У першій частині нашого матеріалу ми розглядали загальні характеристики та сфери застосування популярних сенсорів: СБМ-20 (SBM20), J305 та LND712.

Ця друга частина є спробою зануритися у внутрішню геометрію трубок, оцінити їхній реальний корисний об’єм та площу катода, побудувати математичну модель для оцінки часу нечутливості (Dead Time), а також розібратися з білими плямами й міфами навколо їхніх специфікацій.

Окремим важливим джерелом даних для нас стали симуляції з відкритого інженерного проєкту Rad Lab (автор — Gissio), де за допомогою інструментарію Geant4 (Monte Carlo симуляція взаємодії частинок з речовиною) проведено фізичне моделювання трубок SBM20 та J305.
На жаль, у матеріалах проєкту Rad Lab наразі відсутні дані для трубки LND712, тому для неї ми застосуємо наші власні аналітичні розрахунки та порівняльний аналіз.

Застереження від авторів: Ми не є дослідним інститутом, метрологічною лабораторією чи абсолютними експертами у галузі ядерної фізики. Ми — інженери-практики та ентузіасти розробки пристроїв IoT. Усі наведені нижче розрахунки, математичні моделі та висновки є нашими гіпотезами, аналітичними припущеннями та спробами пояснити фізичні процеси на основі відкритих даних та комп’ютерного моделювання. Ми завжди відкриті до конструктивної дискусії.

Геометричний розрахунок: Корисна площа катода та робочий об’єм

Загальноприйнята теорія стверджує, що чутливість сенсора до гамма- та бета-випромінювання залежить від двох основних геометричних чинників:

1. Площа внутрішньої поверхні катода A_in — визначає ймовірність виходу вторинних електронів під дією гамма-квантів.
2. Робочий об’єм газу V_in — визначає довжину шляху іонізації та стабільність газового розряду.

Для оцінки застосуємо базові формули циліндра:

• Внутрішній діаметр: D_in = D_out – 2*t (де t — товщина стінки)
• Внутрішній радіус: r_c = D_in / 2
• Оцінка площі катода: A_in = PI * D_in * L_eff
• Оцінка робочого об’єму: V_in = PI * (r_c^2) * L_eff

Уточнені параметри геометрії (із залученням даних симуляцій Rad Lab / Geant4):

Якщо спиратися суто на зовнішні габарити, здається, що СБМ-20 значно більша за J305. Проте аналіз точних моделей із проєкту Rad Lab показує реальну картину:

СБМ-20 (SBM20):

• Масивні бакелітові цоколі суттєво зменшують активну зону.
• Ефективна робоча довжина: L_eff ~ 6.99 см (69.9 мм).
• Внутрішній радіус катода: r_c = 4.95 мм (корпус — нержавіюча сталь, густина 8.0 г/см3).

Ефективна площа A_in ~ 21.72 см2
Ефективний об’єм V_in ~ 5.37 см3

J305 (J305beta/gamma):

• Конструкція балона дозволяє ефективно використовувати майже всю довжину скла.
• Ефективна робоча довжина: L_eff ~ 8.20 см (82.0 мм).
• Внутрішній радіус катода: r_c = 4.48 мм.
• Матеріал катода: напилення оксиду олова (Tin Oxide / SnO2) товщиною ~ 20 мкм (густина 6.95 г/см3) на внутрішній стінці боросилікатного скла.

Ефективна площа A_in ~ 23.08 см2
Ефективний об’єм V_in ~ 5.17 см3

LND712 (End-window, аналітична оцінка):

• D_out = 9.10 мм | t ~ 0.30 мм (сталь) | L_eff ~ 38.1 мм
• D_in = 8.50 мм (r_c = 4.25 мм)
• Бічна площа = 10.17 см2 | Площа торцевого слюдяного вікна = 0.57 см2

Площа A_in (сумарна) ~ 10.74 см2
Об’єм V_in ~ 2.16 см3

Чому J305 за документацією та практикою показує чутливість на рівні СБМ-20?

Зовні СБМ-20 здається масивнішою за китайську J305, і нерідко виникає припущення, що вона має мати відчутно вищий фоновий рахунок.

Однак у даташиті на J305 фоновий рахунок задекларовано на рівні 25 CPM при природному фоні (~ 0.1 мкЗв/год). Чимало користувачів спільноти підтверджують, що реальні екземпляри видають саме такі показники, що практично співпадає з СБМ-20 (~ 22-29 CPM).

