Ωmega Labs

Geiger-Müller számláló - topik

1. A GM cső elméleti működése


A műszer működése a blokkvázlatokon keresztül ismerhető meg. A Geiger számláló alkalmas (GM csőtől függően) alfa, béta illetve gamma sugárzás mérésére, kijelzésére. A készülék lelke a Geiger cső, mely egy speciálisan kialakított hengerszerű alkatrész. A cső a sugárszinttel azonos számú impulzust produkál egy bizonyos határig, amit a cső holtideje és platófeszültsége határoz meg. A cső kialakítása:

gmcsovazlat

A cső közepén egy fémpálca van (általában wolfram), mely a cső anódja. A katód a hengeresen kialakított fémburkolat, mely körbeveszi az anódot. A cső belseje légmentesen le van zárva a külső atmoszférával való keveredés megakadályozására. A cső belsejében kétféle gáz keveréke található, az egyik az alapgáz, mely argon, a másik szerves gőz, pl. alkohol. Az alkohol lesz a kioltó gáz. Az alkoholt halogéngázzal lehet helyettesíteni, ez esetben bróm, vagy klór lesz a kioltó gáz. A működéséhez szükség van viszonylag nagy feszültségre, a szerves kioltó gázos csöveknél az üzemi feszültség 1200-1600V. A halogén töltésű csövek alacsonyabb, 300-600V közötti tartományban működnek. Az ábrán látható, hogy a cső az anódfeszültséget egy ellenálláson keresztül kapja. Az ellenállás minimális értékét az általunk használt cső adatlapján találhatjuk meg, általában néhány száz kΩ értékű. Az ellenállás szerepe a lavinahatáskor létrejövő áram korlátozása.
A GM-cső élettartama, a műszer pontossága szempontjából lényeges, hogy az anódfeszültség az úgynevezett „plató” közepén helyezkedjen el.
A kisebb GM-csövek karakterisztikája:

platodiagram

A függőleges tengelyen az impulzusszám, míg a vízszintes tengelyen a csőre jutó feszültség látható. A jó számlálócsőnél alig változik az üzemi feszültségtől az impulzusszám. A cső annál jobb, minél hosszabb a plató, és minél kisebb a meredeksége. A számlálócsövek élete véges. A szerves kioltó gőzzel üzemelő csövek lényegesen hosszabb ideig üzemelnek, mert kioltáskor egy reverzibilis folyamat játszódik le.

A számlálócső holtideje azt jelenti, hogy mennyi időnek kell eltelnie egy impulzus után, hogy a következő impulzust érzékelni tudja. Ennek nagy sugárzás érzékelésekor van szerepe. A holt idő nagysága az üzemi feszültségtől és a GM cső típusától függ. Ebben a készülékben használt cső karakterisztikája, alatta pedig a beütésszám és a sugárszint függvénye:

csokarakterisztikabeutessugarszint

2. A készülék blokkvázlata

geigerblokk

Az egyes elemek rövid ismertetése:

Akkumulátor: a készülék tápellátását biztosítja egy 12V-os, 1,3Ah-s zselés ólom akkumulátor. A műszer üzemi ideje ezzel 43 óra.

9V stabilizátor: az áramkör egyes elemeinek 9V stabil egyenfeszültségre van szüksége, melyet egy 7809 stabilizátor IC biztosít.

5V stabilizátor: azoknak az áramköri elemeknek, amiknek nem 9V-os egyenfeszültségre van szüksége, biztosítja a tápot. Az alkalmazott kialakítás egy BC547-es tranzisztor, egy 5,6V-os zener dióda és egy 4,7kΩ-os ellenállás.

TTL oszcillátor és erősítő: a lelke egy 74LS13-as TTL oszcillátor IC, mely előállítja az alap nagyfrekvenciás kapcsoló jelet. Az IC stabil 5V-ot kap. A kimeneti kapcsoló jelet egy darlington fokozat erősíti fel, mely meghajtja az utána következő transzformátort.

