Счетчик Гейгера, а точнее счетчик Гейгера-Мюллера, поскольку это устройство было разработано Гансом Гейгером и Вальтером Мюллером в 1928 году, является самым популярным среди детекторов газа. Ионизирующая частица, попадающая в такой детектор, генерирует электрический заряд, который после усиления в самом детекторе и в электронной схеме может быть зарегистрирован в системе считывающей электроники. Если такой счетчик снабдить программируемой схемой, способной считать импульсы в единицу времени или оценивать дозу поглощенного ионизирующего излучения, он станет полноценным измерительным прибором.

В основе устройства лежит счетчик СТС-5, который часто используется в портативных радиометрах — счетчиках этого типа. МК ATmega8 отвечает за подсчет импульсов, генерируемых после обнаружения и выдачи результатов на светодиодный дисплей.
Схема также включает в себя повышающий преобразователь, который подает напряжение 400 В для питания счетчика СТС-5. Все устройство питается от аккумулятора напряжением 9 В, а его работа сводится к нескольким простым действиям.
После включения прибор готов к работе и работает в режиме измерения количества импульсов в секунду (имп/с — CPS).

Последующие нажатия кнопки «РЕЖИМ — MODE» переводят в следующие режимы работы: количества импульсов в минуту (имп/мин — CPM), расчет мощности поглощенной дозы радиации (uSv/h) и абсолютный счетчик импульсов (Счетчик — Counter).
Работа каждого режима индицируется соответствующим светодиодом на передней панели. Когда загорается светодиод 1000, это означает, что результат необходимо умножить на 1000.
Кроме того, мигание этого диода каждые 3 секунды указывает на превышение годовой допустимой дозы радиации 1 uSv/h для населения в целом, а быстрое мигание – на превышение профессиональной дозы 20 uSv/h. Все это предполагает, что измеренные в настоящее время уровни радиации сохранятся в течение года.

Как работает счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера, наряду с пропорциональным счетчиком и ионизационной камерой, относится к группе детекторов газа. Общий принцип работы детекторов (счетчиков) этого типа заключается в генерации электрических сигналов (импульсов тока) в их активном объеме. Импульс электрического тока, протекающий через рабочее сопротивление, вызывает на нем падение напряжения (кратковременное), то есть импульс напряжения.

Этот импульс напряжения обычно представляет собой сигнал, измеряемый электронной схемой, взаимодействующей со счетчиком. Ионизирующие частицы, попадая в детектор, создают ряд носителей заряда. Этими переносчиками являются электроны, оторвавшиеся от атомов газа внутри счетчика, и положительные ионы этого газа. Этот процесс называется первичной ионизацией.

Детекторы газа чаще всего имеют форму цилиндрического конденсатора. Внутренний электрод, называемый анодом, здесь является собирающим электродом. Он выполнен в виде тонкой проволоки, натянутой между двумя изоляторами по оси цилиндрической камеры. Стенки камеры являются внешним электродом (катодом), а также составляют корпус счетчика. Идея работы счетчика и его типовая конструкция показаны на рис. 1.

Рис. 1. Принцип работы счетчика Гейгера

Катод обычно располагается под потенциалом земли, на анод через рабочий резистор R подается высокое положительное напряжение. Однако существуют и другие способы поляризации трубки, например, в случае с описываемой схемой. В классическом примере на рис. 1 генерируемые в схеме импульсы в виде падения напряжения на аноде отрицательны по отношению к высокому напряжению, питающему счетчик, а конденсатор С служит разделителем высокого напряжения питания и схемы предусилителей, обычно питающиеся от низкого напряжения.

В счетчиках Гейгера-Мюллера, помимо первичной ионизации, большое значение имеет и вторичная ионизация лавинного характера, вызываемая высокой напряженностью электрического поля. Электроны, высвобождаемые из атомов, ускоряются до энергии, достаточной для ионизации или даже возбуждения большего количества атомов. Лавинный разряд в счетчике Гейгера настолько велик, что не зависит от первичной ионизации. Поэтому нельзя зарегистрировать энергию частицы, а только факт ее присутствия в активном объеме детектора.

 

Работа схемы

Весь счетчик Гейгера , то есть трубка счетчика, вместе с схемами питания, управления и счета импульсов показан на рис. 2. В устройстве имеются три основных блока:
— источник питания высокого напряжения – выполнен в виде повышающего преобразователя
— измерительная трубка СТС-5 со считывающей электроникой
— микропроцессорная схема счета и управления

Рис. 2: Блок-схема счетчика Гейгера

Преобразователь генерирует напряжение 400 В независимо от микроконтроллера, поэтому измерительная трубка находится под постоянным питанием после включения устройства. Генерируемые в трубке импульсы после первоначального усиления поступают в счетчик через оптическую изоляцию. На основании подсчитанных импульсов и времени, в которое они произошли, микроконтроллер рассчитывает искомые физические величины и отображает их на светодиодном дисплее.