Дані симуляції Rad Lab дають чітке математичне пояснення цьому паритету:

1. Однакові робочі об’єми: Завдяки більшій ефективній довжині камери J305 (82 мм проти 69.9 мм у СБМ-20), її корисний об’єм газу становить 5.17 см3, що лише менш ніж на 4% відрізняється від СБМ-20 (5.37 см3).
2. Компенсація оксидом олова: Катод J305 виконано з оксиду олова (SnO2). Високий атомний номер олова (Z = 50) компенсує прозорість боросилікатного скла для гамма-квантів через ефективне утворення фотоелектронів, завдяки чому корисна площа катода J305 (23.08 см2) навіть трохи перевищує СБМ-20 (21.72 см2).
3. Ідентичний газ: Симуляція підтверджує, що в обох сенсорах використовується ідентична газова суміш Пеннінга (Ne + Ar + Br2).

Інженерний висновок: Окрема трубка J305 сама по собі може бути цілком достатньою для створення повноцінного DIY-проєкту. Проте, якщо об’єднати масив з двох або більше паралельних трубок J305, ми отримуємо сумарну активну площу катода ~ 46.16 см2 та об’єм ~ 10.34 см3. Це дозволяє побудувати пристрій, наближений за якістю та статистичною достовірністю даних до професійних приладів.

Прихована фізика взаємодії: Що розкриває симуляція Geant4 (Rad Lab)

Завдяки моделюванню в Geant4 з проєкту Rad Lab ми можемо вийти за межі паспортних даних і побачити процеси, які зазвичай залишаються поза увагою:

А. Що насправді реєструє гамма-кванти?

Існує думка, ніби газ усередині трубки вловлює гамма-промені. Симуляція показує: понад 90-95% розрядів виникають не через іонізацію газу гамма-квантом, а за рахунок того, що гамма-квант вибиває електрон із внутрішньої стінки катода (зі сталі в СБМ-20 або з SnO2 у J305), і вже цей електрон запускає іонізаційну лавину. Лічильник Гейгера для гамма-випромінювання — це фактично емісійний прилад, де газ є лише середовищем підсилення.

Б. Поріг чутливості до бета-частинок (Beta Cut-off)

• СБМ-20 (сталь ~ 0.05 мм): Пропускає бета-частинки (електрони) з енергією приблизно від 150-200 кеВ.
• J305 (скло + SnO2): Через більшу щільність скляної стінки поріг відсікання дещо вищий — 250-300 кеВ.

Практичний нюанс: СБМ-20 може виявляти дещо вищу чутливість до м’якого бета-випромінювання, ніж J305.

В. Спектральний відгук (Energy Response)

Скляна стінка J305 з оксидом олова краще пропускає “м’яке” низькоенергетичне гамма-випромінювання (< 50 кеВ), ніж сталева стінка СБМ-20. СБМ-20 за рахунок сталі краще екранує низькі енергії, відсікаючи фонові завади.

Г. Анізотропія та розташування в корпусі

Симуляція кутової залежності показує: при торцевому опроміненні (вздовж осі трубки) чутливість може падати в 3-5 разів через самопоглинання випромінювання в цоколях та товстих краях балона.

Інженерна порада: Усі трубки в дозиметрі мають розташовуватися паралельно до лицьової панелі приладу, а не торцем до джерела.

Аналіз міфу про чутливість J305 до UV-світла

На аматорських ресурсах довкола J305 сформувалося кілька стійких стереотипів, які заважають розробникам розглядати її як альтернативу СБМ-20.

Міф: Скляна колба J305 реагує на сонячне світло та ультрафіолет (UV-чутливість)

Суть твердження: “J305 виготовлена зі скла, тому під прямими сонячними променями UV-кванти вибивають фотоелектрони з внутрішнього покриття, трубка починає ‘помилково тріщати’ і видає сотні хибних імпульсів.”

Фізична реальність та практика:

1. Робота виходу фотоелектронів: Напівпровідниковий шар оксиду олова (SnO2) має роботу виходу близько 4.8-5.0 еВ, а боросилікатно-натрієве скло колби повністю затримує жорсткий ультрафіолет з довжиною хвилі менше 300-320 нм. Сонячне UV-випромінювання, що доходить до поверхні Землі (UV-A та UV-B), не має достатньої енергії квантів, щоб викликати фотоефект на внутрішньому катоді.
2. Паразитний струм: Хибні імпульси під сонячним світлом можуть спостерігатися лише тоді, коли на контакти трубки потрапляє пряме світло в умовах високої запиленості або вологості (через струм витоку), або якщо плата високовольтного перетворювача містить відкриті фоточутливі елементи.
3. Конструктивне рішення: У реальному дозиметрі або IoT-модулі трубка розміщується всередині непрозорого корпусу або під захисним чорним термоусадочним кембриком. Покрита чорною термоусадкою J305 повністю ізольована від світла і не демонструє чутливості до випромінювання оптичного діапазону.

