ДОЗИМЕТР СУДНОГО ДНЯ
Хомяки приветствуют вас друзья!
Сегодняшний пост будет посвящен одной из легендарных самоделок, дозиметр RAD BOY. Тут тебе и цветной экран, и возможность просмотра накопленной дозы за день, продолжительная автономность, в общем сливки в своем роде. В ходе поста рассмотрим как собрать такое устройство, самостоятельно запрограммировать и произвести примитивные манипуляции с настройкой высоковольтного трансформатора. Чтобы устройство выглядело подобающе, смоделируем и напечатаем корпус. В процессе повествования узнаем технические особенности, рассмотрим меню настроек, распилим счетчик Гейгера для изучения внутренностей и сравним показания самодельного прибора с профессиональным дозиметром Радиаскан-701.
Данный проект был взят с сайта Радиокот и рассматривался скорее как игрушка, чем функциональное устройство, из-за чего выпуск из года в год откладывался в долгий ящик до последних мировых событий. Статья была опубликована в далеком 2013 году автором MadOrc. В ней подробно описаны основные функциональные и технические возможности устройства, которые мы сегодня подробно разберем на практике. Дозиметр выполнен в стиле игры Fall Out на фоне сезонных растущих ядерных грибов. Форум насчитывает около сотни страниц с обсуждением различных доработок, возможных неисправностей схемы и целого множества вариаций печатных плат, производство которых мы закажем на сервисе PCBWey.
Через три недели почтовые службы доставили товар по адресу. Дальше предстоит работа по сборке устройства. Принципиальная схема дозиметра довольно простая и требует минимального количества комплектующих. Хотя, в этом мире все относительно...
Самая простая схема "трещалки" будет выгладить так. Сетевой удвоитель напряжения, токоограничивающий резистор на 10 мОм, счетчик Гейгера и разделительный конденсатор с динамиком. Включается в розетку и может быть использован в качестве примитивного индикатора радиоактивного загрязнения одежды, обуви, продуктов питания и всякого разного в случае если с неба подобно снегу посыпеться "Радиоактивный пепел".
У нас же схема немного сложнее так как имеет: микроконтроллер, цветной экран и сложные алгоритмы пересчёта радиационных полей. Сердцем устройства выступает микроконтроллер Atmega128A, можно с буквой L в конце, или U. Кроме печатной платы нам понадобится самый распространенный счетчик Гейгера СБМ20, цветной дисплей от старой нокии, ферритовая гантелька, аккумулятор, пьезоизлучатель, вибромотор, часовой кварцевый резонатор, разъем микро USB, жменя резисторов и конденсаторов.
В начале запаиваем микроконтроллер, а вслед за ним всю остальную мелочь. Для удобной пайки компонентов был собран простенький магнитный держатель для плат. Наносим водосмываемый флюс F5 и равномерно распределяем его по поверхности.
К некоторым радиокомпонентам предъявляются определенные требования. Диод в узле накачки должен быть ультрабыстрым US1M. Однажды мне продали S1M, схема с ним не работала. Накопительный SMD конденсатор должен обладать емкостью не больше 10 нФ, а напряжение не ниже 500 В, типоразмер 1206. Разделительный конденсатор в цепи наличия импульсов имеет малую емкость около 10 пФ и так же напряжение не ниже 500 В. Такие артефакты продаются не во всех магазинах и иногда их можно заменить на большие пленочные конденсаторы, но эстетический вид устройства при этом будет утрачен.
Монтаж кнопок, пьезоэлемента и вибромотора осуществляется в самом конце. После промываем плату в струе проточной воды чтобы смыть следы флюса, а затем помещаем ее в ультразвуковую ванну со спиртом, чтобы удалить следы канифоли.
Все жизненно важные элементы разместились на своих местах, теперь на микроконтроллер необходимо залить прошивку. Для этих целей используем программатор Xgecu TL866II Plus. Питание на плату можно подать как отдельно, так и с программатора, чем я и воспользуюсь. В папке с проектом будет два файла FLASH и EEPROM. Указываем к ним путь в программе. Фьюзы биты устанавливаем так, как показано на картинке в архиве. Нажимаем на кнопку программирования и наблюдаем за процессом. Как только зеленый светодиод на программаторе погаснет, это будет означать что процесс прошивки завершен.
