Una camera a ioni per il radon
Questa camera a ioni serve per la misura “continua” del radon. I vantaggi di questa soluzione sono il basso costo, la rapidità di misura (un preciso test in mezz’ora), la misura “continua” che non costringe a fasi di raccolta e misura ma fa tutto in automatico e infine, la facilità di taratura (la taratura dipende quasi esclusivamente dalle dimensioni geometriche del dispositivo e non risente di temperatura, umidità e pressione dell’aria)
Versione 7 – Anno 2021
Questa versione racchiude tutta l’esperienza fatta negli anni passati, per cui è notevolmente più stabile e anche più facile da costruire rispetto alle precedenti.
I nuovi progetti sono pubblicati qui:
https://www.theremino.com/blog/geigers-and-ionchambers/ionchamber-improvements#version7
Per avere tutte le informazioni si consiglia di leggere anche la documentazione della applicazione Theremino Geiger e quella delle versioni precedenti della camera a ioni.
Versione 6 – Anno 2016
La camera a ioni è stata nuovamente migliorata. Abbiamo aggiunto un resistore tra Gate e massa, per stabilizzare la tensione del FET anche con aria molto umida (misure stabili fino al 70% di umidità e oltre). E abbiamo incrementato la stabilizzazione, sia nel circuito amplificatore, che nel generatore di alta tensione.
I nuovi progetti sono pubblicati qui:
https://www.theremino.com/blog/geigers-and-ionchambers/ionchamber-improvements#preversion6
La discussione sulle unità di misura “Concentrazione” e “Attività” è qui:
https://www.theremino.com/blog/geigers-and-ionchambers/ionchamber-improvements#concentration
Per avere tutte le informazioni si consiglia di leggere anche la documentazione della applicazione Theremino Geiger e quella delle versioni precedenti della camera a ioni.
Versione 3
Le versioni più aggiornate sulla elettronica, consultabili direttamente qui sul sito:
Radon_IonChamber_Electronics_ITA
Radon_IonChamber_Electronics_ENG
Tutta la documentazione in formato PDF:
https://www.theremino.com/files/Theremino_IonChamber_Pdf-Docs_V3.zip
Il progetto del PCB in formato Eagle, le immagini in 3D e i file di simulazione per LTSpice:
https://www.theremino.com/files/Theremino_IonChamber_PCB_And_Simulations_V3.zip
I file originali in formato ODT (OpenOffice), per i traduttori:
https://www.theremino.com/files/Theremino_IonChamber_ODT-Docs-ENG-JPN-ESP_V3.zip
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Versione professionale della camera a ioni
Le caratteristiche sono esattamente le stesse della versione Fai Da Te, ma la resistenza alle vibrazioni e agli agenti atmosferici è aumentata. L’elettrodo centrale non è più un filo (che può vibrare) ma una barretta rigida da 2 mm, solidamente fissata con isolatori. L’involucro esterno è in acciaio 316, che non solo non risente delle vibrazioni, ma che ci si potrebbe passare sopra con una automobile.
Questa versione potrà anche essere certificata. Per informazioni rivolgersi a Marco Catalano, e alla ditta LACERC.
