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!

Для тих користувачів, які хотіли б придбати модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3 без трубки (оскільки у них вже є власна сумісна трубка, або ж вони планують придбати її деінде), у цій невеличкій технічній нотатці розповідаємо про те, які розміри має кріплення трубки на платі модуля нашого виробництва.

Посудіть самі: для когось це може бути дуже зручно — мати можливість придбати лише модуль. Ми завжди надавали таку можливість (на сайті та Etsy, раніше на Tindie) — обирати та замовляти лише ті опції, які зараз потрібні. З часом ми отримали відгуки, набралися досвіду та обговорили це питання з Клієнтами.

Примітка: Зауважте, що GGreg20_V3 початково проєктувався для трубки SBM20, але її радянські запаси швидко вичерпалися, і тому ми спеціально підібрали на заміну ще кращу трубку – J305. Це означає, що стандартна SBM20 також підійде до модуля, адже він для неї проєктувався нами.

Виявляється, що китайський ринок пропонує трубки J305 з різними розмірами. Саме тому ми хотіли б пояснити, яка саме трубка J305 (або подібна) підійде до GGreg20_V3.

Дані наводимо для трубки J305, з якою ми наразі постачаємо GGreg20_V3. Ми керуємося даними, які нам надає для трубок J305 їхній продавець із Китаю.

Далі ми наводимо креслення з розмірами та кілька фотографій, щоб наочно показати, як все влаштовано.

Також наводимо фотографію кількох трубок J305 з останньої поставки, де добре видно, що трубки J305, хоча й мають незначну різницю в розмірах, але в нашому випадку їх можна вважати однаковими. За кілька років роботи з J305 ми мали лише дві початково браковані трубки, а також одну трубку, яка сильно відрізнялася за розмірами від інших з партії та від розмірів, зазначених у даташиті.

Сподіваємося, що ця публікація допоможе розібратися, яку саме трубку потрібно обирати, щоб вона підійшла до модуля, зокрема за довжиною.

Бажаємо успіхів!
Команда IoT-devices

Просте впровадження моніторингу радіації

Компонент ggreg20_v3 призначений для ентузіастів розумного будинку, а також для розробників, які прагнуть додати функцію моніторингу іонізуючого випромінювання до своїх пристроїв.

Він надає повний набір даних, необхідних для повноцінного контролю, включаючи:

• Потужність (μSv/h)
• Еквівалентна поглинута доза (μSv/h)
• Сукупна доза (μSv)
• Кількість імпульсів за хвилину (CPM) за період часу виміру
• Миттєве значення кількості імпульсів (pulse count)
• Статус системи (попередження про небезпеку, нормальний рівень або помилки сенсора)

Цей компонент самостійно виконує всі розрахунки, включаючи корекцію часу нечутливості трубки, надаючи всі необхідні дані для автоматизації у Home Assistant.

Ключова перевага: Крос-контролерна сумісність

Головна цінність розробки компоненту полягає в забезпеченні універсальності. Компонент ggreg20_v3 є крос-контролерним і підтримує будь-який мікроконтролер, сумісний з ESPHome (включно з ESP32, ESP8266, Raspberry Pi Pico W та іншими).

Це усуває необхідність писати індивідуальний код для різних платформ, дозволяючи користувачам швидко інтегрувати моніторинг радіації, незалежно від того, який контролер вони використовують для своїх проєктів.

“Ми створили компонент ggreg20_v3 з думкою про спільноту ESPHome. Наша мета — зробити моніторинг навколишнього середовища максимально доступним і надійним, надаючи єдине, гнучке рішення, яке працює відразу на всіх підтримуваних контролерах,” — прокоментували новину у IoT-devices LLC.

Як почати використовувати

Компонент ggreg20_v3 доступний як зовнішній компонент Git.

Для встановлення: Додайте наш репозиторій до конфігурації ESPHome і скористайтеся нашою детальною документацією.

• GitHub Репозиторій: [https://github.com/iotdevicesdev/esphome_external_components]
• Документація: Перегляньте README.md для повної інструкції з встановлення та налаштування.

IoT-devices LLC запрошує спільноту до тестування, надання зворотного зв’язку та внесків у розвиток компонента.

