Проєкт складний і наразі лише готується: склад зонда ще може змінитися і не затверджений остаточно. Ми ж тримаємо кулаки, щоб усе вийшло так, як запланували автори проєкту.

Ми колись тестували модуль при низьких температурах, але щоб запустити його у стратосферу і мріяти не могли.

Про проект COMETA:

https://cometa.scuolaitaliana.edu.uy/#sonda

Про GGreg20_V3:

https://iot-devices.com.ua/product-uk/ggreg20_v3-ionizing-radiation-detector-with-geiger-tube-sbm-20/

Тестування GGreg20_V3 за низьких температур:

https://iot-devices.com.ua/technical_note_performance_of_diy_geiger_counter_ggreg20_v3_at_low_-temperatures_ua/

На цьому все.

Бажаємо вдалих проєктів!

Першим продуктом, що вже доступний для замовлення, став пластиковий корпус для популярного мікроконтролера Raspberry Pi Pico W з прямими пін-хедерами.

Як і власні продукти IoT-devices, продукти під брендом IoT Case Lab постачаються компанією на тих самих умовах, відповідно до політик компанії та відвантажуються глобально.

Користувачі та Клієнти більш ніж з 40 країн світу вже можуть робити замовлення у магазині на веб сайті. Також планується розмістити продукцію під брендом ICL у магазині IoT-devices LLC на майданчику Etsy.

Продукт, що вирішує проблеми

Вироби ICL вирішують проблеми, з якими постійно стикаються розробники DIY-пристроїв. Зазвичай для з’єднання поширених і популярних компонентів використовують кабелі з роз’ємами Dupont, які мають суттєвий недолік — вони погано тримаються на контактах, що може призводити до збоїв у роботі проекту.

Інженери IoT Case Lab врахували цю проблему, створивши корпус, що не тільки захищає мікроконтролер від зовнішніх пошкоджень та інших проблем, як-от коротких замикань, але й надійно фіксує роз’єми Dupont. Це дозволяє забезпечити стабільне з’єднання та зручність експлуатації.

Ключові особливості лінійки корпусів:

• Спеціалізований дизайн: розроблений спеціально для певних моделей мікроконтролерів, в даному випадку для Raspberry Pi Pico W з прямими пін-хедерами.
• Надійна фіксація: контакти роз’ємів Dupont міцно закріплюються панеллю, що запобігає їх від’єднанню.
• Функціональність: усі пін-хедери, кнопка BOOTSEL та Debug-порт, порт micro USB залишаються доступними.
• Захист та охолодження: корпус захищає плату контролера від механічних пошкоджень, а вентиляційні отвори забезпечують пасивне охолодження.
• Універсальне кріплення: завдяки спеціальним універсальним шипам-з’єднувачам, корпуси ICL можна об’єднувати між собою.

Деталі та посилання

Цей корпус можна замовити на сайті IoT-devices за посиланням:
https://iot-devices.com.ua/product-uk/raspberry-pi-pico-w-icl-rpipw-st-v1-plastic-case-straight/

Для тих, хто бажає познайомитися з продуктом ближче, уся інформація доступна на GitHub:
https://github.com/IoTCaseLab/ICL_RPIPW_ST_V1-case-for-Raspberry-Pi-Pico-W-with-straight-pin-headers

3D-модель зовнішніх обрисів корпусу: https://github.com/IoTCaseLab/ICL_RPIPW_ST_V1-case-for-Raspberry-Pi-Pico-W-with-straight-pin-headers/blob/main/res/RPi-Pico-W-2022-model_straight_mcu2-type2_solidDemoBrick.stl

Наша ідея

Протягом останніх років ми не раз стикалися з ситуаціями, коли лічильником Гейгера потрібно було скористатися просто та швидко, без спеціальних знань, досвіду, додаткових пристроїв чи складних підключень. Звісно, можна вручну рахувати імпульси та використовувати секундомір, але ми подумали: чому б не створити для цього зручний додаток? І ми це зробили!

Переваги використання GGreg20_V3 з цим додатком

• Дешеве рішення: Немає потреби у контролері на кшталт Arduino, ESP8266, ESP32 чи Raspberry Pi.
• Простота користування: Не потрібні навички програмування.
• Безпровідність: Немає потреби паяти чи підключати з’єднувальні кабелі.
• Швидкий старт: Немає потреби шукати чи прив’язувати новий пристрій.
• Широкомовлення: За потреби один лічильник Гейгера може одночасно використовуватися багатьма користувачами.

Для кого цей додаток

Хоча цей додаток не є точним, і в парі з GGreg20_V3 не є готовим пристроєм, користувачі, які не вміють або не бажають програмувати, можуть одразу користуватися модулем GGreg20_V3, просто зажививши його та встановивши цей додаток.

Але зважайте, що це лише навчально-демонстраційний, тестовий додаток для початківців. Обирайте відповідні інструменти для відповідних задач.

Також цей додаток зручно використовувати для швидкого тестування працездатності модуля, наприклад, при отриманні його у поштовому відділенні.

Для точних вимірів

Якщо ж ви шукаєте точних та надійних вимірів за допомогою модуля GGreg20_V3, радимо звернути увагу на інший наш додаток-компаньйон для GGreg20_V3, який ось-ось з’явиться на Google Play. Там як канал передачі даних між модулем та смартфоном використовується контролер із Bluetooth.

Зверніть увагу: BLE-додаток потребує значно більше роботи над DIY проєктом – щонайменше знання ESPHome, BLE Server, контролерів типу ESP32 чи Raspberry Pi Pico W тощо.

Як це працює

Користувачам GGreg20_V3 потрібен лише модуль, що живиться (відповідно до документації), та цей додаток на смартфоні. Безпровідна передача даних від модуля GGreg20_V3 до смартфона відбувається за допомогою звукових сигналів вбудованого зумера. Додаток фільтрує звуки, що вловлює мікрофон смартфона, розпізнаючи лише ті, що відповідають сигналам з зумера GGreg20_V3.

Відомі недоліки

Використання безпровідного аудіоканалу може призводити до хибних показів або неточностей у шумному середовищі.

Зокрема:

• Хоча лічильник Гейгера GGreg20_V3 може реєструвати всі імпульси, на які здатні трубки типу J305, SBM20 або LND712 в умовах високого рівня випромінювання, цей додаток має значне обмеження. Для розрізнення імпульсів довелося реалізувати штучну затримку тривалістю 70 мілісекунд між імпульсами, які сприймає додаток. Це означає, що додаток може правильно обробляти рівні радіації лише до 850 CPM (або 3 мкЗв/год). Цього цілком достатньо для звичайних побутових умов, але буде недостатньо у випадку ядерної катастрофи.
• Хоча додаток ефективно фільтрує події лише певної частоти, існує проблема засмічення сигналу, наприклад, від розмови людини поруч. У таких випадках сигнали накладаються один на одного, і додаток ігнорує відповідні імпульси.
• Також нам відомо про проблему відлуння відповідних сигналів. Це відбувається у замкнених приміщеннях. Ви можете побачити цей ефект на відео в описі додатку на Google Play, де імпульси зумера лунають один раз, але додаток іноді рахує їх двічі, ймовірно, через відлуння. (Для зйомки цього відео ми використовуємо фотобокс, у якому виникає луна.)

Важлива примітка

Цей додаток, як і модуль GGreg20_V3, не є точним вимірювальним пристроєм. Він призначений для особистого використання, хобі, навчання та творчих експериментів, а не як готовий продукт. Він створений для ентузіастів DIY електроніки.

Ключові слова

Лічильник Гейгера, GGreg20_V3, Іонізуюче випромінювання, Додаток-компаньйон, Коефіцієнт перетворення, Трубка Гейгера-Мюллера, DIY, IoT, Вимірювання радіації, Вбудована електроніка, Електроніка

Оскільки на сайті та на Etsy під час замовлення кожен користувач може обрати одну з багатьох можливих варіацій комплектації GGreg20_V3, ми щороку проводимо такий аналіз, адже нас завжди цікавить, яких комплектацій потрібно мати на складі найбільше, щоб вчасно задовольняти потреби користувачів наших онлайн магазинів.