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Il kit di Alessio per la camera a ioni
Alessio scrive:
“Stasera (24 11 2013 n.d.r.) ho completato alcuni KIT per il Radon detector, per chi avesse difficoltà a reperire i materiali posso fornirli io a prezzi da amici e collaboratori. Ho previsto anche una versione “light” del Theremino Master, con un solo ingresso per velocizzare l’assemblaggio e abbattere qualche euro. Lunedì sentirò anche una ditta per la fornitura di contenitori cilindrici di latta stagnata, così possiamo fare un KIT completo anche di meccanica”
Per ulteriori informazioni scrivete a: alessio.giusti@meteolink.it
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Note per gli autocostruttori
La camera è ormai ben collaudata, decine di esemplari sono in funzione in tutto il mondo e tutti i riscontri sono stati positivi. Non disponiamo ancora di un coefficiente di taratura da distribuire. Il confronto verrà effettuato per confronto con apparecchi professionali ma, per ora, non abbiamo trovato nessuno che ne abbia uno adatto. Fare confronti con apparecchi lenti come il “Safety Siren” o i “test da 24 ore” è come non farli, perché il radon cambia anche del 300% in poche ore. In alternativa ci vorrebbe una camera stagna con contenuto di radon costante, ma anche questa non sembra disponibile negli istituti di ricerca. Per ora la migliore stima del coefficiente di taratura è la seguente:
Sens. CPM/pCi/l = 2.20 Background CPM = 0.00 Dead time uSec = 5000
Collegate la camera a ioni a un qualunque pin del Master di tipo Counter (non c’è bisogno di FastCounter). Così a un solo Master si possono collegare un Geiger e fino a 5 camere a ioni.
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Qui si vede il misuratore on-line di Alessio (non sempre attivo)
http://www.meteolink.it/radon.html
http://www.meteolink.it/enradon.html
E due grafici di una stanza di Alessio con finestra chiusa e aperta
Qui di seguito alcune immagini di camere a ioni usate nelle prove…
… in versione definitiva
… e in preparazione
Sensori di radiazioni con tubo Geiger
Il GeigerAdapter fa da tramite tra tutti i normali tubi geiger di produzione russa o americana che richiedono da 300 a 550 volt di alimentazione e i segnali standard del sistema Theremino.
Geiger Adapter (alimentatore e adattatore di segnale)
Questi adattatori per tubi geiger producono un segnale di uscita standard, compatibile con gli ingressi di tipo Counter (solo per bassi livelli di radiazione) o meglio FastCounter che funziona bene a tutti i livelli, fino al massimo misurabile con i tubi geiger.
La tensione di alimentazione può variare tra 3.5 volt e 6 volt. Il consumo di corrente è di circa 10 uA con livelli di radiazione normali (intorno a 0.1 micro Sievert per ora) e cresce fino a 6 mA quando la radiazione è pari alla massima misurabile con i tubi geiger. (circa 10 milli Sievert) Per quanto siano presenti tensioni elevate questo modulo è perfettamente sicuro, la sua limitazione di corrente a 25 micro ampere è così efficace che può essere toccato a mani nude in ogni punto senza pericolo e senza avvertire la minima sensazione di fastidio.
Le dimensioni del GeigerAdapter sono: 26 x 36 mm (versione SMD). Per informazioni sui componenti per il GeigerAdapter consultare: www.theremino.com/contacts/producers
Ci sono tre versioni di Geiger Adapter, gli schemi e i Datasheet si trovano qui:
https://www.theremino.com/technical/schematics#geigeradapter
https://www.theremino.com/technical/schematics#geigeradapterdiy
https://www.theremino.com/technical/schematics#flintstones
Collegare i Geiger Adapters al Master
I Geiger Adapter si collegano a un Pin del Master (o di uno Slave) configurato come FastCounter. Per collegarli in laboratorio si usano le prolunghe maschio femmina, non schermate, che si usano normalmente per tutti i collegamenti del sistema Theremino. Se necessario si possono collegare più prolunghe da 60 centimetri in serie e arrivare fino ad alcuni metri di distanza.
Collegamenti lunghi
Per distanze maggiori si deve per forza usare un cavo schermato. I cavi per microfono con i classici due fili interni bianco e rosso, sono ottimi, sono robusti e hanno il cordino antistrappo. La massima lunghezza del cavo schermato è di 500 metri e oltre (a patto di seguire le indicazioni seguenti).
Con collegamenti lunghi si devono usare GeigerAdapters con bassa impedenza di uscita e un resistore a fine linea per proteggere i Pin del sistema Theremino dalle extratensioni.
1) Sui Geiger Adapter versione SMD, ponticellare la R10 da 33k o saldarci sopra un secondo resistore da 1 kohm (per i Geiger Adapters “DIY” e “Flintstones” questa variazione non è necessaria perché hanno già una impedenza di uscita bassa).
