ポータブルで高感度、低消費電力のアナログガイガーカウンター

ポータブルで高感度、低消費電力のアナログガイガーカウンター 以前のガイガーカウンターに関するページをご覧になった方もいるかもしれません。そこに書かれているように、ガイガーカウンターの製作とそれにまつわる作業は、エレクトロニシャンとしての私の人生に寄り添ってきました。14歳くらいの頃、様々な電子機器を紹介する古いドイツの本でガイガー・ミュラーカウンター管について読みました。チェルノブイリの災害が起きたとき、私は小さな古いガイガー管を購入し、最初のカウンターを製作しました。そして今、数十年を経て、非常に高感度で応答性の速い、しかし極めてシンプルで電力効率の良いアナログポータブルガイガーカウンターを製作することで、この章を締めくくろうとしています。 ガイガー管に関しては、サイズが重要です。管が大きいほど、同じ放射線強度に対して毎分より多くのカウントが得られます。これは単に、そのキャプチャ面積が大きいからです。通常の背景放射線レベルでは、非常に小さなガイガー管は毎分数カウントしか生成しない可能性があり、意味のある測定を得るには数分間の平均化が必要です。大きな管は毎分より多くのカウントを提供し、同じ品質の測定を得るために、はるかに短い時間で平均化することを可能にします。逆に、高レベルの放射線レベルでは、小さな管の方が優れています。なぜなら、大きな管はあまりにも多くのカウントを生成し、管が前のカウントから回復している間にカウントが失われるため、線形性を失うからです。私は背景レベルや、背景の数倍程度の弱い放射線源のような非常に低い放射線レベルの測定にしか興味がないため、大きなガイガー管が必要でした。私は中国製のJ306β管（ガラスバージョン）を購入しました。これは平均的な背景放射線で毎分88カウント、または1μSv/hの放射線強度で毎秒8カウントを生成すると評価されています。この管は長さ約20cm、直径約18mmです。 マイクロコントローラーを使用してパルスをカウントし、LCDに様々な処理された測定値を表示するか、古典的な方法で単純な回路とアナログメーターを使用するか、どちらを選ぶかについてかなりの時間を費やしました。それぞれの方法には独自の利点があります。マイクロコントローラーは長期間のカウントを統合でき、安定した放射線レベルを測定する際に精度を高め、長期間の総線量も測定できます。一方、アナログメーターは、ディスプレイの数字を読み取って解釈するよりも、針が上がるのを見る方がはるかに簡単であるため、放射線源のエリアをスキャンする際にはるかに便利です。両アプローチの間で引き分けのような状態でした。最終的な決定要因は、この大きな管を使えば、単純なアナログ低域通過回路を使用するだけで十分な平均化を容易に行えることであり、これは小さな管を使用する場合には実際には実用的ではありません。したがって、ルールは次のようになります。低レベル放射線を測定するために使用される小さな管は、デジタルカウンターと共に使用する必要がある一方、大きな管は低放射線レベルでもアナログ回路を使用できます。高レベルでは、どんなサイズの管でもアナログ回路で機能します。 私がアナログガイガーカウンターを製作するという決定は、多くの中国製デジタルガイガーカウンターが広く入手可能であるという事実によってさらに裏付けられました。自分で製作する代わりに、中国から既製品を購入する方が、より実用的でさらに安価になるでしょう。そのため、今日自宅でガイガーカウンターを製作する意味を持たせるために、私はアナログを選びました。私のカウンターには2つのレンジがあります。ローレンジでは、フルスケールは1μSv/hですが、ハイレンジは10μSv/hまでです。もしスケールを振り切るようなものがあれば、正確にどれだけの放射線量があるかを測定するよりも、逃げたいと思います！そのため、10μSv/hより高いスケールは必要ありません。平均時間はローレンジで4.4秒、ハイレンジで0.44秒です。この平均時間の変更は、高い放射線強度で得られる高いカウントレートと組み合わされ、両方のレンジで同じ程度の針の安定性を生み出します。ハイレンジでは、応答時間はほぼリアルタイムであり、エリアの非常に迅速なスキャンを可能にしますが、ローレンジでもスキャンを可能にするには十分に速く、ただしより遅いペースになります。 