kilka sekund) za pomocą UARTa.

Założeniem było, by urządzenie można było pozostawić same sobie i zdalnie je flashować, czy też pobierać z niego dane. W skrócie, wolę programować leżąc w łóżku, niż garbiąc się nad stołem pełnym kabli :) Zostało to zrealizowane przez dodanie Raspberry Pi, do której podpięty jest zarówno programator, jak i przelotka UART/USB.

Soft na procka napisałem w C. Pobieranie danych po stronie maliny jest wykonywane przez skrypt w Pythonie, dane są wizualizowane skryptem w R. Użyłem R, mimo, że Python też ma biblioteki do tworzenia wykresów, bo bardzo podobają mi się wykresy w R.

Dokumentacja powstała w LATEXie.

Całość dostępna jest na GitHubie - zapraszam do odwiedzenia

Wyniki

Poniżej znajdują się dane pomiarowe zebrane za pomocą urządzenia.

Listopad 23, 2019

Ciekawe na ile miarodajne są te wyniki

Treker · Listopad 24, 2019

@RobertG oryginalna konstrukcja - takie DIY nie trafiają się zbyt często! Robiłeś porównanie z innymi urządzeniami tego typu?

RobertG · Listopad 24, 2019

@atMegaTona @Treker nie mam podobnego urządzenia, więc trudno mi odpowiedzieć.

Swoją drogą, projekty komór jonizacyjnych, które są popularne np. na YouTube nie działają - owszem wykrywają zbliżenie próbki do detektora, ale taka sama odpowiedź jest na zbliżenie np. ręki, czy książki, a przecież to promieniotwórcze nie jest. Takie projekty opierają się o układ darlingtona z jedną elektrodą dolutowaną do bazy, zaś metalowa obudowa jest drugą elektrodą. Prąd kolektora jest mierzonym sygnałem. Taki układ jest nijak nie selektywny i wzmacnia wszytko.

Swoje urządzenie testowałem m.in. pod kątem tego by nie wykrywało śmieci.

Porównałem wyniki z detektorem opartym o złącze p-n (opiszę ten projekt za jakiś czas w dziale DIY), wyniki były dość podobne.

PS. nie mogę już edytować oryginalnego wpisu, więc tutaj dodam schematy.