2) Aggiungere un resistore da 100k in serie al filo del segnale, a fine cavo, entro pochi centimetri dal Master. Attenzione: questi resistori da 100k si mettono solo sui Pin configurati come Input (Adc, DigIn e simili). Non si devono aggiungere resistori ai Pin di Output, o peggio ancora alla linea seriale, che collega il Master con gli Slaves.
3) Ricordarsi di non collegare Geiger Adapters SMD modificati a Pin non dotati del resistore aggiuntivo da 100k (dovesse succedere per sbaglio non si rompe nulla ma la tensione di 5Volt, non limitata in corrente dal resistore, potrebbe causare frequenti perdite di comunicazione USB)
4) Evitare di far passare il cavo negli stessi tubi (o canaline) dell’impianto elettrico. Evitare tratti all’aperto su campate volanti o su pali. I tratti all’aperto devono essere protetti con tubi metallici collegati a terra e muratura. Le zone che devono stare in alto, ad esempio su un tetto, devono essere protette dal sole con tettoie (molti tubi geiger oltre i 50 gradi impazziscono). Le tettoie devono essere metalliche e messe a terra per i fulmini.
Vedere anche le immagini di esempio in questa pagina: technical/connection-cables#long
Il Checker – Un micro Geiger da tenere nel taschino
Questo micro-geiger serve per andare in giro a cercare oggetti e minerali radioattivi. L’insieme completo di batteria, buzzer, led che lampeggia, GeigerAdapter e tubo Geiger può stare comodamente nel taschino della camicia.
Si possono collegare le stesse sonde (Tubo geiger + Geiger Adapter) che si usano per le misure precise in laboratorio con la applicazione ThereminoGeiger. Si stacca la sonda dal Theremino Master e la si collega al Theremino Checker, che fornisce il 5 Volt necessario, partendo da una pila da 1.5 Volt.
Il funzionamento è completamente analogico (led e suono) e si può anche aggiungere un ratemeter con strumentino analogico per misurare i CPM in sei scale. Si ottiene quindi un apparecchio molto simile a un ratemeter Ludlum con le classiche scale x1, x10, x100 e x1000 e con tre portate di integrazione da 20 Secondi, 2 minuti e 30 minuti. Le caratteristiche sono anche migliori dei vecchi geiger analogici, linearità e precisione sono assolute (migliori dello 0.8% in tutte le gamme), dimensioni e consumo sono minimi e si usa una sola batteria da 1.5 Volt.
Il circuito stampato è delle stesse dimensioni del portabatteria (dietro al PCB) per una singola batteria da 1.5 Volt di tipo AAA. Il consumo è minore di 30 uA per cui la batteria dura circa 3 anni sempre accesa (800 mA/h diviso 30 uA = 26000 ore = 3 anni). Se si usa con il solo led non si ha il problema dei suoni e si potrebbe anche lasciarlo sempre acceso.
Per chi preferisce un apparecchio portatile con misurazione digitale, è disponibile l’uscita per collegare uno SmartPhone Android, con il software gratuito PocketGeiger, oppure un iPad o iPhone con Ios7 e con il software GeigerBot, anche lui gratuito.
ATTENZIONE: Il resistore R6 serve come protezione in caso di corti circuiti. Se la batteria ha una alta resistenza interna, il checker potrebbe far fatica a partire, e non riuscendo a raggiungere i 5 Volt, si metterebbe a consumare molta più corrente del dovuto (oltre 50 mA al posto di 30 uA). Per evitarlo si potrebbe sostituire il resistore R6 con uno da 4.7 ohm. Con questa modifica in caso di corti circuiti il resistore potrebbe bruciarsi, lo si dovrà quindi considerare un fusibile.
