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Contatore Geiger fai da te: come costruire un contatore geiger con Arduino

Contatore Geiger per Arduino

Contatore Geiger, uno strumento valido per la misurazione del livello di radiazioni. Il recente incidente nucleare nei reattori di Fukushima, in seguito allo tsunami in Giappone, ha fatto risvegliare nel mondo la paura delle conseguenze di Cernobyl. In Giappone c’è chi ha smesso di mangiare alimenti freschi e chi evita di uscire di casa quando piove per non entrare in contatto con l’acqua. Ma anche all’estero nasce l’esigenza di controllare i cibi, specialmente quelli di importazione.

E’ da segnalare a questo proposito l’iniziativa di un ristorante a Taiwan che ha deciso di fornire i clienti di un misuratore di radiazioni in modo da permettergli di controllare in prima persona la qualità del pesce usato per il sushi. E in effetti, come ha dimostrato anche un recente servizio andato in onda su Italia 1 alle Iene Show, questi apparecchi stanno andando a ruba in tutto il mondo. Se prima ogni produttore ne vendeva in media uno al mese, oggi si arriva a spedirne anche un migliaio.

Vi proponiamo un tutorial DIY per fabbricare un misuratore di radiazioni, il contatore Geiger, da portarsi dietro anche quando si va a fare la spesa e si acquistano prodotti freschi importati come pesce e ortaggi.

Contatore Geiger: il circuito stampato

Il circuito stampato si compone di due parti principali, il circuito di potenza ed il circuito di segnale. La parte relativa alla potenza viene utilizzata per offrire la tensione necessaria al tubo (400V – 100V) e il circuito di segnale serve invece ad adattare l’output di impulsi provenienti dal tubo Geiger e a connetterlo all’input del microcontrollore. Una volta che il tubo è stato alimentato, è possibile ricevere gli impulsi nel microcontrollore e contarli, dopo di che, con un semplice calcolo, è possibile ottenere il valore della radiazione. Il codice che viene utilizzato per il circuito conta gli impulsi per 10 secondi, poi è necessario moltiplicare il numero di impulsi per 6 in modo da ottenere il numero di impulsi per minuto (o cpm, pulses by minute); successivamente, in accordo con la documentazione relativa ai tubi Geiger, bisogna dividere il cpm per il fattore di conversione del tubo (360 di default) per avere il valore della radiazione in µSV/h. A seconda del tubo che si utilizza, potrebbe essere che ci sia bisogno di modificare il calcolo, quindi si dovrebbero provare differenti valori e valutare quali di essi funzionano meglio. La componente elettronica usata nel circuito per le radiazioni si può dividere in cinque parti:

1. Alimentazione ad alta tensione

Per l’alimentazione ad alta tensione è stato utilizzato un circuito basato su un oscillatore connesso ad un moltiplicatore di tensione composto di diodi, transistor, resistori e capacitori (vedere lo schema per i dettagli). Con questo circuito si può ottenere una potenza di 500V nel tubo. In questo caso è stata aggiunta una linea di diodi zener connessi in serie che possono essere utilizzati quando si necessitano più di 500V per alimentare il tubo. Si devono aggiungere tanti volt all’output quanti volt vengono aggiunti ai diodi zener.

2. Circuito di adattamento per output Geiger

Il circuito di adattamento per l'output si basa su un transistor NPN, il quale attiverà il pin di interrupt nel microcontrollore; questo transistor può anche attivare o disattivare la speaker Piezo e l'indicatore LED che genera il segnale audio e visivo.

3. Speaker Piezo e indicatore LED

La speaker Piezo e l'indicatore LED sono collegati al circuito di adattamento, quindi ad ogni impulso, il LED lampeggerà e la speaker emetterà un suono.

4. Lo schermo LCD

Lo schermo LCD è connesso al microcontrollore utilizzando una modalità a 4 bit (quattro linee di dati e in aggiunta a RS, Enable e le linee di controllo RW).

5. La barra dei LED

La barra dei LED è formata da cinque LED standard, tre verdi e due rossi. Questi LED sono collegati a dei pin digitali del microcontrollore con un resistore in serie.