В даній новинній публікації йдеться про першу складову проекту, а саме про ESP32 BLE Server. Ми розробили YAML-приклад для прошивки ESPHome. Оскільки у нас вже є кілька прикладів для ESPHome, ми подумали, що і цього разу варто обрати цю чудову, популярну і відносно просту технологію.

Створений таким чином BLE Server, буде спроможний працювати автономно, а також з сервером Home Assistant (HA). Ті користувачі, у яких є HA, зможуть обирати, як саме використати розроблений нами приклад.Ті ж, у кого немає HA, зможуть користуватися лічильником Гейгера GGreg20_V3 через ESP32 BLE повністю автономно і незалежно від будь-яких інших додаткових технологій.

Також звертаємо увагу, що хоча наш приклад орієнтований на класичний мікроконтролер ESP32, з невеликими поправками у YAML-конфігурації, цей приклад можливо використовувати з будь-яким іншим контролером, який підтримується ESPHome та має на борту радіомодуль BLE.

Опис цієї частини проекту і сам YAML-файл конфігурації для створення прошивки ви можете знайти на нашому GitHub за посиланням:

https://github.com/iotdevicesdev/GGreg20_V3-BLE_Server-ESP32-ESPHome

У другій частині ми плануємо викласти приклад готового клієнтського додатку для ОС Android і розповісти як ми його розробляли і які функції заклали. Наразі процес дещо стримує процедура публікації додатку на Google Play.

Також у нас в планах викласти вихідний MIT AI2 “код” додатку у вільний доступ.

Київ. Україна. 2025 рік

ORCID: 0009-0002-6482-9419

Методологія тестування

Для проведення вимірювань ми розробили спеціальний тестовий стенд на базі платформи Home Assistant. Центральним елементом системи був контролер Raspberry Pi Pico W з прошивкою ESPHome, який керував роботою модуля GGreg20_V3. Для точного вимірювання споживаної енергії ми використовували сенсор INA219, підключений до контролера NodeMCU / ESP8266 також з прошивкою ESPHome. У якості джерела живлення GGreg20_V3 ми застосували лабораторний блок живлення, який і задавав точний рівень напруги під час тестування. 

Оскільки модуль GGreg20_V3 підтримує широкий діапазон напруг живлення, щонайменше від 3.0 і аж до 5.5В, для того, щоб показати наскільки відрізняється результат тесту, ми взяли три найпоширеніших рівня напруги живлення: 3.3В, 3.7В, 5.0В. Такі напруги дають уявлення про те, яке буде споживання модуля під час живлення від:

• іншого контролера чи джерела з напругою 3.3В;
• літієвої акумуляторної батареї з напругою 3.7В;
• іншого контролера чи джерела з напругою 5В.

Важливо зазначити, що сенсор INA219 вимірював лише енергоспоживання модуля GGreg20_V3, тоді як контролери живилися окремо. Це дозволило отримати максимально точні дані.

Також відмітимо, що рівень напруги живлення з плином часу у межах 60 хвилинного тесту не змінювався. Тому не слід сподіватися, що ми виконали повну емуляцію, наприклад літієвої батареї, що розряджається під навантаженням і відповідно втрачає напругу з 4.2В до 2.5В на протязі тесту. І хоча, це був би дійсно корисний і цікавий дослід, ми вирішили настільки сильно не заморочуватися з цим.

Тестовий стенд

Програмне забезпечення на боці вимірювального сенсора спожитої електричної енергії на базі ESP8266 + INA219 з прошивкою ESPHome:

sensor:
  - platform: ina219
    address: 0x40
    shunt_resistance: 0.1 ohm

    current:
      name: "INA219 Current"
      accuracy_decimals: 5
      id: current_value

    power:
      name: "INA219 Power"
      accuracy_decimals: 5
      id: power_value

    bus_voltage:
      name: "INA219 Bus Voltage"
      accuracy_decimals: 5

    shunt_voltage:
      name: "INA219 Shunt Voltage"
      accuracy_decimals: 5

    max_voltage: 32.0V
    max_current: 3.2A
    update_interval: 1min

  - platform: integration
    name: "Total Energy Consumed"
    id: total_energy
    sensor: power_value
    time_unit: min
    accuracy_decimals: 5
    unit_of_measurement: "Wh"
    filters:
      - multiply: 0.0166666666666667

  - platform: integration
    name: "Total Current Consumed"
    id: total_current
    sensor: current_value
    time_unit: min
    accuracy_decimals: 5
    unit_of_measurement: "Ah"
    filters:
      - multiply: 0.0166666666666667

Цей фрагмент YAML-конфігу забезпечує всі необхідні дані для запланованого нами тестування модуля сенсора радіації GGreg20_V3 з точки зору споживання енергії під час роботи у нормальних умовах фонового випромінювання.

