Un module pour votre Compteur Geiger : le compteur/dosimètre numérique (sans microcontrôleur & co)

Salut à tous,
petit chapitre qui sera un bonus du projet de compteur geiger à transistors : un montage qui est à la fois un compteur numérique et un dosimètre (débit de dose).

Au niveau des montages Geiger-Müller, je planchais depuis pas mal de temps sur un circuit qui permettrait d'avoir un compteur en "vrai" numérique (avec des chiffres), mais aussi un convertisseur permettant d'afficher une valeur en µSv/h, indiquant le débit de dose ambiant.
Profitant de quelques heures d'insomnies, je vous présente la version finale du prototype



Ici, l'énorme challenge a été de proposer un circuit sans aucun microcontrôleur, Arduino ou autre bidouille qui nécessite une petite infrastructure d'implémentation ou de programmation.... car la dosimétrie impose de faire des divisions avec les facteurs de conversion.

L'affichage est réalisable avec des CI de la série 40xx, que l'on trouve partout pour quelques dizaines de centimes. Sur du neuf, le coût de l'ensemble du circuit doit tourner autour de 10€, principalement à cause des afficheurs et des CI. En récup, avec de la chance (on en trouve dans les anciens scanners CiBi, ou cf la version à 4017, plus bas), on tombe à presque 0€. Mais en général on achètera chez un fournisseur les 40xx. Donc on monte aux alentours de 3€ pour ces CI.

La conversion en débit de dose m'a pas mal complexifié la tâche, mais j'ai utilisé une astuce qui permet de tout faire avec une base de temps analogique.

Donc au final, le cahier des charges du circuit :

- s'adapte en sortie de n'importe quel montage Geiger capable de sortir une impulsion (sur du jack, en TTL ou n'importe quoi d'autre). L'impédance d'entrée est d'au moins 1MΩ découplée sur une capa, donc on peut brancher ça sur n'importe quel circuit vintage sans le perturber, voire même ceux des topics :  Le plus simple compteur Geiger Müller au monde DIY et Un Compteur Geiger Passif

- consommation de 1mA avec un comptage silencieux (sans affichage), amha on peut descendre encore plus bas car je n'ai pas tout optimisé.
- consommation d'environ 25mA avec affichage usuel
- consommation de 65mA avec affichage plein pot

Il est important de noter que l'essentiel de la conso est due à l'afficheur LED à segments, que j'ai volontairement choisi pour sa robustesse (presque indestructible) et qui se récupère un peu partout. On peut tout à fait le remplacer par un afficheur à cristaux liquides et faire chuter la conso au même niveau que le comptage silencieux.

- Alimenté sur du Li-ion 3,6V usuel (marche aussi sous 3V). On peut laisser l'appareil en monitoring plusieurs mois sans souci.

- Un sélecteur permet de basculer entre :

• un compteur jusqu'à 99999 impulsions : le circuit a été volontairement limité, mais on peut sans souci avec un câblage très simple étendre le comptage autant qu'on le souhaite (le milliard, pourquoi pas).
  
• un dosimètre qui mesure des débits de dose de 0 à 999,99 µSv/h en gros, jusqu'à 1mSv/h avec une résolution de 0,01µSv/h
  

- permet d'alterner deux calibrations : dans cet article, la calibration A correspond à celle du tube SBM-20, tandis que la calibration B correspond au tube 18504 fenêtré. Cela permet d'alterner facilement entre deux tubes ou deux compteurs différents. Idem ici, on peut étendre à un sélecteur multicalibre et en ajouter autant qu'on veut.

- Le circuit a une bande passante d'environ 60kHz, c'est à dire qu'il peut distinguer à peu près 60000 impulsions par seconde. C'est très largement au dessus des capacités des tubes GM (temps mort d'environ 100µS en général), et encore plus des circuits GM. Idem, on peut améliorer en affinant un peu le choix des composants, qui sont principalement de récup ici.

- un bouton "reset" qui permet de remettre le compteur à 0 en mode comptage, et d'initialiser le dosimètre.

- j'envisage d'ajouter un bouton type "hold on" permettant de bloquer le comptage si nécessaire.

