Поисковый зонд для обнаружения гамма-активных изотопов

Автор: Nusik1975, nusik1975@yandex.ru
Опубликовано 04.09.2017
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2017!"

Предисловие.

    Я проживаю в Тульской области, и в 1986 году здесь, кроме короткоживущих изотопов, выпал радиоактивный цезий-137. По прошествии 31 года с момента аварии, многие места ещё сохраняют высокую активность, причём они образуют так называемые «пятна». Собирать грибы и ягоды в таких местах достаточно опасно. Использование дозиметров на базе широко распространённых счётчиков Гейгера-Мюллера для контроля грунта малоэффективно, они не позволяют увидеть реальную картину радиоактивного загрязнения. Кроме того, данное устройство позволяет с лёгкостью обнаружить в домашних закромах различные радиоактивные предметы, в которых использовалась светомасса постоянного действия (СПД), посуду с примесью урановых солей, пуговицы и прочие радиоактивные «штучки».

   Поисковые приборы для определения гамма-активности должны обладать такими важными характеристиками, как высокая скорость счёта и высокая чувствительность. Использование для поиска изотопов счётчиков Гейгера-Мюллера затруднительно, ввиду их большой инерционности. Нужным требованиям вполне отвечают сцинтилляторы на базе кристаллов натрий-йод, активированные таллием. Эти кристаллы наиболее доступны, и цена на них вполне адекватная.

   Кристалл преобразует энергию фотона, излучаемого источником активности, в видимый свет. Сила вспышки в кристалле и её длительность прямо пропорциональны энергии фотона. Видимый свет попадает на светочувствительное окошко такого элемента, как ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), и на выходе умножителя образуются импульсы. На таком принципе построены спектрометрические приборы. Для поиска же достаточно подсчитать количество вспышек в единицу времени, интенсивность вспышек при этом не важна. Чем больше гамма-активность, тем больше вспышек будет зафиксировано.

   Зонд был собран некоторое время назад, но оформить в виде статьи решил только сейчас, на конкурс.

Схемотехника.

   Основными элементами зонда являются: кристалл, ФЭУ, источник высокого напряжения, преобразователь импульсов и элемент питания (аккумулятор).

Схема устройства:

   Для обеспечения ФЭУ высоким напряжением, собран генератор с многокаскадным умножителем. FlyBack-генератор на базе транзистора Q1 и трансформатора Т1 управляется таймером 555. Напряжение с фотокатода снимается резистором R6, и поступает на операционный усилитель U1, выход с которого управляет разрешением/запретом накачки.
   Импульсы снимаются с анода ФЭУ, и обрабатываются операционным усилителем U2, работающем в режиме компаратора, затем подаются на выход устройства в виде логических импульсов, совместимых с стандартом TTL. Это сделано для облегчения связи с цифровыми устройствами.    Резистор R12 обеспечивает защиту от неправильного подключения, и может быть заменён на перемычку. Подсчитать импульсы можно любым счётчиком, например, на базе микроконтроллера или частотомера.
   На плате также установлен дисковый литиевый аккумулятор, микросхема для его зарядки. Для акустического контроля используется небольшой динамик, например, от сотового телефона. Интенсивность щелчков динамика напрямую зависит от фона. Для питания ФЭУ необходимо напряжение около 1500 вольт. Оно настраивается подстроечным резистором R3. Запитка ФЭУ ведется покаскадно. Каждый каскад умножителя соединён с соответствующим динодом ФЭУ.
   Детали необходимо использовать, как указано в Bill Of Materials. Намоточные данные трансформатора представлены на схеме. 

Сборка. 

      За основу был взят зонд от дозиметра ДРГЗ-03. Большим плюсом является то, что сам ФЭУ залит компаундом, напоминающем силикон. Это бережет стеклянный баллон ФЭУ от механических повреждений.

  Берём зонд и разбираем его:

Аккуратно развинчиваем стальное кольцо на донышке зонда, придерживая центральную часть.

    Отвинчиваем 3 углубленных винтика посередине зонда и выкручиваем половину зонда. Видим плату умножителя напряжения. Она нам более не пригодится, аккуратно демонтируем её. Провода МГТФ отрезать только от платы! Они должны остаться на ФЭУ.

    Также снимаем пластиковый колпак, и удаляем диафрагму:

    При разборке стараться не перекручивать провода от ФЭУ. Аккуратно извлекаем ФЭУ из зонда и убираем в тёмное место.
Для ФЭУ-92 хорошо подходит кристалл 25х25 мм. Его можно приобрести на профильных форумах, или, что лучше, купить новый в ОАО «Кристалл».