Теперь можно подключить экран и пробовать запускать устройство. Подаем питание с аккумулятора, иии... Никаких признаков жизни не наблюдается. Странно. Давайте разбираться в чем причина.
Тут вспоминаются золотые слова препода с универа, который постоянно утверждал что электроника - это наука о контактах. Проверим его теорию на практике под микроскопом. Действительно, один контакт на разъеме для экрана висит в воздухе. Еще раз хорошо пропаиваем эти места паяльником.
После подачи питания на плату экран показал загрузку виндовс с надписью гамма - бета дозиметр. Сейчас у нас схема функционирует с ограниченными возможностями. Первое что необходимо, это проветрить работоспособность всех кнопок меню, отклик вибромотора и наличия звукового сигнала с пьезоизлучателя.
Сложность с которой можно столкутся на этом этапе сборки заключается в цветных экранах, которые можно раздобыть с телефонов Nokia серии 6100 (6610,2600,7200,7250,3100).
Их существует 3 типа. На чипе Epson, Philips и чего-то среднего между первым и вторым.
Для данного дозиметра нужен именно чип Philips на контроллере PCF8833. В статье говорится что на задней стороне экрана должна присутствовать зеленая или синя точка. С красной - экраны работать не будут.
Из личной практики утверждение работает 50 на 50. Вот к примеру два экрана с красной точкой, которые действительно не работают, видно только наличие подсветки. Но, другие три экрана с красной точкой замечательно работают, искать нужно вот с такими надписями на задней стороне.
Теперь что касается зеленых и синих точек, на рынке попались образцы которые так же не отказались работать. Решение, которое напрашивается в таком случае, брать дозиметр с собой и проверять экраны на месте, что в итоге я и сделал, отфильтровав половину неработоспособных чипов. В редких случаях попадается брак с горизонтальными полосами. На работу не влияет, только бесит.
Допустим вы нашли рабочий образец. Напрашивается вопрос, где взять к нему панельку. Её можно сдуть с плат от мобильных телефонов. Когда занимался аффинажем золота такого добра было с излишком. Самый быстрый и доступный вариант, купить сразу несколько разных нерабочих Nokia за копейки и играть в лотерею. Один из них нет-нет да и заработает. У меня в первой партии телефонов из 3 трёх штук заработал всего один экран.
Эти экраны производили в разное время и вероятно на разных заводах, о чем свидетельствует разнообразие оттенков от черного к синему. При первом включении трёх дозиметров можно заметить разную цветопередачу жидкокристаллических дисплеев. Это нормально, в меню прибора можно настроить контраст и яркость для оптимального визуального восприятия.
На одном образце что слева, символы кажутся больше и толще, не отважусь грешить на размер пикселей, но он отличается от остальных. Последнее наблюдение относится к углам обзора. Каждый прошедший через мои руки экран, имеет какие-то уникальные особенности характерные разным сериям выпуска.
И так, вы запустили дозиметр и проверили все жизненно важные органы управления. Дальше рекомендую зарядить литий-ионный аккумулятор перед началом настроечных работ. Сейчас нам необходимо намотать высоковольтный трансформатор который вдохнет жизнь в счетчик Гейгера СБМ-20. Мотается он на ферритовой гантельке, размер 9*12 мм, проницаемость 2000.
Для намотки трансформатора был собран примитивный намоточный станок с регулятором оборотов и индуктивным счетчиком витков. Когда магнит на скорости проносится мимо датчика, засчитывается один виток. Двигатель применен от старого струйного принтера.
Перед началом намотки изолируем внутренние стенки стакана каптоновым скотчем. Провод для намотки взял от советского соленоида, диаметр с изоляцией 0.08 мм. Начало вторичной обмотки в обязательном порядке помечаем маркером. На лабораторном блоке питания поднимаем напряжение и находим приемлемую скорость вращения, по возможности укладываем провод виток к витку. На словах вроде просто, но с тонким проводом не всегда удается добиться приемлемого результата.
Идеальная индуктивность для работы лежит в районе 9 мГн. С разными ферритами количество витком может отличатся. В конкретном исполнении понадобилось ровно 470 витков. ESR тестер показывает 8.9 мГн что находится в нужных рамках с учетом погрешности. После всех процедур намотку необходимо пропитать эпоксидной смолой и запечатать в термоусадку.