- enfin, chaque "nombre" peut être remplacé par une barre de LED.
Le premier proto a été réalisé autour du 4017, qui permet de compter avec 10 leds en sortie. Donc en les branchant en cascade, on peut compter "façon boulier". Ça consomme moins (1 LED par nombre au lieu de l'afficheur 7 segments), c'est plus résilient, mais c'est tout de même plus chiant à lire qu'un afficheur numérique :




Description sommaire :
J'ai fabriqué ce prototype à la volée, au fur et à mesure. Cela m'a permis de tester chaque étage et corriger directement les erreurs, voire d'améliorer dès que nécessaire. Dans ce cadre, je conseille évidemment de placer tous les circuits intégrés sur support, afin de ne pas trop les endommager. Notez le côté "rétro" des afficheurs 7 segments verts, de récup.



Vue avec les 5 chiffres + unité (Coups ou µSv/h).
La circuiterie paraît "clean" côté composant :


....mais elle est toujours un peu farfelue côté câblage (à cause du brochage de la série 40xx); il faut absolument avoir mentalement un plan clair en tête, surtout quand on cherche à modifier un truc ou quand on cherche une erreur (sachant que certains 40xx ont des comportements un peu ésotériques dans certaines configurations).



L'affichage est pilotable en externe. Vue du circuit convertisseur CPM/Débit de dose en prototypage sur plaque d'essai.... un circuit qui peut avoir une apparence cauchemardesque


Puis implémentation finale du proto :


Le circuit entier est indépendant de la connectique, qui se relie avec un connecteur tulipe/tulipe. On remarque d'ailleurs l'évolution du circuit car j'avais prévu 12 broches entre le circuit et la façade.... le dernier proto a eu plusieurs ajouts

Vue avant fermeture :


Quand on connecte tout :


J'ai utilisé mes deux sources déjà décrites sur le forum : une pastille d'Américium 241, issue d'un ancien détecteur de fumée [Chroniques du Bunker de L'Apocalypse] et la pastille au Radium 226, issue du Compteur Geiger sur Leboncoin : Review, Recherches et Risque Radiologique



J'ai utilisé le compteur geiger du topic : Un projet de compteur geiger à transistors, avec le tube BOI-33 polonais (identique au SBM20 russe, sensible aux bêta et gamma) et le 18504 qui est pourvu d'une fenêtre mica, le rendant également sensible aux particules alpha. Ce dernier étant entouré de son blindage.

Cf le topic Tubes Geiger-Müller type SBM-20, STS-5 et BOI-33 pour plus de détails.



Tests :

Ici petite vidéo montrant le circuit en mode comptage :
- avec le tube SBM20, du bruit de fond, du radium 226 puis de l'américium 241
- avec le tube 18504, du bruit de fond, du radium 226 puis de l'américium 241
- en mode "affichage éteint"



On notera, outre les notions usuelles de distance (inverse du carré) et de blindage, que la pastille à l'Am241 n'est théoriquement pas détectable par le SBM20; la plupart des reviews du net classant se radioisotope dans la catégorie des émetteurs alpha purs, ou alors avec un très faible rayonnement de 60keV, considéré comme indétectable. Mais ce n'est pas rigoureusement exact car il peut très bien émettre des gammas de plus de 200keV....juste avec une très faible probabilité.

Par exemple, on considère qu'il y a un rayon gamma d'environ 368keV (détectable ici donc), avec une proba de 0.000217. Cela semble faible, mais il ne faut pas oublier qu'il s'agit ici d'une source de 37kBq. Ce qui donne environ 8 rayons gamma de cette énergie par seconde.

On notera évidemment l'extrême sensibilité du 18504 aux particules alpha via sa fenêtre en mica.

Cf la liste à peu près exhaustive ici :
http://nucleardata.nuclear.lu.se/toi/nuclide.asp?iZA=950241

Ici petite vidéo montrant le circuit en mode "débit de dose" (µSv/h) en intérieur :

- avec le tube SBM20 : 0,14µSv/h (j'ai un peu écourté les tests car ce tube m'a donné trois fois le même résultat)
- avec le tube 18504 : 0,13µSv/h, 0,15µSv/h, 0,14µSv/h
Chaque tube a sa propre calibration, réalisée à partir du bruit de fond et sélectionnée via l'interrupteur du bas à droite.