Також ми подумали, що потенційним покупцям також може бути цікаво, які  комплектації GGreg20_V3 замовляють інші радіоаматори найчастіше. І вирішили цього року опублікувати отриману статистику за минулий рік.

Комплектації доступні до замовлення:

Що ми знайшли цього разу

GGreg20_V3 Basic + J305 tube + Роз’єми (встановлені) та кабелі + Кожух3d

У більше ніж половині випадків користувачі замовили повну конфігурацію, до якої входить модуль, трубка Гейгера J305, та два кабелі JST-JST і JST-Dupont і захисний, друкований на 3D-принтері кожух.

SKU комплектації: ggreg20_v3_basic305_cabcas

GGreg20_V3 Basic + J305 tube + Роз’єми (встановлені) та кабелі

Майже чверть замовлень на додачу до модуля GGreg20_V3 містили трубку Гейгера J305 та кабелі. Вочевидь, кожух в цих замовленнях був або не потрібен, або Клієнт мав можливість роздрукувати його самостійно, адже STL-модель кожуха розповсюджується компанією IoT-devices безкоштовно.

SKU комплектації: ggreg20_v3_basic305_cab

GGreg20_V3 Basic + J305 tube

Дванадцять відсотків замовлень включали базовий модуль та трубку Гейгера J305. Дивно, що таких замовлень було лише 12.2%. Адже на нашу думку, це найоптимальніша конфігурація за відношенням ціна – корисність. Якщо потрібно заощадити, але отримати повністю готовий до роботи модуль, то ця варіація буде гарним вибором. 

SKU комплектації: ggreg20_v3_basic305

GGreg20_V3 basic

У більш ніж семи відсотках замовлень Клієнти замовили модуль GGreg20_V3 без додаткових опцій. Можемо від себе додати, що такі замовлення зазвичай мають на меті замінити наявний модуль лічильника Гейгера на GGreg20_V3. Користувачі нам повідомляють, що у них вже є трубка і потрібен лише модуль. Найчастіше базовий модуль без опцій замовляють радіоаматори, які знають що роблять. Також ми маємо багаторічних Клієнтів, які вже двічі, тричі і навіть вчетверте купували у нас модулі, за що ми їм дуже вдячні. Ми це цінуємо і дякуємо за довіру та підтримку.

SKU комплектації: ggreg20_v3_basic

GGreg20_V3 basic + Роз’єми (встановлені) та кабелі

Решта замовлень, а це майже п’ять відсотків, приходилися на конфігурації, що містять модуль GGreg20_V3 та кабелі. Добре, що ми зробили і таку варіацію, адже вона стала у нагоді значній кількості наших Клієнтів.

SKU комплектації: ggreg20_v3_basic_cab

Діаграма

Таблиця

Примітка. Зверніть увагу, що дані щодо заміни та ремонтів, що також іноді траплялися у 2024 році не входять до статистики, яку ми розглядаємо в даній статті.

Книга присвячена теоретичним основам та практичним експериментам з лічильниками Гейгера. В тому числі книга розглядає саме DIY лічильники, які розробляються радіоаматорами і є доволі популярними компонентами для ізноманітних IoT проектів.

Дякуємо за згадку в книзі наших проектів та компанії. Ми раді, що є частиною спільноти DIY-ентузіастів, які зуміли випустити свій власний продукт, що знайшов своїх користувачів у більш ніж 20 країнах по всьому світу.

Ознайомитися з книгою ви можете за посиланням на сайті Springer Nature.

Ми раніше вже писали про те, як розрахувати коефіцієнти для трубки SBM20 та трубки J305, які постачаються з нашим модулем лічильника Гейгера GGreg20_V3 для DIY / IoT проектів. 
Але у тих статтях ми багато зробили наголосу на формулах розрахунку і майже випустили з уваги дуже важливу деталь: коли ми розраховуємо коефіцієнт перетворення кількості імпульсів трубки Гейгера, то маємо бути свідомими того, яку саме величину ми бажаємо отримати на виході.

Якщо нам потрібно отримати зареєстровану лічильником потужність випромінювання радіоактивного джерела, це буде одна задача. 
Зовсім інша задача, коли нам потрібно отримати еквівалентне значення дози радіації поглинутої людським тілом за певний час.

Як рахувати коефіцієнти ми докладно розповідаємо у попередніх наших публікаціях, тому зараз не будемо витрачати час читача. 
Краще ми спробуємо показати відмінності розрахованих коефіцієнтів і як краще ними скористатися для DIY проекту

Дані наводимо для трубки J305. На її місці також може бути будь-яка інша трубка Гейгера, як-от SBM20 чи LN712, адже всі вони мають подібний принцип дії за виключенням певних нюансів, якими можемо знехтувати в межах цієї історії.

У попередніх наших публікаціях ми йшли з початку до кінця: маємо імпульси -> хочемо тримати значення у μSv/h.
Сьогодні ми спробуємо йти навпаки: крокуючи від мети DIY-проекту крізь послідовні дій її досягнення.

Як користувачі DIY лічильника Гейгера, скоріше за все ми хотіли б отримати доступ до наступної інформації на дисплеї нашого пристрою:

1. Кількість зареєстрованих імпульсів на хвилину отримана від лічильника, CPM;
2. Потужність джерела випромінювання зареєстрована лічильником, μSv/h;
3. Поглинута людським тілом доза за певний період часу, μSv.

Подивіться уважно на ці величини. Секрет правильного їх розрахунку полягає не лише у правильних формулах та коефіцієнтах, а також і у розумінні загального процесу:

• джерело випромінює;
• лічильник реєструє;
• людське тіло поглинає;

Людське тіло поглинає не все, що реєструє лічильник. Виміри лічильника та поглинута доза дуже сильно залежать від багатьох факторів. Тому для спрощення вимірів прийнято застосовувати вже готові дані від виробника та еквівалентні моделі розрахунку відповідних коефіцієнтів.

Кількість імпульсів

Кількість імпульсів ми отримуємо від модуля лічильника Гейгера. Для зручності розрахунків, а також виходячи із щільності імпульсів під час вимірювання нормального фонового випромінювання, цей показник найкраще розраховувати у імпульсах за хвилину, CPM (Counts per Minute).

Наприклад, виробник J305 зазначає у даташит, що при нормальному фоновому випромінюванні трубка має видавати 25 імпульсів на хвилину. Інакше кажучи 25 CPM.

Навіщо нам на дисплеї величина CPM, якщо є інші, більш зрозумілі показники? Дійсно, без імпульсів на хвилину можна обійтися. Але це дуже зручний показник, коли ми хочемо зрозуміти, чи не буває збоїв у роботі пристрою. Зазвичай, у своїх пристроях ми робимо накопичувальний лічильник кількості зареєстрованих імпульсів за весь час роботи пристрою з моменту подачі живлення. 

У цьому випадку, навіть якщо у нас немає джерела точного синхронізованого часу як-от NTP чи RTC, ми все одно можемо розрахувати середню кількість імпульсів на хвилину поділивши суму всіх імпульсів на весь час, що пройшов з моменту подачі живлення. Цей показник може свідчити про якість наших даних, навіть якщо пройшли години з моменту вмикання пристрою. 

Сподіваємося, що оскільки сам принцип таких контролів вже відомий і вам, то ви за потреби розробите власні алгоритми перевірки якості даних та роботи лічильника. Реалізацій може бути багато.

