13/12/2012

Un projet de compteur geiger à transistors




Comme ce projet risque d'être un peu long et atypique, je préfère scinder pour ne pas croiser les discussions sur les autres sujets de radioprotection.

Pour les plus pressés, il faut savoir qu'il y a en parallèle deux autres projets électroniques, ce qui fait que celui-ci risque d'avancer lentement; mais je reste à disposition par MP pour fournir des infos complémentaires en avance.

Si vous possédez un compteur geiger ou un dosimètre geiger, merci de lire la suite car vous pourrez sans doute apporter quelques réponses à mes questions.

Ayant un tube geiger dans un fond de tiroir, le 18504 de Phillips, je projette donc la fabrication intégrale d'un compteur "amélioré". C'est à dire, non pas simple détecteur qui fait "tac tac" sur un haut parleur, mais avec en sortie un "convertisseur" qui indiquera sur un galvanomètre la quantité de radiations captées et, in fine, l'exposition. Elle sera affichée en µR/h (µRöntgen/h), que je préfère au µSv/h car elle est encore utilisée sur de nombreux appareils geiger (dont les CD Victoreen), particulièrement dans les pays anglo-saxons. Néanmoins, le constructeur précise que l'on peut utiliser la conversion 100 µR/h = 1 µSv/h....

Première partie : deux interrogations pour les possesseurs de compteurs et dosimètres :


1- Comment est calculée l'exposition à chaque mesure sur votre appareil ?
Par exemple, le Radex RD1503 réalise une mesure de 40s avant d'afficher une valeur.
Selon la fiche technique, le processeur convertit le nombre d'impulsion en µSv/h selon une courbe préétablie.
Concernant le bruit de fond de mon coin (radioactivité naturelle), avec le tube 18504, je peux avoir entre 25 et 60 impulsions par minute (IPM) selon la pièce, avec une moyenne autour de 35 (courbe de Gauss). Les extrêmes représentant tout de même un écart important.
Par exemple, le RD1503 utilise le tube geiger CBM 20-1, qui mesure 30 IPM pour le rayonnement de fond en moyenne.
La courbe de Gauss prédit que l'on risque d'avoir certaines mesures tombant dans les extrêmes.

2- Est-ce que votre appareil a demandé une 2e mesure pour s'ajuster en cas de valeur particulière ?
l'a-t-il corrigée automatiquement avec un historique ?

La seconde partie concerne la conception de l'appareil. Une fois de plus, ce projet va éviter d'utiliser des composants intégrés : pas de CI, pas de puce, pas de régulateur intégré, etc... tout fonctionnera à transistor (entre 6 et 10).
Ceci afin de rendre indépendant des fournitures en ces composants qui peuvent se révéler rares dès maintenant, ou à terme.
Par exemple, le célèbre article d'Électronique et Loisirs magazine propose un circuit geiger perfectionné qui convertit les impulsions en mR/h. Il est performant mais nécessite (entre autres) un microcontrôleur ST6 (STMicroelectronics), programmé sous la référence EP 1407.....assez rare chez les fournisseurs, et sans programme....

Le second soucis vis à vis des circuits intégrés est leur fragilité dans un environnent radioactif. C'est peu perceptible en temps ordinaire, mais dans le cas d'un scénario nécessitant ces appareils, plusieurs sources tendent à montrer leur défaillance.

Les effets des radiations sur les circuits intégrés

L’impact des particules sur les circuits produit deux phénomènes. Elles peuvent provoquer des événements appelés ‘Single Event Effects’ ou SEE’s, ceux-ci sont des latchups ou des upsets.

Le phénomène de Latchup
: un ‘Single Event Latchup’ (ou SEL) est la mise en conduction d’un thyristor (structure PNPN) parasite présent dans tous les circuits intégrés CMOS, comme représenté sur la figure 1.2.
Une impulsion transitoire de courant produite par l'impact d'une particule lourde peut amorcer la mise en conduction d'un tel thyristor parasite, qui en condition normale est inactif. Le latchup crée un chemin direct entre la masse et l'alimentation et, par conséquent, cause un échauffement important du composant, pouvant conduire à sa destruction.
Dans la majorité des cas, les Latchups entraînent une forte augmentation de la consommation du circuit, mais certains composants montrent de faibles changements de consommation de courant, ce phénomène est appelé micro-latchup. Il pourrait être lié à la topologie même du circuit et causé par des latchups survenant en des points précis du composant. De tels événements ont été observés sur certains processeurs [4] ou coprocesseurs [5].