Contatore Geiger: connettere il circuito ad Arduino

Se il circuito viene collegato ad Arduino, l'alimentazione viene presa dal pin da 5V e gli impulsi possono essere contati utilizzando l'interruzione 0 (pin digitale 2). La barra dei LED è connessa ai seguenti pin digitali:

• LED verde 0 => Digital pin 9

•LED verde 1 => Digital pin 13

• LED verde 2 => Digital pin 12

• LED rosso 0 => Digital pin 11

• LED rosso 1 => Digital pin 10

Contatore Geiger: il tubo Geiger

Il tubo Geiger - Muller, utilizzato per il contatore Geiger, consiste in un tubo riempito con un gas inerte a bassa pressione (circa 0.1 Atm) come ad esempio l'elio, il neon o l'argon (di solito però il neon) ed un vapore organico o un gas alogeno. Il tubo contiene degli elettrodi, tra i quali vi è una differenza potenziale di diversi centinaia di volt (circa 500V), ma non è presente alcun flusso di corrente. Le pareti del tubo possono essere sia interamente di metallo oppure possono avere la superficie interna ricoperta con un conduttore per formare il catodo, mentre l’anodo è costituito da un filo che passa sopra il centro del tubo. Quando la radiazione ionizzante passa attraverso il tubo, una parte delle molecole del gas vengono ionizzate, per cui vengono creati degli ioni carichi positivamente e degli elettroni. Il forte campo elettrico che viene creato dagli elettrodi del tubo accelera gli ioni verso il catodo e gli elettroni verso l’anodo. Le coppie di ioni acquisiscono sufficiente energia per ironizzare altre molecole del gas per mezzo delle collisioni lungo il percorso, creando quindi una sorta di valanga di particelle cariche. Il risultato consiste in un breve, intenso impulso di corrente che passa (o che scende a cascata) da un elettrodo negativo ad un elettrodo positivo e viene misurato o contato.

Contatore Geiger: tipi di radiazione

Vediamo quali sono i tipi di radiazione che passano attraverso il tubo di Geiger:

Alpha

Una radiazione Alpha è costituita da particelle cariche positivamente (+2) emesse dal nucleo di un atomo durante il processo di decadimento. Queste particelle sono anche molto dense, il che, con la loro forte carica positiva, preclude una loro penetrazione più profonda di un pollice in un foglio di carta. A causa di ciò, le particelle Alpha non costituiscono un serio pericolo per la salute, ad eccezione di quando esse sono emesse all'interno del corpo, come ad esempio in seguito ad ingestione; in quel caso la loro energia elevata pone in estremo pericolo i tessuti sensibili vivi. Una debole forma di radiazione ionizzata è riscontrabile su alcuni modelli di contatori Geiger, di solito quelli che incorporano una sottile finestra in mica alla fine del turbo Geiger - Muller.

Beta

Una radiazione Beta è costituita da particelle cariche negativamente (-1) emesse da una durante il processo di decadimento. Queste particelle sono relativamente leggere e possono penetrare alquanto meglio rispetto ad una particella Alpha, nonostante soltanto per pochi millimetri in più (al massimo) nell'alluminio. Se viene ingerita, la radiazione Beta può risultare pericolosa per un tessuto vivo. Una forma relativamente debole di radiazione ionizzata e rintracciabile su molti contatori Geiger e in genere dipende dallo spessore della parete del tubo Geiger - Muller o dall'esistenza di una finestra alla fine del tubo.

Gamma

La radiazione Gamma rappresenta un estremo dello spettro elettromagnetico, in particolare quella radiazione che presenta la frequenza più alta e la lunghezza d'onda più corta. Quello stesso spettro include anche i più familiari raggi X, la luce ultravioletta, la luce visibile, i raggi infrarossi, le microonde e le onde radio, elencate in ordine di frequenza decrescente e di lunghezza d'onda crescente. I raggi Gamma possono passare, virtualmente, attraverso qualsiasi cosa e vengono effettivamente schermati o assorbiti solo da materiali che presentano un peso atomico elevato, come ad esempio il piombo. I raggi Gamma sono prodotti in modo naturale dal sole e da altri corpi situati nello spazio, e la loro trasmissione verso la terra è conosciuta come radiazione cosmica. Un tipo di radiazione ionizzante molto potente e altrettanto pericolosa è virtualmente rintracciabile su tutti i contatori Geiger.