Потужність джерела випромінювання

Коли ми хочемо оцінити потужність джерела випромінювання, ми маємо застосовувати коефіцієнт перетворення CPM у μSv/h отриманий шляхом розрахунків на базі даних зазначених у даташит на трубку від виробника:

Для трубки J305 виробник вказує чутливість 44 імп/c при 1 мР/год від джерела Co-60;

Зробимо необхідні нам перетворення цих даних:

1. Перетворимо в імпульси на хвилину при 1 мР/год:

CPS / mR/h → CPM / mR/h: 44 * 60 = 2640;

2. Перетворимо в імпульси на хвилину при 1 мкЗв/год: 

CPM / mR/h → CPM / μSv/h: 2640 / 10 = 264;

3. Ціна одного імпульсу за хвилину у мкЗв/год:

1 / ( CPM / μSv/hr ) = 1 / 264 = 0,00378;

Таким чином, якщо нам потрібно перевести імпульси, зареєстровані трубкою J305 протягом хвилини у мкЗв / годину і отримати значення потужності джерела випромінювання:

1 імп/хв = 0,00378 мкЗв/год;

або

Коли ми читаємо документацію на трубку Гейгера, то саме про розрахунок цього показника там йдеться.

Еквівалент поглинутої людським тілом дози

Для отримання значення еквіваленту дози випромінювання поглинутої людським тілом застосуємо модель фантому людського тіла:

1. Перетворимо імп/с у імп/хв при 1 мР/г:

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

0,00877 * 0,0000003787878788 = 0,000000003321969697 Ka[Gy]

5. Перетворимо Ka[Gy] у Ka[μSv] (тобто перейдемо від Грей до мкЗв):

0,000000003321969697 * 1000000 = 0,003321969697 Ka[μSv]

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:

Зверніть увагу. Щоб отримати кумулятивне значення дози еквівалентної енергії поглинутої тілом людини, нам потрібно додавати щохвилинні значення до попередньої накопиченої суми протягом всього часу вимірювань (з моменту подачі живлення чи скидання значення лічильника). Дивись приклад нижче.

Чому нам має бути більш цікава доза поглинутої людським тілом радіації, а не потужність джерела радіації? На те є мінімум дві причини, які витікають одна з одної. 

По-перше, з точки зору радіаційної безпеки, важлива не потужність джерела як така, а саме доза, яку ми отримаємо за певний час, якщо будемо перебувати під впливом джерела радіації.

По-друге, оскільки доза отриманого опромінення є такою важливою, то саме дозу для людини розраховують та наводять державні організації з радіаційного захисту та охорони здоров’я громадян. 

Зазвичай припустиму дозу навоводять для проміжку часу у один рік. Саме такі табличні дані дозволяють об’єктивно оцінити, що є нормальним рівнем постійного фонового випромінювання – той момент, коли потужність джерела та отриману еквівалентну дозу людським тілом можливо привести до спільних одиниць та порівняти. 

Якщо постійний фоновий рівень за своєю миттєвою потужністю у перерахунку до року виявиться вище, ніж припустима доза на рік, то це може бути не фон, а певне радіоактивне джерело. І тоді з потужністю джерела, яке створює створює такий “фон”, потрібно негайно щось робити, щоб не перевищити припустиму поглинуту нашим тілом дозу опромінення.

Практика та приклади

І ось тепер ми підходимо до найголовнішого: створюючи сутності сенсорів для GGreg20_V3 з трубкою J305, наприклад у ESPHome, нам потрібно брати відповідні коефіцієнти для різних величин.

1. Кількість імпульсів за хвилину, це завжди лише кількість імпульсів – безрозмірна величина. Але за потреби також може бути застосовано коефіцієнт перетворення чи усереднення (у цій статті не розглядаємо);
2. Для потужності радіоактивного джерела CPM * 0,00378 [μSv/h];
3. Для еквівалентної дози поглинутої людським тілом CPM x 0,00332 [μSv/h] знаходячи при цьому суму щохвилинних значень [μSv] за весь час вимірювань.

Приклад для ESP32 + GGreg20_V3 + J305 у ESPHome

# 1. Сенсор кількості імпульсів від лічильника з циклом вимірювання 60 секунд

 sensor:
- platform: pulse_counter
  pin:
    number: 23
    inverted: True
    mode: 
      input: True 
      pullup: False
      pulldown: False
  unit_of_measurement: 'CPM'
  name: 'Ionizing Radiation CPM'
  count_mode: 
    rising_edge: DISABLE
    falling_edge: INCREMENT # GGreg20_V3 uses Active-Low logic
  use_pcnt: False
  internal_filter: 180us # for J305
  update_interval: 60s
  accuracy_decimals: 0
  id: my_cpm_meter

# 2. Сенсор потужності джерела випромінювання з циклом вимірювання 60 секунд

- platform: copy
  source_id: my_cpm_meter
  unit_of_measurement: 'uSv/Hour'
  name: 'Ionizing Radiation Power'
  accuracy_decimals: 3
  id: my_power_meter
  filters:
    - multiply: 0.00378 # for J305

# 3. Сенсор еквівалентної дози поглинутої людським тілом на годину з циклом вимірювання 60 секунд

- platform: copy
  source_id: my_cpm_meter
  unit_of_measurement: 'uSv/Hour'
  name: 'Ionizing Radiation Equivalent Absorbed Energy'
  accuracy_decimals: 3
  id: my_dose_meter
  filters:
    - multiply: 0.00332 # for J305

# 4. Кумулятивна еквівалентна доза поглинутої людським тілом радіації за час з початку вимірювання (читай, з моменту подачі живлення)

- platform: integration
  name: "Total Ionizing Radiation Equivalent Absorbed Energy Dose"
  unit_of_measurement: "uSv"
  sensor: my_dose_meter # link entity id to the pulse_counter values above
  icon: "mdi:radioactive"
  accuracy_decimals: 5
  time_unit: min # integrate values every next minute
  filters:
    # cumulative absorbed dose. Converting it from uSv/hour into uSv/minute: [uSv/h / 60] OR [uSv/h * 0.0166666667]. 
    - multiply: 0.0166666667
    # but if my_dose_meter in CPM, then [0.00332 / 60 minutes] = 0.000055; so CPM * 0.000055 = dose every next minute, uSv.
    #- multiply: 0.000055 # for J305

Висновки

У статті ми зробили важливу знахідку, що коефіцієнти для різних задач для однієї і тієї ж трубки Гейгера мають бути різними. Цей підхід відрізняється від прикладів, які наводять у інтернет. 

Хоча ми і писали вже побіжно про різні коефіцієнти (дивись статті про розрахунок коефіцієнтів перетворення), але у своїх численних прикладах на GitHub ми раніше послуговувалися лише одним коефіцієнтом, бо так роблять всі. 

Тепер ми вважаємо, що краще рахувати окремий коефіцієнт під кожну сутність сенсора в залежності від типу та призначення. Можливо, ми навіть зробимо оновлення YAML-файлів у наших прикладах на GitHub.

Посилання на інші публікації та приклади

UA: Трубка Гейгера J305: Як розрахувати коефіцієнт перетворення CPM у мкЗв/год. Технічна нотатка
EN: Geiger tube J305: How to calculate the conversion factor of CPM to μSv/h. Technical note

UA: Технічна нотатка: Як розрахувати коефіцієнт перетворення для трубки Гейгера СБМ20
EN: Technical note: How to calculate the conversion factor for Geiger tube SBM20

UA: Трубки Гейгера-Мюллера: порівняння SBM20, J305 та LND712
EN: Geiger-Muller tubes: Comparison of SBM20, J305 and LND712

EN: DIY Geiger counter GGreg20_V3 on GitHub

Easy Links

Unique Vendor ID: https://go.iot-devices.com.ua/ggreg20_v3
User Friendly ID: https://go.iot-devices.com.ua/geiger-counter

Де та як замовити

Website Online Shop
Etsy Store
Tindie Marketplace

Шановні користувачі, клієнти та партнери!

Раді повідомити, що з початком роботи в Україні сервісу Etsy Payments, ми одразу відкрили власний офіційний магазин IoT-devices на цій чудовій платформі для DIY.