Первичная обмотка мотается в ту же сторону что и вторичная. Изначальное количество витков 13, провод 0.2 мм. Дальше имея метку на ферритовой гире, соединяем начало первичной обмотки с концом вторичной. Тут главное ничего не перепутать.
Припаиваем трансформатор на плату и подаем питание на схему. На этом этапе внимательно нужно следить за уровнем накачки высокого напряжения. Сейчас оно показывает норму, но через секунду меняет значение на низкое, норма, низкое и так далее. Такого быть не должно.
Переходим к настройке. На щупе осциллографа включаем делитель напряжения на 10 и подключаемся напрямую к обкладкам накопительного высоковольтного конденсатора. На экране видим импульсы с амплитудой не превышающие 200 В. Если заглянуть в паспорт к трубке СБМ-20, то видим что напряжение начала счета лежит в пределах от 260-320 В, а рабочее напряжение должно составлять 400 В. Сейчас нам необходимо изменить коэффициент трансформации высоковольтного трансформатора. Для этого отматывает по одному витку первичную обмотку и наблюдаем как меняется индуктивный выброс на экране осциллографа. Добиваемся наибольшей отдачи по напряжению, если будет больше 400 В не страшно.
Дальше последовательно с первичной обмоткой устанавливаем переменный резистор и добиваемся чтобы вершина импульса лежала в пределах необходимого для функционирования трубки напряжения 400 В, прям как доктор прописал. Настройка довольно простая, но из наблюдений при одинаковой индуктивности трансформатора, отдача у них временами отличается.
К примеру на одной плате нужно было 5 витков первичной обмотки и токоограничивающий резистор в 5.1 Ом, а на другой 13 витков и 20 Ом. От чего это зависит мне не известно. Были предположения что отличается проницаемость ферритов, для проверки этой теории было собрано примитивное устройство, которое имитировало накачку на дозиметре, но амплитуда пиков напряжения при одной и той же индуктивности была примерно одинакова. В качестве управляющих источников коротких импульсов использовался прерыватель для катушек Тесла.
Осталось добавить самый важный элемент, способный регистрировать ионизирующее излучение. Самые распространенные трубки в этом деле - это счетчики Гейгера СБМ20. Предлагаю распилить один из них и посмотреть из чего он состоит.
Состоит устройство из анода, внутреннего стрежня и катода, роль которого выполняет герметично запаянный баллон наполненный смесью инертных газов таких как: неон, бром и возможными некоторыми добавками.
При попадании в камеру радиоактивной частицы, её энергии оказывается достаточно, чтобы выбить свободный электрон из материала корпуса камеры, этот электрон лавинообразно начинает выбивать свободные электроны из окружающего инертного газа и происходит его ионизация, которая в итоге приводит к разряду между электродами.
При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подаётся в регистрирующее устройство. Чтобы счётчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока в газовой среде на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается — настолько, что разряд прекращается и счётчик снова готов к работе.
СБМ20 в большинстве случаев существуют в габаритах превосходящие размер платы. Как же это исправить? Для этого с помощью паяльника удаляем припой с клемм и освобождаем проволоку которая идет напрямую к электродам счетчика. Затем аккуратно нагреваем переход между металлом и бакелитовой вставкой. Клей, который находится в соединении станет мягким что позволит без проблем отсоединить трубку от клемника. Усердствовать тут не нужно, так как можно повредить стеклянные изоляторы которые находятся по бокам.
Такой уменьшенный по габаритам счетчик можно припаивать на плату. Электронная часть дозиметра собрана и готова к работе. На экране накачка высокого напряжения в норме, собственно как и окружающий радиационный природный фон.
Для дальнейшей работы нам понадобится контрольный источник, роль которого выполнит светофильтр ЗС-7 обладающий слегка повышенным радиационным фоном. Будем изучать осциллограммы, сейчас нас интересует лицевая сторона платы. Слабый сигнал со счетчика Гейгера через разделительный конденсатор поступает на каскад из двух транзисторов BC857 с прямой проводимостью решает задачу усиления и инвертирования сигнала. На его выходе видим четкие положительные импульсы равные напряжению питания схемы. Второй транзистор BC847 переворачивает этот сигнал и в таком виде он поступает на порт микроконтроллера. Предполагаю такое решение дает повышенную помехоустойчивость дозиметру.