9/230V-os transzformátor: ez a transzformátor állítja elő a 9V-os impulzusokból a 230V-os csúcsfeszültséget. A trafó teljesítménye 1,6VA, (VDE-0551)

Sokszorozó: a transzformátor szekunder oldalán létrejött feszültséget tárolja el, és növeli meg. A kialakítása Cockroft-Walton típusú.

Visszacsatolás; cső feszültség szabályzás: a visszacsatolást közvetlen a sokszorozó kimenetéről (azaz a cső anódjáról) vezetjük vissza a TTL oszcillátor fokozathoz. A visszacsatolás rendkívül fontos szerepet tölt be a rendszer működésében. Segítségével figyeli az áramkör a GM-cső anódján létrejött feszültséget. A figyelés 60MΩ-on keresztül történik, melynek végén egy 250kΩ-os potenciométerrel lehet a cső feszültségét szabályozni. A potenciométerrel párhuzamosan kötött BC547-es tranzisztor rakja le földre a 74LS13 IC bemenetét. Ezáltal az oszcillátor kevesebb impulzust állít elő, ezért leesik a sokszorozó kimenetének feszültsége. Miután elért egy megfelelő feszültséget, a visszacsatolás potenciométerén már nem esik akkora feszültség, hogy kinyissa a BC547-es tranzisztort, így az automatikus feszültségszabályzás leáll.

GM-cső: a sugárzást érzékelő cső (bővebben az 1. pontban)

Erősítő és impulzusformáló: a GM-cső katódjáról egy osztó segítségével vesszük le a jeleket. Ezeket a kis impulzusokat egy BC547/BC140 darlington fokozat erősíti fel, mely meghajtja a következő fokozatokat. A jelalakot a csatoló kondenzátor és a környező ellenállások befolyásolják.

Hangszóró, sugárzásindikátor LED: az erősítő és impulzusformáló fokozat által meghajtott kimeneti alkatrészek. A hangszóró a beérkezett sugárzással arányosan sok, vagy kevés pattogó hangot hallat. A LED a hanggal azonos időben felvillan az impulzus idejére.

Deprez műszer: a készülékben található egy analóg mutatós műszer, melyet hitelesítve pontosan képes mutatni a cső által érzékelt sugárzás nagyságát (Rad/órával, vagy Röntgen/órával a skálán). A hitelesítést el lehet végezni egy potenciométer segítségével, illetve a deprez műszerrel párhuzamosan kötött sönt ellenállással is. Ebben a készülékben egy 1mA érzékenységű deprez érzékelő van.

Digitális számláló egység: az alap GM-számláló elektronika lehetőséget biztosít egy TTL számláló csatlakoztatására. A digitális számláló egységben egy 14543-as és egy 14553-as IC végzi a számlálást. A meghajtás multiplexelt, 3 darab 7 szegmenses kijelzőt képes meghajtani.

Kijelző: 3 darab 7 szegmenses kijelzőből áll, mely mutatja a már megszámolt impulzusok számát.

3. A készülék részletes leírása a kapcsolási rajzok alapján

3.a Az analóg áramkör:

A GM-számláló alap elektronikájának kapcsolási rajza (A teljes rajz legalul található meg):

