Jak zbudować licznik G-M (Geigera-Müllera)? - opis, schematy, montaż

Zdobyłem trzy liczniki typu STS-5 i początkowo zamierzałem bazować na schemacie z EdW 12/2017 autorstwa pana Michała Stacha, z ciekawą obróbką impulsów z rurki G-M i na płytce AVT3214A. Niestety, w pierwszym podejściu nie udało mi się uruchomić przetwornicy WN. Przeciwko przetwornicy z projektu AVT w pewnym sensie przemawia też jej duża moc, wielokrotnie przekraczająca potrzeby rurek G-M oraz związany z tym znaczący pobór prądu z baterii i napięcie zasilania. Zdecydowałem się zatem na kombinację kilku projektów dostępnych w Internecie.

Opis układu (licznik G-M)

Na rysunku 1 przedstawiam schemat przetwornicy WN i zespołu liczników G-M zmontowany i uruchomiony przeze mnie.

Schemat układu przetwornicy WN bazuje na konstrukcjach: http://www.teralab.co.uk/Electronics/Geiger/Geiger_Page1.htm a przede wszystkim na drugim projekcie opisanym na portalu „elektroda.pl” https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic1352390.html ze znacznymi modyfikacjami.

Rys.1 Schemat przetwornicy WN i zespołu liczników G-M

Użyłem wzmacniacza LM4250CN o wręcz mikroskopijnym poborze prądu. Zastosowałem trzy rurki G-M, każda z własnymi rezystorami anodowymi (5,2MΩ) i katodowymi (33kΩ) + (220kΩ) oraz kondensatorami C40, C50 i C60 (ceramiczny 47pF/1000V). Tranzystor Q3 jest wspólny dla trzech rurek. Rezystor R23 pełni funkcję prostego dyskryminatora odcinającego zakłócenia i zapobiegającego wzbudzeniu się bardzo czułego układu.

Zmieniłem wartości kondensatorów w powielaczu WN: C3–C6 to KSF 4,7nF/500V, C13 to polipropylenowy 100nF/1000V. Rezystory w pętli regulacji i stabilizacji WN to dwa wielkogabarytowe rezystory po 470MΩ, połączone szeregowo mają rzeczywistą rezystancję ok. 1GΩ, zakupione na portalu aukcyjnym w bardzo małym stopniu obciążają przetwornicę. Jako kondensatorów odprzęgających użyłem monolitycznych X7R 1μF/50V lutowanych wewnątrz podstawek pod układy scalone.

Najwięcej pracy wymagało wykonanie transformatora na miniaturowym rdzeniu ferrytowym (kubkowym). Użyłem rdzenia i karkasu z projektu AVT29 (https://sklep.avt.pl/cewka-avt29.html). Jest to rdzeń F1001 o wymiarach 14/8 mm. W oryginale ma dużą szczelinę powietrzną i niewielką stałą AL=125 (ten sam rdzeń bez szczeliny powietrznej ma stałą AL=2600). Przed wykonaniem transformatora WN warto przeczytać artykuł o rdzeniach ferrytowych z EdW 01–03/2003.

Kilka rdzeni delikatnie rozdzieliłem na połówki i wydobyłem karkas z drutem (nadaje się na uzwojenie pierwotne), natomiast z karkasu należy wyłamać przegrodę międzysekcyjną i delikatnie opiłować jej resztki. Na uzwojenie pierwotne nadaje się też drut z cewek z przepalonych „ekologicznych” świetlówek żarówkopodobnych o mocy 15–25W.

Fot.1 Przykłady cewek i kubków ferrytowych użytych do wykonania transformatora WN przetwornicy

Niestety, delikatny ferryt często pęka przy tej operacji, parę pękniętych połówek skleiłem klejem epoksydowym i po przeszlifowaniu powierzchni na papierze ściernym udało mi się dobrać parę połówek o sumarycznej stałej AL około 900. Konieczne jest posiadanie choćby najprostszego miernika indukcyjności; ja używałem chińskiego testera LCR-T4. Uzwojenie pierwotne nawinięte bifilarnie 2 x 20 zwojów drutem DNE o średnicy ok. 0,2–0,22mm powinno zająć 2 warstwy w karkasie.

