Kapesní měřič radioaktivity
Miniaturní dozimetr - detektor radioaktivního záření

Napsal RadioMan 03.07.2019




PŘEHLED KAPITOL

1Úvodem - proč měřit a čím měřit ?
2Konstrukce měřiče radioaktivity
3Popis funkce procesoru
4Mechanické provedení a stavba
5Obsluha a parametry



Úvodem - proč měřit a čím měřit ?

Měřič radioaktivity může být poměrně užitečná věc - aniž bychom patřili zrovna k těm, kteří žijí ve strachu z hrozby jaderné války. Ta snad (doufejme, že to tak zůstane natrvalo) lidstvu bezprostředně nehrozí. Nicméně radioaktivita nás v nějaké formě, i když obvykle ve zcela bezpečné míře, neustále obklopuje a není na škodu, být připraveni moci v případě potřeby rychle změřit její úroveň. Aniž bychom snad něco takového chtěli přivolávat, příroda má bohužel nad člověkem stále navrch a jak nás přesvědčil případ z japonské Fukušimy, ani jinak zcela bezpečná elektřina vyráběná z jádra, nemusí být úplně bez rizika. V nedávné době jsme se zase z médií dozvěděli, že se nad Evropu přihnal odněkud z východu mírně radioaktivní mrak - sice ani z tisíciny ne tak nebezpečný, jako byl kdysi ten z Černobylu, nicméně evropské měřící stanice hlásily značně neobvyklé hodnoty. Původce nebyl odhalen - spekuluje se o nějaké ruské, nebo čínské firmě, z níž uniklo nespecifikované množství jaderného materiálu. Ale i toto je mimořádná situace. Nicméně dozimetr se může hodit i ve zcela běžných situacích. Dnes třeba zažívá velký boom móda "hledačů pokladů" a při nálezu neznámých předmětů, nebo při průzkumu podzemí je vždy dobré mít dozimetr po ruce.

Kde ale takový dozimetr sehnat ? Zde si ještě dovolím trochu odbočit a vysvětlit, že pro zjednodušení se budeme držet označení dozimetr, i když mnohé detektory radioaktivity vlastně vůbec nejsou dozimetry, ale intenzimetry, které měří pouze aktuální úroveň záření. Dozimetr měří kontinuálně a ukazuje tak, jaké dávce záření byla obsluha dozimetru vystavena od doby, kdy měření započalo. Pokud tedy budeme nějaký dozimetr hledat třeba na internetu, brzo zjistíme, že v nějaké rozumné cenové relaci se dnes v podstatě nedá nic sehnat. Dejte pozor - úplně ty nejlevnější přístroje, které prodejci za dozimetry bezostyšně vydávají (aniž by věděli, co to vastně znamená), ve skutečnosti vůbec na radioaktivní záření nereagují - umí měřit pouze elektrické a magnetické vyzařování ! Jsou tedy určitě dobré třeba ke kontrole mikrovlnek, nebo měření úrovně elektrosmogu ve městech, ale třeba v uranovém dole nám bude jejich displej ukazovat jednu velkou nulu. Nenechte se tedy napálit a přístroje jako je třeba ten na obrázku, rozhodně pro pokusy s radioaktivitou nekupujte (i když jinak to, pro co byl zkonstruován, měří velmi dobře). Vojenské radiometry typu RBGT62 nebo IT-65, které se ještě čas od času i přes čím dál vyšší cenu sehnat dají, mají obvykle díky svému stáří dosti nízkou kvalitu a i když jsou velmi citlivé, tak jejich váha a rozměry rozhodně nepatří k nejmenším. Brát si třeba na zahraniční dovolenou takový přístroj ve velikosti menší dámské kabelky, určitě není moc pohodlné. Nové digitální dozimetry, které se dnes vyrábějí, jsou obvykle určeny pro profesionální použití a jejich cena je jenom málokdy pod deseti tisíci. Nějaký malý, levný a přitom dostatečně citlivý dozimetr se prostě dnes u nás prakticky sehnat nedá. Nezbývá tedy nic jiného, než si ho sami vyrobit...

