Счетчик Гейгера своими руками с ESP8266 и сенсорным экраном: 4 шага (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

ОБНОВЛЕНИЕ: НОВАЯ И УЛУЧШЕННАЯ ВЕРСИЯ С WIFI И ДРУГИМИ ДОБАВЛЕННЫМИ ФУНКЦИЯМИ ЗДЕСЬ

Я спроектировал и построил счетчик Гейгера - устройство, которое может обнаруживать ионизирующее излучение и предупреждать пользователя об опасных уровнях окружающего излучения с помощью слишком знакомого щелчка. Его также можно использовать при разведке полезных ископаемых, чтобы узнать, есть ли в найденной вами скале урановая руда!

В Интернете есть множество существующих наборов и учебных пособий, позволяющих создать собственный счетчик Гейгера, но я хотел создать уникальный - я разработал графический интерфейс с сенсорным управлением, чтобы информация отображалась в удобной форме.

Шаг 1: основная теория

Принцип работы счетчика Гейгера прост. На тонкостенную трубку с газом низкого давления внутри (называемую трубкой Гейгера-Мюллера) подается высокое напряжение на двух электродах. Создаваемого электрического поля недостаточно, чтобы вызвать пробой диэлектрика, поэтому через трубку не течет ток. Так происходит до тех пор, пока через него не пройдет частица или фотон ионизирующего излучения.

Когда бета- или гамма-излучение проходит, оно может ионизировать некоторые молекулы газа внутри, создавая свободные электроны и положительные ионы. Эти частицы начинают двигаться из-за наличия электрического поля, и электроны фактически набирают достаточную скорость, чтобы в конечном итоге ионизировать другие молекулы, создавая каскад заряженных частиц, которые на мгновение проводят электричество. Этот короткий импульс тока может быть обнаружен схемой, показанной на схеме, которую затем можно использовать для создания звука щелчка или, в этом случае, передать на микроконтроллер, который может выполнять с ним вычисления.

Я использую трубку Гейгера SBM-20, так как ее легко найти на eBay, и она довольно чувствительна к бета- и гамма-излучению.

Шаг 2: Детали и конструкция

Я использовал плату NodeMCU на базе микроконтроллера ESP8266 как мозг для этого проекта. Я хотел что-то, что можно было бы запрограммировать как Arduino, но было бы достаточно быстрым, чтобы управлять дисплеем без особых задержек.

Для источника высокого напряжения я использовал этот повышающий преобразователь HV DC-DC от Aliexpress для подачи 400 В на трубку Гейгера. Просто имейте в виду, что при проверке выходного напряжения вы не можете измерить его напрямую мультиметром - сопротивление слишком низкое, и напряжение будет падать, поэтому показания будут неточными. Создайте делитель напряжения не менее 100 МОм последовательно с мультиметром и измерьте таким образом напряжение.

Устройство питается от батареи 18650, которая подается на другой повышающий преобразователь, который обеспечивает постоянное напряжение 4,2 В для остальной цепи.

Вот все компоненты, необходимые для схемы:

• Трубка SBM-20 GM (многие продавцы на eBay)
• Повышающий преобразователь высокого напряжения (AliExpress)
• Повышающий преобразователь на 4,2 В (AliExpress)
• Плата NodeMCU esp8266 (Amazon)
• 2,8-дюймовый сенсорный экран SPI (Amazon)
• Литий-ионный аккумулятор 18650 (Amazon) ИЛИ Любой литий-полимерный аккумулятор 3,7 В (500+ мАч)
• Держатель ячеек 18650 (Amazon) Примечание: этот держатель батареи оказался слишком большим для печатной платы, и мне пришлось согнуть контакты внутрь, чтобы можно было припаять его. Я бы порекомендовал использовать меньшую батарею LiPo и вместо этого припаять провода JST к аккумуляторным площадкам на печатной плате.

Необходимые разные электронные компоненты (некоторые из них могут быть у вас уже):

• Резисторы (Ом): 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1.8M, 3M. Рекомендуем приобрести резисторы 10 МОм для создания делителя напряжения, необходимого для измерения выходного высокого напряжения.
• Конденсаторы: 220 пФ
• Транзисторы: 2N3904
• Светодиод: 3 мм
• Зуммер: любой пьезозуммер 12-17 мм
• Держатель предохранителя 6,5 * 32 (для надежного крепления трубки Гейгера)
• Тумблер 12 мм

Пожалуйста, обратитесь к схеме PDF в моем GitHub, чтобы узнать, где находятся все компоненты. Обычно дешевле заказать эти компоненты у оптовых дистрибьюторов, таких как DigiKey или LCSC. Вы найдете электронную таблицу с моим списком заказов из LCSC на странице GitHub, которая содержит большинство компонентов, показанных выше.

Хотя печатная плата не требуется, она может упростить сборку схемы и сделать ее аккуратной. Файлы Gerber для изготовления печатных плат также можно найти в моем GitHub. С тех пор, как я получил свою, я внес несколько исправлений в конструкцию печатной платы, поэтому дополнительные перемычки не потребуются при новом дизайне. Однако это не было проверено.

Корпус напечатан на 3D-принтере из PLA, детали можно найти здесь. Я внес изменения в файлы САПР, чтобы отразить изменения местоположения сверла на плате. Он должен работать, но учтите, что это не было проверено.

Шаг 3. Код и пользовательский интерфейс

Я использовал библиотеку Adafruit GFX для создания пользовательского интерфейса для дисплея. Код можно найти в моей учетной записи GitHub здесь.

На домашней странице отображается мощность дозы, количество импульсов в минуту и общая накопленная доза с момента включения устройства. Пользователь может выбрать медленный или быстрый режим интегрирования, который изменяет интервал скользящей суммы на 60 или 3 секунды. Зуммер и светодиод можно включать и выключать по отдельности.

Имеется меню основных настроек, которое позволяет пользователю изменять единицы дозы, порог срабатывания сигнализации и коэффициент калибровки, который связывает CPM с мощностью дозы. Все настройки сохраняются в EEPROM, поэтому их можно будет восстановить при перезагрузке устройства.

Шаг 4: Тестирование и заключение

Счетчик Гейгера измеряет частоту щелчков от 15 до 30 импульсов в минуту от естественного фонового излучения, что примерно соответствует тому, что ожидается от трубки SBM-20. Небольшой образец урановой руды регистрируется как умеренно радиоактивный, примерно со скоростью 400 CPM, но торированная мантия фонаря может заставить его щелкать быстрее, чем 5000 CPM, когда его подносят к трубе!

Счетчик Гейгера потребляет около 180 мА при 3,7 В, поэтому батареи на 2000 мАч должно хватить около 11 часов без подзарядки.

Я планирую правильно откалибровать трубку стандартным источником цезия-137, что сделает показания дозы более точными. Для будущих улучшений я мог бы также добавить возможность Wi-Fi и функцию регистрации данных, поскольку ESP8266 уже поставляется со встроенным Wi-Fi.

Надеюсь, вам понравился этот проект! Пожалуйста, поделитесь своей сборкой, если вы в конечном итоге сделаете что-то подобное!