AUMENTARE LA LUCE DEL LED E L’INTENSITA DEL SUONO: Per consumare poco e far durare la pila fino a tre anni di funzionamento continuo, questo circuito prevede un buzzer e un led ad altissima efficienza. Per utilizzare LED e BUZZER poco efficienti (ma accettando una durata della batteria di circa un anno), si possono usare i seguenti valori: R1=22k / R2=220k / C3=100nF (o al massimo fino a 220nF) / Q1=BC547C / Q2=BC547C (I transistor devono essere con estensione “C”, che significa un guadagno da 500 a 600).
COLLEGARE SMARTPHONES: Alcuni cellulari emettono circa due volt per alimentare un eventuale microfono electret. Questa tensione può far accendere parzialmente il LED. Se succede aggiungere un condensatore da 100nF in serie a R2 (tagliare la pista tra R1 e R2).
Questo file compresso contiene il progetto completo Eagle, la simulazione elettrica in formato ASC di LTSpice, immagini in 3D, schema elettrico e Gcode per fresare il PCB: CheckerV3
Il Ratemeter – Misurare in CPM
Per quanto molto più piccolo di un Ludlum M3 questo strumento non sta più nel taschino della camicia quindi si prevede di collegarlo al Checker solo in alcuni casi. Non sono presenti batterie e lo si alimenta direttamente dal checker attraverso il mini-jack.
Questa è la scala da stampare e mettere nello strumentino analogico.
In questo schema sono indicati dei transistor BC587, che non si trovano facilmente. Al loro posto si possono usare dei BC556 o BC557, o qualunque altro piccolo PNP, che abbia un guadagno in corrente (HFE minimo), di almeno 100.
Il circuito del ratemeter è estremamente lineare, gli impulsi provenienti dai tubi geiger vengono allungati e invertiti dal TLC555, e escono con una larghezza costante di circa 350 uS. Infine, tramite un preciso generatore di corrente, gli impulsi caricano una rete RC collegata ai terminali SW1 e SW2.
Gli impulsi provenienti dal Geiger devono essere positivi e larghi da 10 a 250 uS (gli impulsi dei tubi Geiger sono sempre in questo intervallo).
Se si usa un generatore di segnali per la taratura, si deve predisporlo per generare impulsi positivi da 100 uS circa. Per tarare la portate si useranno le seguenti frequenze:
- “x1-slow” – Fondo scala = 100 CPM – Frequenza = 1.666 Hz
- “x1-mid” – Fondo scala = 100 CPM – Frequenza = 1.666 Hz
- “x1-fast” – Fondo scala = 100 CPM – Frequenza = 1.666 Hz
- “x10” – Fondo scala = 1000 CPM – Frequenza = 16.66 Hz
- “x100” – Fondo scala = 10 000 CPM – Frequenza = 166.6 Hz
- “x1000” – Fondo scala = 100 000 CPM – Frequenza = 1666 Hz
Il resistore R4 serve per evitare che sbagliando portata, la lancetta possa andare violentemente a fondo scala e rovinarsi. Il valore 8.2k vale per strumentini da 500 uA. In caso di strumentini di sensibilità diversa si deve cambiare il suo valore, come da tabella seguente:
Fondo scala R4 --------------------- 1 mA 3.9 k 500 uA 8.2 k 100 uA 39 k 50 uA 82 k
Usare strumentini sensibili da il vantaggio di diminuire il consumo e quindi di far durare di più la batteria. Quando la lancetta sta verso lo zero, il consumo è molto basso, ma quando è a fondo scala, il consumo diventa pari ai micro ampere di fondo scala dello strumentino.
Con il trimmer “Trim1” si effettua la calibrazione, basta un generatore di impulsi. La taratura effettuata in un solo punto è poi valida per tutte le portate con errori di linearità molto piccoli, inferiori all’uno per cento e comunque invisibili su uno strumentino analogico.