Vojenský radiometr RBGT-62 původem z šedesátých let minulého století
Tento přístroj sice prodejci nabízejí jako "dozimetr", ale radioaktivitu měřit neumí !


Základem naprosté většiny měřičů radioaktivity je tzv. Geiger-Mülerův čítač, který se k tomuto účelu používá už mnoho desítek let a stále patří k těm nejpoužívanějším. Někdy se také označuje jako GM sonda, GM trubice, nebo prostě Geiger. Nebudeme zde přesně popisovat jeho funkci - zájemci si jistě najdou dostatek informací na internetu. Je to v podstatě velmi jednoduchá vakuová součástka, která má dva vývody, na něž se přivede vysoké napětí (obvykle 300-500V). Jak každý jistě ví, radioaktivní záření je v podstatě proud částic s vysokou energií a rychlostí. Pokud taková částice dopadne na elektrodu uvnitř GM sondy, způsobí ionizaci vnitřního prostředí a sonda se na malý okamžik stane vodivou. Laicky řečeno je to něco jako obyčejné tlačítko s páčkou, která je tak citlivá, že ji sepne i jedna jediná mikročástice, která do ní při svém letu narazí. Když částice sondu opustí, tak ta se po mikrosekundě stane opět nevodivou a celý proces se může opakovat. Nám tedy pak stačí jenom spočítat, kolik částic o ten náš spínač při svém letu zavadilo. U analogových radiometrů se používal obvykle k měření systém integračního článku, kdy zjednodušeně impulsy z GM sondy nabíjely kondenzátor a napětí na něm se měřilo ručkovým měřidlem. Čím více přišlo impulsů, tím větší bylo napětí na kondenzátoru. Většina radiometrů měla (a má) navíc ještě i akustickou indikaci, kdy se ve sluchátku nebo v reproduktoru ozývá "praskání", indikující dopad jednotlivých částic. Při silném záření se praskání mění v souvislý zvuk. Dnes už je většina dozimetrů digitálních. Pokud nám jde jen o okamžité hodnoty, jednoduše stačí počítat v nějakém intervalu (třeba po dobu jedné sekundy) počet impulsů. Po té jedné sekundě ukážeme na displeji stav počítadla, následně počítadlo vynulujeme, budeme zase měřit další sekundu a opět ukážeme hodnotu. A tak pořád dokola. Takto vyvoříme jednoduchý radiometr. Pokud budeme chtít měřit i obdrženou dávku, stačí když počítadlo nebudeme nulovat, ale budeme částice pořád přičítat dál a dál, klidně třeba hodinu. Po té hodině na displeji uvidíme, jakou dávku záření jsme za tu dobu v daném prostředí zhruba obdrželi - a z toho už snadno spočítáme, kolik bychom obdrželi třeba za rok a tento údaj pak porovnat se schválenými hygienickými limity.

Konstrukce měřiče radioaktivity

Předchozí odstavce byly určené pro úplné laiky - nyní konečně můžeme přistoupit k popisu konstrukce vlastního přístroje. Nejprve si ujasněme, co všechno od takové věci požadujeme. Náš měřič záření by měl být co možná nejmenší a nejlehčí, aby se dal bez problémů používat v terénu. Z toho samozřejmě pramení i nutnost bateriového napájení, nejlépe pomocí akumulátorů. Měl by umět měřit jak okamžitou hodnotu záření (tedy jako radiometr), tak i obdrženou dávku (jako dozimetr). Výsledné hodnoty by měly být zobrazeny digitálně na displeji, kvůli snadnému odečtu hodnot. Bylo by také dobré, aby obsahoval nějaký výstražný obvod, který by dal obsluze signál, že se nachází v prostředí se zvýšenou radioaktivitou. Přesnost přístroje nemusí být nějak extra velká, protože v naprosté většině případů nám nepůjde o nějaká laboratorní měření, ale především o hrubou indikaci úrovně záření.