Radiazione di fondo

Certi minerali che costituiscono una parte della Terra e che contengono gli elementi radioattivi Uranio e/o Torio, sono anch'essi emissori di raggi Gamma. Questo, insieme alla radiazione cosmica (i raggi Gamma che provengono dal sole ad altre stelle), crea una combinazione che produce il "conteggi di fondo" di un contatore Geiger. Di solito, questo rientra in un range compreso tra i 15 ed i 60 conteggi al minuto, ma può variare a seconda della localizzazione (del contatore) sulla Terra, dell'altitudine e dell'efficienza del contatore Geiger. Il conteggio di fondo dovrebbe essere sempre sottratto dalla lettura generale che deriva da una specifica sorgente radioattiva. Una comune radiazione di fondo va da 0.041μSv/ora a 0.081μSv/h (3650 - 7200μSv/anno).

Contatore Geiger: i tubi Geiger supportati

L'idea che sta alla base del rilevatore di radiazioni è quella di renderlo compatibile con diversi tubi Geiger di differenti produttori. Per questa ragione sono stati pestati e convalidati i tubi prodotti da LND (US), GStube (Russia) e North Optic Electronic (Cina). In linea generale, ogni tubo Geiger che funziona all'interno di un range di tensione compreso tra 400V e 1000V può essere integrato; secondo questa definizione, anche altri tubi Geiger di produttori come Centronic e Vacutec possono essere considerati validi, benché non siano stati testati a causa del loro alto prezzo.

Riassumendo

I tubi cinesi di North Optic si dimostrano più economici ma sono anche troppo grandi (22 cm) per poter essere semplici da usare. I tubi di LND presentano delle grandi dimensioni e delle ottime caratteristiche poiché sono in grado di identificare ogni tipo di particella, ma il loro costo è più del triplo rispetto ad altri modelli. I tubi russi di GSTube, invece, rappresentano in qualche modo una soluzione intermedia, poiché vantano buone dimensioni (7 cm al massimo) e al tempo stesso riescono a mantenere un prezzo accessibile e caratteristiche più che discrete. Per questo motivo sono stati scelti per la realizzazione di questo progetto.

Contatore Geiger: fonti per i test

Al fine di testare il circuito con sensore per le radiazioni, sono stati utilizzati l’Americio ed il vetro all'uranio.

Gamma Test

Come precedentemente commentato, tutti tubi Geiger rilevano radiazioni Gamma che provengono da una radiazione di fondo, quindi basta accendere il Contatore Geiger per ricevere un intervallo casuale di rilevazioni che normalmente va da 10 a 30 impulsi per minuto, e dipende da diversi fattori, come ad esempio l'altitudine, la posizione, ecc.

Test Beta e Gamma

Per testare se il proprio Contatore Geiger sta rilevando particelle Beta e Gamma, possiamo utilizzare il vetro vasellina, un materiale che contiene una percentuale molto piccola di uranio (0,2%) e possiede proprietà fluorescenti che si manifestano quando esso viene caricato di luce ultravioletta.

Attuatori: speaker, LED e LCD

Sul circuito sono presenti tre differenti attuatori, speaker, LED e LCD. La speaker emette un suono ogni volta che un impulso viene generato, poiché è connesso direttamente all’output del tubo Geiger, producendo il tipico cinguettio. Nel circuito stampato vengono utilizzati diversi indicatori per mostrare agli utenti il livello di radiazione. Vediamo cosa succede se si connettono un LED ed una speaker Piezo al’output del tubo Geiger. La speaker riprodurrà un suono udibile, una sorta di cinguettio per ogni particella contata e anche il LED lampeggerà una volta per ogni particella. Inoltre è presente una barra di LED (tre LED Verdi e due LED rossi) che può essere controllata direttamente da Arduino, visto che ogni LED è connesso ad un pin digitale (vedere lo schema ed il codice). Questa barra può essere configurata per ottenere informazioni visuali riguardo la carica radioattiva che si sta misurando. Per finire è presente uno schermo LCD su cui vengono mostrate le informazioni relative alla radiazione (conteggi per minuto e μSv/h).