Процес вимірювання

Вимірювання споживання енергії проводилися щохвилини, з накопиченням даних за попередні періоди. Тестування тривало протягом години, що дозволило отримати значення реального споживання модуля GGreg20_V3 за 60 хвилин для кожної з трьох напруг живлення.

Платформа Home Assistant використовувалася для збору та фіксації даних з сенсорів. Вона також надала інструменти для створення наочних графіків споживання електроенергії.

Результати та висновки

Завдяки проведеному тестуванню ми отримали детальні дані про споживання електроенергії модулем GGreg20_V3 при різних напругах живлення. Отримані результати дозволяють користувачам оптимізувати енергоспоживання своїх DIY-проектів з використанням цього модуля.

Живлення напругою 3.3В

Живлення напругою 3.7В

Живлення напругою 5.0В

Узагальнені результати

Тестування споживання енергії модулем GGreg20_V3 проводилося протягом 60 хвилин при різних напругах за нормальних умов. Цикл оновлення вимірів INA219: 1 хвилина

Дата проведення: 27.08. – 31.08.2023

Під час тестування відхилень у вимірах рівня радіації не спостерігалося

Тестування проводилося з налаштуваннями модуля GGreg20_V3 за замовчуванням. Базер включений. Діод захисту Шотткі – встановлений. Синій індикатор живлення світиться постійно. Напруга живлення залишалася незмінною на протязі всього циклу тестування.

Додаток. Теоретичний графік розряду батарей

Ми також вирішили показати наочно теоретичний графік розряду при трьох різних напругах під час живлення модуля GGreg20_V3 від акумуляторних батарей різної хімії та ємності.

За основу для розрахунків ми взяли характеристики батарей, що є в інтернет:

Але звертаємо ще раз увагу, що цей графік є теоретичним припущенням і не враховує розряду реальних батарей під навантаженням у часі та зміни рівня напруги і струму споживання протягом розряду.

Про GGreg20_V3

Модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3 виробництва ТОВ “ІОТ-ДЕВАЙСЕС” (aka IoT-devices, LLC) є флагманським продуктом компанії, що знайшов своїх користувачів у більш ніж 30 країнах світу. 

По всьому світові радіоаматори застосовують GGreg20_V3 – створюють власні DIY проекти, навчаються та ставлять експерименти, пов’язані з вимірюванням радіації. 

Розробляючи цей продукт і удосконалюючи його з 2020 року, ми намагалися зробити модуль компактним, готовим до використання, сумісним з якомога більшою кількістю DIY платформ і систем, невибагливим щодо живлення, простим з точки зору програмування та гармонізованим за робочими характеристиками з різноманітними трубками Гейгера. 

А ще ми розробили низку прикладів та виклали їх на GitHub для різноманітних апаратних та програмних платформ як от Arduino UNO, ESP32, ESP8266, Raspberry Pi Pico W, NodeMCU, ESPHome, Tasmota, MicroPython, Home Assistant.

І ми, у IoT-devices сподіваємося, що наші Клієнти отримують чудовий користувацький досвід та справжнє задоволення, впроваджуючи цей модуль у свої проекти.

А також ми дякуємо кожному, що підтримали та обрали цей розроблений і виготовлений в Україні продукт. Ми це дуже цінуємо!