Takže jdeme na to. Jako měřící snímač použijeme dříve zmíněnou GM sondu. Těch se dnes vyrábí mnoho typů, které se liší zejména citlivostí a rozměry. Protože ale jde přece jenom o poněkud speciální součástku, jsou nové sondy doslova pekelně drahé a jejich ceny jsou vždy v řádu tisíců. Většina amatérských konstrukcí proto používá staré ruské GM trubice původem ještě z dob sovětského svazu, které se ještě celkem dají sehnat za rozumnou cenu a které mají velmi dobré parametry. Jedná se o sondy SBM20, nebo STS-5, které mají velmi podobné parametry. Sondu STS-5 používal i již dříve zmíněný český vojenský radiometr RBGT-62. My tedy nebudeme nic nového vymýšlet a tuto osvědčenou GM sondu použijeme také. K počítání impulsů ale místo "rafičky" použijeme mikroprocesor s displejem. Sáhneme po osvědčené platformě Arduino a jako základ pro náš měřič si vezmeme procesorovou desku Arduino NANO. Ta je levná, malá a i když její procesor z dnešního pohledu nepatří k žádným výkonovým borcům, pro naše účely zcela postačí. Jako displej použijeme malý OLED zobrazovač se sériovým rozhraním, který nám ušetří jednak místo a také zjednoduší připojení k procesoru.

GM sonda sovětské výroby STS-5
Deska Arduino NANO s mikroprocesorem ATMega 328
Grafický displej OLED se sériovým rozhraním


Důležitou věcí, bez které se neobejdeme, je zdroj vysokého napětí pro GM sondu. Výhodou je, že samotná sonda neodebírá prakticky žádný proud, takže zdroj vysokého napětí nemusí být konstruován na nějaké větší proudové zatížení. Abychom si zjednodušili práci, použijeme měnič napětí, který se dá sehnat už hotový. Napájet ho budeme ze stejného zdroje, jako procesor a displej. A tím se dostáváme k napájecí části celého přístroje. Procesor potřebuje napětí 5V a my jej chceme napájet z baterií. Nabízela by se třeba devítivoltová baterie, ale ta je v "nabíjecím" provedení poměrně drahá a hlavně má malou kapacitu. Procesor s displejem potřebují proud v řádu desítek až stovky miliampérů a takový měřič by nám pak pracoval třeba jen dvě hodiny, což je málo. Použijeme tedy moderní Li-On akumulátor - běžně dostupný článek typu 18650, který má kapacitu dostatečnou a rozměrově je celkem snesitelný. Ten připojíme k inteligentnímu obvodu, který nám zabezpečí jak přeměnu napětí na 5V (zmíněný LiOn článek má napětí 3,7V), tak i nabíjení akumulátoru. Nabíjení je řešeno přes běžný micro USB konektor, takže v případě potřeby bude možné měřič dobít z jakéhokoliv USB portu - třeba autonabíječky, powerbanky, atd. No a to je prakticky vše, co budeme potřebovat. Ještě snad jedno tlačítko na ovládání, vypínač napájení a akustický měnič "pípák" pro indikaci.