E’ anche possibile regolare il “Trim1” per un tubo geiger specifico e ottenere una scala in uS/h. In questo caso sarebbe bene ridisegnare la scala dello strumentino o disegnare una doppia scala in CPM e uS/h. Si deve anche fare in modo che la radiazione di fondo corrisponda approssimativamente a un terzo o fino a metà della scala più sensibile (questo per avere tempi di integrazione adeguati )
Diverse reti RC (sul PCB del commutatore delle portate) forniscono un metodo semplice, molto preciso e lineare per ottenere diverse portate con un unico condensatore di integrazione. Con questo metodo il tempo di integrazione si adegua automaticamente ai diversi livelli di radioattività. La portata bassa permette di scegliere tra tre tempi di integrazione per aumentare la precisione delle misure a scapito della velocità di risposta.
Un commutatore a sei posizioni fornisce sei scale precise e lineari che non necessitano di taratura.
Portata x1000 (da 0 a 100 000 CPM con integrazione di 30 mS) Portata x100 (da 0 a 10 000 CPM con integrazione di 300 mS) Portata x10 (da 0 a 1000 CPM con integrazione di 3 secondi) Portata x1 (da 0 a 100 CPM con integrazione di 30 secondi) Portata x1 (da 0 a 100 CPM con integrazione di 3 minuti) Portata x1 (da 0 a 100 CPM con integrazione di 15 minuti)
Questo file compresso contiene i progetti Eagle per il ratemeter e per il PCB del commutatore, la simulazione elettrica in formato ASC di LTSpice, immagini in 3D, schema elettrico e Gcode per fresare i PCB:
Ratemeter_EagleProject_Images_And_Simulations
Un Checker e un Ratemeter, realizzati da Alessio
Fare click sulle immagini per ingrandirle.
Nella immagine di sinistra si vede il sistema completo: Checker + Ratemeter + Geiger Adapter + Tubo Geiger + sacchetto di sale dietetico contenente Potassio.
Nella immagine di destra si vede il solo checker, collegato a uno smartphone, con applicazione Geiger (gratuita per Android)
In questo video di YouTube si vede il tutto in funzione: http://youtu.be/lwtVInDgFwY
Rivelatore a coincidenza
Questo è il rivelatore di coincidenze di Alessio, si può vederlo in funzione in questo video:
http://www.youtube.com/watch?v=820ifYlyc0o
Documentazione e note per l’uso del rivelatore a coincidenza:
CosmicRaysDetector_ITA.pdf
CosmicRaysDetector_ENG.pdf
Altre informazioni sui rivelatori a coincidenza, sui raggi cosmici e sui muoni, qui:
http://hardhack.org.au/book/export/html/2
Lo schema è semplice e si monta in cinque minuti anche su una basetta millefori. Se si collegano le uscite a un Master si potranno contare indipendentemente i tre canali configurando i Pin di ingresso come semplici Counter. Non si devono impostare i Pin come FastCounter, perché il numero di eventi per minuto è molto basso.
Cliccare sulla immagine per ingrandirla.
Se i due tubi GM (Geiger Muller) emettono un impulso contemporaneamente la porta U1B rivela questa coincidenza con un impulso in uscita che accende il led rosso.
Impulsi contemporanei potrebbero essere generati casualmente da due disintegrazioni contemporanee, ma la probabilità che questo avvenga è bassissima. Circa una possibilità su centomila (dato che gli impulsi dei tubi sono lunghi circa 100 uS e che si verificano pochi impulsi al minuto).
Quindi, se si accende il led rosso, possiamo dire con il 99.999% di probabilità, che è stato rivelato un raggio cosmico.
Rivelatore a coincidenza super preciso
Tutte le realizzazioni del rivelatore a coincidenza hanno funzionato bene ma qualcuno ha chiesto di avere i led più luminosi. Per cui ecco una versione migliorata. Questa versione ha anche un circuito di ingresso che stringe gli impulsi dai normali 100 – 150 uS a circa 6 uS, portando la probabilità da 99.999% a 99.99995%
Si, è vero, si tratta di una esagerata pignolaggine e in pratica nessuno riuscirà a vedere la differenza. Chi non vuole questa prestazione può eliminare C1, C2, R1 e R2.