Następnie przekładka z teflonowej folii używanej przez hydraulików do uszczelnień i uzwojenie wtórne nawinięte drutem DNE w liczbie 500 zwojów. Przy średnicy drutu 0,10mm trzeba nawijać je bardzo starannie, aby zmieściło się na karkasie. Ja zastosowałem drut o średnicy 0,08mm (pozwala nawinąć nawet 700 zwojów) z uzwojenia pierwotnego jakiegoś małego transformatora sieciowego. Można też użyć drutu z tego transformatora: https://sklep.avt.pl/transformator-impedancyjny-10kohm-1kohm-audio.html.

Wykonany przeze mnie transformator ma indukcyjność uzwojeń pierwotnych 2 x 0,35mH (impedancja dla f = 44kHz wynosi ok. 100Ω), uzwojenia wtórnego ok. 230mH. Po złożeniu transformatora mój tester „wariował” przy pomiarze indukcyjności uzwojeń pierwotnych, pokazywał bądź 0,00Ω, bądź 13Ω (impedancja przy nieznanej częstotliwości pomiarowej, przypuszczalnie 5kHz). Indukcyjność uzwojenia wtórnego mierzył natomiast prawidłowo.

Na fotografii 1 pokazane są przykłady cewek i kubków ferrytowych użytych do wykonania transformatora WN przetwornicy. Widoczna w dolnym lewym rogu cewka ma 32 zwoje i służy do szybkiego wyznaczania stałej AL rdzenia kubkowego, wg wzoru L=Al*N², gdzie L oznacza indukcyjność, N – ilość zwojów cewki, a AL jest stałą rdzenia w nH. Indukcyjność rdzenia kubkowego z cewką o 32 zwojach, wyznaczona w μH, odpowiada liczbowo stałej AL rdzenia. Przetwornica WN wystartowała od razu przy zastosowaniu pierwszego z brzegu transformatora, jaki nawinąłem.

Układ obróbki impulsów licznika G-M

Układ obróbki impulsów z rurek G-M zastosowałem (z nieznacznymi modyfikacjami) z projektu pana Michała Stacha. Wg mnie ma on kilka ważnych zalet:

• nie „gubi” impulsów w sytuacji ich nakładania się w czasie
• doskonała współbieżność zakresów pomiarowych, co ma znaczenie w liczniku analogowym.

Zmiany to oczywiście zastosowanie trzech rurek G-M typu STS-5, sygnalizacja detekcji promieniowania przez diodę LED i miniaturowy głośnik, przy skróceniu czasu błysku/piknięcia – C14 o wartości 33nF (może być nawet 10nF), zastosowanie czterech podzakresów o mnożnikach 2,5x oraz 4x (250nSv/h, 1μSv/h, 2,5μSv/h oraz 10μSv/h) i związane z tym odpowiednie przeliczenia rezystorów Zakresów 1–4 oraz rezystora R28, który zastosowałem wspólny dla wszystkich podzakresów pomiarowych.

Zaznaczony na schemacie fragment „OPTION” to zastąpienie dość drogich rezystorów 2 x 470MΩ drabinką 10 sztuk rezystorów 22MΩ, znacznie łatwiej dostępnych, co nieznacznie zwiększa pobór prądu przez układ.

Przetwornica WN (w liczniku G-M)

Przetwornicę WN po zmontowaniu uruchomiłem bez problemów. Częstotliwość wyniosła 44kHz. Tak jak w opisie na „elektroda.pl” pobór prądu jest impulsowy, układ pobiera stale ok. 20μA, co kilka sekund pojawia się „szpilka” poboru prądu przy doładowaniu kondensatora C13 (niestety, nie mam oscyloskopu albo amperomierza całkującego).