    Под диаметр кристалла растачиваем окошко зонда, где раньше была диафрагма. Стараемся, чтобы зазор был минимальный. После расточки удалить все опилки, во избежание порчи как кристалла, так и ФЭУ.

    Для обеспечения хорошей электроизоляции между ФЭУ и корпусом, на ФЭУ наложить несколько слоев изоляционной ленты (всё-таки напряжение 1,5-2 киловольта!)

    Устанавливаем ФЭУ на место, и фиксируем его родным стальным колечком, закрутив его. На стеклянный торец кристалла наносим каплю (!) вазелинового масла (есть в любой аптеке), и вставляем кристалл в расточенное окошко. Масло необходимо для обеспечения оптического контакта между кристаллом и ФЭУ. Кристалл должен плотно прилегать к ФЭУ. Затем проливаем аккуратно место стыка кристалла и зонда эпоксидным клеем, ждём отвердевания и красим чёрной краской.

    Устанавливаем на место родной пластиковый колпачок, предварительно удалив из него сцинтиллятор (шайба из органического стекла). Одна часть поискового зонда готова.

   Приступаем к монтажу печатной платы в соответствии с монтажной схемой и списком компонентов (ВОМ):

После пайки платы её необходимо тщательно отмыть, во избежание утечек по высокому напряжению. 

Настройка.

   Напряжение фотокатода ФЭУ настраиваем по высокоомному высоковольтному вольтметру с сопротивлением входа не менее 1-10 ГОм, медленно поворачивая подстрочник R3. ФЭУ-92, применяемая в этих зондах, довольно высоковольтная, рабочее напряжение у неё лежит в пределах 1500-1900 вольт. У меня оптимальным оказалось 1800 вольт, но другие экземпляры запускаются даже при 1400-1500 вольт. Оптимальное напряжение-это такое, при котором с анода ФЭУ снимаются хорошо различимые импульсы на нагрузке 1МОм. Можно обойтись и  без вольтметра, настраивая чувствительность по порогу детектирования изотопа Am-241.

   Подстроечником R13 выставляем порог срабатывания компаратора. Надо найти такую позицию, чтобы на выходе гарантированно не было импульсов накачки, и при этом хорошо фиксировались импульсы от низкоэнергетических фотонов (Cd-109, Am-241). Если порог «задрать» очень сильно, то гамма-кванты низких энергий блок не будет фиксировать.

   Обращаю внимание на то, что при незакрытом металлическом кожухе (плата без экранировки корпусом), возможно возникновение наведённых шумов от бытовой техники (импульсных источников питания и т.п.).
   Настройка закончена.

   Плату припаиваем к стальному кольцу, крепящему ФЭУ. Торец ФЭУ заливаем чёрным термоклеем. Это необходимо для того, чтобы на высокочувствительный к свету ФЭУ не попадали фотоны извне, а только из кристалла.

   Укорачиваем заднюю стальную трубу в габарит печатной платы, сделав запас. Открытый торец зонда необходимо закрыть заглушкой, на которой устанавливаются: светодиод индикатора работы, светодиод индикатора зарядки, разъём miniUSB для зарядки зонда, кабель для передачи импульсов на счётное устройство, а также выключатель питания.

Потребление тока устройством невелико, и небольшого аккумулятора хватает на несколько часов непрерывной работы.

Посмотреть работу зонда можно в ролике:

   В архиве прилагаю схему устройства, спецификацию на детали, схему расположения компонентов, плату в формате Gerber.

   Плата может быть изготовлена самостоятельно методом фоторезиста или ЛУТ. Также её можно заказать в любом сервисе производства печатных плат. На один из них, OSHPark, я загрузил платы, где они могут быть заказаны по ссылке.

Указания по технике безопасности.

    В устройстве используется высокое напряжение, 1,5 – 2 киловольта! При монтаже и разборке зонда сначала отключить питание, и дать отлежаться устройству не менее получаса. Затем мультиметром, установленным на измерение постоянных напряжений, на предел 1000 вольт, произвести разрядку конденсаторов умножителя. Невыполнение этих требований и прикосновение к конденсаторам умножителя небезопасно для жизни.

Файлы:
Файлы к статье

Все вопросы в Форум.

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Дозиметр Ультра-Микрон

Дозиметр «Rad-Boy»

Цифровой дозиметр "Гамма_3".

Дозиметр "Нанит"

Дозиметр Сталкера

Дозиметр Ликвидатора 2

RadAlert - радиационный показометр

Радиометрический дозиметр GreenRay

Дозиметр X-Scan v1.0 или бытовой прибор с намеком на звание профессионального.

Апгрейд дозиметра Гамма до версии 4

Серия дозиметров Микрон

Дозиметр «USB Geiger»