Тепер продукти компанії можливо замовити на Etsy чи Tindie, а також на нашому сайті. З заходом системи Etsy Payments в Україну, наші відвідувачі та постійні клієнти можуть обирати будь-який зручний та безпечний спосіб оплати як-от банківські картки, PayPal, тощо. Як додатковий бонус, Etsy захищає оборудки між споживачами та трейдерами в межах платформи.

З цієї нагоди ми б хотіли звернути увагу журналістів, які, можливо, також будуть читати цей текст: на всіх наших торгових майданчиках є продукт Сувенірний лічильник Гейгера, який є доброчинною ініціативою, спрямованою на підтримку одразу двох напрямків:

– підтримка оборонних проектів та Збройних Сил України;

– очищення ринку DIY від некондиційних трубок Гейгра радянської ери.

Магазин IoT-devices Etsy вже повністю працює. Запрошуємо за посиланням go.iot-devices.com.ua/etsy

Про IoT-devices, LLC / ТОВ “ІОТ-ДЕВАЙСЕС” 

Українська компанія IoT-devices, LLC, працює на ринку DIY-електроніки з 2020 року. Флагманським продуктом компанії є модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3 з імпульсним виходом. 

Також компанія має низку інших цікавих продуктів. Наприклад I2CUI4, модуль побудови інтерфейсів взаємодії з користувачем. I2CHUB, модуль розгалужувача для шини I2C. ESP12.OLED, універсальний модуль контролера на базі ESP8266. Та інші, не менш цікаві електронні модулі.

Ми намагаємося проектувати і розробляти модулі так, щоб вони були сумісними з якомога більшою кількістю популярних IoT платформ як-от ESPHome, Home Assistant, Arduino, NodeMCU, ESP-IDF, Tasmota, NodeRed, Raspberry Pi, тощо.

Продукти компанії вже знайшли своїх користувачів більше ніж у 20 країнах світу і ми продовжуємо розвивати міжнародний напрямок бізнесу, не дивлячись на агресивну війну, що здійснюється проти нашої країни.

З 2021 року товари компанії продаються не лише на сайті компанії, а і через відому серед радіоаматорів платформу Tindie. 

З 2023 року ми започаткували магазин IoT-devices на Etsy, щоб розширити пропозицію для користувачів цієї платформи.

Easy Links

go.iot-devices.com.ua/shop

go.iot-devices.com.ua/etsy

go.iot-devices.com.ua/tindie

go.iot-devices.com.ua/github

go.iot-devices.com.ua/hackaday

go.iot-devices.com.ua/twitter

go.iot-devices.com.ua/facebook

go.iot-devices.com.ua/linkedin

go.iot-devices.com.ua/bluesky

Бажаємо успіхів!

Команда IoT-devices, LLC

https://journals.kntu.kherson.ua/index.php/visnyk_kntu/article

У проєкті використані наші модулі GGreg20_V3 та ESP12.OLED_V1

Проаналізовано відкриті дані показників радіаційного забруднення повітря у м. Києві та здійснено візуалізацію даних за допомогою аналітичних інструментів мови програмування Python.

Розробляючи GGreg20 у 2020 році, ми взагалі нічого не тямили у цих матеріях. Зараз ми можемо поділитися накопиченим нашою компанією досвідом з усіма, хто потребує допомоги, або просто шукає додаткову інформацію.

Зверніть увагу, що ми у більшій мірі тут порівнюємо трубки Гейгера-Мюллера SBM20 і J305, з якими постачається GGreg20_V3, а трубку LND712 наводимо, скоріше, як ще одну альтернативу обом трубкам. Це дозволяє розширити межі порівняння до можливостей більш складної і коштовної трубки LND712. Без таких порівнянь ця публікація не мала б глибини і звелася б до тези, що SBM20 і J305 є взаємно замінними, і тому їх немає чого порівнювати.

Перерахуємо ключові моменти, які потрібно враховувати, обираючи трубку Гейгера-Мюллера для DIY-проекту:

• Мета DIY проекту;
• Типи випромінювання, які здатна детектувати трубка;
• Чутливість трубки;
• Власний шум та нечутливість;
• Рівень робочої напруги;
• Розміри та спосіб кріплення трубки;
• Країна походження та рік виготовлення.

Розглянемо і порівняємо трубки під цими кутами докладніше.

Мета DIY проекту

Від того, як поставити мету проекту може залежати, через які критерії успішності ви потім будете його пропускати, проводячи оцінку результатів, яких вдалося чи не вдалося досягнути.
Стосовно лічильника Гейгера мета проекту також може бути дуже різною. 
Наприклад:

• дешевий стаціонарний пристрій, який більшу частину часу повинен вимірювати фонову радіацію і сповіщати про небезпеку;
• мініатюрний кишеньковий пристрій, як сенсор особистої безпеки для здійснення піших прогулянок;
• чутливий та швидкісний вимірювач для детектування випромінювання у продуктах харчування та інших матеріалах;
• вимірювач / сигналізатор радіоактивних газів у повітрі, таких як побутовий радон.

Задача, для якої розробляється кінцевий пристрій, може потребувати вибору трубки за розмірами і взагалі не потребувати високої чутливості, тощо. Тому лише користувач може визначити для себе, яка саме трубка в складі лічильника Гейгера підійде. Ми ж можемо лише зазначити, що вибір трубки відповідно до задачі проекту – це комплексний багатофакторний аналітичний процес, який ми і спробували поглиблено описати у даній публікації.

Типи випромінювання

Тут все досить просто: трубку потрібно обирати в залежності від того, яке випромінювання вам потрібно вимірювати у проекті.
Більшість поширених трубок чутливі до гамма- і бета- випромінювання. Деякі трубки також здатні вимірювати альфа-канал.
Зверніть увагу, що альфа-канал у трубки, як правило, реалізується за допомогою наявності слюдяного віконця у торці корпусу. 
Щоб перетворити a,b,g – трубку на b,g-, достатньо щільно закрити слюдяне вікно аркушем паперу, або пластиковою кришкою корпусу.
Щоб перетворити b,g- чи a,b,g- трубку лише на g-, потрібно екранувати трубку від beta-частинок. З цим може впоратися алюмінієвий кожух товщиною в кілька міліметрів. Такий кожух з алюмінію одночасно екранує трубку не лише від бета-, а і від альфа-частинок.

Дотично до нашої статті, трубки SBM20 та J305 здатні до вимірювання бета- і гамма- випромінювання. Трубка LND712 має всі три канали: альфа-, бета- та гамма-.

На що це може впливати у DIY проекті з практичної точки зору? 

Якщо планується трубкою SBM20 / J305 вимірювати лише гамма-промені, то тоді потрібно екранувати таку трубку від beta-частинок. 
Якщо трубкою SBM20 / J305  потрібно вимірювати лише бета-частинки, то тоді можна спробувати застосувати дві такі трубки одночасно: одну з екраном, що захищає від бета-, а іншу – без такого екрану. В цьому випадку, знайшовши різницю між результатами вимірювання для кожної трубки, ми зможемо розрахувати кількісну характеристику для бета-частинок. 
Те ж саме відноситься і до альфа-частинок: фільтруючи канал альфа- і віднімаючи результати між трубками, знаходимо кількість для альфа-частинок.
З трубкою LND712, яка чутлива до a,b,g-, можливо реалізувати проект з вимірювання побутового радону, зокрема Radon-222, оскільки саме цей ізотоп є джерелом альфа-частинок. 
Підкреслимо, що для проведення вимірювань з кількома трубками, потрібно мати кілька модулів GGreg20_V3. Кожен модуль підключається до окремого GPIO головного контролера, який в свою чергу, зможе виконувати підрахунок імпульсів незалежно для кожної трубки. 