Très franchement, je ne m'attendais pas à avoir autant de consistance entre les mesures et autant entre deux tubes si différents.
J'ai calibré le circuit au rdc; ici cette pièce en vide sanitaire est un peu plus radioactive que la moyenne d'ambiance.


Enfin, dernière vidéo montrant le circuit en mode "débit de dose" (µSv/h) en extérieur :
Attention, c'est au niveau du sol. Théoriquement il faudrait le faire à 1m de hauteur, mais je n'avais pas la possibilité de le faire tout en filmant

- avec le tube 18504 : 0,11µSv/h et 0,12µSv/h
- avec le tube SBM20 : 0,09µSv/h et 0,10µSv/h



Idem, à nouveau nous obtenons des valeurs plutôt consistantes.

Cela me permet de valider cette solution que je propose dans les circuits de compteurs Geiger-Müller : plutôt que de se casser les pieds avec des facteurs de conversion pompés sur internet, qui varient d'un site à l'autre, je propose de partir de votre bruit de fond usuel pour obtenir votre propre facteur, ce qui permet de "calibrer" l'ensemble de votre montage.

Par exemple, vous prenez les valeurs données par les balises Teleray de votre coin (ici ~0,10µSv/h) et vous les mettez en parallèle avec le nombre de coups par minute donnés par votre montage (~18CPM sur SBM20 et ~12 CPM sur 18504).
Ce n'est pas absolu, mais cela modélise plutôt bien votre terrain et surtout, vous met en évidence une variation de ce bruit de fond.

On arrive doucement au bout de ce projet modulaire, dont l'essentiel est fabriqué avec des transistors, des composants génériques avec du DIY, qui compte des impulsions et affiche des débits en mode analogique (cf topic "à transistor") et en numérique avec ce montage.

Description complète (schéma, circuit, typon) dans "La Bible du compteur Geiger" qui paraîtra à l'occasion un jour, ou sur MP pour une version un peu abrégée


Bons bidouillages à tous !

Merci Tarso

Merci
Je finalise également un petit module sur le proto : une alarme qui se déclenche si on dépasse un certain débit de dose.
Ce serait réglable sur toutes les valeurs multiples d'une 10^ entre 0,01µSv/h (mode frileux) et 1mSv/h (mode Stalker).
C'est à dire, telles que 0,02 ou 7,00 ou 0,3 ou 40,00 etc (ce qui couvre toutes les valeurs d'alarme usuelles). mais pas 0,23 ou 7,01 par ex.

Perso je tablerais sur 0,3µSv/h soit entre deux et trois fois le bruit de fond.

Je comptais publier tout ça en 2020 mais manque terriblement de temps...donc j'espère vous poster le bouquin avant la fin-du-monde.

Hello,
toute petite précision pour ceux qui commencent à expérimenter : oui la série 40xx CMOS est très sensible; il faut câbler l'ensemble correctement (je préciserai tout, évidemment).

Les entrées ne doivent surtout pas être flottantes mais être pourvues d'une résistance de rappel (perso je prends 10k). Sinon, on capte le 50Hz sur la plupart des CI, donc le compteur fait n'importe quoi....d'où la réputation de ces circuits à être "sensibles" aux RF, mais seulement quand ils sont mal câblés

Hello,
En fait, ce projet souffre d'un défaut : chaque module ouvre la porte à d'autres développements
Petite update donc, concernant l'alarme en DIY avec un bête 40xx :

Ici, j'ai programmé l'alarme afin qu'elle se déclenche à 0,5µSv/h, soit environ 5 fois le bruit de fond.
On peut également la régler pour qu'elle s'enclenche à un nombre déterminé d'impulsions (mode "comptage Geiger").

Du coup, j'envisage d'ajouter une fonction "bouclage" qui relance automatiquement le dosimètre en fin de comptage.
Comme il est couplé à l'alarme, il est alors possible de laisser le circuit en mode "détecteur silencieux", qui déclenche l'alarme si le seuil défini est atteint.

En gros, avec l'affichage off, on peut avoir un monitoring en temps réel du débit de dose ambiant.

Petite vidéo preuve de concept :
1) Alarme qui se déclenche à 50 impulsions
2) Alarme qui se déclenche à 0,5µSv/h
3) Alarme qui se déclenche à 0,5µSv/h afficheur éteint :