[Review] Stylos Dosimètres : Théorie, réparation, tests & co

Salut à tous !

Premier retex de 2019

J'ai trouvé d'occasion sur Leboncoin des stylos dosimètres pour une bouchée de pain.


J'en avais un peu parlé ici : Analyse du projet APOC

Très sommairement, le fonctionnement est très proche de l'électroscope type "Kearny Fallout Meter" KFM que l'on peut fabriquer avec une boite de conserve et du papier alu (Wiki et manuel PDF).


Détails ici :
http://www.oism.org/nwss/s73p938.htm


Ici, il s'agit d'une version professionnelle : Le stylo contient une cuve métallique (une chambre à ionisation) contenant une électrode, reliée à condensateur chargé à haute tension. Une très fine fibre de quartz indique l'état de la charge du condensateur : elle se balade le long de l'échelle visuelle.

Au fur et à mesure que des particules ionisantes traversent la cuve, elles créent des paires ion/électrons qui vont rendre l'air de la cuve un tout petit peu conducteur entre sa paroi et l'électrode, et donc décharger le condensateur.
L'aiguille en quartz indique donc l'inverse de la charge du condensateur : quand elle est à 0, cela indique que le condensateur est chargé à Max, quand elle dévie lentement pour indiquer une dose de plus en plus grande, cela indique que le condensateur s'est déchargé. Quand l'indicateur est au Max de la dose, le condensateur est quasiment vide.

Il y a donc une corrélation assez pratique car on peut extrapoler la quantité d'ionisations qui se sont produites et la dose reçue (via une calibration).

Ces stylos, sans alimentation ni électronique évoluée (un simple condo) sont donc assez faciles à utiliser et autonomes sur le terrain.
Pour suivre la dose, il suffit juste de pointer le stylo sur une source lumineuse et lire la valeur affichée dedans :


NB :
Les stylo doivent porter leur capuchon de protection électrique au bout, qui évite les petites pertes dues aux conditions de stockage. La plupart sont manquants sur ce type de matériel. Il faut bien vérifier ce point à l'achat




Le kit se compose de :


- 6 Stylos de Type FH39B (50R Max), avec une bande orange
- 6 Stylos de Type FH39C (500R Max) , avec une bande violette



(attention, effet de perspective de la photo, les stylos sont de taille identique...)

- d'un chargeur haute tension Type FH390 afin de réinitialiser les stylos à 0R.



A noter qu'il existe plusieurs version de ce chargeur; j'ai celle de 1989 (version 6665-12-123-066).

Le tout passé au compteur geiger fenêtré alpha pour détecter tout trace de contamination : test négatif, on peut continuer.

Le manuel étant entièrement dégradé et irrécupérable (pages collées, friables, etc.), je peux juste constater qu'il s'agit d'une version de 1966.


Il se montre d'ailleurs la plupart du temps manquant... si un membre a en sa possession une version récente, je l'en remercie d'avance de m'éclairer pour compléter ce post

Je ferai donc ma review par analyse pratique.

On peut se reporter au manuel que l'on trouve sur le net ici :

http://www.electronic-idea.de/wordpress/wp-content/uploads/2014/02/Strahlendosimeter_300dpi.pdf

Mais il date clairement des années 60, donc ne s'applique sans doute pas rigoureusement.


Les unités de mesure :

On utilise en général un facteur de conversion brutal à la louche, car le Röntgen est une unité d'exposition, alors que le Sievert est une unité une dose équivalente.
Ce serait un peu comme comparer des Volts et des WattHeure.
On applique communément une conversion Röntgen/Rem avec 1R <-> 0,96rem (Rontgen Equivalent Man) pour les tissus mous (il y a un facteur de pondération),  puis 1Rem <-> 10mGy.
Puis on passe du Gy/Sv avec un facteur de pondération de rayonnement de 1 car l'objet étant en métal épais, on considère ne mesurer que les X/Gamma (Wr=1).

Au final, on retrouve un équivalent assez grossier mais très pratique (surtout pour les anciens appareils) de 1R <-> 10mSv (et la plupart des PCR font un arrêt cardiaque...)



On a donc des stylos "500 mSv", considérés comme une "faible dose" (bien que déjà vraiment élevée), car encore dans la zone stochastique des effets des rayonnements ionisants, tandis que le Stylo "5 Sv" se classe dans les doses létales. On comprend alors que ce matériel est prévu pour des militaires évoluant sur un terrain post attaque nucléaire.

Pour plus d'explications sur la physique nuke, cf ce post : Un projet de compteur geiger à transistors

En revanche, ces stylos sont en général gradués par tranches de 5R, donc de 50mSv, ce qui représente la dose généralement admise dans un PPI pour déclencher une évacuation de la population.