Dagli conteggi per minuto ai Sievert

Le unità misurate dai tubi Geiger sono in pratica il numero degli impulsi generati. Questo significa che è in un secondo si avranno "n" conteggi (conteggi del secondo o cps) e in un minuto i conteggi per minuto (cpm), appunto. Questo valore è comune per tutti i tubi Geiger, anche se non rappresenta un valore dell'energia ma solo il numero di impulsi. Al fine di ottenere la reale energia irradiata e la quantità che viene assorbita da un corpo, c'è bisogno di sapere quanti Sievert per ora stanno producendo gli impulsi. La formula che serve per passare da cpm a Sievert dipende principalmente dal tubo Geiger: la sua dimensione, la sua forma, il materiale di un composto, la sua sensibilità, il tempo morto, il tipo di particella misurata, ecc. Normalmente un fattore di conversione può essere estratto dalle tabelle fornite dal produttore nel processo di calibrazione:

cpm x fattore di conversione = μSv/h

Per esempio, i fattori di conversione per il tubo LDN-712 è 0,00233, mentre per il tubo SBM-20 è pari a 0,00277; ciò significa che rilevando 120 cpm, otterremo il seguente valore (sempre secondo del tipo di tubo usato):

LDN-712 : 120 * 0.00233 = 0.27μSv/h

SBM-20 : 120 * 0.00277 = 0.33μSv/h

Da notare che questo fattore di conversione è stato estratto dal produttore durante il processo di calibrazione. Tuttavia, il valore risulta accurato solo quando l'elemento che sta irradiando è lo stesso che è stato utilizzato nel processo di calibrazione.

Livelli pericolosi?

Una volta che si è in grado di leggere il livello delle radiazioni fornito dal contatore Geiger, nella propria casa, nel giardino e al supermercato, bisogna capire se il livello è pericoloso o rientra in una soglia normale. Il pericolo, quando si viene esposti ad una sorgente radioattiva, dipende principalmente da due fattori: il livello di radiazione (μSv) e il periodo di esposizione (t). Per questa ragione, quando le autorità devono stabilire i massimi livelli utilizzano come riferimento le radiazioni assorbite in un intero anno: il limite è stato stabilito in 50000 μSv. Il problema consiste nel tempo che si impiega a ricevere il livello massimo di radiazioni. In condizioni normali, anche dopo un anno, si sarebbe ancora lontani da questo punto, con livelli vicino a 3650 μSv. Nel caso in cui si viene sottoposti ad una scansione medica si ricevono 3000 μSv per una mammografia o 20 μSv per i raggi al torace. Insomma, decisamente lontano dal punto di rischio, a meno che non si venga sottoposti continuamente a dei test. Una comune radiazione di fondo corrisponde a circa 0,081µSv/h, quindi in un anno si riceve un quantitativo pari a 3650 µSv. Ad ogni modo, essere in grado di misurare i livelli superiori a 0,1 µSv/h, può essere utile per avere informazioni valide riguardo valori anormali riscontrati quando vengono analizzati attrezzi, pelle delle persone e perfino il cibo. Se si calcola la radiazione media (per ora) che si ottiene dividendo il livello massimo per il numero di ore in un anno (50000 µSv)/(24 * 365), otteniamo il livello massimo di radioattività per ora, pari a 5,70 µSv/h. Il 21 marzo a Fukushima il livello era di 7,47µSv/h .