Чутливість трубки

Коли ми кілька років тому тільки почали розбиратися з тим, які трубки нам застосовувати для нашого проекту лічильника Гейгера GGreg20, ми, експериментуючи, іноді помилково обирали навіть такі трубки, які за фонового рівня випромінювання здатні були робити лише кілька імпульсів на годину. 

Звісно, ними неможливо було б користуватися у DIY проекті лічильника Гейгера, який більшу частину часу має бути достатньо чутливим, щоб вимірювати фонове випромінювання.

Тому, коли ви будете обирати, яку з опцій GGreg20_V3 замовити, не хвилюйтеся і знайте: ми вже перевірили різні моделі трубок для вас і заздалегідь включили у опції лише ті, які дійсно підходять до GGreg20_V3.

Трубки J305 і SBM20 хоча і мають деякі відмінності, але однаково гарно працюють у складі нашого продукту. 

Трубка LND712 не дивлячись на те, що наразі не постачається нами, як опція GGreg20_V3, також дуже добре працює з нашим модулем лічильника Гейгера. 

Взагалі LND712 має вдосталь цікавих функцій та особливостей, які можуть зробити проект з модулем GGreg20_V3 ще цікавішими. Можливо у майбутньому ми запропонуємо цю трубку, як додаткову опцію у складі модуля лічильника Гейгера нашого виробництва. 

З точки зору чутливості (імпульсів / mR), трубка LND712 не сильно відрізняється від SBM20, але враховуючи, що вона є більш сучасною, ми б віддали перевагу їй.

Власний шум та нечутливість

Трубки Гейгера-Мюллера мають дві важливі характеристики, які варто брати до уваги під час їх порівняння. 

Власний шум – це хибно-позитивні імпульси, які генерує трубка за відсутності зовнішнього радіоактивного випромінювання. Під час проектування чи калібровки трубки, виробник розміщує тестовий зразок у екранованому від радіації лабораторному середовищі і проводить вимірювання кількості хибно-позитивних імпульсів на одиницю часу. Зазвичай власний шум трубки зазначається у даташит у імпульсах на секунду.

Трубка SBM20 у порівнянні до J305 та LND712, має значно вищий показник власного шуму відповідно до даташит. Це означає, що трубка SBM20 буде набагато гірше вимірювати натуральне фонове випромінювання, ніж трубки J305 чи LND712.

Нечутливість – це час, протягом якого трубка відновлюється після попереднього лавиноподібного збурення та не здатна детектувати наступну таку подію. Цей час прийнято називати dead time трубки і вимірювати у мікросекундах. На практиці, як наслідок, у цей проміжок часу трубка не здатна генерувати вихідний імпульс. 

Також варто звернути увагу на те, що час dead time прямо залежить від розмірів трубки. Чим довша трубка, тим більший цей час. Звісно, довжина це не причина, а лише наслідок загальної конструкції більшості трубок та їх принципу дії.

Якщо ваш проект спрямований на вимірювання високих рівнів радіації, ця властивість трубки має бути ретельно врахована, адже чим вищу радіацію ми вимірюємо, тим більш щільними будуть події, що реєструє трубка. У певний момент буде досягнуто межі, за якою почнеться нечутливість, тобто такої щільності подій у часі, коли трубка просто не встигатиме відновлюватися, щоб їх реєструвати.

Завдячуючи своїм розмірам, трубка LND712 (90 мікросекунд) є лідером за цим показником, який вдвічі менший, ніж у трубок SBM20 і J305 (190 та 180 мікросекунд).

Примітка. Ми тут наводимо Dead Time для J305 базуючись на даних з інтернет, оскільки у даташитах від постачальників – цих даних немає.

Чутливість до UV. Окремо варто зазначити про чутливість трубок зі скляним (таких, як J305) корпусом до променів звичайного сонячного світла, особливо до UV-спектра. Дійсно, в інтернет можливо знайти відео експериментів з UV-ліхтариком та звичайним сонячним освітленням. Трубки у тих відео просто шаленіють від цих подразників, що видно неозброєним оком.

Ми теж провели подібний тест нашвидкоруч. У нас не вийшло відтворити показану на відео картину поведінки J305. Можливо, що трубка, яка генерує хибно-позитивні події на відео з інтернет, має якісь фізичні чи технологічні вади, які неможливо ідентифікувати без спеціального обладнання. 

Ми співчуваємо власнику такої трубки. І через це вирішили перевірити випадкові екземпляри з партії своїх трубок J305, які постачаються як опція до модуля GGreg20_V3. Хоча наші трубки J305 не показали такого ефекту, ми цілком погоджуємося, що сонячні промені можуть створювати додатковий шум у вимірах. Рекомендуємо трубки J305 розміщувати у світлонепроникному кожусі, якщо є така можливість.

З  модулем лічильника Гейгера GGreg20_V3 ми пропонуємо (як опцію) захисний кожух, надрукований на 3д-принтері. І хоча цей кожух не здатен виступати повноцінним екраном для високоенергетичного фотонного потоку сонячного світла, він хоча б частково фільтруватиме одне з джерел можливих завад.

Рівень робочої напруги

Порівнюючи наявні варіанти трубок, потрібно пам’ятати, що трубки різного типу можуть мати індивідуальні рівні напруги живлення. Ці дані зазвичай вказуються у даташит на трубку.

На практиці також важливо враховувати, що вирішальне значення має модуль лічильника Гейгера (і його налаштування!), на який обрану вами трубку потрібно буде встановлювати.

Модуль GGreg20_V3 проектувався так, щоб бути здатним забезпечити якнайширший діапазон можливих робочих напруг. З одного боку, GGreg20 підтримує у високовольтній частині напругу 200 – 1200 В. З іншого боку, живлення модуля може здійснюватися у діапазоні 2.4 – 5.5 В. Наскільки нам відомо, це найширший діапазон напруги живлення серед аналогічних модулів.

Тож за високовольтною напругою живлення модуль GGreg20_V3 підтримує всі трубки, які ми з вами розглядаємо та порівнюємо: J305 (380В для моделі зі скляною колбою), SBM20 (400В), LND712 (500В).

На практиці, по-за полями даного матеріалу, радимо завжди звертати увагу на те, чи дозволяє модуль, який буде працювати з трубкою налаштувати необхідну для роботи трубки напругу. Перевищення напруги живлення трубки гарантовано виведе її з ладу. За недостатньої напруги трубка просто не буде працювати.

Розміри та спосіб кріплення трубки

Трубки J305 і SBM20 мають схожі розміри та зручний спосіб кріплення, який не вимагає пайки. З точки зору виготовлення мікроелектроніки для IoT-пристроїв, вони мають середні розміри в порівнянні з іншими трубками Гейгера. 

SBM20 і J305 можна назвати взаємозамінними, адже вони мають схожий рівень робочої напруги, однакові клеми, та майже однакові розміри, що дозволяє за необхідності замінювати трубки між собою, якщо є можливість встановлювати відповідні коефіцієнти перерахунку для CPM. 

Особливо зручно те, що на платі модуля лічильника Гейгера, такого як GGreg20_V3, кріплення підтримує обидві трубки. Також буває корисним те, що трубку Гейгера можливо швидко зняти з модуля, або замінити. У випадку SBM20 / J305 це так само легко зробити, як замінити батарейки у ліхтарику.

LND712 має приблизно вдвічі меншу довжину, що робить її ідеальною, як для розмірів сенсора a,b,g- випромінювання. Але у неї вивідні контакти зроблені таким чином, що її доведеться лише паяти. Тому LND712, у парі із значно вищою ціною, перестає бути такою ж “зручною” як SBM20 чи J0305. 

Іноді, для регулювання налаштувань модуля лічильника Гейгера, потрібно мати можливість зняти трубку, – у випадку з LND712 це буде неможливо зробити без пайки.

