Een Raspberry Pi Geiger-teller Bouwen – Open-Hardware Stralingssensor Tutorial

Inhoud

• Manifest
• Het Bord
• De Geiger-buizen
• Stralingstypen
• Ondersteunde Geiger-buizen
• Testbronnen
• Actuatoren
• Van CPM naar Sieverts
• Broncode
• Schema
• Deelnemen
• Kopen
• Links en Documentatie

LET OP: Alle codevoorbeelden in deze tutorial gebruiken de arduPi-bibliotheek. U kunt de documentatie bekijken en de bibliotheek downloaden vanuit de repository.

Manifest

Het doel van het Stralingssensorbord voor Raspberry Pi is om individuen in Japan – en overal anders – in staat te stellen om omgevingsstralingniveaus onafhankelijk te meten, na de Fukushima-nucleaire incident in maart 2011. Door een betaalbare, gebruiksvriendelijke Raspberry Pi te koppelen aan een open-hardware-sensorbord, kunnen gebruikers realtime metingen van specifieke locaties verkrijgen in plaats van uitsluitend te vertrouwen op externe adviezen. De eerste batch werd gratis verzonden naar de Tokyo Hackerspace en andere lokale groepen om communautaire inspanningen te ondersteunen.

Zowel het hardware-ontwerp van het bord als de firmware worden vrijgegeven onder de GPL, wat onze toewijding aan open-source-principes en wetenschappelijke transparantie weerspiegelt.

— Het Libelium-team, april 2011

Het Bord

Het bord is verdeeld in twee functionele secties: een hoogspanningsvoeding (400–1000 V) voor de Geiger-Müller-buizen en een signaalconditieschakeling die de elektrische pulsen van de buis omzet in een formaat geschikt voor een microcontroller.

Eenmaal gevoed, emiteert de buis een korte stroomspuls voor elke gedetecteerde ioniserende gebeurtenis. De microcontroller telt deze pulsen; 10 seconden tellen en vermenigvuldigen met 6 levert counts per minuut (CPM). Volgens de datasheet van de buis, wordt CPM vervolgens gedeeld door de conversiefactor (360 voor de standaardbuis) om een dosisvermogen in microSievert per uur (µSv/u) te verkrijgen.

Afhankelijk van de specifieke buis, moet u misschien de conversiefactor aanpassen. Test verschillende waarden en rapporteer welke kalibratie de meest nauwkeurige resultaten oplevert.

De elektronica van het bord kan worden afgebroken in vijf componenten:

1. Hoogspanningsvoeding

   Deze module gebruikt een oscillator-gesreven spanningsvermenigvuldiger bestaande uit diodes, transistoren, weerstanden, en condensators (zie het schema). Het genereert 500 V voor de buis, met optionele zener-diodes in serie om de output te verhogen als hogere spanning vereist is.

2. Uitgang-aanpassingsschakeling

   Een NPN-transistor vertaalt de Geiger-buispuls in een schoon logica-signaal dat een microcontroller-interrupt triggert. Dezelfde transistor stuurt ook een piezo-speaker en LED-indicator voor hoorbare en zichtbare feedback.

3. Piezo-speaker en LED-indicator

   Deze zijn verbonden met de aanpassingsschakeling; elke gedetecteerde puls zorgt ervoor dat de LED knippert en de speaker een klik produceert.

4. LCD-scherm

   Het 16×2 LCD wordt geïntegreerd via een 4-bit parallelle bus (RS, EN, RW, en vier datalijnen). Het toont de realtime CPM en dosisvermogen.

5. LED-balk

   Een balk van vijf LEDs (drie groen, twee rood) biedt een snelle visuele indicator van stralingsintensiteit. Elke LED wordt aangedreven vanuit een digitale pin via een serieweerstand.

Het Stralingssbord Verbinden met Raspberry Pi

Het bord verbindt met de Raspberry Pi via een standaard Arduino-shield-interface. Voeding wordt geleverd vanaf de 5 V-pin van de Pi, en pulstelling vindt plaats op GPIO-pin 2 van de Pi, geconfigureerd als interrupt-input.

De Geiger-buizen

Een Geiger-Müller-buizen bevat een laag-druk (≈0,1 atm) inert gas – doorgaans neon – met een dunne organische of halogeen-damp. De kathode van de buis is de metalen wand, terwijl de anode een dunne draad is die langs het centrum loopt. Een hoge potentiaal (~500 V) wordt tussen deze elektroden aangelegd, wat een sterk elektrisch veld creëert.

Wanneer ioniserende straling de buis binnendringt, ioniseert het het gas, wat vrije elektronen en positieve ionen produceert. De elektronen worden versneld naar de anode, wat een lawine van verdere ionisaties initieert. Deze kaskade produceert een korte, hoge-stroompuls die gedetecteerd wordt door de uitgangsschakeling.

Stralingstypen

• Alpha

  Deeltjes (heliumkernen, +2 lading) zijn dicht en kunnen niet dieper dan een paar millimeters lucht of een vel papier doordringen. Ze vormen minimaal extern risico, maar kunnen gevaarlijk zijn bij inname, omdat ze weefsels van binnen beschadigen. Veel Geigertellers detecteren alfastraling alleen via dunne mica-vensters.

• Beta

  Deeltjes (electronen, –1 lading) zijn lichter en doorboren een paar millimeters aluminium. Ze kunnen gevaarlijk zijn bij inname en worden gedetecteerd door veel Geigerbuizen, afhankelijk van wanddikte en vensteraanwezigheid.

• Gamma

  Gammastralen zijn hoge-energie-fotonen die vrijwel elk materiaal kunnen doordringen. Ze worden effectief alleen afgeschermd door hoge-atoomgewicht-stoffen zoals lood. Gammastraling is alomtegenwoordig in kosmische bronnen en wordt gedetecteerd door vrijwel alle Geigertellers.

Voor additionele technische details, zie de Geiger-teller – Stralingssensorbord voor Raspberry Pi tutorial.

Links en Documentatie

• arduPi-bibliotheek op GitHub – Broncode en documentatie
• Bordschema PDF – Gedetailleerde elektrische tekeningen
• Project README – Installatie-instructies en kalibratietips