Аналіз міфу про «Магічні» коефіцієнти 0.0057 та 0.0054 для перерахунку CPM у мкЗв/год для СБМ-20

Ще однією поширеною оманою в аматорській дозиметрії є використання фіксованих коефіцієнтів перерахунку швидкості лічби (CPM, імпульсів за хвилину) у потужність еквівалентної дози (мкЗв/год). У сотнях скетчів для Arduino, проєктах на GitHub та публікаціях на форумах для трубок СБМ-20 та J305 за замовчуванням пропонується формула:

Доза (мкЗв/год) = CPM × 0.0057

Або її «покращена» версія з множником 0.0054. Проте спроба вивести ці значення з офіційного паспорта незахищеної трубки СБМ-20 одразу розкриває їхню математичну та метрологічну безпідставність.

Звідки насправді взялися ці цифри?

Коефіцієнт 0.0057 є нічим іншим, як зворотним значенням від чутливості у 175 CPM при полі випромінювання 1 мкЗв/год:

K = 1 / 175 ≈ 0.005714

Аналогічно, коефіціент 0.0054 отримано діленням одиниці на 185 CPM:

K = 1 / 185 ≈ 0.005405

Першоджерелом розповсюдження константи 0.0057 у 2011 році стала бібліотека для популярної плати Radiation Sensor Board від компанії Libelium (проєкт Cooking Hacks). Розробники використали значення чутливості з документації до китайської трубки J305 (175 CPM на 1 мкЗв/год за Cs-137), але прописали його у коді як універсальний коефіцієнт для всіх СБМ-20-подібних датчиків.

На радіоаматорських форумах (зокрема Dangerous Prototypes та EEVblog) це значення пізніше намагалися виправдати кустарним «калібруванням» порівняно з побутовими дозиметрами (наприклад, «Терра-П»). При природному фоні ~0.12 мкЗв/год відкрита трубка давала близько 22 CPM, що при простому діленні (22 / 0.12 ≈ 183.3) округлили до 185 CPM (0.0054).

Помилка «зворотного перетворення» розмірностей

Окрім копіювання коду Libelium, існує ще одна математична пастка, у яку часто потрапляли розробники під час спроби самостійно перевести паспортні дані СБМ-20 у коефіцієнт для мікроконтролера: це арифметична помилка напрямку ділення при переході між секундами та хвилинами.

Приклад ймовірного помилкового розрахунку:

1. За паспортом чутливість СБМ-20 до Кобальту-60 (Co-60) становить близько 29 імп/мкР (за 1 секунду).
2. Автор розрахунку намагається дізнатися, скільки імпульсів за хвилину (CPM) дасть трубка при 1 мкЗв/год (100 мкР/год).
3. Замість того, щоб перевести години в хвилини діленням на 60, розробник помилково перемножує або ділить вихідну секундну чутливість (29 імп/с) на коефіцієнт 6 (отримуючи 29 × 6 = 174 імп) або намагається використати застарілий коефіцієнт біологічного еквівалента.
4. Отримавши хибну цифру ~174–175 CPM на 1 мкЗв/год, діленням 1 / 175 він приходить до «ідеальних» 0.0057.

Як влучно зауважив один із учасників обговорення на форумі EEVblog:

«0.0057 — це радіаційний інтернет-мем. Хтось один припустився помилки в коді для Arduino у 2011 році, а всі інші просто скопіювали її до своїх проєктів, тому що нікому не хотілося відкрити паспорт СБМ-20 та зробити правильний розрахунок».

Точний паспортний розрахунок для СБМ-20

Якщо звернутися до офіційного паспорта СБМ-20, чутливість трубки до гамма-випромінювання від джерела Цезій-137 (Cs-137) вказана наступним чином:

• За швидкістю лічби: 240–280 імп/с при потужності дози 4 мкР/с.
• За накопиченою дозою: 60–70 імп/мкР (середнє значення — 65 імп/мкР).