Також варто зазначити, що у випадку з побудовою кишенькових пристроїв саме довжина трубки може бути вирішальною. От подивіться: на товщину пристрою буде також впливати акумулятор, кнопки та роз’єми, тому діаметр трубки Гейгера нівелюється цими іншими обмеженнями і не впливає на розміри корпуса пристрою. А от довжина трубки вимагає збільшувати розміри корпуса пристрою. З цих міркувань трубка LND712 є значно кращою, ніж SBM20 / J305.

Країна походження та рік виготовлення

Країна походження на нашу думку є не менш важливою, ніж решта характеристик трубки. Навіть із суто практичної точки зору (витрати коштів та часу на логістику, підтримка місцевого бізнесу, сплата податків, тощо), перебуваючи у США, краще придбати трубку, яка виробляється у США. 

На жаль, наразі нам не відомо, чи є можливість придбати трубки, які виробляються в Україні. Наші побіжні пошуки українських трубок нічого не дали. 

Якщо вам щось відомо про трубки Гейгера-Мюллера українського виробництва, будь-ласка, напишіть нам про це.

Запаси радянських трубок SBM20 у приватних продавців відчутно виснажуються. Строки зберігання та експлуатації радянських зразків вже давно минули. Саме через це ми постійно шукаємо альтернативи. Однією з таких альтернатив є трубка китайського виробництва J305. Трубки J305, які продаються на Alibaba та Aliexpress, мають 2020-2022 роки виробництва і цілком задовольняють наші вимоги за технічними характеристиками та якістю.

Трубки LND712 також мають чудові характеристики, якість та функції. Єдиним недоліком є те, що їх потрібно закуповувати в США, виконувати тривалу логістику в Європу. Враховуючи вищу відносну вартість даних трубок та відсутність організованої офіційної роздрібної мережі дистрибуції LND712 стає зрозуміло, чому ця трубка не вийшла у лідери за статистикою проектів DIY лічильника Гейгера.

Висновки

Ми кілька років поспіль спостерігаємо за власною статистикою, а також такими проектами, як radmon.org, ThingSpeak, uRADMonitor та подібними.

Трубка радянського виробництва SBM20 є, мабуть, найпопулярнішою серед тих, що застосовується у DIY проектах. 

Щоправда, SBM20 вже майже неможливо придбати, адже запаси радянських часів виснажуються, строк зберігання і придатності вичерпався, а виробники сучасних трубок SBM20 є лише в країні, що знаходиться під санкціями і є міжнародно визнаним агресором, спонсором тероризму і прямо зараз вчиняє військові злочини та злочини проти людяності щонайменше в Україні. 

В той же час, китайську трубку J305 набагато легше знайти і придбати у інтернет, але лише коли йдеться про версію зі скляним корпусом. Нажаль, J305 з металевим корпусом наразі придбати дуже складно з невідомих нам причин. 

На відміну від SBM20 та J305, американська трубка LND712, крім beta- та gamma-, також має канал вимірювання alfa- випромінювання, що значно розширює коло її застосування у DIY проектах. Трубка LND712 має металевий корпус, як і SBM20, а ще слюдяне віконце для детектування альфа-частинок. 

На форумах у інтернет дописувачі припускають, що скляний корпус трубки J305 не захищений від фотонів звичайного сонячного світла, що може вносити завади у процес вимірювання, якщо трубку додатково не захищено сонце-непроникним кожухом. 

Ми не впевнені у даному твердженні, хоча з нашого боку також існує певне розуміння, що скляні трубки потребують світлонепроникного кожуха, оскільки скло може пропускати світло, включаючи шуми, що можуть збільшувати шумовий рівень спостережень.

І навпаки, металевий корпус трубок SBM20 і LND712 може у незначній мірі виступати екраном для електромагнітних завад та сонячних променів. Це робить вимірювальні характеристики металевих трубок більш стабільними. З іншого боку, трубка зі скляним корпусом може бути більш чутливою до радіації, що теж за певних умов є корисною властивістю.

Але слід зазначити, що все це лише припущення, які варто перевірити. Втім, ми перевіряти це все не маємо можливості, адже такі тести вимагають спеціально обладнаної лабораторії. 

Та й у нас завжди є набагато кращий інструмент – даташит виробника. Трубка має відповідати тим характеристикам і працювати у той спосіб, що зазначені у даташит.

Якби ми обирали трубку для себе, то не вагаючись обрали б LND712. Але оскільки зараз у GGreg20_V3 немає підтримки типорозмірів даної трубки, ми б обирали між SBM20 і J305 наступним чином:

• Термін зберігання / придатності – J305 краща;
• Власний шум – J305 краща;
• Чутливість – J305 краща;
• Країна походження – J305 краща;
• Фонове випромінювання – J305 краща;
• Джерело калібровки – J305 краща (більшість трубок калібрують по Co-60);
• Час нечутливості – немає різниці;
• Металевий корпус – SBM20 краща;
• Розміри і кріплення – немає різниці;
• Напруга живлення – немає різниці;
• Роздрібна мережа дистрибуції – J305 краща;
• Ціна і якість – J305 краща.

Керуючись даними з документації, статистикою з інтернет та власним досвідом, безумовно, ми б обрали J305. SBM20 ми б обрали лише за виняткових обставин, коли з якихось суттєвих причин J305 застосовувати було б неможливо. 

Дякуємо за увагу!
Team IoT-devices, LLC

Додаткові ресурси за темою:

https://iot-devices.com.ua/ggreg20v3-geiger-tube-j305/
https://iot-devices.com.ua/technical_note_supply_voltage_range_geiger_counter_ggreg20_v3_ua/
https://iot-devices.com.ua/uv-test-of-the-j305-geiger-tubes/
https://iot-devices.com.ua/technical_note_performance_of_diy_geiger_counter_ggreg20_v3_at_low_-temperatures_ua/
https://iot-devices.com.ua/geiger-counter-emulator-ggreg20_v3-module-by-means-of-esp8266-part1-ua/
https://iot-devices.com.ua/maximum-radiation-that-can-be-measured-by-geiger-counter-ggreg20_v3/
https://iot-devices.com.ua/ggreg20v3-case-3d-model-for-personal-use/

Easy Links:

go.iot-devices.com.ua

/geiger-counter
/high-voltage-converter
/geiger-counter-emulator
/tindie

У інтернет є маса публікацій про те, як перераховувати отримані з трубки Гейгера CPM (Counts per Minute) у рівень радіації. Але не дивлячись на широке покриття цієї теми на різноманітних форумах та широкий вибір прикладів з кодом під різноманітні мови програмування, нам довелося розібратися у темі глибше, ніж нам хотілося, щоб мати змогу правильно розрахувати коефіцієнт перетворення для трубки Гейгера СБМ20 з CPM у поглинуту дозу радіації мкЗв/год та налаштувати перерахунок у своїх власних продуктах і зробити приклад розрахунку для всіх бажаючих.

Компанія IoT-devices, LLC випускає свій модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3 з імпульсним виходом та двома типами трубки на вибір. Наразі Клієнти можуть обирати або СБМ20, або J305, замовляючи пристрій нашого виробництва.

У наші плани входить зробити окремі документи для кожної з популярних трубок, і починаємо ми з технічної нотатки про СБМ20.

Тож у даному документі ми розглянемо процедуру розрахунку коефіцієнтів перетворення CPM у мікрозіверти на годину для СБМ20. Для інших поширених трубок, як мінімум J305 та LND712, згодом.

Збираючи матеріали для цієї статті ми дійшли висновку, що це зовсім не проста задача, адже інтернетом шириться інформація, яку потрібно перевіряти, а іноді навіть довелося проводити розслідування того, звідки взялися ті чи інші коефіцієнти.

Почнемо з корисної для нас інформації, яку надають виробники у даташитах на трубки.

Розв’язок

Зробимо розрахунки для СБМ20, спираючись на дані виробника:

Швидкість підрахунку при 4 мкР/с від джерела Cs-137 імпульсів на секунду: 240 – 280;

1. Візьмемо середнє для двох цих значень: 

Це середня швидкість підрахунку при 4 мкР/с від джерела Cs-137 імпульсів на секунду.