Schéma zapojení je díky použití hotových modulů velmi jednoduché


Popis funkce procesoru

Všechny výše uvedené součástky pospojujeme dohromady a zbytek práce svěříme mikroprocesoru. Zdánlivě je jeho úloha celkem triviální a v podstatě od něho chceme jenom aby počítal "pochytané" částice. Takže stačí výstup ze sondy připojit k nějakému vstupu a sečítat jednotlivé impulsy. Tak úplně jednoduché to ale přece jenom není. Budeme po něm totiž chtít práce mnohem více. Jednak obsluhu akustického měniče (simulace "praskání" analogových radiometrů a také výstražný zvuk při zvýšené úrovni záření) a hlavně obsluhu displeje. To by neměl být problém - prostě budeme sekundu měřit, následně počet dopadů převedeme na nějakou obecnou jednotku, zobrazíme to na displeji a půjdeme na další měření. Takovou věc by asi dokázal naprogramovat i mírně pokročilý majitel Arduina. Pokud se ale zamyslíme nad tím co jsme si řekli o funkci dozimetru, brzo narazíme na problém. V době kdy budeme obsluhovat displej, nám totiž další pulzy z GM sondy "utečou" a pokud budeme chtít znát hodnotu obdržené dávky, tak nám samozřejmě v celkovém součtu budou chybět a měření bude naprosto zkreslené. Problém je o to větší, že použitý grafický displej je sice jednoduchý, co se týče připojení, ale jeho programová obsluha zase až tak jednoduchá není a zabírá procesoru poměrně dost času. Vykreslení celé "obrazovky" tak trvá klidně třeba čtvrtinu sekundy a to už je opravdu hodně. Obslužný program tedy musí být rozdělen na dvě části a využívat tzv. "hardwarového přerušení" - ti kdo mají s Arduinem zkušenosti jistě vědí co to je. Zjednodušeně to znamená, že procesor bude pokojně kreslit na dipleji, pípat a hlídat, jestli není zmáčknuté tkačítko, ale pokaždé když přijde impuls z GM sondy, tak tyto činnosti na chviličku přeruší, zpracuje impuls a teprve pak se zase vrátí k výše zmíněné práci.

Pomocí tlačítka budeme přepínat režim radiometru a dozimetru, také nám poslouží k dalšímu nastavení přístroje. Jednou funkcí je vypnutí akustického výstupu (s možností zachování alarmu v případě nebezpečných hodnot) - protože použitá sonda je tak citlivá, že zachycuje i běžné radioaktivní pozadí, které je všude kolem nás. To znamená, že každou minutu na sondu přistane několik náhodných částic, letících kolem a pocházejících třeba z geologického radioaktivního podloží. Takže zapnutý měřič nám vesele "pochrochtává" i když ho máme zrovna doma v bytě, nebo ve volné přírodě. Těchto projevů radioaktivity se ale nemusíme vůbec bát - je to úplně normální a úroveň záření je tak nízká, že naše zdraví nemůže nijak ohrozit. Při delší činnosti je ale "praskání" otravné a proto je zde možnost reproduktorek vypnout a nechat ho zapískat pouze kdyby se úroveň záření zvýšila nějak razantněji. Další funkcí tlačítka je možnost vypnutí displeje. Například při průzkumu podzemí nepotřebujeme za pochodu znát přesné hodnoty, stačí když nás měřič upozorní zvukem na případné nebezpečí. Díky možnosti vypnutí displeje ušetříme cennou energii a výrazně se tak zvýší výdrž akumulátoru.

Ještě abychom dokončili popis - procesor tedy počítá impulsy, které pak přepočítává na jednotky cps (counts per second, tedy počet dopadů za vteřinu) a na jednotky uSV/h (mikro Sievert za hodinu). V režimu dozimetru pak ukazuje celkový počet částic a hodnotu přepočtenou na mSV/y (milisievert za rok), kterážto hodnota se dobře porovnává s obecně známými či předepsanými hygienickými limity. Oba dva režimy se nijak vzájemně neruší a pokud se z režimu dozimetru přepneme do režimu radiometru a zpět, nedojde k vynulování - dozimetr zkrátka kontinuálně měří dávku od okamžiku, kdy jsme ho zapnuli. Snadno si tedy po skončení pobytu v prostředí se zvýšenou radioaktivitou ověříme, kolik "záření" jsme asi nachytali a jestli to třeba nebylo takové množství, které bychom za normálních okolností od přírodních zdrojů přijali až za celý rok. Procesor také měří čas od zapnutí, který zobrazuje na displeji. Zde je potřeba říci, že hodiny jsou pouze softwarové a tudíž nejsou nijak extra přesné - když necháme měřič zapnutý třeba deset hodin, může být zobrazený údaj odlišný od skutečnosti klidně o několik minut. V rámci celkové přesnosti přístroje je to ale chyba zcela zanedbatelná. Měřící cyklus jsme zvolili jednosekundový. Z toho plyne další věc týkající se přesnosti - při velmi malé úrovni radioaktivity (třeba výše zmíněné přírodní pozadí) dopadne na sondu třeba jen dvacet částic za minutu. Zcela logicky je tedy v takovém případě údaj radiometru hodně nepřesný a některou sekundu ukáže displej nulu, pak zase třeba 0,4 uSv/h atd. To je věc, která se při malém počtu částic nijak odstranit nedá - ale je opět zcela nepodstatná. Přidali jsme totiž do režimu radiometru ještě údaj o průměrné hodnotě - který se samozřejmě s narůstajícím časem od začátku měření čím dál více zpřesňuje.