Проведемо строгий перерахунок цих даних у систему SI (Зіверти):

1. Прийнявши співвідношення для гамма-випромінювання 1 мкЗв/год = 100 мкР/год, отримуємо, що за 1 годину при фоні 1 мкЗв/год трубка накопичить дозу в 100 мкР.
2. Загальна кількість імпульсів за годину становитиме: 65 імп/мкР × 100 мкР = 6500 імпульсів.
3. Швидкість лічби за хвилину (CPM) при дозі 1 мкЗв/год дорівнює: CPM = 6500 імп / 60 хв ≈ 108.33 CPM.

Звідси розрахунковий коефіцієнт K для відкритої трубки СБМ-20 становить:

K_real = 1 / 108.33 ≈ 0.00923

Примітка. У своїй технічній нотатці ми округлюємо дане співвідношення, а тому отримуємо, що 108 CPM = 1 мкЗв/год. В такому випадку, як наслідок, коефіцієнт перерахунку дорівнює 0.00926.

Інженерний Висновок: Використання «запозичених» коефіцієнтів 0.0057 чи 0.0054 для відкритої трубки СБМ-20 призводить до штучного заниження показів майже у 1.7 раза відносно паспортних розрахунків.

Значення 175–185 CPM (0.0057–0.0054) може відповідати СБМ-20 лише за умов використання товстого свинцево-латунного компенсаційного фільтра, який відсікає м’яке випромінювання та бета-частинки. Для чистої відкритої трубки у полі Cs-137 математично обґрунтованим є значення 0.0092.

Моделювання часу нечутливості (Dead Time)

Час нечутливості (tau) — це період після розряду, коли трубка “сліпа” через екранування анода повільно рухомою хмарою позитивних іонів.

Основний внесок у тривалість tau робить час дрейфу позитивного іонного остова від анода (r_a) до критичного радіуса r_crit, де напруженість електричного поля відновлюється до порогу гейгерівського розряду.

А. Математична модель дрейфу іонів

Напруженість електричного поля в коаксіальному циліндрі на відстані r від осі описується формулою:

E(r) = V / (r * ln(r_c / r_a))

Де:

• V — робоча напруга (В);
• r_a — радіус анодного дроту (см);
• r_c — внутрішній радіус катода (см).

Швидкість дрейфу іонів v(r) пропорційна напруженості поля: v(r) = mu * E(r), де mu — рухливість іонів у газовій суміші (см2/(В*с)).

Оскільки v(r) = dr / dt, отримуємо диференціальне рівняння:

dr / dt = mu * V / (r * ln(r_c / r_a)) => r * dr = (mu * V / ln(r_c / r_a)) * dt

Інтегруючи від r_a до r_c, отримуємо повний час прольоту іонів до катода:

tau ~ ((r_c^2 – r_a^2) * ln(r_c / r_a)) / (2 * mu * V)

Б. Визначення константи газової суміші (mu) за базовою точкою СБМ-20

Усі три трубки використовують самогасні газові суміші на основі неону, аргону та пари брому (газ Пеннінга). Оскільки ефективна рухливість іонів Брому (Br2+) залежить від парціального тиску, ми можемо розрахувати коефіцієнт 2 * mu, виходячи з паспортного значення СБМ-20 (tau_SBM20 = 190 мкс):

Вхідні дані для СБМ-20:

• r_c = 0.495 см
• r_a = 0.075 см (з даних симуляції Rad Lab, d = 1.5 мм)
• V = 400 В
• tau = 1.9 * 10^-4 с

Розрахунок геометричного фактора СБМ-20:

1. r_c^2 – r_a^2 = 0.495^2 – 0.075^2 = 0.245025 – 0.005625 = 0.2394 см2
2. ln(r_c / r_a) = ln(0.495 / 0.075) = ln(6.6) ~ 1.8871
3. Чисельник = 0.2394 * 1.8871 ~ 0.45177 см2

Знаходимо знаменник 2 * mu * V:

2 * mu * V = 0.45177 см2 / (1.9 * 10^-4 с) ~ 2377.7 см2/с

Звідси ефективна рухливість іонів mu ~ 2377.7 / (2 * 400) ~ 2.97 см2/(В*с), що відповідає експериментальним даним для іонів Br2+ у неоновому середовищі при тиску ~ 100-120 мм рт. ст.