(240 + 280)/2 = 260 імп/с / мкР/с

2. Перетворимо у імпульси на секунду при 1 мкР/с:

260 / 4 = 65 імп/с / мкР/с

3. Перетворимо у імпульси на секунду при 1 мР/с:

65 * 1000 = 65000 імп/с / мР/с

4. Перетворимо у імпульси на секунду при 1 мР/год:

round( 65000 / 3600) = 18 імп/с / мР/год

5. Перетворимо у імпульси на хвилину при 1 мР/год:

18 * 60 = 1080 імп/хв / мР/год

6. Перетворимо у імпульси на хвилину при 1 мкЗв/год:

1080 / 10 = 108 імп/хв / мкЗв/год

або

108 імп/хв = 1 мкЗв/год

або

1 імп/хв = 1/108 мкЗв/год

7. Розрахуємо значення одного імпульсу на хвилину:

1 / 108 = 0,00926

Таким чином, якщо нам потрібно перевести імпульси, зареєстровані трубкою СБМ20 протягом хвилини у мкЗв / годину:

Це значення еквівалентної дози радіації, яку реєструє сенсор – трубка СБМ20.

Зверніть увагу, що ми взяли середнє значення імп/с / мкР/с = 260 і отримали шляхом простих математичних перетворень значення імп/с / мР/год = 18.

Ми також можемо виконати наведені вище розрахунки не лише для середнього, а і для мінімальних і максимальних значень, що вказані у даташит на трубку: 240 імп/с і 280 імп/с при 4 мкР/с.

В такому випадку ми отримаємо два додаткових значення, з якими за потреби також зможемо працювати. 

Запишемо їх для зручності у імп/с при 1 мР/год:

мінімальне значення: 17 імп/с / мР/год
максимальне значення 19 імп/с / мР/год

І складемо узагальнену таблицю результатів нашої роботи на даному етапі розрахунку:

Все було б добре, і на цьому можна було б припинити розрахунки. Але розрахований нами коефіцієнт

0,00926

дозволяє лише отримати значення експозиції, яке реєструє лічильник Гейгера. А нас насамперед цікавить, яку еквівалентну дозу радіації поглине людське тіло.

Тому переходимо до наступної частини розрахунків.

Хоча ми з вам і не науково-дослідний інститут, для вирішення нашої простої задачі нам доведеться ненадовго зануритися у складні матерії. 

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:

https://web.archive.org/web/20230402162906/https://www.automess.de/en/service/radiation-quantities-and-units

А ми переходимо до виведення коефіцієнту перетворення CPM трубки у еквівалентну дозу поглинутої радіації у мікрозіверт на годину з урахуванням фантомної моделі людського тіла.

Почнемо розрахунок з вже знайденого коефіцієнту 18 імп/с на 1 мР/год. Чому так? Далі ви побачите, що більшість виробників трубок (J305 та LND712 в тому числі) надають у даташит для своїх продуктів параметри саме в такому форматі. 

Наприклад, 

• для J305 у даташит зазначається: sensitivity of γ (60Co) cps/ mR/h 44
• для LND712: GAMMA SENSITIVITY CO60 (CPS/mR/HR): 18

де CPS – Counts per Second; mR – мР; h = hr = год – години

У випадку з трубкою СБМ20, виробник зазначає дані для джерела Cs-137.

І ми вже зробили необхідні перетворення на попередньому кроці:

Чутливість СБМ20 до gamma-променів: 18 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):

18 * 60 = 1080 імп/хв / мР/год

2. Перетворюємо імп/хв при 1 мР/г у імп/хв при 1 Р/год:

1080 * 1000 = 1080000

3. Знаходимо значення дози експозиції R/h при 1 імп/хв:

1 / 1080000 = 0,0000009259259259

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. Докладно див. за посиланням: https://web.archive.org/web/20230402162906/https://www.automess.de/en/service/radiation-quantities-and-units

0,00877 * 0,0000009259259259 = 0,00000000812037037 Ka[Gy]

5. Перетворимо Ka[Gy] у Ka[uSv] (тобто перейдемо від Грей до мкЗв):

0,00000000812037037 * 1000000 = 0,00812037037 Ka[uSv]

6. Виконуємо перевірку і знаходимо обернене значення:

0,00812037037 ^(-1) = 123,1470924

Таким чином, формула еквівалентної поглинутої дози тілом людини радіації для трубки Гейгера-Мюллера СБМ20 з гамма- чутливістю по Cs-137 18 cps / mR/hr наступна:

де 

0,00812 мкЗв/год – ціна одного відліку, імп/хв;

CPM – кількість відліків за хвилину.

Також можемо розрахувати коефіцієнти для мінімального та максимального значень CPS / mR/h, які нам надає даташит:

В той же час, у інтернет прийнято застосовувати коефіцієнт 175.43 (0.0057), який, як можна бачити, взагалі не лягає у розрахунки наведені вище. Хоча за своїм значенням цей коефіцієнт схожий на дані для СБМ20 по Ra-226 взяті з інтернет:

Щоб коефіцієнт перетворення CPM у uSv/h мав значення 0.00570, початкове значення CPS / mR/hr у даташит на трубку мав би рівнятись 25,643. Ми це визначили звичайним підбором значення (25.643 * 60 / 8.77 = 175.4367; 1 / 175.4367 = 0.00570).

Також у інтернет публікується ще один популярний коефіцієнт для трубки СБМ20:  150.5131 (0.00664), каліброваної начебто по Co-60. Звідки ця інформація – нам не відомо.

Додаткові розрахунки

Що ще ми можемо зробити, щоб спробувати знайти коефіцієнт 0.0057, який всюди застосовують для СБМ20?

Перехід від коефіцієнтів для Cs-137 до Co-60

Ми можемо спробувати перейти від значень при Cs-137 (який зазначено у документації трубки) до Co60, по якому зараз найчастіше прийнято калібрувати трубки Гейгера-Мюллера у світі. 

Для цього потрібно розрахувати коефіцієнт перетворення значень для Cs-137 у значення при Co-60.

Візьмемо середнє значення для двох енергетичних ліній Co-60:

Co-60: 1,1732 MeV; 1,3325 MeV; Середнє значення: 1,25285 MeV

Та значення енергії Cs-137:

0,6617 MeV

Знайдемо співвідношення енергій Co-60 до Cs-137:

1,25285 / 0,6617 = 1,893380686

далі розрахуємо відповідне значення імп/с при 1 мР/год:

18 * 1,893380686 = 34,08085235

Вдаваючи, що це значення вказане у даташит на трубку, розрахуємо новий коефіцієнт поглинутої еквівалентної дози мкЗв/год на 1 імп/хв по Co-60:

34 CPS / mR/h

1. Перетворимо імп/с у імп/хв при 1 мР/г:

34 * 60 = 2040 імп/хв / мР/год

2. Перетворюємо імп/хв при 1 мР/г у імп/хв при 1 Р/год:

2040 * 1000 = 2040000

3. Знаходимо значення дози експозиції R/h при 1 імп/хв:

1 / 2040000 = 0,0000004901960784

4. Знаходимо air kerma (Ka, kinetic energy released per unit mass / in matter):

Рівняння має наступний вигляд (як і у попередньому розрахунку): 

Ka [Gy] = 0.00877 [Gy/R] x exposure [R]

Отже:

0,00877 * 0,0000004901960784 = 0,000000004299019608 Ka[Gy]

5. Перетворимо Ka[Gy] у Ka[uSv] (тобто перейдемо від Грей до мкЗв):

0,000000004299019608 * 1000000 = 0,004299019608 Ka[uSv]

uSv/h = CPM x 0,00429 для випадку Cs-137->Co-60

Перехід від коефіцієнтів для Cs-137 до Ra-226

У аналогічний спосіб розрахуємо коефіцієнт переходу від Cs-137 до Ra-226:

Оскільки у Ra-226 є кілька енергетичних ліній гамма-випромінювання:

186.2 кеВ;
240.3 кеВ;
295.2 кеВ;
352.0 кеВ;
609.3 кеВ;
657.0 кеВ;
768.4 кеВ;
934.8 кеВ.