Mechanické provedení a stavba

Protože jsme chtěli, aby byl měřič opravdu pokud možno kapesní, použili jsme krabičku původně určenou pro malý radiopřijímač a pokusili se do ní všechny ty chytré předudělátka nacpat. Původně jsme chtěli navrhnout jednoduchý plošný spoj pro spojení všech modulů, ale ukázalo se to jako značný problém - taková destička totiž zabírá hodně místa a celek už by se do krabičky nevešel, navíc stejně bychom se nevyhnuli některým drátovým přívodům. Proto jsme nakonec zvolili sofistikovanou metodu FVH (neboli Fixované Vrabčí Hnízdo), kdy jsou všechny moduly navzájem propojeny krátkými vodiči a celek hojně prošpikován lepidlem z tavné pistole. Radioamatér s trochou estetického cítění se asi po shlédnutí obrázků našeho prototypu bude chytat za hlavu, ale řešení je to plně funkční, spolehlivé a ve výsledku velmi odolné. Z jedné dírky, která na krabičce původně měla sloužit pro regulátor hlasitosti vykukuje micro USB konektor pro nabíjení. Akumulátor je připájen a přilepen napevno, protože jeho výměna beztak nikdy nebude potřeba. Sonda je také zafixována lepidlem uvnitř, na místě kde má kryt krabičky řadu malých průřezů, čímž je zároveň elegantně vyřešena i její "viditelnost" ven. Tlačítko bylo ponecháno skoro celé uvnitř a také zafixováno tavným lepidlem - z krabičky vykukuje jenom jeho vrchlík.

Pohled do útrob přístroje. Estetika ustoupila funkčnosti a stísněným rozměrům...
Malý, ale dobře čitelný displej zobrazuje vše potřebné.


Zvenčí je jinak krabička celkem úhledná a opravdu se v pohodě vejde do kapsy. Dlouhodobý praktický provoz měřiče prokázal po mechanické stránce jeho plnou spolehlivost. Asi jedinou větší nevýhodou tohoto řešení je menší (no dobře, uznávám - téměř nulová) odolnost proti vlhkosti, což by při "outdoorovém" provozu třeba ve zmíněných jeskyních a dolech, mohl být dost velký handicap - pád přístroje do nějaké louže by patrně znamenal jeho okamžité zneškodnění. Dokonalé utěsnění ale u takovéhoto jednoduchého provedení udělat nijak jednoduše nejde. Kdo by chtěl radiometr udělat odolně, použije nějakou jinou vhodnou krabičku. Modul procesoru a modul nabíjecí automatiky obsahují sice miniaturní, ale jinak dost silné LED diody. Zde jsou zbytečné a jejich svit je takový, že dokonce prosvítí samotnou krabičku. Kdo by stavěl měřič ze stejných dílů jako my, může diody při finální montáži jednoduše umrtvit (opatrně, ale přitom brutálně odštípnout z desek třeba malým šroubováčkem).