Ключові слова

Лічильник Гейгера 

GGreg20_V3

Тестування споживання електроенергії

DIY-проекти

Home Assistant

Raspberry Pi Pico W

ESPHome

INA219

NodeMCU

ESP8266

I2C

WiFi

YAML

Якщо ви стикнулися з такою ж ситуацією після оновлення ваших пристроїв ESP32 з прошивкою ESPHome, радимо ознайомитися з нашим репозиторієм, який вже містить опис та обхідне рішення виявленої проблеми. Ось шлях: https://github.com/iotdevicesdev/GGreg20_V3-ESP32-HomeAssistant-ESPHome

Також запрошуємо почитати обговорення на GitHub:
https://github.com/iotdevicesdev/GGreg20_V3-ESP32-HomeAssistant-ESPHome/issues/5

З повагою,
IoT-devices Team

Модуль DCDC_3V3_400V_V1 є джерелом високої напруги для живлення широкого спектру трубок Гейгера – Мюллера, які мають різний рівень напруги анод – катод, а також може бути застосований в якості малопотужного джерела високої напруги в інших DIY проектах.

Потреба встановлення різного рівня вихідної напруги, є однією з причин встановлення в модулі налагоджувального потенціометра.

Іншими налагоджувальними компонентами є резистор R1 і конденсатор C1.

Для пояснення наведена зображена нижче.блок схема.

На блок схемі ліва частина демонструє структуру модуля високовольтного перетворювача DCDC_3V3_400_V1.

Права частина блок схеми показує компоненти споживачів електричної енергії від модуля DCDC_3V3_400_V1, інтегрованого в DIY проект, відповідно до задуму користувача.

Вихідним каскадом модуля DCDC_3V3_400_V1 є високовольтний помножувач. В проектах детекторів радіації на базі лічильника Гейгера-Мюллера трубка отримує високу напругу від 300 до 2000 вольт через ланцюжок R1C1. 

Значення опору, ємності і напруги для R1 і C1, залежать від типу трубки або схемотехніки DIY пристрою. Зважаючи на це, R1 i C1 на модулі DCDC_3V3_400_V1 не встановлені. 

Іншою причиною відсутності на модулі R1 і C1 є ймовірність пошкодження (електричного пробою) С1 під час регулювання напруги потенціометром. 

Враховуючи ці фактори, рекомендуємо при проведенні тестування модуля DCDC_3V3_400_V1, до вихідних контактів припаяти або приєднати ланцюжок за  такою схемою:

Регулювання і вимірювання напруги потрібно виконувати аналогічно до кроків зазначених у Інструкції з початкової діагностики модуля лічильника гейгера GGreg20_V3.

Перш ніж розпочати

1. На компонентах пристрою небезпечна для людини напруга. Не порушуйте техніку безпеки та правила поводження з електричними установками.

2. Для збереження гарантії на пристрій, користувачам забороняється самостійно регулювати потенціометр. Щоб внести зміни у налаштування модуля, будь-ласка, отримайте спочатку дозвіл та інструкції від служби підтримки.

3. Звертаємо увагу, що у випадку, коли для вимірювання високої напруги на модулі GGreg20_V3 застосовується звичайні вольтметр (не такий, якого вимагає дана інструкція) виміри будуть не точними і небезпечними. Найчастіше, неточний вимір і налаштування призводить пристрій у неробочий стан, або виводить його з ладу. Мультиметр також може вийти з ладу.

Будь-ласка, не намагайтеся виконувати вимірювання високої напруги невідповідними інструментами. 

Звичайний вольтметр може показувати 150В, в той же час, як реальне значення напруги може сягати 600В, що гарантовано виведе модуль чи трубку з ладу. 

Також звичайний мультиметр може не мати необхідної швидкодії перетворення аналогових величин, які вимірюються.

Ну і на сам кінець, зверніть увагу, що вимірювання високої напруги проводиться на конденсаторі, тому не забувайте давати йому час, щоб зарядитися перед черговим виміром.

Початок роботи

1. Від’єднайте модуль від плати MCU та подайте живлення на модуль через відповідний роз’єм на модулі (BAT).

2. Огляньте плату детектора за допомогою лупи на наявність пошкоджених компонентів.

3. Перевірте вхідну напругу постійного струму блоку живлення Upower_supply, що подається на модуль. Вхідна напруга постійного струму повинна бути між 3,0 і 5,5 В. Потужність джерела живлення повинна бути не менше 5 Вт (1 ампер при 5 В).