ми оберемо всі, які здатна детектувати трубка СБМ20. Відповідно до документації, СБМ20 чутлива до гамма-квантів від 0.05 МеВ до 3 МеВ. 

Тому всі перераховані лінії потрапляють у діапазон детектування. І для того, щоб перейти від Cs-137 нам потрібно або працювати з середнім значенням цих ліній, або обрати найбільш характерну для Ra-226 лінію.

Якщо нам потрібно спиратися на якусь конкретну лінію для ідентифікації радіонукліда, то потрібно враховувати інтенсивність та енергію цієї лінії. Зазвичай для ідентифікації радіонукліда використовують так званий “характерний пік”, який є найбільш інтенсивним і знаходиться при найбільш характерній енергії для цього радіонукліда.

У випадку гамма-спектра Ra-226, який складається з кількох ліній, характерний пік можна визначити за найбільшою інтенсивністю та енергією лінії. За даними таблиці інтенсивностей ліній гамма-спектра Ra-226, лінія з енергією 609,3 кеВ є найбільш інтенсивною лінією, тому ця лінія може бути використана для ідентифікації Ra-226.

Середнє значення енергій усіх ліній гамма-спектра Ra-226 також можна визначити, але воно не є корисним для ідентифікації радіонукліда. Але середнє значення корисне для визначення середньої енергії гамма-випромінювання даного радіонукліда.

Для розрахунку середньої енергії гамма-випромінювання Ra-226 можна використати таблицю інтенсивностей ліній та їх енергій.

Обчислимо суму енергій всіх ліній гамма-спектра Ra-226:

0,186 МeВ + 0,244 МeВ + 0,295 МeВ + 0,351 МeВ + 0,609 МeВ + 1,061 МeВ + 1,158 МeВ + 1,332 МeВ = 5,196 МeВ

Розділимо суму енергій на кількість ліній, щоб отримати середню енергію:

5,196 МeВ / 8 = 0,6495 МeВ

Таким чином, середня енергія гамма-випромінювання радіонукліда Ra-226 становить приблизно 0,65 МеВ. Зазначимо, що це значення є лише середньою енергією і може відрізнятися від індивідуальних значень ліній гамма-спектра.

Тепер ми маємо три альтернативні значення, які можемо застосувати, щоб знайти співвідношення переходу від калібровки по Cs-137 до калібровки по Ra-226. Третім коефіцієнтом ми взяли ваговане значення енергії, наведене на сайті hps.org.

1. Характерний пік: 609,3 кеВ [peak];

2. Середня енергія гамма-випромінення: 0,6495 МeВ [avg];

3. Ваговане значення енергії гамма-випромінювання: 0,74 МеВ [wght].

Див. https://web.archive.org/web/20230404222401/https://hps.org/publicinformation/ate/q4817.html

Розрахуємо відповідніі співвідношення енергій:

Значення енергії Cs-137: 0,6617 MeV.

Знайдемо співвідношення енергій Ra-226 та Cs-137:

    peak:   0,6617 / 0,6093 = 1,086000328245528
    avg:    0,6617 / 0,6495 = 1,018783679753657
    wght:   0,74 / 0,6617 = 1,118331570197975

далі розрахуємо відповідне значення імп/с при 1 мР/год, тобто перейдемо від калібровки Cs-137, як зазначається у даташит, до розрахункового значення калібровки відносно Ra-226:

     peak:  18 * 1,086000328245528 = 19,5480059084195
     avg:   18 * 1,018783679753657 = 18,33810623556582
     wght:  18 * 1,118331570197975 = 20,12996826356355

Як можемо бачити, спроба переходу від Cs-137 до Ra-226 нам теж нічого не дала, адже ми не змогли отримати цільове значення CPS 25.643 / mR/h, при якому можливо отримати коефіцієнт 0.00570.

Коефіцієнт 0,00429, що ми отримали раніше для випадку Cs-137->Co-60, також не схожий на розповсюджений для СБМ20 175,43 (0,0057). Тож звідки його взяли інтернет-дописувачі, доводиться лише гадати і використовувати той, який ми отримали вище шляхом розрахунків, спираючись на інформацію у даташит на трубку.

Примітка. Якщо ви подумали, що ми не перевірили даташити СБМ20 сучасного виробництва, а лише спираємося на застарілі радянські дані, то це не так. Ми перевірили всі можливі джерела доступні через інтернет. Випущені у 2021 році і пізніше трубки СБМ20 у документації мають різні варіанти калібровки:
– 78 імп / мкР без зазначення джерела (1 / 150,5131129, або 0,006643);
– 105 імп / мкР по Ra-226 (1 / 198,4036488, або 0,005040);
– 67,5 імп / мкР по Cs-137 (1 / 129,9885975, або 0,007692);
Жодний з вивчених нами  документів не містить вихідних даних, які могли б привести нас до коефіцієнту 0.0057 мкЗв/год при 1 імп/хв.

Нагадаємо, що рекомендована нами формула поглинутої тілом людини еквівалентної дози радіації для радянської трубки Гейгера-Мюллера СБМ20 з гамма- чутливістю 18 cps / mR/hr по Cs-137 наступна:

де 

0,00812 мкЗв/год – ціна одного відліку, імп/хв;
CPM – кількість відліків за хвилину.

Висновки

У даній статті ми навели докладний покроковий розрахунок коефіцієнту перетворення даних, які надсилає нам лічильник Гейгера з трубкою СБМ20 та розібралися, який саме нам потрібно застосовувати коефіцієнт, щоб не просто отримати рівень експозиційної дози, зафіксованої сенсором, а дози поглинутої людським тілом.

На жаль, ми так і не змогли розібратися, звідки взявся магічний коефіцієнт 0.0057 мкЗв/год на 1 CPM, який всі використовують. Ні математичні перетворення, ні перехід від Cs-137 до Co-60, ні перехід від Cs-137 до Ra-226, ні підбір коефіцієнту (зокрема 8.77, 0.94 to 0.98) дози поглинання для фантомної моделі людського тіла не дав бажаних результатів. Таке враження, що це частковий випадок, який хтось, колись просто прийняв для своїх розрахунків і не залишив по собі інструкції для нас.

Напишіть нам, якщо у вас є власна версія звідки взявся 0.0057 чи гарний розрахунок за даною темою. Ми будемо вдячні і внесемо в цю публікацію відповідні доповнення.

В той же час, ми змогли розшукати математично обгрунтований розрахунок іншого магічного коефіцієнту 

8.77, 

який застосовується для отримання значення поглинутої людським тілом дози радіації. Тепер і ви знаєте, звідки він береться.

Наразі для радянських трубок рекомендуємо замість коефіцієнта 0.0057 застосовувати коефіцієнт, який ми розрахували для еквівалентної дози радіації, що поглинається людським тілом:

де 

    0,00812 мкЗв/год – ціна одного відліку, імп/хв для трубки СБМ20 каліброваної відносно джерела Cs-137;
   CPM – кількість відліків за хвилину.

Якщо у вас трубка СБМ20 має у документації інший коефіцієнт чутливості, або ваша трубка калібрована виробником відносно іншого радіоактивного джерела, рекомендуємо вам застосовувати дані саме для вашої трубки.

У наступних публікаціях для трубок J305 та LND712 буде трошки менше тексту, адже там майже всі коефіцієнти, поширені у інтернет, сходяться з нашими розрахунками.

І це ми ще не розкривали тему щодо власних фонових (хибно-позитивних) імпульсів для трубок Гейгера. Непочатий край роботи!

Stay tuned!

Дякуємо за увагу!

Team IoT-devices, LLC