Radioaktivitás / sugárzásmérés

A RadiationD egy “DIY” Arduino kompatibilis nukleáris sugárzás detektor készlet. A szet kompatibilis az összes olyan GM csővel, melyek 350 - 500 V anód feszültséget igényelnek, ilyen például az M4011, STS-5, SBM20 vagy J305 Geiger cső (a szettet az M4011-gyel vagy a J305-tel szállítják). A szet LED-del és beeperrel is jelzi a detektálásokat (beütéseket), az Arduinohoz SPI kommunikációval csatolható.

• Geiger cső kompatibilitás: M4011, STS-5, SBM-20, J305
• Geiger cső feszültség kompatibilitás: Minden általános GM cső 350..480 V anódfeszültséggel
• Tápfeszültség: 5 V; 3x 1,5 V-os akkumulátor; 4x 1,2 V-os akkumulátor
• Áramfelvétel: 12mA .. 30mA
• Geiger cső jellemzői: Ónoxid-katód, koaxiális hengeres vékony héjszerkezet (falsűrűség 50 ± 10cg / cm²), impulzus típusú halogéncső
• Üzemi hőmérséklet: -40 ° C .. 55 ° C
• Méréstartomány: γRay: 20mR / h .. 120mR / h; β-sugarak esetén: 100 .. 1800 (Béta- és gamma-sugárzás kimutatására alkalmas)
• A Geiger cső üzemi feszültsége: 380V .. 450V
• A Geiger cső áramfelvétele: 0,015 .. 0,02 mA
• Gamma-sugárzással szembeni érzékenység: 0,1 MeV

A készülék gyakorlatilag a sugárzásmérő cső köré épül, ez az áramkör legfontosabb eleme. A Geiger–Müller-cső (vagy Geiger cső) egy gáztöltésű detektor, ami az ionizáló sugárzás detektálására képes. Henger alakú, a közepén egy vékony dróttal. A cső fala és a drótszál közé egyenfeszültséget kapcsolnak úgy, hogy a drótszál a pozitív pólus, azaz a drót játssza az anód és a cső fala a katód szerepét. A cső alacsony nyomású nemesgázzal van töltve (például argonnal).

A nemesgázok nagyon jó szigetelők, ezért az áramkörben nem folyik áram. A henger falán keresztül beléphetnek a nagyenergiájú részecskék. Ha egy ilyen részecske belép a csőbe, akkor ionizálja a nemesgázt - pozitív ionok keletkeznek. A sugárzás által keltett elektronok és ionok elkezdenek áramlani az elektródák felé, ezzel elektromos áramot keltve, az áramkör ezeket az impulzusokat detektálja, ezeket beütéseknek, ezeknek a számát beütésszámnak nevezzük, és percenkénti mértésegysége a CPM (counts per minute).

Amíg a kisülés tart, a detektor nem érzékeli az ionizáló sugárzás jelenlétét. Ezt az időt nevezzük holtidőnek, a Geiger–Müller-cső esetében ez 10⁻⁵ másodperc. A detektor holtideje meghatározza a legnagyobb számlálási sebességet; egy ilyen cső maximum 100 000 részecskét detektálhat másodpercenként.

Emberre vonatkoztatott röntgen-egyenérték, a rem (roentgen equivalent man): a korpuszkuláris sugárzások keltette biológiai sugáradag egysége. Biológiai röntgen-egyenértéknek (BRE) is nevezik, mely alkalmazott egység a sugárzás biológiai hatásának mérése.

Ez azt jelenti, hogy bármilyen fajta sugárzásnak az a mennyisége, mely az emberben 1 Röntgennel azonos biológiai (orvosi) hatást gyakorol. A sugárzási értékről nincs egyetemesen alkalmazható konverziós állandó rad-ról rem-re; az átváltás a relatív biológiai hatékonyságtól (RBE) függ.