A noter également qu'il existe des stylos prévus pour les "faibles" doses comme 5mSv ou 20mSv. Ce tuto s'y adapte sans aucun souci !

La Réparation :


Le vendeur ne le considérait que comme un objet de décoration car le chargeur lui semblait HS.
Vu que c'est une techno allemande de la guerre froide, prévue pour les militaires, j'ai eu de gros doutes, et vu ici un petit challenge à relever.

Tout comme le compteur Geiger des années 50 (ici Compteur Geiger sur Leboncoin ) j'ai été un peu déçu de la panne :

L'alim de la lampe à incandescence était cassée, du coup, il est impossible de lire ou de charger correctement :


Et accessoirement, les contacts de l'interrupteur lorsque l'on branche un stylo étaient un peu oxydés.
Quinze seconde de soudure et un petit nettoyage en sont venus à bout....

J'ai donc un kit en parfait état de marche...moyennant la réparation d'une panne niveau 0.

La fiabilité :


Certains considèrent que les stylos se déchargent naturellement à raison d'environ 1% chaque jour et on retrouve de beaux graphs de croissance de dose.
Amha il s'agit d'une erreur de traduction :
- car cela représenterait une dose énorme en marge d'erreur avec en gros à la louche 5mSv/jour pour le 50R (respectivement 50mSv/jour pour le 500R), soit entre 2 et 5 fois (respectivement 20 à 50 fois) la dose annuelle normale !
A titre de comparaison, les liquidateurs de Tchernobyl auraient reçu en moyenne environ 100mSv.

- mais aussi car le manuel d'origine allemand parle d'une fluctuation normale les premiers jours. Page 15 :


Et avec l'aimable traduction de Rammstein :

Lorsque la température ambiante augmente, l'affichage du dosimètre augmente au maximum de 0,30% par °C. Avec pour exemple une valeur réglée à +20°C  sera affichée à une température à -5 °C à une valeur inférieure de 7,5%, ou à une valeur de 6% supérieure à 40°C.

Détarage
Même sans irradiation peut survenir dans le dosimètre une perte de charge, qui conduit à une légère augmentation de la valeur affichée. Ce détarage s’élève normalement à moins de 1% de l’échelle par tranche de 24 heures, et ne doit pas être considéré comme consécutif à l’irradiation.  
Le contrôle de ce léger détarage devient nécessaire lors de difficultés de lecture, de façon appropriée sur une période de 5 jours ; il ne doit pas excéder à l’issue de cette période plus de 5% de la valeur ultime de l’échelle.

Afin de minimiser le détarage, il convient de maintenir les dosimètres chargés en permanence pendant leur stockage.

Donc sommairement, il faut rigoureusement contrôler les stylos dans les cinq premiers jours post-recharge car ils peuvent présenter une déviation de 1% par jour. Au delà, c'est censé être stable.


La conception :

Le Chargeur est de conception très robuste en acier et étanche avec des joints sur toutes les parties amovibles.
A l'ouverture, on constate plusieurs choses; il est prévu pour être ouvert et réparé, notamment avec la lampe de rechange.
Les soudures sont impeccables (sauf celle de la lampe...), les fixations sont solides et tout est isolé proprement.

Bref, La conception est clairement renforcée pour les militaires.



Au premier coup d'oeil, on remarque que le circuit est beaucoup plus complexe que ne le suggère le schéma du manuel.


J'ai pu récupérer un tout petit morceau du schéma en grattant au cutter; il me permet de constater qu'il ne correspond absolument pas au circuit actuel, mais bien à celui d'origine : même implantation, même référence de transistor au germanium OC76, alors que l'actuel est un Silicium BSX46-16.


Donc en gros, il ne semble pas exister de schéma d'implantation pour la dernière génération de FH390.

Mais on peut repérer plusieurs parties :


- Le transistor de charge, car il attaque un bobinage du transformateur.
- un transistor supplémentaire, relié entre la base du transistor de charge et couplé à la Haute tension et un pont diviseur (cf ce post : Mesurer une haute tension avec un pont diviseur et un multimètre). On peut conclure qu'il s'agit d'un transistor de régulation.

- la partie redressement et ajustement de la haute tension, avec des diodes, des diodes zener et un condensateur haute tension.

Du coup, je suis tenté de faire un peu de reverse engineering pour permettre aux réparateurs d'entretenir ce genre de matos.

