Ми вже робили аналогічну публікацію для трубки Гейгера СБМ20. Цього разу пропонуємо до вашої уваги статтю, яку присвячено не менш популярній трубці J305 китайського виробництва.
За нашою статистикою, трубка J305 за поширеністю серед DIY проектів лічильників Гейгера поступається лише трубці СБМ20 радянського виробництва.
Втім, час плине, технології удосконалюються, змінюються ланцюжки постачання. Нові товари та компоненти невпинно займають свою нішу на полицях постачальників радіоелектроніки, поступово витісняючи з ринку тимчасові рішення, яким, по суті, була радянська трубка СБМ20 на ринку DIY-електроніки.
Якби нас попросили порівняти трубки СБМ20 та J305, ми б обрали для свого проекту J305, про що ми вже встигли зазначити у окремій публікації. Згадана стаття порівнює трубки J305, СБМ20 і LND712, з якими нам доводилося працювати, та з якими є сумісним за електричними характеристиками модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3.
Ця ж публікація оповідає про трубку J305, як найближчу та найкращу, на наш погляд, альтернативу трубці СБМ20. Ми розглянемо, як розрахувати коефіцієнт перетворення кількості імпульсів на хвилину трубки J305 у значення мкЗв/год – еквівалентної дози радіації, поглинутої тілом людини.
| Головна мета цієї публікації – правильно розрахувати і, за можливості, зрозуміти, звідки ж береться коефіцієнт перерахунку, як-от 0,00812 для трубки J305, який всі публікують у інтернет. |
У інтернет масово публікуються дані, що коефіцієнт перетворення для трубки Гейгера J305 дорівнює 0,00812.
0,00812
Як і у випадку з трубкою СБМ20, нам довелося старанно шукати в інтернет першоджерело такої інформації. На відміну від розслідування щодо коефіцієнту для СБМ20, наші пошуки щодо даних на J305 завершилися успішно та привели нас до першоджерела появи поширеного коефіцієнту 0,00812.
Але не будемо забігати далеко вперед і викладатимемо все по-порядку.
Наведемо загальні технічні характеристики трубок, щоб ми могли підглядати, вивчаючи наведені далі за текстом розрахунки.
| SBM20 | J305 | LND712 | |
| Джерело калібровки виробником | Cs-137 | Co-60 | Co-60 |
| Чутливість | 60 – 70 імп / мкР при 4 мкР/с Cs-137або це240-280 імп/с при 4 мкР/с Cs-137 | 44 імп/c при 1 мР/год Co-60 | 18 імп/с при 1 мР/год |
| Час нечутливості (Dead Time) | 190 мкс | ? | 90 мкс |
| Рівень фонового випромінювання | 60 імп/хв | 25 імп/хв | ? |
| Власний шум трубки | 1 імп/сабо60 імп/хв | 0,2 імп/сабо12 імп/хв | 10 імп/хв |
| Рекомендована робоча напруга живлення | 400 В | glass tube 380 Вmetal tube 400 В | 500 В |
Трохи формул і розрахунків
Як і для трубки СБМ20, для трубки J305 процедура розрахунку буде такою ж.
Зробимо розрахунки для J305, спираючись на дані виробника.
Швидкість реєстрації подій трубкою J305 при 1 мкР/год від джерела Co-60, складає 44 імпульси на секунду;
1. Запишемо початкові дані з даташит виробника. Імпульси на секунду при 1 мР/год:
44 імп/с / мР/год
2. Перетворимо в імпульси на хвилину при 1 мР/год:
44 * 60 = 2640 імп/хв / мР/год
3. Перетворимо в імпульси на хвилину при 1 мкЗв/год:
2640 / 10 = 264 імп/хв / мкЗв/год
або
264 імп/хв = 1 мкЗв/год
або
1 імп/хв = 1264мкЗв/год
4. Розрахуємо значення одного імпульсу на хвилину:
1 / 264 = 0,00378
Таким чином, якщо нам потрібно перевести імпульси, зареєстровані трубкою J305 протягом хвилини у мкЗв / годину:
| мкЗв/год = імп/хв * 0,00378 |
Все було б добре, і на цьому можна було б припинити розрахунки. Але щойно отриманий нами коефіцієнт
0,00378
дає нам значення експозиції, яке реєструє лічильник Гейгера. А нас насамперед цікавить, яку еквівалентну дозу радіації поглине людське тіло.