Rezystorem nastawnym PR1 ustawiłem napięcie ok. 405V. Oscylacje WN nie przekraczają 5V, co nie ma żadnego wpływu na pracę rurek G-M. Średni pobór prądu szacuję w stanie spoczynkowym na poniżej 0,4mA. Przetwornica pracuje poprawnie (zwiększając pobór prądu) nawet przy napięciu obniżonym do 6,5V, co pozwala mi „dopalać” w mierniku częściowo zużyte baterie R6/LR6.

Fot.2 Mikroamperomierz 100μA z chińskiego miernika YX-360

Układ obróbki impulsów wg projektu pana Michała Stacha uruchomiłem razem z zespołem liczników G-M, zasilanym z zewnętrznego zasilacza WN o napięciu 410 V. W układzie obróbki impulsów zdecydowałem się na 4 podzakresy, co wymaga dwusekcyjnego przełącznika sześciopozycyjnego (https://sklep.avt.pl/przelacznik-obrotowy-2-x-6-pozycji-do-druku-ds-2.html). Zrezygnowałem z testowania baterii głośnikiem i rezystory R1, R31 zastąpiłem jednym, R28 o rezystancji 15kΩ (taka sama stała czasowa na wszystkich podzakresach).

Jako miernik zastosowałem mikroamperomierz 100μA z chińskiego miernika YX-360 (fotografia 2), adaptując skalę do wskazań promieniowania. Musiałem więc zmienić wartości rezystorów podzakresów (w sumie 4 rezystory o wartościach 60kΩ, 15kΩ, 6kΩ i 1,5kΩ) oraz zmienić wartość rezystora R19 na 510Ω. Zamiast brzęczyka użyłem miniaturowego głośnika z równolegle podłączoną diodą LED i zmieniłem stałą czasową trwania impulsu na głośnik na 3,3ms (C20 = 33nF, można zmniejszyć nawet do 10nF).

Fot.3a,3b,3c Wskazania przy pomiarze promieniowania torowanych wolframowych elektrod spawalniczych

Zmontowany „na stole” układ w pierwszych testach wykazał się dużą czułością. poziom tła był wyświetlany jako 70–80nSv/h, zbliżenie płytki ceramicznej zwiększało odczyt do 120nSv/h, a po zbliżeniu „czerwonych” elektrod wolframowych odczyt dochodził do 0,7μSv/h. Na fotografii 3 pokazane są wskazania przy pomiarze promieniowania torowanych wolframowych elektrod spawalniczych (z czerwoną końcówką) w kolejności wzrostu czułości zakresu.

Przyrząd wykrywa promieniowanie elektrod już na zakresie 2,5μSv/h (fotografia 3a), a na najczulszym zakresie wskazówka wychodzi poza skalę (fotografia 3c). Porównanie wskazań na zakresach: 2,5μSv/h (~0,8μSv/h, fotografia 3a) i 1μSv/h (~0,76μSv/h, fotografia 3b) dowodzi wzajemnej kompatybilności podzakresów. Fotografia 4a pokazuje czeską płytkę ceramiczną, a 4b – zmierzony poziom promieniowania. Zakres 250 nSv/h.

Na fotografii 5 analogicznie, tylko płytka krajowa. Nieco lepiej, ale obecność ThO2 całkiem dobrze widoczna. Zakres 250 nSv/h.

Fot.4a Czeska płytka ceramiczna

Fot.4b Czeska płytka ceramiczna - poziom promieniowania

Fot.5a Polska płytka ceramiczna

Fot.5b Polska płytka ceramiczna - poziom promieniowania

Montaż i uruchomienie licznika G-M

Zrobiłem dwie wstępne przymiarki do wykonania płytki drukowanej elektroniki. Projekt (niestety ExpressPCB – pliki w Elportalu) pokazany jest na rysunku 2. W płytkę można wlutować bądź drabinkę 10 x 22MΩ, bądź 2 x 470MΩ, bądź 1 x 1GΩ. Przy okazji sprawdziłem, że stosowany niekiedy układ regulacji napięcia na pierwszym stopniu powielacza nie sprawuje się najlepiej i napięcie wyjściowe, w przypadku impulsowego obciążenia, jak w przypadku rurek G-M, ulega dość dużym wahaniom ±10%.