Le phénomène d'Upset : de même, l’ionisation des matériaux, suite au passage d'une particule chargée dans un circuit, peut causer un ‘upset’ (appelé aussi "bit-flip" dans la littérature anglaise) qui est le changement intempestif de l'état d'un bistable. Les upsets affectent en priorité les points mémoires [6]. La particule produit des paires électrons-trous le long de sa trajectoire. Celles-ci sont rassemblés au drain, figure 1.3, ce qui fait apparaître une impulsion de courant qui, si l’amplitude et la durée sont suffisantes, peut produire le même effet que celui d'un signal extérieur appliqué au transistor.
[...]
La plupart des circuits intégrés sont potentiellement sensibles aux upsets, en particulier les mémoires et les microprocesseurs. Les mécanismes
correspondants à ce phénomène sont décrits en détail dans [7].
La dose cumulée : il s’agit de l’accumulation de charges au niveau des oxydes (SiO2) et des interfaces SiO2-Si (création d’états d’interface) [8]. Ces charges sont dues au piégeage de paires électrons-trous lors des phénomènes d’ionisation. Pour les technologies MOS, il se produit une dérive des paramètres électriques [9] (tension de seuil par exemple). Ces charges sont cumulatives et peuvent conduire à une perte progressive, puis totale des fonctionnalités du composant.
 Dans le cas d'environnement irradiés, il n'est pas certain qu'un quelconque processeur soit encore en état de convertir correctement l'exposition mesurée. Le cas est connu pour les circuits spatiaux (vs rayons cosmiques). Mais nous avons peu de retours sur les appareils récents. Par ailleurs, dans le cas d'une contamination importante, on rencontre plus volontiers les détecteurs CD Victoreen (qui détectent les doses supérieures), comme le CD 700, qui contient à peine deux transistors.




 Enfin, les circuits intégrés représentent amha une complexification du principe de fonctionnement d'un appareil. Par exemple, pour le détecteur à semi-conducteur de l'autre topic, le comparateur LM311 a posé beaucoup de soucis aux membres qui suivent le projet, d'une part en raison des brochages qui diffèrent selon les schémas, mais aussi des parasites générés par le CI, qui doit être séparé du capteur et blindé.

Au final, rareté, complexité et risque de défaillance font que ce montage ne sera qu'à transistors communs, tous aisément remplaçables.
C'est donc un choix perso; si vous souhaitez construire un compteur geiger plus perfectionné, internet regorge de schémas dignes d'intérêt

== Le projet se décomposera en trois parties distinctes ==

1 - La THT, alimentant le tube geiger :

Terminée à 90%. Étant donné que les tubes ont tous leurs caractéristiques -dont la tension de plateau-, le générateur THT est prévu pour fournir une tension ajustable entre 300V et 600V. Les 10% restants concernent la régulation de la THT en cas d'absence de radiations (et donc une économie de consommation). Le circuit (un astable) sera intégralement expliqué.
Le tube geiger 18504 est assez particulier en son genre : il est pourvu d'une fenêtre en mica permettant aux bêta faibles d'être détectés. En outre, son seuil de sensibilité commence aux alentours du rayonnement de fond (23µR/h pour 20IPM) et atteint environ 11000 IPM (temps mort de 90µs) soit une exposition de 0,5R/h, lui permettant de détecter des objets à peine plus radioactifs que le fond, comme les champignons de mon coin, mais aussi de fonctionner dans un milieu fortement irradié.

2 - Le circuit détecteur :

Un simple amplificateur à transistors, afin d'obtenir le signal sonore typique des compteurs geiger.

3 - Le convertisseur IPS-µR/h: 

Partie la plus délicate quant à la valeur de sortie (en mR/h dans notre cas). Je vais utiliser la courbe constructeur (Milliwatt/Phillips) qui permet de trouver une équivalence entre Impulsions Par Secondes et exposition en mR/h.

Il sera alors possible, moyennant un pont diviseur de tension, de sélectionner le calibre de mesure : 10-100µR/h, 0,1-1mR/h, 1-10mR/h, 10-100mR/h et 0,1-0,5R/h.

Pour rappel, voici les seuils d'exposition et les effets qui en découlent :


 The Range From Harmless to Serious Exposures
As we have seen, all of us are exposed constantly to natural radiation, which in some cases equals eight-tenths of one roentgen a year.

The body may safely receive considerably greater doses of radiation because the effects are repaired almost as rapidly as they are produced. Over a period of many years, a human may safely receive in small doses a total amount of radiation which would cause fatal illness if administered to his whole body within a period of a few minutes.

A dose of three-tenths roentgen per week [NDtarsonis : 300mR/w] has been accepted by both national and international groups of experts as the maximum dose rate which may be delivered to the whole body for an indefinite period of years without hazard. This does not mean that three-tenths roentgen is the largest exposure which may be incurred in one week without hazard. Occasional exposures well above this figure will have no detectable bodily effect.

The lowest dose, received in a brief period, which will produce detectable effects in the body is about 25 r. and for many individuals will be 50r.
This 25 r.-50 r. range is generally considered an overexposure.
Radiation sickness follows exposure somewhere in the 75 r.-100 r. range, with nausea and vomiting occasionally found as low as 100 r.
Serious illness, from which people will recover with proper attention--will result at the 200 r. level.
Exposure to 400 r. in a brief period will probably kill 50 percent of all persons exposed.

Maximum Permissible Dose (MPD)

The limit for the public has been set at 2 mR/hr, or 100 mR for seven consecutive days, or 500 mR/yr. Doses to the public, however, should average less than 100 mR/yr over several years. The dose limit for pregnant radiation workers was set at 500 mR during the course of the pregnancy.

Pour ceux qui souhaiteraient des compléments d'info sur des tubes geiger (équivalences, caractéristiques & co), je peux les fournir par MP.

Bons bidouillages pour ceux qui seront tentés de suivre, et si vous avez des propositions entrant dans le cadre de ce petit cahier des charges, n'hesitez pas à m'en faire part !  



Tarsonis



La suite du projet...
http://www.le-projet-olduvai.com/t5389-un-projet-de-compteur-geiger-a-transistors#95055


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