На затворе Mosfet транзистора, отвечающего за импульсы накачки высоковольтного трансформатора видим пачки примерно раз в секунду. Количество импульсов в пачке микроконтроллер определяет автоматически по обратной связи, выполненной на 18 вольтовом стабилитроне и 1 кОм резисторе. Много кто спрашивал в чем плюс цифрового осциллографа Rigol 1054. Отвечаю. Тут есть возможность записать любой спонтанный во времени сигнал, затем развернуть его и изучать в любых доступных позах.
Импульс напряжения на горячем конце высоковольтного трансформатора выглядит как острая иголка амплитудой около 400 В, после выпрямительного диода на накопительном конденсаторе должна быть прямая полка равная тем же 400 В, но щуп осциллографа несмотря на свое больше сопротивление просаживает напряжение практически до нуля, что мы и наблюдаем. На этом электрокардиографию можно считать исчерпывающей. К высоковольтному конденсатору руками лучше не касаться, он кусается как хомяки если их разозлить...
Если вдруг в процессе сборки возникли проблемы с подсветкой экрана, проверяем что присутствует на удвоителе напряжения. Там должны быть стабильные 6 В при максимальной яркости подсветки и 5.5 В при минимальной. Если ничего не наблюдаем, проверяем наличие управляющего ШИМ сигнала. Повторяемость устройства при заведомо исправных радиокомпонентах довольно высокая, потому со сборкой справится каждый желающий.
Плата в готовом виде выглядит компактно, технологично, но в карман ее рядом с ключами не положишь. Тут нужен корпус. Смоделируем его в солидворксе. Конструкция должна состоять из задней крышки, которая будет служить в роли сменного фильтра, прочного корпуса с названием дозиметра на лицевой стороне и 4 кнопок управления. Получившуюся модель переносим в слайсер для печати на фотополимерном 3D принтере.
Для лучшей читаемости надписи и рисунка радиохазарда модель размещаем под углом в 45 градусов. Для печати воспользуемся принтером Creality Halot-Sky совместно со смолой Jang He. Их существует множество цветов, но поработать получилось только с белым и серым. В чем заключается отличие, узнаем после печати.
Если печатать модель плашмя к столу, то надписи из-за переэкспонирования первых слоев заливает до состояния не читаемости. После того как модель выросла из полимера, промываем её в спирте.
Как и полагается любому делу, корпус прошел путь от самого простого для понимания реальных размеров и до того состояния, которое мы увидим дальше. Естественно без работы напильником тут не обошлось. Обработка поверхности от поддержек и все такое. Время экспозиции серого фотополимера 3 секунды, белого 4. Последний обладает чрезвычайно высокой паразитной засветкой, что очень сильно замыливает надпись. Разницу видно на острых гранях букв, включая рисунок радиохазарда внизу.
В съемной крышке предусмотрено углубление в которое помещается кусок фольгированного свинца, который будет служить фильтром для измерения гамма и бета излучения. Чтоб металл сидел на месте и не вываливался, заливаем резервуар эпоксидной смолой. Распределяем ее равномерно по поверхности и оставляем на сутки застывать.
Дальше нам понадобится светонакопительный порошок зеленого цвета. Разводим его в небольшом количестве эпоксидки, набираем в шприц и небольшими порциями по одной капле заполняем форму рисунка. После этих процедур корпус несколько суток лучше не трогать.
Помещаем сюда всю электронику. Внутри не предусматривались какие либо элементы крепления платы, потому лучшим решением для этой задачи будет водостойкий силикон или какой-нибудь клей герметик. В общей сложности подготовка корпуса заняла 3 дня и 3 ночи, теперь можно посмотреть на результат.
Универсальность дозиметра заключается в том, что если батарейка в нем разрядилась, а вы каким-то образом попадете в зону повышенных радиационных полей, эпоксидная смола засветится подобно клинку молодого хоббита во время приближения орков.
Так же можно носить в кармане жменю соли, если она засветилась, значит поля свыше сотни ренгрен вокруг и нужно делать ноги с того места где вы стоите. Подобный эффект демонстрировался в посте про самодельную рентгеновскую установку. Корпус получился достаточно компактным и с легкостью помещается в карман штанов.
Рассмотрим краткие технические характеристики дозиметра. В устройстве находится Литий-ионный аккумулятор емкостью 800 мА, заряжается он через разъем micro USB и сопровождается индикацией синего светодиода. По окончанию заряда светодиод гаснет.