Тому переходимо до наступної частини розрахунків.
| Нас насамперед цікавить, яку еквівалентну дозу радіації поглине людське тіло, а не та доза експозиції, яку зареєструє прилад |
Для того, щоб оцінити еквівалентну дозу поглинутої енергії людським тілом у науці застосовують так звану модель фантому людського тіла, для якої розраховують певні коефіцієнти перетворення одних величин в інші.
Якщо вам цікаво прочитати теорію з цього приводу, можемо порадити ознайомитися ось з цією публікацією:
А ми переходимо до виведення коефіцієнту перетворення CPM трубки в еквівалентну дозу поглинутої радіації у мікрозіверт на годину з урахуванням фантомної моделі людського тіла.
Почнемо розрахунок з коефіцієнту, який надає виробник у документації: 44 імп/с на 1 мР/год Co-60.
Чутливість J305 до gamma-променів: 44 CPS / mR/h
1. Перетворимо імп/с у імп/хв при 1 мР/г (у нас вже є це значення, але ми наводимо ще раз його розрахунок для зручності читача):
44 * 60 = 2640 імп/хв / мР/год
2. Перетворюємо імп/хв при 1 мР/г у імп/хв при 1 Р/год:
2640 * 1000 = 2640000
3. Знаходимо значення дози експозиції R/h при 1 імп/хв:
1 / 2640000 = 0,0000003787878788
4. Знаходимо air-kerma (Ka, kinetic energy released per unit mass / in matter):
Рівняння має наступний вигляд:
Ka [Gy] = 0,00877 [Gy/R] x exposure [R]
де 0,00877 – коефіцієнт поглинання дози радіації людським тілом на фантомній моделі під впливом фотонних енергій 100 keV – 3 MeV
Примітка. Звідки береться рівняння air-kerma і коефіцієнти, див. за посиланням: https://web.archive.org/web/20230402162906/https://www.automess.de/en/service/radiation-quantities-and-units
0,00877 * 0,0000003787878788 = 0,000000003321969697 Ka[Gy]
5. Перетворимо Ka[Gy] у Ka[uSv] (тобто перейдемо від Грей до мкЗв):
0,000000003321969697 * 1000000 = 0,003321969697 Ka[uSv]
6. Виконуємо перевірку і знаходимо обернене значення:
0,003321969697 ^(-1) = 301,0262258
Таким чином, формула еквівалентної поглинутої дози тілом людини радіації для трубки Гейгера-Мюллера J305 з гамма- чутливістю по Co-60 44 cps / mR/hr наступна:
| uSv/h = CPM x 0,00332 |
де
0,00332 мкЗв/год – ціна одного відліку, імп/хв;
CPM – кількість відліків (подій) за хвилину, зареєстрованих трубкою Гейгера.
| Лайфгак (Швидка формула): Щоб отримати коефіцієнт 0,00332, можна просто значення 44 імп/с / мР/год, отримане з даташит, помножити на 60 і поділити на 8.77, і взяти обернене число. 1 / (44 * 60 / 8,77) = 1 / 301,0262258 = 0,003321969697 Що ми і перевіряли такими складними перетвореннями вище. Тепер і ви знаєте, де береться цей коефіцієнт |
Щось тут не так
Добре, скаже пильний читач, а де ж число 0,00812, про яке йшлося на початку розрахунків!?
Ви маєте рацію! Ми теж були здивовані: у результаті обчислень у нас вийшло, що коефіцієнт дорівнює 0,00332, але очікувалося, що розрахунок має вийти на значення 0,00812. Тобто зовсім інше число коефіцієнту перетворення CPM у мкЗв/год.
Ми почали шукати в інтернет і таки знайшли.
Як виявилося, більшість прикладів налаштувань для трубки J305 просто посилаються одне на одного, та ми таки відшукали звідки взявся цей коефіцієнт.
За посиланням (або ось тут, у PDF на сайті Libelium) ви знайдете документ з наступними даними:
“…The current version of the pack comes with the J305ß Geiger tube which detectes Beta and Gamma radiation.
Specifications:
Manufacturer: North Optic
Radiation Detection: β, γ
Length: 111mm
Diameter: 11mm
Recommended Voltage: 350V
Plateau Voltage: 360-440V
Sensitivy γ (60Co): 65cps/(µR/s)
Sensitivy γ (equivalent Sievert): 108cpm / (µSv/h)
Max cpm: 30000
cps/mR/h: 18
cpm/mR/h: 1080
cpm/µSv/h: 123.147092360319
Factor: 0.00812037037037…”
На цей текст всі посилаються і немає ніякої можливості перевірити зазначені дані, адже сайту такої компанії-виробника як North Optic не існує.