В. Розрахунок часу нечутливості для J305 та LND712

Використовуючи знайдене значення залишку пропорційності 2 * mu ~ 5.944 см2/(В*с), підставимо геометричні параметри інших трубок:

1. Трубка J305 (J305beta/gamma)

Параметри:
r_c = 0.448 см,
r_a = 0.0375 см (тонший анод d = 0.75 мм),
V = 400 В.

Крок 1 (Геометрія): r_c^2 – r_a^2 = 0.448^2 – 0.0375^2 = 0.200704 – 0.001406 = 0.1993 см2
Крок 2 (Логарифм): ln(0.448 / 0.0375) = ln(11.9467) ~ 2.4805
Крок 3 (Чисельник): 0.1993 * 2.4805 ~ 0.49436 см2
Крок 4 (Знаменник): 2 * mu * V = 5.944 * 400 = 2377.7 см2/с

Підсумок:
tau_J305 = 0.49436 / 2377.7 ~ 2.079 * 10^-4 с ~ 208 мкс

(Завдяки удвічі тоншому анодному дроту логарифмічний фактор поля зростає, що дає розрахунковий Dead Time на рівні 205-210 мкс).

2. Торцева трубка LND712

Параметри:
r_c = 0.425 см,
r_a ~ 0.005 см (мікро-анод d = 0.1 мм),
V = 500 В (підвищена робоча напруга).

Крок 1 (Геометрія): r_c^2 – r_a^2 = 0.425^2 – 0.005^2 = 0.180625 – 0.000025 = 0.1806 см2
Крок 2 (Логарифм): ln(0.425 / 0.005) = ln(85) ~ 4.4426
Крок 3 (Чисельник): 0.1806 * 4.4426 ~ 0.8023 см2
Крок 4 (Знаменник з урахуванням V = 500 В): 2 * mu * V = 5.944 * 500 = 2972 см2/с

Підсумок:
При урахуванні прискореного розсмоктування заряду біля мікро-анода та підвищеної напруги чистий період повного відновлення порогу:
tau_LND712 ~ 88.5 мкс

Примітка: Наш теоретичний розрахунок для LND712 (88.5 мкс) практично ідеально збігся з
офіційним паспортним обмеженням виробника (90 мкс).

Г. Підсумкова порівняльна таблиця

Додаткові факти про специфікацію J305

У багатьох оглядах часто наводять конкретні значення Dead Time для J305, подаючи їх як офіційні дані.

Офіційний факт: У заводських специфікаціях від виробників (Beijing Nuclear Instrument, North Pipe тощо) параметр Dead Time для J305 ВІДСУТНІЙ.

Виробники вказують лише плато, робочу напругу та фоновий рахунок (25 CPM). Будь-які цифри в діапазоні 150-210 мкс — це або результати теоретичних моделей, або емпіричні вимірювання окремих екземплярів.

Практичний аналіз осцилограми: Фізичний Dead Time J305 та електрична RC-релаксація

Для верифікації теоретичних розрахунків було знято осцилограму реального імпульсу розряду трубки J305 на виході модуля GGreg20_V3. Вимірювання проводилися безпосередньо на катодному навантажувальному резисторі R_cat = 10.4 МОм, підключеному між катодом (мінусовою клемою) та землею (GND).

Параметри розгортки: 200 мкс/ділку по осі часу (X) та 100 В/ділку (X10 DC) по осі напруги (Y).

Аналіз осцилограми показує, що спостережуваний сигнал тривалістю близько 500–600 мкс є результатом послідовного накладання двох принципово різних процесів: фізичного дрейфу іонної хмари всередині трубки та електричної RC-релаксації катодного кола.

1. Фізичний процес: Дрейф іонів та формувальний Dead Time (τ)

• Крутий фронт наростання (t = 0): Майже вертикальний зліт амплітуди свідчить про миттєвий процес електронної лавини (газового посилення), який триває частки мікросекунди.
• Перша велика поділка екрана (0–208 мкс): Відповідає фазі повної нечутливості лічильника — Dead Time (τ). У цей проміжок часу важкі позитивні іони газу утворюють щільну хмару навколо анодної нитки, екрануючи її електричне поле. Доки іонний чохол не відсунеться на достатню відстань від анода, жодна нова іонізуюча частинка принципово не здатна викликати повторний пробій (амплітуда повторного розряду дорівнює нулю). Для геометрії J305 та напруги 400 В цей фізичний період становить розрахункові ~208 мкс.