4. Перевірте, чи правильно встановлена трубка J305 на тримачах. Увага! Електроди трубки та деяких інших компонентів можуть перебувати під небезпечною напругою протягом тривалого часу після вимкнення.

5. Увімкніть модуль датчика GGreg20_V3 без корпусу для доступу до точок діагностики.

6. Синій світлодіод світиться нормально.

7. Червоний світлодіод не блимає (зумер не пищить, імпульсів на виході немає, навіть з перемичкою).

1. Необхідні інструменти

Примітка: В якості альтернативи можна використовувати мультиметр з вищевказаними характеристиками. Однак осцилограф буде набагато ефективнішим для цього завдання.

2. Діагностичні дії

Мета: отримати дані про напруги:

• на точках живлення модуля (низьковольтна частина);
• на елементах високовольтної частини модуля.

2.1 Діагностичні точки

2.2 Вимірювання низької напруги

2.2.1 Переконайтеся, що рівень постійної напруги U5V в точці, показаній на рис. становить 5В +-5%.

2.3 Вимірювання високої напруги

2.3.1 Налаштуйте осцилограф і щуп наступним чином:

– Виберіть вхідний канал, встановіть режим на постійний струм, 10 вольт на поділку.

– Встановіть перемикач на щупі в положення 1:10.

– Частота дискретизації (кількість точок сигналу за одиницю часу): 1 поділка за 1 секунду.

– Увімкніть функцію фіксації миттєвих максимальних значень напруги.

2.3.2 Обережно підключіть вивід GND осцилографа до заземлення модуля. Для цього встановіть щуп GND (або припаяйте дріт) в точку «GND», показану на рис. Виміряйте щупом рівень напруги в точці, показаній на рис.

2.3.3 Зробіть кілька вимірювань U400V. Між вимірюваннями робіть паузу 5-10 секунд, яка необхідна для відновлення рівня заряду конденсатора. Спостерігайте на екрані осцилографа осцилограму розряду конденсатора вхідним опором осцилографі і виміряні максимальні значення напруги. Правильне значення напруги має бути наступним: 380 +- 40 вольт для трубки J305.

Попередження:

а) Напруга 400 вольт є небезпечною для людського організму.

б) Неточне розташування щупа осцилографа в точці вимірювання може призвести до пошкодження інших компонентів.

3. Збір даних спостережень та звітність

Повідомте нам в службу підтримки результати вимірювань (Upower_supply, U5V, U400V). Ми надамо додаткові інструкції.

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

За нашою статистикою, трубка J305 за поширеністю серед DIY проектів лічильників Гейгера поступається лише трубці СБМ20 радянського виробництва.

Втім, час плине, технології удосконалюються, змінюються ланцюжки постачання. Нові товари та компоненти невпинно займають свою нішу на полицях постачальників радіоелектроніки, поступово витісняючи з ринку тимчасові рішення, яким, по суті, була радянська трубка СБМ20 на ринку DIY-електроніки.

Якби нас попросили порівняти трубки СБМ20 та J305, ми б обрали для свого проекту J305, про що ми вже встигли зазначити у окремій публікації. Згадана стаття порівнює трубки J305, СБМ20 і LND712, з якими нам доводилося працювати, та з якими є сумісним за електричними характеристиками модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3.

Ця ж публікація оповідає про трубку J305, як найближчу та найкращу, на наш погляд, альтернативу трубці СБМ20. Ми розглянемо, як розрахувати коефіцієнт перетворення кількості імпульсів на хвилину трубки J305 у значення мкЗв/год – еквівалентної дози радіації, поглинутої тілом людини.

У інтернет масово публікуються дані, що коефіцієнт перетворення для трубки Гейгера J305 дорівнює 0,00812.

0,00812

Як і у випадку з трубкою СБМ20, нам довелося старанно шукати в інтернет першоджерело такої інформації. На відміну від розслідування щодо коефіцієнту для СБМ20, наші пошуки щодо даних на J305 завершилися успішно та привели нас до першоджерела появи поширеного коефіцієнту 0,00812.

Але не будемо забігати далеко вперед і викладатимемо все по-порядку.

Наведемо загальні технічні характеристики трубок, щоб ми могли підглядати, вивчаючи наведені далі за текстом розрахунки.

