蓋格計數器

三月 10, 2015
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這臺輻射檢測器會發出喀答聲與閃光,並將所記錄的輻射值經由網路分享出去。
我從事蓋格計數器的設計製造,並且透過我的公司Images Scientific Instruments 販售蓋格計數器長達十五年之久。蓋格計數器的裝備簡單,只須足夠伏特的電量運作蓋格穆勒計數管(GMGeiger-Muller)即可。製作一個可用的計數器並不難,但要製作一個可靠又耐久的可就不容易了,因電子零件是相當複雜且精細的。
去年日本遭受地震、海嘯與核災襲擊的同時,我正在設計蓋格計數器的新款基礎電路。舊款賣得太好,接不完的訂單讓我的設計工作一度停擺,但最後總算是大功告成了。

利用不同的GM管可輕鬆將蓋格計數器裝配起來,只要計數器一偵測到輻射物,就會發出喀答聲與LED閃光,此外你也可以將其連接到類比式或數位式的輻射檢測儀,或是連上電腦進行資料分析;在沒有電腦或真實亂數產生器的情況下,亦可連接到攜帶式SD卡資料紀錄器上。蓋格計數器亦能相容於輻射網絡網站(Radiation Networkradiationnetwork.com),將讀取到的資料分享至世界各地。


材料:

工具:

  • 標尺
  • 高速旋轉工具,例如Dremel,用於在塑膠盒上鑽孔
  • 焊接設備
  • 三用電表
  • 輻射網絡軟體與傳輸線(非必須),可於radiationnetwork.com購得,售價79美元



1.組裝印刷電路板

  • 注意GM管規格上的指定電壓,應是剛剛好介於300600伏特之間的一個百位數字。為達到該伏特數,將(最多)三個100V200V的齊納二極體加總起來,例如將兩個200V與一個100V的齊納二極體加起來,可以達到500V
  • 將齊納二極體焊接到電路板上的D8-10位置,調整到正確的電極。將一個100V的齊納管裝入D8。在附近的跨接線J1繞過D8,可迅速將電壓調降至100V
  • 參照GM管的規格,找到陽極電阻R5與陰極電阻R4的數值。
  • 依我庫存的GM管來看,建議的陽極電阻應在2.2MΩ與10MΩ之間。步驟2a中的LND712管需要一個10MΩ的陽極電阻與一個470kΩ陰極的電阻。將R5R4焊接在印刷電路板的指定位置上。
  • 依照印刷電路板上的絹印標籤(若您使用的是麵包板,可依照makeprojects.com/v/29上的示意圖來操作),將所有剩下的零件放置並焊接到印刷電路板上。請確認所有零件的電極極性皆正確無誤。

2.裝上GM管

  • 找出GM管的陽極與陰極導線,並分別將其連接至電路板的GM管(+)與(-)電極上。陽極端(+)就在R5旁邊。若您使用的是LND 712GM管,可在與短電線焊合之前,將其中心(也就是陽極(+)端)先拆下,接著才將電線焊接上電路板。在玻璃管上,負極(-)是短電線從金屬帽蓋伸出並沿著管外的(且向內穿透)那一端。
  • 如果您選用的GM管在另一端有一個雲母窗,例如LND712,請在其上加裝一個「細孔絲網簾幕」。它可在α粒子穿過的時候保護脆弱的雲母片。
  • 如果您選用較小型的管子,可用線將它綑在板子上,再點上膠或環氧合成樹脂來加強。如果您使用熱膠的話,請小心別讓高溫把GM管弄壞。
  • 熱膠或焊鐵的高熱很容易損壞GM管。

3.調整計數器

图片

  • 啟動蓋格計數器,若有一個輻射源,則將它放在GM管附近。
  • 持續調節電位計R6直到喀答聲出現且LED燈閃爍為止。每個喀答聲與閃燈都代表著偵測到一個α、β或γ粒子通過GM管(但並非所有此類活動都能檢測到,端看GM管的敏銳度)。
  • 若無輻射源的存在,那麼來自地表的自然背景輻射與宇宙射線亦會導致蓋格計數器發出喀答聲。我住的地方,背景輻射可觸動LND 712 GM管每分鐘約16次計數(CPM)。
  • 好了,您的蓋格計數器完工了!位於印刷電路板角落的接線板有兩對用來連接其他設備的輸出接點:+3V5V數位脈衝信號(板上標示為「D」)與接地(標示為「G」)。

4.連接資料記錄器

  • 9V電池裝上EL-USB-5記錄器之後,將記錄器插至電腦上一個閒置的USB端口上。
  • 利用小型的攜帶式裝置來記錄這附近的輻射資料,我選用LascarElectronicsEL-USB-5資料記錄器。你也可以利用智慧型手機上的資料記錄程式。
  • 執行安裝光碟,並點選「設定(Set Up)」及「啟動(Start)」選項。在操作畫面的名稱(Name)/模式(Mode)選單下選擇計數活動(CountEvents),並在下一個畫面中,將啟動裝置設定為「Rising edge」伏特,並將LED閃光燈設定為關閉。
  • 電壓範圍請設定在0V-3V。電路板輸出電壓為4V-5V,但會因為裝上資料記錄儀的關係而降至2.8V
  • 在時間區間(Time Period)選單中,選擇1分鐘。接著請按照畫面指示完成安裝。
  • 增率不一定要為1分鐘,但注意記錄器在每段時間裡最多可紀錄32,510個事件,最大資料傳輸速率為每秒100個事件(LED燈為關閉狀態)。