Vediamo altri livelli di riferimento (solo il valore nominale, non il tempo di esposizione):

• 10 μSv – La radiazione media ricevuta in un giorno

• 40 μSv – La radiazione che si riceve prendendo un volo da New York a Los Angeles

• 100 μSv –La radiazione che si riceve durante i raggi X ai denti

• 800 μSv – La dose totale di radiazione presso Three-Mile Island per tutta la durata dell'incidente

• 3000 μSv – La dose di radiazione per una mammografia

• 3600 μSv – La radiazione media che un cittadino riceve in un anno da diverse sorgenti

• 50000 μSv – La dose massima di radiazione consentita in un anno

• 100000 μSv – La dose annuale più bassa di radiazioni che viene associata con l'aumento del rischio di cancro

• 2000000 μSv – Forte avvelenamento radioattivo (a volte fatale).

Per concludere..il codice sorgente.

La scheda Arduino disponibile da Farnell

 

 

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ritratto di slovati

radiottività

Sicuramente un progetto interessante, e più che mai di attualità, anche se immagino che il costo dei componenti non sia proprio trascurabile. Ho sentito che quando la nube radiottiva proveniente da Fukushima (o quel che ne restava) è passata qui da noi, chi poteva disporre di contatori Geiger ha effettivamente misurato un valore sensibilmente superiore alla norma. Ricordo anche che dopo Chernobil Nuova Elettronica pubblicò dei kit completi di misuratori di radiottività. Certo allora era soprattutto una necessità, ma è comunque uno strumento che farebbe comodo avere (anche solo per capire se te la stanno raccontando giusta o meno...)

ritratto di linus

infatti

Anche in quest'ultimo episodio nucleare è aumentata la richiesta di contatori Geiger, tanto è vero che i kit di N.E. sono andati in esaurimento, e uno di questi nel giro di pochi giorni ha raddoppiato il prezzo. Considerando il prezzo totale è sempre più conveniente di uno già fatto, poi dipende da che sonda si vuol montare.
Comunque, da una breve ricerca in rete questa shield dovrebbe costare circa €95 compreso il tubo, €65 senza, bisogna vedere se anche i tubi più economici sono accoppiabili a questa scheda.

Ho visto lo schema, ma ho avuto l'impressione che manchi qualcosa, dalle foto, il display mi sembra il classico Hitachi a doppia riga.

ritratto di Emanuele

Contatore geiger fai da te

Molto, ma molto interessante questo progetto! Oltre che attualmente utile, è sicuramente una base per avventurarsi nel mondo della misura, dosimetri ed in particolare delle radiazioni.

@linus
a cosa ri riferisci?
Il display non è indicato in quanto gestito direttamente dall'arduino.
In generale anche a me il circuito lascia un senso di semplificazione estrema, sicuramente ideale per il mondo hobbistico ma forse poco affidabile.

Fateci sapere se qualcuno ha avuto modo di realizzarlo questo contatore geiger fai-da-te anche con micro diversi da Arduino e magari con circuito stampato autocostruito

ritratto di Giovanni1964

contatore geiger

caio a tutti. Interessante il contatore geiger fai da te. C'e' qualcuno in grado di costruirlo per davvero? E quanto potrebbe costare?
grazie
Giovanni

ritratto di luigieos

Realizzazione del contatore

Ho ordinato il kit completo da Libelium, ma la consegna ha un notevole ritardo causa la grande richiesta.
In passato ho realizzato il secondo Kit di NE e ne sono stato soddisfatto.

Questi contatori "amatoriali" non devono essere pensati come professionali, ma devono servire a noi, comuni mortali, per monitorare i luoghi che frequentiamo o sospetti.
A fronte di anomalie dobbiamo informare le ARPA che provvederanno a fare le misure "serie".
Di questi tempi è bene non fidarsi di nessuno e un controllo distribuito sul territorio è quanto di meglio si possa realizzare.

Luigi

ritratto di Davide Japan

Kit Libelium

Salve,

A metà Dicembre del 2011 dovrei andare in Giappone e vorrei portarmi un contatore Geiger. Potresti gentilmente indicarmi dove hai ordinato il kit Libelium e se conosci altir siti dove ordinarlo. E' compreso anche il display e il tubo? Se no, dove mi consigli comprarlo?

Ho già l'arduino uno e desidero sapere se già lo hai provato ed è tutto funzionante.