Трохи формул і розрахунків

Як і для трубки СБМ20, для трубки J305 процедура розрахунку буде такою ж. 

Зробимо розрахунки для J305, спираючись на дані виробника.

Швидкість реєстрації подій трубкою J305 при 1 мкР/год від джерела Co-60, складає 44 імпульси на секунду;

1. Запишемо початкові дані з даташит виробника. Імпульси на секунду при 1 мР/год:

44 імп/с / мР/год

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

44 * 60 = 2640 імп/хв / мР/год

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

2640 / 10 = 264 імп/хв / мкЗв/год

або

264 імп/хв = 1 мкЗв/год

або

1 імп/хв = 1:264 мкЗв/год

4. Розрахуємо значення одного імпульсу на хвилину:

1 / 264 = 0,00378

Таким чином, якщо нам потрібно перевести імпульси, зареєстровані трубкою J305 протягом хвилини у мкЗв / годину:

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

0,00378

дає нам значення експозиції, яке реєструє лічильник Гейгера. А нас насамперед цікавить, яку еквівалентну дозу радіації поглине людське тіло.

Тому переходимо до наступної частини розрахунків.

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 в еквівалентну дозу поглинутої радіації у мікрозіверт на годину з урахуванням фантомної моделі людського тіла.

Почнемо розрахунок з коефіцієнту, який надає виробник у документації: 44 імп/с на 1 мР/год Co-60.

Чутливість J305 до gamma-променів: 44 CPS / mR/h

1. Перетворимо імп/с у імп/хв при 1 мР/г (у нас вже є це значення, але ми наводимо ще раз його розрахунок для зручності читача):

44 * 60 = 2640 імп/хв / мР/год

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

2640 * 1000 = 2640000

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

1 / 2640000 = 0,0000003787878788

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

Рівняння має наступний вигляд: 

Ka [Gy] = 0,00877 [Gy/R] x exposure [R]

де 0,00877 – коефіцієнт поглинання дози радіації людським тілом на фантомній моделі під впливом фотонних енергій 100 keV – 3 MeV 

Примітка. Звідки береться рівняння air-kerma і коефіцієнти, див. за посиланням: https://web.archive.org/web/20230402162906/https://www.automess.de/en/service/radiation-quantities-and-units

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

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

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

6. Виконуємо перевірку і знаходимо обернене значення:

0,003321969697 ^(-1) = 301,0262258

Таким чином, формула еквівалентної поглинутої дози тілом людини радіації для трубки Гейгера-Мюллера J305 з гамма- чутливістю по Co-60 44 cps / mR/hr наступна:

де 

0,00332 мкЗв/год – ціна одного відліку, імп/хв;

CPM – кількість відліків (подій) за хвилину, зареєстрованих трубкою Гейгера.

Щось тут не так

Добре, скаже пильний читач, а де ж число 0,00812, про яке йшлося на початку розрахунків!?

Ви маєте рацію! Ми теж були здивовані: у результаті обчислень у нас вийшло, що коефіцієнт дорівнює 0,00332, але очікувалося, що розрахунок має вийти на значення 0,00812. Тобто зовсім інше число коефіцієнту перетворення CPM у мкЗв/год. 

Ми почали шукати в інтернет і таки знайшли.

Як виявилося, більшість прикладів налаштувань для трубки J305 просто посилаються одне на одного, та ми таки відшукали звідки взявся цей коефіцієнт.

За посиланням (або ось тут, у PDF на сайті Libelium) ви знайдете документ з наступними даними:

“…The current version of the pack comes with the J305ß Geiger tube which detectes Beta and Gamma radiation.
Specifications:
Manufacturer: North Optic
Radiation Detection: β, γ
Length: 111mm
Diameter: 11mm
Recommended Voltage: 350V
Plateau Voltage: 360-440V
Sensitivy γ (60Co): 65cps/(µR/s)
Sensitivy γ (equivalent Sievert): 108cpm / (µSv/h)
Max cpm: 30000
cps/mR/h: 18
cpm/mR/h: 1080
cpm/µSv/h: 123.147092360319
Factor: 0.00812037037037…”

На цей текст всі посилаються і немає ніякої можливості перевірити зазначені дані, адже сайту такої компанії-виробника як North Optic не існує.