1976-tól az SI-t alkalmazó országokban a rem-et a Sievert váltotta fel, átváltásuk:

1 rem = 0,01 sievert

A Sievert gyakran használt SI-prefixumai a millisievert (1 mSv = 10⁻³ Sv = 0,001 Sv) és a mikrosievert (1 μSv = 10⁻⁶ Sv = 0,000001 Sv). A Sievert extenzív mennyiség, időderiváltja a Sv/s és a Sv/h, illetve a μSv/h.

• Közelítő sugárzási szintek a csernobili 4-es reaktor mellett, nem sokkal a csernobili atomkatasztrófa során bekövetkezett robbanás után: 10–300Sv/h
• Tipikus háttérsugárzás Magyarországon:
  • Budapest - 0,059-0,135 μSv/h,
  • Pécs - 0,156 μSv/h,
  • Paks - 0,065-0,085 μSv/h

A percenkénti beütésszám (CPM; counts per minute) az alap-mértékegység a Geiger-csőveknél, ez azonban nem egy energiaérték, hanem csak az impulzusok száma. Annak érdekében, hogy a valódi energiaelnyelés, azaz a Sievert értékét meghatározzuk, egy Geiger-csőspecifikus konverziós tényezővel kell számolnunk, melynek értéke a csőtől függ: méret, forma, anyag, érzékenység, holtidő, mért részecske típusa stb.

cpm * konverziós tényező = μSv / h

Például a J305ß cső konverziós tényezője 0,00812037. Ez azt jelenti, hogy 120 percenkénti beütés esetén a Sievert-érték a következő lesz:

J305ß: 120 * 0,008120370 = 0,9744μSv / h

A modulon a GND-5V-Vin csatlakozót kell használni az Arduino-hoz. A GND-t és az 5V-ot értelemszerűen, a Vin-t, az UNO esetén a Pin 2-re kell kötni.

#include <SPI.h>
#define LOG_PERIOD 15000  //Logging period in milliseconds, recommended value 15000-60000.
#define MAX_PERIOD 60000  //Maximum logging period without modifying this sketch
 
unsigned long counts;     //variable for GM Tube events
unsigned long cpm;        //variable for CPM
unsigned int multiplier;  //variable for calculation CPM in this sketch
unsigned long previousMillis;  //variable for time measurement
float factor = 0.00812037;  // J305ß Geiger
float msievert;             // Analog meas value
int value[] = {10,10,10,10,10,10,10,10};   // array for averaging (last 8 measurements)
int index = 0;                             // index for array
int cpmsum;                                // cpm calc.
 
void tube_impulse(){                       // subprocedure for capturing events from Geiger
  counts++;
}
 
void setup(){                               // setup subprocedure
  counts = 0;
  cpm = 0;
  multiplier = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD;      // calculating multiplier, depend on your log period
  Serial.begin(9600);
  attachInterrupt(0, tube_impulse, FALLING); // define external interrupts 
 
}
 
void loop(){                                 // main cycle
  unsigned long currentMillis = millis();
  if(currentMillis - previousMillis > LOG_PERIOD){
    previousMillis = currentMillis;
    cpm = counts * multiplier;               // multiplier correction
    cpmsum = 0;                              // summary value reset
    value[index] = cpm;                      // ring array load value
    index++;                                 // pointer to the next pos.
    if (index > 8) {
      index = 0;
    }
    for (int j=0; j<8; j++) {                // averaging from last 8 meas. 
      cpmsum = cpmsum + value[j];
    }
    cpmsum = cpmsum / 8;
 
    msievert = cpmsum * factor;              // correction with pipe spectific factor, see:
                                             // https://www.ob121.com/doku.php?id=hu:arduino:radioactivity#orankenti_sugarzasi_ertekek
    Serial.print("CPM: ");
    Serial.print(cpm);
    Serial.print(", CPM long: ");
    Serial.print(cpmsum);    
    Serial.print(", dosis: ");
    Serial.print( msievert);
    Serial.println(" μSv / h");
    counts = 0;
  }
 
}