Tomasz Bartuś

Licznik Geigera-Müllera - zasilacz wysokiego napięcia (2/4)

Tomasz Bartuś

Tweet
2018-03-03

Zasilacz wysokiego napięcia

Poza samą tubą, najważniejszą częścią każdego licznika Geigera-Müllera (G-M) jest zasilacz wysokiego napięcia. Aby doszło do jonizacji argonu w tubie, do anody i katody musi zostać przyłożone napięcie umożliwiające zajście procesu wyładowania lawinowego. Poziom napięcia, które to umożliwia zależy od indywidualnych właściwości tuby i jest podawany w notach katalogowych jako parametr plateau licznika. Sens tego parametru dobrze opisuje zależność liczby zliczonych cząstek przez licznik G-M od napięcia zasilania tuby, zwana charakterystyką licznika (Fig. 1).

Charakterystyka licznika jest zależnością, w której na osi X przedstawiono napięcie zasilania tuby, a na osi Y liczbę cząstek zliczonych przez licznik, w warunkach stałej liczby cząstek jonizujących wpadających do tuby w jednostce czasu. Jak widać, poniżej pewnego poziomu przyłożonego napięcia U₀, tuba nie reaguje na żadne cząstki promieniowania jonizującego. Napięcie jest zbyt małe aby doprowadzić do wyładowania lawinowego. Kiedy napięcie przyłożone do tuby U_G-M osiągnie poziom U₀ < U_G-M < U₁, licznik rozpoczyna generować wyładowania lawinowe, a liczba zliczanych impulsów jest w przybliżeniu wprost proporcjonalna do przyłożonego napięcia. W tym zakresie licznik nie działa poprawnie, a otrzymywane wyniki są obarczone błędem zależnym od poziomu przyłożonego napięcia. W obszarze wykresu, w którym napięcie przyłożone do tuby U_G-M osiągnie poziom U₁ < U_G-M < U₂, liczba cząstek promieniowania jonizującego wykrywana przez licznik w jednostce czasu ulega stabilizacji. Wykres się wypłaszcza. Zakres ten nazywany jest plateau licznika. Liczba wykrywanych cząstek jest w nim równa rzeczywistej liczbie cząstek wpadających do wnętrza tuby. W przypadku stosowanej przeze mnie tuby STS-5, zakres napięć definiujących plateau wynosi 360-440V (nota katalogowa STS-5). Po przekroczeniu napięcia U₂ (440V), liczba rejestrowanych wyładowań gwałtownie wzrasta. Wiąże się to z powstawaniem wyładowań wtórnych, które mogą uszkodzić licznik.

W amatorskich konstrukcjach, licznik G-M jest najczęściej realizowany na bazie specjalnych zasilaczy impulsowych zaopatrzonych w cewki generujące wysokie napiecia. W sieci jest wiele takich projektów. Z uwagi na wysokość generowanych napięć oraz trudności w doborze odpowiednich dławików, układy takie nie są jednak łatwe do wykonania przez początkującego hobbystę-elektronika. Z pomocą przychodzą moduły dostępne w handlu. Ja do swojego projektu wykorzystałem moduł przetwornicy impulsowej podwyższającej napięcie z 5-12V na wysokie napięcia 300-1200V (Fig. 2). Uwaga, z przetwornicą należy obchodzić się bardzo ostrożnie. Istnieje ryzyko porażenia prądem. Wszelkie prace użytkownik wykonuje na własną odpowiedzialność.

Lista części

1. tuba Geigera-Müllera, tu STS-5,
2. przetwornica impulsowa TOOGOO 5V-12V Step up 300-1200V,
3. moduł zasilacza do płytek prototypowych 5V,
4. płytka prototypowa,
5. przewody.

Pierwszą rzeczą jaką należy zrobić przed przystąpieniem do wykonania układu, jest wyregulowanie przetwornicy aby wytwarzała odpowiednie napięcie. Aby licznik generował wiarygodne wyniki, trzeba mu zagwarantować napięcie z zakresu plateau licznika. W praktyce najlepsze będzie napięcie z około połowy zakresu plateau. Jak już wspomniano, dla tuby STS-5, zakres napięcia zasilania gwarantujący poprawność wskazań wynosi 360-440V. Dlatego napięcie zasilania tuby ustalono na 400V. Napięcie wyjściowe przetwornicy zależy od poziomu napięcia wejściowego. Aby w przyszłości zapewnić sobie źródło zasilania układu zliczającego impulsy, warto aby napiecie zasilania ustalić na poziomie 5V. W moim projekcie, źródło zasilania stanowił pakiet dwóch ogniw 18650, który podłączono do klasycznego modułu zasilania płytek prototypowych Arduino. Po podłączaniu zasilania, możemy przystąpić do kalibracji napięcia wyjściowego przetwornicy (Fig. 3). Wykonujemy to za pomocą niewielkiego potencjometru znajdującego się w lewym dolnym rogu płytki modułu (Fig. 2).

Po wykonanej kalibracji możemy przejść do kolejnego etapu projektu, tzn. wykonania prostego układu sygnalizującego obecność promieniowania jonizującego (zob. 3/4).

Film

Wykorzystane materiały

Konstantin, 2017. Diy Arduino Geiger counter
Obrzydziński M., 2012. Licznik Geigera - Mullera
Nota katalogowa tuby STS-5
Nota katalogowa tuby SBM-20