Найбільше дивує те, що респектабельні ресурси також публікують (чи дозволяють це робити) цей коефіцієнт без позначки “Увага! Ніхто не знає, звідки він взявся”.

Примітка. Будь-ласка, якщо у вас є інформація, як зв’язатися з North Optic, або пояснення щодо надійності застосування коефіцієнту 0,00812, напишіть нам. Заздалегідь щиро вдячні.

Як можна бачити, вихідні дані виробника North Optic, дуже сильно відрізняються від тих, які наразі надають разом з трубками китайські виробники.

Наведемо для порівняння наявний у нас даташит для трубки J305 glass. Саме такими трубками ми комплектуємо модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3:

Рис.. Характеристики трубки J305 з даташит виробника

Зважаючи на знайдені нами матеріали, принаймні стає зрозуміло, звідки береться числове значення коефіцієнту перетворення 0,00812.

Ось подивіться, з математичного боку все дуже просто:

[18 CPS / mR/h] x 60 / 8,77 = 123,1470923603193

1 / 123,1470923603193 = 0,0081203703703704

Тут ми одразу застосували швидку формулу і отримали значення коефіцієнту перетворення 0,00812 для трубки, чутливість якої немов би 18 CPS / mR/h. 

І дійсно, якщо прийняти в розрахунках, що трубка має чутливість 18 CPS / mR/h, тоді коефіцієнт має бути саме 0,00812.

Але та трубка J305 випуску 2022 року, яку у 2023 році продають постачальники через Alibaba, і яку ми тримаємо у своїх власних руках, має абсолютно інші властивості, що заявлені виробником у даташит: 44 CPS / mR/h.

Висновки

Ми навели повний алгоритм дій і показали, як розраховується коефіцієнт перетворення CPM у еквівалентну дозу поглинутої людським тілом радіації (uSv/h) для трубки Гейгера, як-от J305.

Також ми розглянули два варіанти значення коефіцієнта перетворення. 

Перший – це той, що ми розрахували, спираючись на дані у даташит: 0,00332. 

Другий – це той, що всі застосовують: 0,00812

Який саме коефіцієнт перетворення вам краще застосовувати – вирішувати вам.

Приклади для ESPHome

Нагадаємо, що модуль GGreg20_V3 є сумісним з обома трубками: SBM20 та J305.

На нашому GitHub ви знайдете кілька прикладів конфіг-файлів побудови прошивки ESPHome, як для трубки SBM20 так і для трубки J305. Відмінність лише у кількох коефіцієнтах цих трубок:

• коефіцієнт перетворення трубки CPM -> uSv/h;
• коефіцієнт компенсації внутрішнього шуму трубки (для випадків, коли вона застосовується).

Наразі ESPHome є доволі поширеною та популярною платформою з широкою підтримкою різноманітних мікроконтролерів, як-от ESP8266, ESP32, RaspberryPi Pico W, та інші. Саме через це, більшість прикладів у наших репозиторіях на GitHub спрямовано та засновується на прошивці ESPHome і сервері Home Assistant.

Де замовити GGreg20_V3

Ви можете замовити модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3 на нашому сайті, а також на одному з наших електронних майданчиків:

• Онлайн магазин: go.iot-devices.com.ua/shop
• Магазин Etsy: go.iot-devices.com.ua/etsy
• Магазин Tindie: go.iot-devices.com.ua/tindie

У випадку замовлення, модуль GGreg20_V3 комплектується кількома додатковими опціями на вибір. Серед яких:

• трубка Гейгера J305
• кабелі для підключення до MCU
• захисний 3д-друкований пластиковий кожух для GGreg20_V3

Також зверніть увагу, що на нашому сайті також можливо замовити модуль універсального контролера ESP12.OLED_V1 (на базі ESP8266).

Обидва ці модулі є достатніми, щоб побудувати саморобний лічильник Гейгера з дисплеєм:

[GGreg20_V3] + [ESP12.OLED_V1] = [DIY Geiger counter]

Сподіваємося, що ця та інші наші публікації були корисними і цікавими.

Бажаємо успіхів!

Team IoT-devices, LLC