Принципиальная схема счетчика представлена на рис. 3. В самом начале стоит обратить внимание на микросхему U1 (MC34063), поскольку она используется для создания повышающего преобразователя для питания трубки счетчика. MC34063 спроектирована таким образом, чтобы можно было построить преобразователь с минимальным количеством внешних элементов. Типичная схема преобразователя на U1 была доработана для повышения эффективности.

Рис. 3. Принципиальная схема счетчика Гейгера

Из-за высокого выходного напряжения не удалось использовать внутренний выходной ключ, а вместо него был использован высоковольтный МОП-транзистор Т6 (STP6NK600Z) с максимальным напряжением сток-исток до 600В. Для увеличения скорости переключения ключа Т6 были использованы дополнительный транзистор Т1 (BC556), диод D1 (1N4148) и резисторы R2 (1к) и R3 (20R). При появлении высокого уровня на выводе 2 U1 через диод D1 и резистор R3 транзистор Т6 открывается, а энергия от источника питания запасается в дросселе L1 (470 мГн).

Во второй половине цикла на выводе 2 U1 появляется низкий уровень, транзистор Т1 открывается и транзистор Т6 сразу же закрывается, что приводит к его отключению. Генерируемый в этот момент на отключенном конце дросселя L1 импульс высокого напряжения заряжает конденсатор С4 (220 нФ 275В переменного тока Х2) через диод D2 (UF4007). Конденсатор С3 (3,3 нФ) определяет рабочую частоту внутреннего генератора, а конденсатор С1 (470 мкФ) фильтрует напряжение питания м/с U1. Элементы R7 (10 кОм), R8 (3,3 МОм) и P2 (500 кОм) составляют делитель обратной связи преобразователя. С помощью потенциометра P2 можно установить выходное напряжение. Конденсатор С2 (1 нФ) фильтрует напряжение с делителя обратной связи перед тем, как оно достигнет входа внутреннего компаратора.

Вторая важная часть схемы — считывающая электроника счетчика Д3 (СТС-5). Резистор R4 (4,7 МОм) составляет здесь так называемое рабочее сопротивление. Импульс напряжения на этом резисторе указывает на то, что счетчик обнаружил ионизирующую частицу. Конденсатор С5 (68 пФ) обеспечивает развязку между высоковольтным преобразователем и остальной низковольтной считывающей электроникой.

Этот конденсатор пропускает только импульсы и его номинал подобран так, чтобы получить максимально возможную скорость счета (количество импульсов во времени). В то же время емкость не может быть слишком маленькой, чтобы размах импульса был способен открыть транзисторы Т7 и Т8 (BC546), работающие по схеме Дарлингтона. Резистор R5 (4,7 МОм) вызывает запирание транзисторов Т7 и Т8 при отсутствии импульса. Стабилитрон D4 (9,1 В) защищает транзисторы Т7 и Т8 при возникновении большого импульса на резисторе R4. Конденсатор С12 (100 мкФ) фильтрует питание транзисторов Т7 и Т8 за счет импульсного характера работы.

Транзистор Дарлингтона Т7,Т8 управляет оптопарой U2 (LTV817), светодиодом D5 и пьезозуммером P1. Светодиод Д5 является визуальным индикатором зарегистрированной в счетчике частицы, а Р1 генерирует характерный для счетчика Гейгера щелчок . Сигнал с выхода оптрона, подтянутый до +5 В с помощью R6, поступает в микроконтроллер (МК) на вход внешнего прерывания Int0 и на вход аппаратного счетчика Counter1.

Управляющим элементом всего счетчика Гейгера является МК U4 (ATmega8), тактируемый кварцевым резонатором X1 (16 МГц). Конденсаторы С10 и С11 (22 пФ) необходимы для правильной работы кварцевого резонатора. Резистор R22 (10 кОм) переводит вывод сброса МК в высокое состояние. Стабилизатор U3 (7805) подает питание на блок управления счетчиком. Конденсаторы С6 (100 мкФ), С7 (47 мкФ), а также С8 и С9 (100 нФ) фильтруют напряжение питания.

Результаты измерений отображаются на 4-позиционном семисегментном светодиодном индикаторе W1 и дополнительных диодах D6…D10. И дисплей, и диоды управляются от МК путем мультиплексирования с помощью транзисторов Т2…Т5 (ВС556) и Т9 (ВС556). Резисторы R9…R13 (3,3 кОм) ограничивают токи базы этих транзисторов, а элементы R14…R21 (680 Ом) ограничивают ток светодиодных структур индикатора и диодов D6…D10. Кнопки S1 и S2 используются для управления счетчиком. Разъем Prog позволяет программировать МК U4, не вынимая его из панельки.