各カウントごとにクリック音が聞こえるようにスピーカーを含めました。しかし、私の実体験では、クリック音を聞くことは、ガイガーカウンターのクリックの不規則な間隔を考えると、カウントレートの適度な増加を耳で明確に認識するのは少し過大評価された機能です。実際にはメーターを見る必要があります。いずれにせよ、クリック音はクールです。 回路を開発している間、私は省電力モードでした。9Vバッテリーの使用をベースに回路を構築し始め、いくつかの調整を経て電流消費を5mAまで削減しました。これをエレクトロニシャン仲間とコメントしたところ、彼はドライに0.5mAの方が良いだろうと答えました。もちろん彼は正しかったので、私は消費電力を削減するために真剣に取り組み始めました。数日後、消費電力は9Vで0.21mAまで低下しました。しかし、そこで疑問が生じました。そもそもなぜ9Vバッテリーを使うのか？これらのバッテリーは、含まれるエネルギー量に対してかなり高価であり、入手もますます困難になっています！単三電池のような、よりコスト効率の良いものを使用する方が良いでしょう。しかし…電池？複数？一体なぜ？ガイガー管はいずれにせよ400Vを必要としますが、1.5Vから400Vへの変換は、9Vから400Vへの変換と難易度は変わりません。そして、回路の残りの部分は5Vから動作しますが、効率的なスイッチングレギュレーターで9Vから5Vへの変換は、1.5Vから5Vへのアップコンバージョンと同様の複雑さです！そこで、回路を単一の単三電池で動作するように変更しました。少し基本的な調整を行った後、消費電力は1.5Vで1.1mAまで低下し、バッテリーの寿命中に電圧が低下するにつれて比例して増加します。両方の電圧コンバーターは、バッテリーが0.8Vを下回るまでレギュレーションを維持します。これにより、単一の単三電池で2000時間以上の計算上の動作時間が得られ、これで十分だと考えられます！私のウェブサイトではいつものように、この回路図をクリックすると、読み取りや印刷に適した高解像度バージョンが表示されます。ご覧のとおり、回路は本当にシンプルです！しかし、そこにはかなりの独創的な考え方が含まれているため、その動作について詳細な説明が必要です。左半分から始めましょう。これは単に電源であり、1.5Vセルから5Vと400Vを生成します。両方の電圧は、もちろんレギュレーションされています。私は、小さな既製の昇圧コンバーターを使用して5Vを生成することで、少しズルをしました。このモジュールはAliExpressで1ドル未満で販売されていますが、内部回路をここに提供しているので、既製のモジュールなしで私のガイガーカウンターをコピーしたい場合は、代わりに裸の部品を使用できます。コンバーターは、ほとんどすべての作業を行う1つのICを使用した、シンプルで基本的なクラシックなブースト回路です。ストレージインダクタ、フィルタコンデンサ、ダイオードのみが外部です。他の同様のチップでは、ダイオードも内部にあり、アクティブレクティファイアとして実装されていることがよくあります！既製のモジュールを購入する場合は、5Vバージョンを入手してください。なぜなら、5Vと3.3Vのフレーバーがあるからです。400Vコンバーターには、私自身の創造性のいくつかが含まれています。そのシンプルさにもかかわらず、それはかなり効率的なパルス周波数変調フライバックコンバーターです。高電圧センシングは、一般的なスイッチングダイオードを逆方向に使用して、130Vツェナーダイオードとして機能させることで提供されます（まあ、厳密には、約7Vを超えるすべてのいわゆるツェナーダイオードは、真のツェナーダイオードではなく、実際にはアバランシェダイオードであると主張する人もいますが、それは別の問題です）。一般的なダイオードをこの用途に押し付けるのは私の発明ではありません。実際、自作ガイガーカウンターでは非常に一般的です。なぜなら、フィードバックパス（私の設計では1μA）で非常に低い電流で良好な電圧安定性を提供し、別の電圧リファレンスやアナログコンパレーター、オプアンプを必要としないからです。フィードバック回路の1μAが400Vで400μWの電力損失を引き起こし、このガイガーカウンターが消費する総電力のかなりの部分を占めるにもかかわらず、それでもなお...