Rys.2 Projekt płytki drukowanej miernika G-M

Ostatecznie układ przetwornicy WN i układ obróbki impulsów zmontowałem na płytce uniwersalnej (https://sklep.avt.pl/plytka-uniwersalna-tht-jednostronna. html), często posługując się kynarem i skrobakiem do przecinania ścieżek. Płytka ma wymiary 70 x 73mm z wycięciem na miernik wskazówkowy. Poza płytką znalazły się:

• 3 rurki G-M z rezystorami anodowymi, katodowymi, kondensatorami separującymi, tranzystorem Q3 i rezystorem R44
• przełącznik zakresów wraz z diodami D8–D11 i rezystorami podzakresów
• miniaturowy głośnik i dioda LED z własnymi rezystorami szeregowymi.

Fot.6 Płytka przetwornicy WN (lewa strona) i układu obróbki impulsów (prawa strona)

Fotografia 6 pokazuje moją płytkę przetwornicy WN (lewa strona) i układu obróbki impulsów (prawa strona) bez układów scalonych. Widoczna na górze po prawej zworka służy do pomiaru poboru prądu podczas pracy. Całość licznika zdecydowałem się zmontować w obudowie KM-103. Ma ona pojemnik na 6 baterii R6, co daje niezbędne napięcie zasilania 9V. Warto zwrócić uwagę, że jako pierwszy uruchamia się zakres 10μSv/h, natomiast najczulszy 250nSv/h jest ostatni. Opis zakresów przykryty jest płytką plexi.

Fot.7 Miernik G-M (góra obudowy)

Fot.8 Miernik G-M (dół obudowy)

Fotografia 7 przedstawia górę obudowy, a fotografia 8 dół obudowy z rurkami G-M zmontowanymi na płytce plexi, szyną WN po prawej i pierwszym stopniem wzmocnienia impulsów z kondensatorami separującymi po lewej. Fotografia 9 pokazuje miernik od spodu. W celu umożliwienia pomiarów promieniowania beta, w obudowie wycięte jest okno zabezpieczone folią PTFE (mylar, PET) o grubości 30μm.

Fot.9 Miernik G-M (spód)

Folia jest bezbarwna, przezroczysta, ale ew. zabarwienie nie ma żadnego wpływu na pomiary. Na fotografii 10 widać miernik przed skręceniem. Kilka dodatkowych fotografii i rysunki można znaleźć w Elportalu wśród materiałów dodatkowych do tego numeru EdW.

Fot.10 Miernik G-M przed skręceniem

Koncepcję wyglądu miernika wzorowałem na znanym radiometrze RKP- 1-2, tzw. żelazko, stąd rączka, widoczna na fotografii 11. Mój miernik ma wymiary DxSxW 195x95x125 mm, masa z kompletem baterii i uchwytem (ponad 100g!) to 850g (połowa masy RKP-1-2). Miernik dzięki grubej rączce świetnie leży w dłoni.

Fot.11 Miernik G-M z rączką

Rozważania projektowe na temat licznika G-M

Zastosowany przeze mnie układ przetwornicy WN jest dość skomplikowany, dlatego niedawno ponownie wróciłem do układu z EdW z 12/2017. Po pewnych modyfikacjach udało mi się go uruchomić (fotografia 12) przy poborze prądu ok. 11,5mA (co wg mnie jest i tak za wysoką wartością), ale istnieje możliwość obniżenia poboru prądu do ok. 4...5mA.

Przy okazji okazało się, że: warto wymienić diodę BA159 na UF4007 (HER108) lub jeszcze szybszą ES1J (tylko SMD), jako kondensator zastosować dobrej jakości kondensator foliowy (polipropylenowy lub poliwęglanowy, KSF są zbyt duże) o pojemności mniejszej niż na schemacie, wystarczy 100nF/630V, należy zwiększyć rezystancję obwodu regulacji wzmocnienia i napięcia wyjściowego, nawet do łącznej wartości 110MΩ (rezystory R17–R21 na schemacie w EdW 12/2017, a R23 zastąpić potencjometrem nastawnym).