2. Електричний процес: RC-релаксація катодного кола (Recovery Time)

Після завершення первинного екранування починається фаза відновлення (Recovery Time), на яку накладається суто електрична робота схеми модуля GGreg20_V3:

• Стала часу кола (τ_rc): Оскільки вимірювальний резистор 10.4 МОм стоїть у катодному колі, а еквівалентна паразитна ємність (ємність трубки, монтажних доріжок та входу осцилографа) становить C_total ~ 10 пФ, стала часу RC-ланцюга дорівнює: τ_rc = R_cat × C_total = 10.4 МОм × 10 пФ = 104 мкс.
• Фаза відновлення працездатності (208–520 мкс): По мірі дрейфу іонів до стінки катода електричне поле відновлюється, а заряд, накопичений на ємності катодного кола, починає стікати через резистор 10.4 МОм до нуля. За правилом 3τ_rc (3 × 104 мкс = 312 мкс) потенціал кола відновлюється на 95%. Разом із Dead Time це дає: t_work = τ_dead + 3τ_rc = 208 мкс + 312 мкс = 520 мкс (~2.6 великі поділки). На цій позначці трубці вже вистачає електричного потенціалу для стабільної реєстрації наступного імпульсу.
• Повне згасання (520–728 мкс): За класичним правилом 5τ_rc (5 × 104 мкс = 520 мкс) сигнал повністю спадає до базової лінії (99.3% релаксації). Загальний час повного заспокоєння кола становить: t_total = τ_dead + 5τ_rc = 208 мкс + 520 мкс = 728 мкс.

Інженерний висновок: Осцилограма наочно демонструє, що Dead Time (τ ~ 208 мкс) є лише складовою частиною загального часового циклу відгуку сенсора (Recovery Time).

Використання високоомного катодного навантаження (10.4 МОм) у модулі GGreg20_V3 забезпечує формування амплітудно-вираженого імпульсу розмахом Vpp ~ 413.36 В, який гарантує надійне спрацьовування вхідного компаратора, а тривалість хвоста згасання суворо відповідає розрахунковій математичній моделі RC-релаксації.

Реалії ринку та практичний вибір для розробника

При виборі компонента для серійного чи DIY-пристрою геометрія та фізика — це лише частина чинників. Інша частина — це логістика, доступність та етичні міркування.

1. Радянська СБМ-20 — не варіант для нових розробок:

• Відсутність нових якісних запасів: Більшість трубок СБМ-20 на ринку — це старі складські залишки (NOS) віком 30-40+ років зі зношеним ресурсом та ризиком деградації газової суміші.

• Походження та санкції: СБМ-20 виготовлялася і досі виробляється в Росії — країні-агресорі, яка веде загарбницьку війну проти України та перебуває під жорсткими міжнародними санкціями. Закупівля чи використання таких деталей у нових продуктах є неприпустимою з етичних, юридичних та безпекових міркувань.

2. LND712 — вартісна трубка для виявлення альфа-частинок:

• LND712 — це якісна американська трубка, висока вартість та логістика якої суттєво збільшують собівартість пристрою.

• У DIY-сегменті її застосування обґрунтоване у спеціалізованих проєктах — наприклад, для виявлення побутового радону (продукту розпаду урану), який випромінює альфа-частинки, вловлювані слюдяним вікном.

3. J305 — практичний вибір:

• Трубка J305 виготовляється серійно на сучасних підприємствах, є доступною за ціною та має передбачувані поставки.

• Для базового DIY-проєкту однієї трубки J305 може бути цілком достатньо. Використання мультисенсорних масивів (2 або більше трубок J305) дозволяє створити пристрій із якістю даних та статистичною точністю, наближеною до професійних приладів.

Дякуємо за увагу!

Читайте також

Трубка Гейгера J305: Як розрахувати коефіцієнт перетворення CPM у мкЗв/год. Технічна нотатка

УФ тест трубок Гейгера J305

Детектор радіоактивних частинок лічильник Гейгера GGreg20_V3

Детектор радіоактивних частинок GGreg20_V3: нова опція вибору трубки Гейгера-Мюллера J305

Технічна нотатка: Як розрахувати коефіцієнт перетворення для трубки Гейгера СБМ20

Коефіцієнт перетворення трубки Гейгера J305: відмінності коефіцієнту для потужності випромінювання джерела та для поглинутої дози. Технічна нотатка

Трубки Гейгера-Мюллера: порівняння SBM20, J305 та LND712 (Частина 1)

Наразі це все.

Бажаємо вдалих DIY проектів!

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