Ce que j'ai trouvé assez hallucinant, c'est que l'implantation est extrêmement proche de mon projet de compteur geiger développé à part de A à Z, dans le topic ici : Un projet de compteur geiger à transistors

Donc, en gros, quand on souhaite développer des circuits résilients et robustes, on arrive aux mêmes solutions que les militaires....

Accessoirement, pour ceux qui auraient juste les stylos sans le chargeur, un simple circuit d'alim de compteur Geiger avec un pont diviseur en sortie (en gros un potentiomètre et une résistance) devrait suffire pour les réinitialiser.



Au niveau des tests, le FH390 :

- Consomme 40mA (ici calibre 200mA) pour la génération de la HT :


- Consomme environ 210mA globalement à l'usage (ici calibre 10A), donc environ 170mA juste pour l'éclairage :

Les piles LR20 ayant une charge d'environ 10Ah, cela donne environ 47h d'utilisation, sachant qui faut quelques secondes à peine pour recharger un stylo.

On peut noter deux choses :
- la consommation tient principalement sur la lampe à incandescence. On pourrait multiplier par 5 ou 6 l'autonomie en la remplaçant par une LED blanche.
- le circuit est régulé, mais consomme 40mA pour générer une HT avec forte impédance. Un circuit tel que le mien descend en dessous de 1mA avec une technologie identique. Le remplacement complet du circuit pourrait porter l'autonomie à plus de 600h

La haute tension, mesurée avec un pont diviseur s'échelonne de 100V à environ 350V. La mise à 0R des dosimètres tourne autour de 250V.
Ici par exemple, nous avons 200V à mi-course du potentiomètre :


ratio du pont x mesure en mV
donc 100M/10k x 20mV
dont 10000 * 0,02 V
donc 200V

C'est peut être à peine supérieur si l'impédance est vraiment énorme face à mon pont de 100M (et donc chute un peu pendant la mesure).

Utilisation :

On retire le cache protecteur puis on branche le stylo sur le chargeur. Cela pousse un interrupteur dans le socle qui alimente alors de circuit (qui a son propre interrupteur "bleu". Sans stylo, pas de courant général, à moins de shunter cet interrupteur comme on peut le voir sur certaines de mes photos.


Le trait du stylo face au trait simple du boitier pour juste lire la dose, ou face au double trait - on tourne de 90° - pour une recharge.


L'astuce réside ici dans le fait que le double trait permet d'enfoncer un peu plus de stylo, de sorte à ce que la HT touche la pointe de charge du stylo :

En fait, la HT fonctionne que l'on lise ou recharge le stylo.

La recharge :

Théoriquement, le stylo est déchargé, donc il est conseillé de démarrer la charge avec le potentiomètre dans la partie basse.
Puis, en ajustant ce potentiomètre, on augmente progressivement la tension jusqu’à ce que l'indicateur arrive pile sur 0R :


Petite précision : la fibre peut ne pas être visible : si le stylo est complètement déchargé, ou trop chargé, donc l'indicateur peut se trouver en dehors de la zone visible.

Voici la recharge d'un 500R montrant que l'on peut aller en dessous de 0R, puis y revenir en jouant avec le potentiomètre :

Tests :

J'ai réinitialisé tous les stylos à 0R le 30 Décembre 2018


On remarque que sept des dosimètres restent bien à 0.

Et cinq se démarquent :

Deux de 50R :
- B : Je pense que lors de la rédaction de ce tuto, je l'ai accidentellement déchargé avec le FH390. Un reset a résolu la déviation et semble confirmer ce point.
- E : On pourra noter que lors de l'achat, c'était le seul complètement vide (50R). Un second reset à 0R lui a permis de se stabiliser pour ne plus bouger. Donc le conseil de maintenir les stylos chargés se vérifie.

Trois de 500R :
- J et K : Qui comme E ont présenté une déviation, mais de l'ordre du 1% prévu par le manuel (5R). Un reset à 0 les a fixés à 0R par la suite.
- G : qui est d'ailleurs le plus vieux au niveau des numéros de série. Il a présenté un très forte déviation dès les premiers jours. Le second reset n'a pas suffi, mais la déviation est plus lente. Un 3e reset n'a pas résolu la déviation, mais est à son tour encore plus lente.

Donc sommairement, la remise en charge et les resets successifs m'ont permis de rendre pleinement fonctionnels 11 stylos sur 12.
Seul le G de 500R persiste à dévier hors des clous. Petit détail : son échelle de lecture est très propre, alors que celles des autres présentent des taches et de la poussière (cf les GIF animés). Je suspecte une fuite de courant, due à de l'humidité ou un produit de nettoyage. Si plusieurs autres resets ne suffisent pas, j'envisage un démontage de ce stylo.

A suivre

Belle trouvaille. Et article très intéressant.