Miglioramenti:
- I led vengono accesi per molti millisecondi e quindi sono cinquanta volte più luminosi di prima.
- I segnali di ingresso vengono stretti a pochi uS per cui le coincidenze casuali sono ridotte praticamente a zero.
Ecco il nuovo schema:
Notare che abbiamo tenuto le resistenze di uscita R5, R8 e R11 molto basse, per poter usare cavi schermati di oltre cento metri (qualcuno lo fa). Pertanto i led devono essere presenti, perché limitano la tensione inviata ai PIN del sistema Theremino.
E questo è il file di simulazione: CoincidenceDetectorV4
Un adattatore tra il GeigerAdapter e la seriale RS232
Questo adattatore permette di collegare il GeigerAdapter direttamente al PC, senza utilizzare un ThereminoMaster. L’alimentazione viene ricavata direttamente dai segnali DTR e RTS della porta seriale. Gli impulsi vengono rinforzati con un transistor (qualunque piccolo NPN è adatto) e inviati al segnale RD, che li interpreta come start bit. Per cui ad ogni impulso si riceverà un carattere (il cui valore non importa).
Tubi geiger da usare con i Geiger Adapters
Questi sono i tubi geiger che consigliamo, sono i migliori e li abbiamo provati a lungo. I prezzi tra parentesi sono solo indicativi, si tratta del prezzo che si trova normalmente su eBay.
Sensori di radiazioni con diodi PIN
PREMESSA
Purtroppo le prove sui diodi Pin non procedono bene. Anche in teoria, mettendone molti in parallelo la sensibilità è sempre scarsa. Un tubo SBM20 funziona meglio, non richiede delicati amplificatori di carica e vede anche i raggi beta, e le energie molto basse.
Le simulazioni Spice davano buone possibilità a questo progetto e speravamo di riuscire a fare della spettrometria a basso costo. Ma provando l’amplificatore di carica, con 10 diodi BPW34 e con una forte sorgente di raggi Gamma (reticella di Torio), i risultati sono stati deludenti. Detto con parole simili a quelle di Einstein: “Abbiamo unito la teoria alla pratica e non funzionava un tubo”.
O c’è un errore di concetto (la banda passante molto stretta ad esempio) o ci è sfuggito qualche grave errore sperimentale.
Per chi volesse ripetere gli esperimenti, ecco i progetti Spice e Eagle, fino a dove siamo arrivati noi: https://www.theremino.com/uploads/Sensor_ChargeAmp_V1.zip
Gli schemi elettrici sono disponibili come immagini e in formato Eagle. I file Spice sono per “CircuitMaker”, il vecchio simulatore che usavamo prima di LTSpice. Non disponendo di CircuitMaker, si dovrebbe rifare lo schema in LTSpice.
E attenzione: si deve schermare tutto dalla luce e dai campi elettrici, pur lasciando passare i raggi Gamma. E si deve costruire un PCB piccolissimo, esattamente come indicato da noi, altrimenti le capacità parassite, unite alla grande amplificazione lo faranno auto-oscillare.
I sensori di radiazioni con diodo Pin sono meno costosi, ma anche meno sensibili, di un tubo Geiger. Uno dei migliori diodi Pin da usare è il BPW34, che costa circa 0.5 Euro. La sensibilità del BPW34 è circa 0.6 CPS per mR/h (circa un ventesimo di un tubo geiger). Per amplificare il debole segnale dei diodi pin è necessario un amplificatore di carica, ma quelli reperibili in commercio sono molto costosi (da 150 a 300 euro e più), hanno un consumo di corrente piuttosto alto e richiedono una doppia alimentazione (solitamente 12 volt positivi e 12 volt negativi).
Questo amplificatore di carica a basso costo, sviluppato su misura per il sistema Theremino, ha un consumo bassissimo (circa 10 micro ampere) e può essere alimentato con una tensione singola da 3.5 a 6 volt. Le sue buone caratteristiche di rumore permettono di amplificare anche molti diodi pin in parallelo aumentando in proporzione la sensibilità.