Потребление прибора в режиме сна порядка 40 микроампер, в момент накачки ток прыгает до 500 мкА. В обычном режиме измерения при максимальной яркости экрана потребление прибора составляет 22 мА. Выходит что с установленным аккумулятором прибор может работать 36 часов в режиме включенного экрана и примерно много лет в режиме сна.
Самый большой пик потребления приходится на вибромотор, он самый прожорливый и максимальное измеренное потребление лежит в районе 106 мА.
Максимальный предел измерения фонового значения, которые получилось добиться в домашних условиях 47 мР/час. Полагаю это потолок для примитивной рентгеновской установки на кенотроне 2Ц2С. Запускать Сифуновскую пиш машину мне было лень, так что звыняйте.
Если по какой-то причине пропадет высокое напряжение или перестанет работать счетчик на плате, на экране появится сигнал тревоги.
Сравнивать функционал RAD BOY с Радиаскан-701 не вижу смысла, так как это приборы разной весовой категории и c разными счетчиками на борту. Тут преимущество разве что в габаритах и времени автономной работы устройства.
Пробежимся по меню дозиметра и посмотрим на разнообразие настроек. В первой строке видим тип графика. Статистику и текст мы наблюдали на экране в течении всего поста. Гистаграмма выглядит как пики максимальных радиационных полей в определенный момент времени. Можно наблюдать какой был средний фон в последнюю минуту или час. Выбор экрана на любой вкус и цвет.
Дальше второй пункт - кнопки. Тут можно установить отклик при нажатии в виде вибрации, беззвучного режима или тонального. Звук счетчика Гейгера можно выбрать тональным в виде вибрации или беззвучным. Настройка авто сна определяет через какое время прибор уйдет в сон после последнего нажатия кнопок на приборе.
Яркость и контраст определяет читаемость полезной информации на экране.
Порог тревоги устанавливает уровень радиационного фона, после которого прибор начнет ругаться и оповещать что вы находитесь не в том месте, не в то время. Установим 80 мкР/Ч.
Время и дата на момент съемки 22 часа 24 минуты, 15 октября 22 года. Суббота за бортом.
Теперь заходим в сервисное меню. Нас интересует пункт плотность датчика. По умолчанию выставлено 540 кв.мм. Из-за того что трубка частично перекрыта пластиковой задней крышкой, это значение следует снизить до 200 кв.мм. Дальше нажимаем кнопку выбора измерения и выбираем пункт плотность бета частиц. Прибор нам рекомендует закрыть фильтр датчика.
Заднюю крышку устанавливаем свинцовой пластиной к счетчику и проводим первое измерение, затем через минуту прибор попросит убрать фильтр и провести второе измерение. Показания Радиаскан-701 и RAD BOY в среднем насчитали одинаковые значения плотности бета потока, разумеется в рамках погрешности.
Измерение гамма плюс бета, условно оба прибора тоже шли нога в ногу. Оба прибора лежали на светофильтре ЗС-7. Главное условие заключается в том, чтобs источник перекрывал площадь обоих счетчиком для корректного измерения уровня фона.
Так же прибор умеет считать накопленную дозу за сутки по часам, за месяц по дням и все в таком духе. Нужно было собирать это устройство до того, как мы по окрестностям Чернобыля лазили. Ухх было время...
Кто-то писал в инстаграмме, почему дозиметры показывают разные фоновые значения? Отвечаю, это эффект называется флуктуацией - случайным отклонением от среднего значения случайной величины, характеризующей систему из большого числа хаотично взаимодействующих частиц. В свободном пространстве гамма кванты летают как попало, потому значения на дозиметрах скачут, но в среднем фон плюс минус одинаковый.
Дозиметр получился довольно простой как в плане сборки, так и в плане настройки, что не составит труда повторить его любому школьнику. Кроме всего рассматривалась к сборке кандидатура радиометра Атом Скан, к которому можно подключать практически любые счетчики Гейгера в том числе слюдяные. Про него обязательно поговорим в одном из следующих постов. Себестоимость дозиметра RAD BOY выходит примерно 50 баксов, цена конечно же относительна, так как некоторые комплектующие типа счетчика СБМ20, экрана, микроконтроллера и аккумулятора могут меняться в зависимости от региона проживания.
В общем что хотел сказать, надеюсь в ближайшем обозримом будущем дозиметры нам не понадобятся...