Merci

Du coup j'ai honte, car je ne t'ai pas envoyé le schéma promis...   



Concernant le dosimètre G : une précaution à prendre est d'éviter les objets électrostatiques. Il se peut que le ltien ait été accidentellement en contact avec un objet électrostatiquement chargé.

Les soviétiques avaient également un jeu de dosimètres similaire à tout épreuve, dénommé ID-1.



Rammstein

Hello,
aucun souci ! Et merci pour l'info sur la charge électrostatique. Ce que je ne comprends pas avec le dernier stylo récalcitrant, c'est qu'il semble se décharger, mais ensuite il se stabilise à quelques dizaines de Roentgens. D'ailleurs lorsque j'ai récupéré l'ensemble, il n'était pas au max mais un peu au dessus de 300R.... je pense l'autopsier d'ici peu

Du coup notre ami Cyrus m'a envoyé une copie du manuel actualisé concernant la version transistorisée. Mille mercis !

Comme l'ensemble a des warnings un peu partout concernant les droits, je me permettrai pour l'instant que de ne citer que le schéma :

On remarque que cela colle bien avec mon interprétation du circuit un peu plus haut :





Alors comme demandé par MP, petit comparatif par rapport au schéma d'origine :


- Il y a deux condensateurs électrolytiques C1 et C2 en parallèle du circuit générateur HT : Ils stabilisent -un peu- la consommation et la régulation de l'ensemble, et suppriment les ondulations résiduelles. Le circuit ne chauffe pas et ces condos ne me semblent mis à rude épreuve (c'est en basse tension, etc.). Donc le risque de panne me semble assez faible. Au mieux leur valeur varie un peu, mais avec des électrochimiques on est habitués à travailler avec des marges d'au moins 50%, donc on s'en fiche. Au pire ils se mettent en court-circuit et claquent avec un peu de fumée...ce que je n'ai jamais vu en basse tension (<5V).

- Il y a une régulation en courant. C'est une étape importante car il s'agit d'une charge haute impédance des stylos. La HT débite très peu, donc il est inutile de faire fonctionner le générateur quand la HT a atteint son Max. Cela fait en général baisser la consommation de quelques centaines de mA à quelques dizaines de mA. Ici en gros 40mA, que je trouve encore élevés (mon circuit avec techno très proche tape dans les 0,5mA). On peut facilement tomber sous le mA, mais cela demande des ajustements avec quelques résistances de plus, prenant en compte les petites variations de tous les composants.
Amha les militaires ne l'ont pas prévu, préférant optimiser la fabrication, la place et le coût et avoir une régulation à la louche que de devoir contrôler et ajuster tous les circuits manuellement.

- Les diodes Zener remplacent le tube à gaz. Pour ceux qui suivent mes projets, c'est le même principe que celui développé dans Le plus simple compteur Geiger Müller au monde DIY et dans [Chroniques du Bunker de L'Apocalypse]



Les zener offrent amha une plus grande stabilité de la HT, les tubes ayant tendance à avoir une plage de fonctionnement beaucoup plus grande (chute de plusieurs volts après amorçage).

- Le reste, avec pont diviseur est quasiment identique.

Dans la pratique, il y a amha assez peu de risques de pannes. Perso j'y vois un risque de :

- connexion cassée : c'était le cas ici avec la lampe, mais cela peut toucher tous les fils.

- de piste oxydées ou coupée : le circuit est en époxy et tropicalisé (avec du vernis), mais cela peut se produire avec une grosse humidité et des secousses.... un peu typiquement les conditions des militaires. C'est pourquoi le manuel traite de la réparation point par point de toutes les parties du circuit.

- d'oxydation des contacts et interrupteurs : c'était un peu le cas.

- un transistor brûlé : possible si on bidouille le circuit en fonctionnement. Un court-circuit sur la base ou en sortie peut faire monter la consommation à plusieurs ampères, et détruire le transistor. C'est un peu plus pénible à réparer puisque pour tester le transistor, il faut le dessouder.
Les zener et la diode HT se trouvent très proches de la carcasse (qui fait masse). Lors d'un remontage, j'avais mal revissé l'ensemble et ai remarqué que la HT et la masse se touchaient. Afin d'éviter ce problème, j'ai ajouté un scotch d'isolation électrique à l'intérieur.

- de crasse sur les composants, qui peut modifier les valeurs des résistances haute tension, et produire une HT complètement erratique.

J'ai moi aussi ce matériel et j'avais remarqué le même comportement, certains stylos se déchargeaient rapidement. J'espère ne jamais avoir à m'en servir mais tes infos sont intéressantes !