Grazie infinitamente

ritratto di Davide Japan

Modello

Ciao Luigi,

posso sapere quale modello hai comprato, quello con il tubo o senza? Lo hai già provato? Hai avuto problemi di funzionamento?

Grazie
Davide

ritratto di Andreazeta

In Italia credo sia vietata la vendita dei contatori Geiger .

Nel 1980 volevo costruire un contatore Geiger di vecchio tipo usando un vecchio progetto di Elettronica Pratica risalente al 1968 se ricordo bene .
L"elettronica del vecchio progetto era di semplice realizzazione era economica è affidabile , l"unica parte costosa era il tubo rilevatore che presumevo si fosse abbassato molto essendo di vecchio tipo è in produzione dagli anni 60 .
Il circuito elettronico poteva usare 2 tipi di tubi rilevatori di fabbriche diverse senza modifiche .
Non ho trovato nessun tubo rilevatore da nessuna parte e di nessun tipo in nessun negozio di elettronica !
Mi è venuto il forte sospetto che il regime dittariale-democratico italiano vietasse la vendita è diffusione dei contatori Geiger e che impedisse una eventuale auto-costruzione di un contatore Geiger fai da te !
Allora ho chiesto alla GBC se vendevano un contatore Geiger mi hanno risposto di averli finiti e che dovevo aspettare 1 mese è pagare una caparra .
Ho pagato la caparra !
Ho aspettato inutilmente x un"anno e nel frattempo ho girato x tutti i negozi di elettronica nella speranza di trovare un tubo rilevatore x auto-costruirmelo oppure un contatore già fatto ,
Non ho trovato assolutamente nulla in 12 mesi di ricerca continua !
Avevo anche la sensazione di essere spiato durante le mie ricerche .
Allora ho capito che i miei sospetti che in Italia il regime vietasse la vendita e la detenzione di contatori Geiger fosse esatta .
Mi sono fatto ridare la caparra e ho abbandonato ogni mio interesse nell"acquisto o costruzione di un contatore Geiger .

ritratto di Davide Japan

Contatore Geiger autocostruito

Ciao Andreazeta,

per quanto riguarda il tua problema penso di poterti aiutare in quanto ho già auto-costruito di recente un contatore Geiger senza avere i tuoi problemi, oppure se vuoi posso venderti solo il tubo geiger. Fammi sapere se hai bisogno.

Grazie e ciao

ritratto di andrea

ciao, non sono molto pratico, però volevo chiederti, che tubo c

ciao, non sono molto pratico, però volevo chiederti, che tubo consiglieresti di usare che non costi sopra i 100 euro?
E inoltre, dove si possono trovare, perchè sul sito di gstube non saprei dove mettere le mani...

inoltre, mi piacerebbe capire, data la mia completa ignoranza(occhio che arriva la domanda più nabba) il funzionamento dei diodi zenzer, cioè, se questi sono un tot di base nel circuito e ne vengono usati tot a seconda del tubo che si mette, o se diciamo che il circuito va costruito a partire dal tubo scelto(quindi infilando un tot numero di diodi.

grazie di tutto,
per il resto sto cercando di arrangiarmi e capire da solo :D

ritratto di andrea

qualcosa tipo questo: href="http://www.ebay.it/itm/Russia

qualcosa tipo questo:
http://www.ebay.it/itm/Russian... ?

ritratto di andrea

o questo: href="http://www.ebay.it/itm/LND-712-Geiger-Mul

o questo:
http://www.ebay.it/itm/LND-712... ?

magari comunque mi piacerebbe spendere un pò di meno :P

ritratto di Luigi.Chittaro

Contatore geiger

Scusate vorrei sapere quanto costa il contatore geiger completo e già montato e dove e possibile ordinarlo eventualmente, naturalmente mi riferisco al modello sopra indicato
grazie

ritratto di adrirobot

Progetto theremino Radioactivity

Esiste anche questa possibilità
http://www.theremino.com/downloads/radioactivity
Saluti
Adriano

ritratto di NicolaF

Lista Componenti

esiste una lista di componenti dello schematico?

 

 

 

 

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