Найбільше дивує те, що респектабельні ресурси також публікують (чи дозволяють це робити) цей коефіцієнт без позначки “Увага! Ніхто не знає, звідки він взявся”.
Примітка. Будь-ласка, якщо у вас є інформація, як зв’язатися з North Optic, або пояснення щодо надійності застосування коефіцієнту 0,00812, напишіть нам. Заздалегідь щиро вдячні.
Як можна бачити, вихідні дані виробника North Optic, дуже сильно відрізняються від тих, які наразі надають разом з трубками китайські виробники.
Наведемо для порівняння наявний у нас даташит для трубки J305 glass. Саме такими трубками ми комплектуємо модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3:
 |
| Рис.. Характеристики трубки J305 з даташит виробника |
Зважаючи на знайдені нами матеріали, принаймні стає зрозуміло, звідки береться числове значення коефіцієнту перетворення 0,00812.
Ось подивіться, з математичного боку все дуже просто:
[18 CPS / mR/h] x 60 / 8,77 = 123,1470923603193
1 / 123,1470923603193 = 0,0081203703703704
Тут ми одразу застосували швидку формулу і отримали значення коефіцієнту перетворення 0,00812 для трубки, чутливість якої немов би 18 CPS / mR/h.
І дійсно, якщо прийняти в розрахунках, що трубка має чутливість 18 CPS / mR/h, тоді коефіцієнт має бути саме 0,00812.
Але та трубка J305 випуску 2022 року, яку у 2023 році продають постачальники через Alibaba, і яку ми тримаємо у своїх власних руках, має абсолютно інші властивості, що заявлені виробником у даташит: 44 CPS / mR/h.
Висновки
Ми навели повний алгоритм дій і показали, як розраховується коефіцієнт перетворення CPM у еквівалентну дозу поглинутої людським тілом радіації (uSv/h) для трубки Гейгера, як-от J305.
Також ми розглянули два варіанти значення коефіцієнта перетворення.
Перший – це той, що ми розрахували, спираючись на дані у даташит: 0,00332.
Другий – це той, що всі застосовують: 0,00812
Який саме коефіцієнт перетворення вам краще застосовувати – вирішувати вам.
Приклади для ESPHome
Нагадаємо, що модуль GGreg20_V3 є сумісним з обома трубками: SBM20 та J305.
На нашому GitHub ви знайдете кілька прикладів конфіг-файлів побудови прошивки ESPHome, як для трубки SBM20 так і для трубки J305. Відмінність лише у кількох коефіцієнтах цих трубок:
- коефіцієнт перетворення трубки CPM -> uSv/h;
- коефіцієнт компенсації внутрішнього шуму трубки (для випадків, коли вона застосовується).
Наразі ESPHome є доволі поширеною та популярною платформою з широкою підтримкою різноманітних мікроконтролерів, як-от ESP8266, ESP32, RaspberryPi Pico W, та інші. Саме через це, більшість прикладів у наших репозиторіях на GitHub спрямовано та засновується на прошивці ESPHome і сервері Home Assistant.
Де замовити GGreg20_V3
Ви можете замовити модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3 на нашому сайті, а також на одному з наших електронних майданчиків:
- Онлайн магазин: go.iot-devices.com.ua/shop
- Магазин Etsy: go.iot-devices.com.ua/etsy
- Магазин Tindie: go.iot-devices.com.ua/tindie
У випадку замовлення, модуль GGreg20_V3 комплектується кількома додатковими опціями на вибір. Серед яких:
- трубка Гейгера J305
- кабелі для підключення до MCU
- захисний 3д-друкований пластиковий кожух для GGreg20_V3
Також зверніть увагу, що на нашому сайті також можливо замовити модуль універсального контролера ESP12.OLED_V1 (на базі ESP8266).
Обидва ці модулі є достатніми, щоб побудувати саморобний лічильник Гейгера з дисплеєм:
[GGreg20_V3] + [ESP12.OLED_V1] = [DIY Geiger counter]
Сподіваємося, що ця та інші наші публікації були корисними і цікавими.
Бажаємо успіхів!
Team IoT-devices, LLC