5.將鱷魚夾連接至計數器的數位輸出端

  • 將記錄儀的兩個鱷魚夾連接至計數器的數位輸出端,紅線連接至D(數位脈衝),黑線連接至G(接地)。修剪兩條短導線,將它們拴至接線板,並夾至另一端上。
  • 現在記錄器正在收集資料,您可將它帶到任何想讀取資料的地方。
  • 一旦資料記錄好了,請用USB線將記錄器重新接上電腦,並儲存為一個純文字檔案。您可在Microsoft Excel中打開資料檔案,並使用圖表工具,以不同方式來繪圖或運用這筆資料。圖中顯示由CPM所製成的298分鐘背景輻射資料,平均值約為16

6.加裝類比顯示器

  • 添加一個類比式儀表讓計數器可顯示目前的輻射強度。此電路可用開關切換,以顯示3種不同的讀取範圍:每小時110100mR/hr(毫侖琴)。
  • 如圖所示,將電路組裝在小型電路板上。
  • 將計數器電路板的數位輸出與接地從接線板連接到儀表的電路輸入端。再將儀表的(-)端接地。由於類比電表本身需要5V電壓,請將它連接至印刷電路板上任何一個+5V接點,比方像揚聲器側邊或電源插座的+5V(您可參考示意圖或自行在印刷電路板上找找)。

7.校正

  • 為了幫儀表(與某些GM管)進行約略的校正,您可使用一個10μCi-137樣本盤。右表說明了磁盤與GM管之間的距離應為多少,才可達到110100 mR/hr的輻射量。將開關開到1的位置,使用小螺絲起子調整電位計V3,當磁盤與GM管的距離為表中所列距離時,能讓儀表能讀取全盤資料。接著撥動開關並將樣本移至下一個距離,將電位計V2調至最大數值,再對V1執行同樣的動作。
  • 針對像是GMT-01這種能透過末端的雲母窗來偵測α粒子的GM管,就將輻射源朝向末端。如使用其他GM管,則將輻射源朝向GM管中間。
  • 這些數值皆為近似值,將會是您的刻度值。GM管的回傳數值與表中資料的差異可達正負20%。輻射源的強度與各種電子元件特性亦有所不同,這些因素都會影響到精確度。

8.裝上機殼

結論

隱而不顯的放射線
放射性汙染檢測
檢測汙染的時候,GM管應能清楚地偵測到α、β與γ射線(如同GMT-01一樣)。
蓋格計數器只能檢測出清楚呈現在背景輻射上方的總汙染水平,它並不適用於檢測低水平汙染。以下是檢測地表上方輻射汙染水平的方法:

  1. 測量CPM至少20分鐘來建立背景輻射量,測量的時間愈久愈好。請記下最低與最高水平,接著將它們取平均來求出基線的最小值、最大值與平均值。步驟4中的資料是一個298分鐘的樣本,CPM平均值為16,最小值為6,最大值為28
  2. GM管放在靠近您所測試物質的頂端位置,愈近愈好。啟動計數器並記錄CPM輸出。記錄的時間愈長,結果就愈準確。
  3. 將您採用樣本的輻射輸出與基線來比較。


音效輸出的替代方案
若您想增加蓋格計數器喀答聲的音量,可使用替代音效輸出電路圖,詳見makeprojects.com/v/29。在此電路中,比較測定機的脈衝信號啟動了一個設定為單穩模式的555計時晶片,可將其從開關所接收到的脈衝延伸出去。來自計時器的輸出脈衝會使LED閃燈,並透過3號針腳將一個清晰的喀答聲輸出至揚聲器。
替代電路組件(555晶片,帽蓋,電阻)可直接裝在小型麵包板上。您可將它連接到主電路板的一個數位輸出端上,或連接到標準燈光與音效輸出接點(LM33914號針腳),不論是取代原有輸出或使其變得可切換皆可。

數位電表轉換器
要擴充蓋格計數器的功能,您可將蓋格計數器的數位輸出連接到一個標準的3.5mm單聲道耳機插孔,將套筒端點接地,並將訊號線連接至頂端。
有了這個輸出插孔,您就能將儀表連接至我公司的數位電表轉換器(DMAD),此為一附加機器,可顯示每分計數CPM或每秒計數CPS,以及每小時的毫侖琴數(mR/hr)。機板上的開關亦可將轉換器當作一個範圍可調的真實亂數產生器。這臺DMAD還有第二個3.5mm輸出插頭,可透過3.5mmRS-232序列傳輸線將其所有的輸出功能連上電腦。

輻射網路
要在全國各地追蹤輻射量嗎?將一個3.5mm輸出插孔,連接至上述數位電表轉換器,可讓您的蓋格計數器搖身一變成為輻射網絡網站(Radiation Network)的監測站(radiationnetwork.com),是全國輻射地圖網(National RadiationMap)的首頁可見其中。網路軟體與轉接線一併銷售,價格為79美元。

警告
對於此處所提供的輻射訊息,作者和出版者不做任何(明白或暗示)的保證。此處所有的訊息都應視為實驗性質。安全、健康問題與牽涉到放射性汙染的疑慮,應透過地方與國家政府機構或此領域經認可的專家提出、確認並證實。


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John Iovine
約翰.艾歐文熱衷於科學與電子學研究,從事該領域著作,擁有並經營一家小型科技公司Images SI Inc.

目前與妻子、兩個孩子和兩隻分別叫作吉利蛋與史怪客的狗和貓住在紐約州史坦騰島。

(譯:曾吉弘)
原文


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