Fot.12 Układ przetwornicy

Jako dławik najlepiej pracują dławiki z „ekologicznych” świetlówek w szerokim zakresie indukcyjności od 1,5mH do 17mH, ale koniecznie trzeba sprawdzać pobór prądu i prąd startowy, ponieważ mogą występować znaczące różnice. Własnoręcznie nawinięty dławik na rdzeniu kubkowym 14/8 mm, F1001, AL=900 o indukcyjności 9,8mH pracował poprawnie, natomiast na rdzeniach toroidalnych przechodziły w stan nasycenia (b. wysoki pobór prądu, napięcie <350V).

Zmieniając dzielnik napięcia, otrzymałem napięcie z przetwornicy równe 550V, a więc prawie maksymalne dozwolone, ponieważ maksymalne napięcie U_DS tranzystora 2SK2545 wynosi 600V. Tak wysokie napięcie z pojedynczego stopnia przetwornicy, po zastosowaniu powielacza, pozwala zbudować prosty układ WN o napięciu wyjściowym nawet 2kV. Ponieważ planuję jeszcze budowę małej zaokiennej stacji monitoringu poziomu promieniowania, tym razem na jednej rurce BOB- 33, w której pobór prądu nie będzie tak krytycznym parametrem, nie skreślam jeszcze tego układu z pola widzenia. W Elportalu umieszczone są fotografie dławików oraz nieco rozszerzony opis.

Planuję przetestować opisywane w Internecie przetwornice WN na układzie CMOS555. Przy okazji chcę wypróbować prosty sposób cyfryzacji miernika, bez bawienia się w układy mikroprocesorowe: wystarczy miliwoltomierz cyfrowy o zakresie 0–2000mV do pomiaru napięcia na kondensatorze C13 z odświeżaniem ok. 2x/s. Można też pomyśleć o prostej ciągłej rejestracji danych.

Uwagi końcowe - licznik G-M

I jeszcze kilka uwag końcowych. Obecnie za niewielką kwotę, poniżej 300 zł, można kupić cyfrowe mierniki G-M z typowymi gadżetami, jak funkcja dozymetru, prezentacja i rejestracja profilu promieniowania itd. Pod względem finansowym samodzielna budowa miernika GM jest więc prawie pozbawiona sensu. Ale samodzielną realizację podejmą osoby, które są pasjonatami tematu albo też miernik jest im potrzebny do ściśle sprecyzowanych celów (w moim przypadku – identyfikacja słabych źródeł promieniowania).

Jest mało prawdopodobne, aby jakaś konstrukcja znaleziona w sieci lub czasopiśmie dokładnie spełniała indywidualne oczekiwania. Dlatego za taki projekt powinny brać się osoby, które dokładnie wiedzą, czego oczekują, mają dobrą znajomość elektroniki, doświadczenie w eksperymentowaniu z układami elektronicznymi i ich modyfikacją oraz pewną bazę pomiarową. Nie wyobrażam sobie np. budowy takiego miernika bez pomiarów indukcyjności.

Może się też okazać, że w znalezionym gdzieś projekcie odpowiada nam tylko układ obróbki impulsów, ale mamy zastrzeżenia do przetwornicy WN albo chcemy zastosować inny typ rurek G-M, zamiast jednej użyć dwóch. Niestety, nawet proste błędy i brak zrozumienia problemu mogą spowodować zniszczenie rurki lub spalenie elektroniki – sam widziałem w sieci schematy, których nie odważyłbym się zastosować.

Gdy jednak wszystko się uda, satysfakcja jest ogromna i pozostaje tylko szukanie co bardziej spektakularnych przykładów obecności promieniowania jonizującego w naszym otoczeniu, jak choćby wspomniana już sól dietetyczna czy kurz w odkurzaczu.