geigerkapcs

A magyarázatot sorban haladva a kapcsoláson kezdeném.
A rajzon jelölt ’VCC’ a stabilizált 9V-os feszültséget jelenti, melyet egy 7809 stabilizátor IC állít elő egy akkumulátor 12V-os feszültségéből. A 9V táphoz hozzá tartozik C17 kerámia szűrőkondenzátor, és C16 elektrolit 100uF-os puffer kondenzátor. A TR1 egy 9V/230V-os VDE-0551-es kialakítású, nyákba forrasztható hálózati transzformátor, melynél a 9V-os oldalt használjuk primernek (a rajzon ez a szekunder oldal). A vele párhuzamosan bekötött D5 (1N5408 vagy 1N4007) dióda védi az áramkört a trafó esetleges nagyfeszültséget generáló önindukciós lökéseitől. Ezekkel sorban egy BC-141-es tranzisztort találunk (Q2). Ez az egyetlen elem, melyre bordát érdemes rakni, kis mértékben melegedhet. Az alkatrész egy darlington fokozat része, aminek a másik tagja egy BC547 (T6) szintén NPN tranzisztor. A köztük lévő R29 150Ω-os ellenállás munkapont beállító ellenállás. A darlington fokozatot pedig a 74LS13-as TTL oszcillátor IC látja el vezérlő jellel. Az IC által előállított jelek hegyes impulzusok. R14 és C4 az oszcillátor időállandóját állítja be. D6-nak (1N4148) feszültségkorlátozó és védelmi szerepe van, mely az IC tápjával sorban van bekötve. Az IC által kibocsájtott, és a darlington által felerősített impulzusokat transzformálja fel a TR1. A szekunder oldalon 150-200V-os feszültségcsúcsok jelennek meg, mely a D7-D14 1kV-os diódákból (1N4007) és C7-C14 400V-os elektrolit kondenzátorokból kialakított kaszkád-sokszorozó bemenetére kerül. A feszültségsokszorozó kimenetén létrejövő feszültség 100V és 600V közötti lehet. Ezt a ’csőfeszültség’ nevű 250kΩ-os trimmer potenciométerrel tudjuk beállítani.

 Az R26-R20-R19-R18-R17 és R16 10MΩ-os ellenállásokon keresztül történik a visszacsatolás közvetlen a sokszorozó kimenetéről. Bekapcsoláskor az oszcillátor beindul, és elkezdődik a feszültségnövekedés a sokszorozó kimenetén. Miután a feszültség eléri a potenciométerrel beállított értéket, a rajta, és R21 47kΩ-os ellenálláson eső feszültség eléri a T5 BC547-es NPN tranzisztor nyitófeszültségét. Az IC 1-es, bemeneti lába alapvetően az R24-es 4,7kΩ-os ellenálláson kapja a stabil 5V-os feszültséget, melyet T4 BC547-es tranzisztor, R22 4,7kΩ-os ellenállás, és D4 5,6V-os zener dióda állít elő. C6 puffer kondenzátor szerepét tölti be. A T5 tranzisztor nyitásakor a kollektor potenciálja néhány V-ról földpotenciálra kerül, az IC-ben az oszcilláció pedig leáll. A sokszorozó kimenetén a feszültség elkezd csökkenni, míg T5 le nem zár. Az anódfeszültséget így szabályozza az áramkör.

