Tomasz Bartuś

Licznik Geigera-Müllera - wskaźniki akustyczne (3/4)

Tomasz Bartuś

Tweet
2018-03-03

Kiedy nasza przetwornica wysokiego napięcia ma ustawione odpowiednie napięcie wyjściowe, możemy przystąpić do skonstruowania prostego wskaźnika G-M. Utworzymy układ wykrywający cząstki promieniowania jonizującego bez ich pomiaru czy rejestracji. Układ będzie miał za zadanie jedynie wskazywać pojawienie się w tubie cząstki jonizującej. O zdarzeniu będziemy informowani akustycznie.

Aby móc dokonywać detekcji promieniowania, musimy do naszej tuby przyłożyć napięcie 400V pochodzące z przetwornicy wysokiego napięcia. Sposób podłączenia oraz parametry niezbędnych elementów dodatkowych można znaleźć w notach katalogowych tub G-M. W przypadku tuby STS-5, układ aplikacyjny wymaga podłączenia szeregowego opornika ograniczającego prąd o rezystancji 5-10MΩ oraz kondensatora separującego stałą składową napięcia zasilania o wartości 15pF (650V). Rezystor podpinamy pomiędzy biegunem dodatnim zasilania a anodę tuby GM (Fig. 1). W wyniku jonizacji gazu we wnętrzu tuby G-M i zachodzącego zjawiska wyładowania lawinowego, elektrony przyspieszone w polu elektrycznym zmierzają do anody, a jony dodatnie do katody. Ze względu na mniejszą masę, elektrony sa jednak szybsze i większa ilość w tym samym czasie dociera do elektrody tuby, powodując przepływ prądu (I_WL). Na rezystorze R powstaje spadek napięcia (U_R), który jest ujemny względem wysokiego napięcia zasialnia tuby. Spadek napięcia pomiędzy anodą i katodą powoduje przerwanie dalszej lawinowej jonizacji. Ten chwilowy spadek napięcia licznika nazwany jest impulsem. Każdy impuls odpowiada przejściu przez licznik pojedynczej cząstki promieniowania jonizującego. Tak więc rejestrując te impulsy, możemy ustalić liczbę cząstek przechodzących przez licznik. Impulsy poprzez kondensator C będą następnie przekazywane do układu wzmacniającego.

Zbudujmy układ z Fig. 2. Poza omówinymi już elementami: przetwornicą wysokiego napięcia (DC-DC converter), tubą (GM1 STS-5), rezystorem R1 oraz kondensatorem C1, których funkcje zostały już pokrótce omówione, do układu dodano prosty wzmacniacz oparty na tranzystorze BC547. Zastosowany tranzystor charakteryzuje się wysokim wzmocnieniem (h_FE = 120). Na schemacie został użyty w układzie wspólnego emitera.

Lista części

1. GM-1 - tuba Geigera-Müllera, tu STS-5,
2. DC1 - przetwornica impulsowa TOOGOO 5V-12V Step up 300-1200V,
3. SG1 - buzzer 5V HCM12-X,
4. T1, T2 - BC547,
5. R1 - 6,8MΩ 0,25W,
6. R2 - 3,3kΩ,
7. R3 - 130Ω,
8. C1 - 15pF 1kV,
9. LED1,
10. moduł zasilacza do płytek prototypowych 5V,
11. płytka prototypowa,
12. przewody.

Obliczenia

Wg noty katalogowej, buzzer, który zastosowałem pobiera prąd nie większy od 30mA. Tak więc:
I_Cmax = 30mA (nota katalogowa buzzera HCM12-X),
h_FE = 120 (nota katalogowa BC547),
I_C = β * I_B, stąd:
I_B = I_C / β
I_B = 30mA / 120 = 0,25mA

Napięcia rozładowania kondensatora C1 nie są większe niż 0,1V (zob. 2/4). Ze względu na niską pojemność kondensatora C1, takiego prądu bazy, z pewnością, w naszym układzie nie zaobserwujemy. Tranzystor T1 powinien jednak chwilowo otwierać złącze CE (Fig. 2) i umożliwiać akustyczną sygnalizację przejścia przez lampę cząstki jonizującej. Zbudujmy układ wg schematu wykonawczego z Fig. 3.

Przejście przez tubę cząstki jonizującej objawia się generowaniem przez buzzer cichych "trzasków". Pojawiają się one w nieregularnych odstępach czasu. Ich częstotliwość nie powinna być większa niż ok. 30 impulsów na minutę. Obserwowane impulsy są związane z promieniowaniem tła, które jest charakterystyczne dla określonych regionów Ziemi i jest pochodną naturalnej promieniotwórczości skał i gleb oraz promieniowania kosmicznego. Liczba impulsów zliczanych w okresie jednej minuty określana jest jako CPM i jest miarą intensywności promieniowania jonizującego. Sygnały akustyczne są bardzo ciche. Spróbujmy skonstruować nieco lepszy wzmacniacz. Tym razem zastosujemy dwa tranzystory BC547 pracujące w układzie Darlingtona (Fig. 4).

Układ Darlingtona stanowi połączenie dwóch tranzystorów bipolarnych w ten sposób, że emiter T1 jest połączony z bazą T2, a kolektory obu tranzystorów są ze sobą połączone. Zaletą takiego połączenia jest to, że całkowite wzmocnienie prądowe układu jest równe iloczynowi wzmocnień obu zastosowanych tranzystorów. W naszym przykładzie h_FE powinno ono teoretycznie wynosić aż 90000. Jedną z poważnych wad układu Darlingtona jest długi czas przełączania (a zwłaszcza wyłączania) (Kurzela 2015). Aby układ przechodził szybciej do stanu zatkania, pomiędzy bazę i emiter tranzystora T2 dodano rezystor 3,3kΩ.

W następnym kroku do działającego układu licznika G-M dodamy układ zliczający impulsy.

Film

Wykorzystane materiały

Kurzela M, 2015. Kurs elektroniki II - #4 - układ Darlingtona
Mirley, 2013. Kieszonkowy Licznik Geigera
Nota katalogowa tuby STS-5
Nota katalogowa tuby SBM-20
Obrzydziński M., 2012. Licznik Geigera - Mullera