Изготовление прибора
Плата спроектирована таким образом, что ее можно поместить в корпус Z-49. Готовое окно под 4-значный дисплей в этом корпусе существенно повышает его эстетическую привлекательность. Монтажная плата представлена на рис. 4. После пайки всех перемычек приступаем к монтажу и запуску высоковольтного преобразователя, т.е. микросхемы U1 и ее обвязки.

Рис. 4. Монтажная плата устройства

Из-за нехватки места в корпусе конденсатор С4 следует установить со стороны печати. Если преобразователь уже работает, установите его выходное напряжение 400 В относительно земли с помощью триммера Р2.

Далее устанавливаем элементы сигнального тракта счётной трубки: транзисторы Т7 и Т8, конденсаторы С5, С12 и диоды, оптрон U2 и резисторы, необходимые для их корректной работы. На этом этапе можно запустить сам счетчик. После установки трубки и включения питания 9 В диод Д5, сигнализирующий об отсчетах, должен мигать не реже одного раза в 2-3 секунды, что иллюстрирует регистрацию фонового излучения.

Когда дело доходит до крепления самой измерительной трубки на плате, можно использовать держатели для крупных предохранителей, впаянных в плату или просто припаять выводы трубки к плате с помощью проволочных петель. На следующем этапе сборки следует припаять все резисторы и транзисторы, отвечающие за корректную работу дисплея и управляющих диодов. Неплохо использовать панельку для МК U4.

Кнопки S1 и S2 представляют собой микрокнопки в большом корпусе, стоит следить за тем, чтобы их высота была выше, чем у припаянных к плате компонентов. При сверлении отверстий в корпусе желательно пользоваться распечаткой схемы монтажа. Поместив отпечаток внутрь корпуса, вы легко сможете пробить все отверстия. Плата крепится к передней стенке корпуса с помощью 4 винтов М3 с конической головкой.

Головки винтов должны быть утоплены в корпус и не должны выступать над его поверхностью, так как это предотвратит прилипание маскировочной наклейки к передней части корпуса. Кнопки должны иметь отверстия как минимум на 1 мм больше их осей и устанавливаться точно заподлицо с верхней поверхностью корпуса (регулировку можно производить с помощью гаек на винтах М3, крепящих плату). Гибкость наклейки, покрытой самоклеющейся пленкой, обеспечит удобное нажатие кнопок.

Наклейку в формате PDF необходимо распечатать на самоклеющейся бумаге, без каких-либо корректировок страницы, чтобы она была нужного размера. Распечатку следует покрыть слоем самоклеящейся фольги, а затем все это приклеить к корпусу. Необходимо вырезать «окно» сбоку корпуса, чтобы излучение достигало установленной внутри трубки. Это связано с тем, что регистрируемое излучение состоит в основном из бета-частиц, для которых несколько миллиметров пластикового корпуса являются серьезным препятствием.

 

Программирование

При программировании важно установить FUSE BIT МК ATMega8:
Low Fuse = 0хFF
High Fuse = 0xС9

Внешний вид собранного счетчика Гейгера без корпуса:

Перевод статьи из журнала ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2014

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
D1	Выпрямительный диод	1N4148	1
D2	Выпрямительный диод	UF4007	1
D4	Стабилитрон	9.1B	1
	Светодиод		6	5
	Биполярный транзистор	BC556	6
T6	MOSFET-транзистор	STP6NK60Z	1	TO-220
	Биполярный транзистор	BC547B	2
U1	DC/DC импульсный конвертер	MC34063A	1
U2	LTV817	Оптопара транзисторная	1
U3	Линейный регулятор	LM7805	1
U4	МК AVR 8-бит	ATmega8-16PU	1
W1	Светодиодный дисплей, 4 цифры		1	OK
D3	счетчик Гейгера	STS-5 (CTC-5)	1
Х1	кварц	16 МГц	1
L1	Катушка индуктивности	470 микрогенри	1
R1	Резистор	2 Ом	1
R2	Резистор	1 кОм	1
R3	резистор	20 Ом	1
R4, R5	Резистор	4.7 МОм	2
R6, R7, R22	Резистор	10 кОм	3
R8	Резистор	3.3 МОм	1
	Резистор	3.3 кОм	5
	Резистор	330 Ом	8
R25	Резистор	680 Ом	1
P2	Подстроечный резистор	470 кОм	1
C1	Электролитический конденсатор	470 мкФ 16B	1
C2	Конденсатор	1 нФ	1	MKT
C3	Конденсатор	3.3 нФ	1	MKT
C4	Конденсатор	220 нФ/275 В	1
C5	Конденсатор	68 пФ	1
C6, C12	Электролитический конденсатор	: 100 мкФ 16B	2
C7	Электролитический конденсатор	47 мкФ 16B	1
	Конденсатор	100 нФ	2
	Конденсатор	22 пФ	2
	пьезозуммер		1