Obsluha a parametry

Po zapnutí přístroje proběhne inicializace a krátká časová prodleva kvůli ustálení měniče a sondy, hned poté přístroj začne pracovat. Krátkým stiskem tlačítka se přepíná režim radiometru (na displeji se objeví nápis "REAL"), nebo dozimetru ("DOSE"). Dlouhým stiskem se přepíná režim akustického výstupu. Je to buď "BEEP", kdy reproduktorek signalizuje dopad každé částice, nebo "ALARM" kdy pouze zařve při zvýšené hodnotě záření a nebo "MUTE", kdy je potichu úplně. Pokud tlačítko budeme držet ještě déle (cca 5 sekund), zhasne displej. Přístroj dál pracuje a v závislosti na nastaveném režimu zvuku akusticky indikuje. Stiskem tlačítka jde displej kdykoliv opět probudit. V režimu zhasnutého displeje také přístroj každých pět minut pípne, jako signalizace že je zapnutý (jednak abychom věděli, že měření stále funguje a pak také abychom ho nezapomněli vypnout).

Co se týče zadání, tak se nakonec vše povedlo splnit. Měřič je dostatečně malý, lehký a citlivý. Přesností se samozřejmě nemůže vyrovnat profesionálním výrobkům, ale je rozhodně přesnější, než třeba zmíněné staré vojenské radiometry. Výdrž akumulátoru je díky použitému LiOn typu a díky programu optimalizovanému pro úsporný mód procesoru více než dostatečná, přístroj dokáže s přehledem pracovat nepřetržitě 24 hodin v režimu se stále zapnutým displejem. Citlivost je velmi dobrá, měřič spolehlivě registruje běžné přírodní pozadí a velmi dobře reaguje i na slabé zdroje radioaktivity - thoriová punčoška z několika centimetrů, malý kousek smolince dokáže náš dozimetr "rozhoukat" i ze vzdálenosti jednoho metru. Pro běžné amatérské použití jsou tedy jeho parametry více než dostačující.

Malý, ale dobře čitelný displej zobrazuje vše potřebné.
Displej v režimu měření dávky (dozimetru)
Rozměrově se skutečně jedná o kapesní přístroj


I přes snahu o co nejjednodušší a nejlevnější řešení je i tak cena všech použitých součástek bohužel v součtu hodně vysoká - ale jak již bylo řečeno, tak komerční přístroje stojí několikanásobně více a cena vyřazených vojenských je dnes už také vyšší, přičemž jejich parametry (kromě odolnosti) jsou po všech stránkách horší a navíc neumí pracovat jako dozimetr. Kdo by si chtěl stejný přístroj postavit, může si koupit všechny součásti a díly, včetně naprogramovaného procesoru. K montáži pak stačí jen páječka, tavná pistole a trocha trpělivosti. Při pečlivé práci měřič pracuje na první zapnutí. Ještě bych snad případné nadšence varoval před nákupem podezřele výhodných GM sond od ruských a ukrajinských prodejců z E-Baye atd. - obvykle se jedná o sondy demontované z vysloužilých přístrojů a z našich zkušeností je opravdu dobrá asi tak každá třetí. Vyplatí se nakupovat jen z dobře prověřeného zdroje, nebo tam kde dostanete záruku. Ušetřit se dá použitím méně citlivých sond (například SI3-BG původem z tankových indikátorů), které jsou o dost levnější a také mají poloviční rozměry než STS-5. Thoriová punčoška z bezprostřední blízkosti u nich sice také nějakou aktivitu vykáže, ale rozhodně nám nebudou reagovat na přírodní pozadí - což může být naopak výhodou, pokud chceme měřit pouze třeba opravdu potenciálně nebezpečné hodnoty. Tuto sondu jsme také vyzkoušeli a v našem měřiči pracuje beze změny zapojení (jen samozřejmě s upraveným výpočtem v programu).

A na závěr krátké amatérské video - měřiče s thoriovými punčoškami :
>https://www.youtube.com/watch?v=vfZ59UzySpo (https://www.youtube.com/watch?v=vfZ59UzySpo)



Tento článek je původním autorským dílem. Jakékoliv jeho další šíření, kopírování a další využívání elektronickou, či jinou cestou jako celku, jakožto i jeho jednotlivých částí, či souvisejících multimediálních souborů je možné pouze se svolením autora ( RadioMan - info@radiox.cz ) a řídí se platnou legislativou.
-=© KUTILOVO SRS 3.01=-