A GM cső anódja R15 és C15 kondenzátoron kapja a több száz V-os feszültséget. Ennek a két elemnek az értékét adott csőhöz kell választani. Az ellenállás szerepe a csőben lavinahatáskor létrejövő áram korlátozása. Általában néhányszáz kΩ, vagy néhány MΩ az értéke. A kondenzátor nem feltétlenül szükséges a működéshez, apróbb keletkező zaj-felharmónikusokat szűri az ellenálláson. Értéke 1pF-től néhány nF-ig is terjedhet. JP7-el jelölt kimeneti pontról vezetjük ki a GM cső anódjához az energiát. A számlálócső alapból szakadás, legfeljebb pA nagyságrendű áram folyhat rajta (a csőről bővebben az 1. pontban). JP1 pontra hozzuk vissza a cső katódjáról a jelet. Itt a feszültség még mindig elég nagy lehet, attól függően, hogy mekkora az R15 ellenállás. R1 és R12 ellenállás osztja le a csőről érkező nagyfeszültségű impulzusokat. A bemeneti csatoló kondenzátoron (C3) keresztül egy BC547 (T1) és egy BC140 (T3) tranzisztorból kialakított darlington fokozatra kerül a jel. R3 és R4 munkapont beállító ellenállás. D1 gyors dióda védi az erősítőt az esetleges nagyfeszültségtől. T3 kollektor körében 2 kimeneti eszközt is találunk. Az egyik egy LED indikátordióda, mely a beérkező impulzusok ütemében villan fel. A vele sorba kötött R28 100Ω-os ellenállás áramkorlátozó szerepet tölt be. Ennek az ellenállásnak az értéke a LED színétől és fényerejétől függ. 100Ω piros szín esetén elégséges. A másik kimeneti eszköz az egyik legfontosabb, a hangszóró. X1-2 és X1-1 kimeneti pontra lehet csatlakoztatni egy 8Ω impedanciájú, kis teljesítményű hangszórót. Ez, a csőt érő sugárzás erősségének hatására arányosan kevés, vagy sok pattogó hangot hallat (erről bővebben a 6.a pontban lehet tájékozódni). R10 100Ω-os ellenállás a hangszóró illesztését látja el. Ez az erősítőfokozat stabil 9V-ot kap. R11 3,3kΩ-os ellenállás munkapont beállító ellenállás. Q1 BC557-es PNP tranzisztor egy kapcsoló funkciót lát el, mely az 5V-os tápfeszültségét kapcsolja rá a digitális TTL számláló kimenetre (JP4), illetve a deprez műszer áramköri részére. R9 330Ω-os és R8 100Ω-os ellenállás áramkorlátozó feladatot lát el. D3 dióda megakadályozza, hogy C1 100uF-os elektrolit kondenzátor a digitális kimenet felé süljön ki. D2 gyors védődióda. R5 33kΩ-os felhúzó ellenállás. ’muszer_hitelesites’ nevezetű 47kΩ-os trimmer potenciométerrel lehet a deprez műszert hitelesíteni, beállítani. T2 BC547-es tranzisztor áramerősítő feladatot lát el, mely a deprez műszert hajtja meg. R7 és R6 ellenállás egy osztót alkot. C2 gátolja meg, hogy a mutató hirtelen mozogjon, simábbá teszi a mozgását (lassítja a kilengések sebességét). JP5-re csatlakoztatjuk a deprez műszert. A beszerelés során vegyük figyelembe a műszer maximális áramát. Ilyenkor a műszer hitelesítés potenciométert tekerjük minimum állásba. R25-ös ellenállásra csak abban az esetben van szükség, amennyiben a potenciométer nem elégséges a hitelesítéshez.

3.b A digitális áramkör:

geigerdigitkapcs

A műszerhez tartozó digitális számláló egy 3 digites BCD számlálót, a CD14553-as CMOS IC-t, és egy 3 digites CD14543-as BCD dekódoló IC. A számláló multiplexelt kimenettel rendelkezik, amihez 3 PNP tranzisztor tartozik (Q3-Q2-Q1). Ezeket a tranzisztorokat kapcsolgatja a 4553-as IC. Röviden a működése: a beérkezett impulzusokat megszámolja a 4553-as IC, és minden egyes kijelző adatait sorban elküldi a dekódoló 4543-nak. A 4543 pedig ezeket sorban megjeleníti az összes kijelzőn. A 4553 azonban megfelelő órajel ütemében ki, illetve bekapcsolja a kijelzőket. Amikor az egyes számolt értékeket küldi ki a kijelzőkre, akkor kapcsolja be az 1-es kijelzőt. A többit addig kikapcsolja. A tízeseknél és százasoknál is így működik. Az órajel frekvenciát C2 kondenzátor adja meg (1nF = 100kHz). A kijelző visszaállítását JP2-re kötött nyomógombbal érhetjük el. A használt kijelző 13mm-es 7 szegmenses vörös, közös katódos LED kijelző. Az áramkör stabil 9V-ot kap.
A teljes kapcsolási rajz

:geigerdigitteljes

Néhány kép a bedobozolt műszerről:

gm3_small gm1_small
gm4_small gm2_small

A doboz belseje:

gmdobbento_small

A GM csőhöz esztergált foglalat, alumínium csőből:

csofogl_small

Az alap panel beültetési rajza, és nyákterve:

gmbeult
gmnyak

A digitális panel nyákterve, és beültetése:

gmnyaktervdigitpanel
gmbeultdigit

A kijelző beültetése, nyákja:

gmbeultkijelzo gmnyakkijelzo

2006-2012   © Omega Labs