ガイガーカウンター

はじめに

福島原発の事故による放射能漏れが続いています。目に見えない放射線を見るためには放射線検出器が必要です。そこで、ガイガーカウンターを自作しようと思っていたところ、秋月電子で保守在庫のGM管 D3372が放出されたため、タイミング良く入手することができました。

特徴

USB logging機能
移動平均的によるCPM(counts per minutes)表示

毎秒のカウント値をUSB接続したPCを使用して記録することができます。 ATTiny2313のUSARTから出力し、FT232RLの搭載されたUSB serial変換基板にUSBに変換しています。このとき電源をPCから取ることもできます。

CPM値は毎分のカウント値ですが、一分毎の更新では使いにくいので過去60秒間のカウント値とし、2秒ごとに表示を更新しています。

ハードウェア

例陰極管インバータ＋倍電圧整流
ATTINY2313
USB serial変換基板
2x16桁表示LCD
圧電サウンダ
スイッチ

GM管には600V程度の電圧をかける必要があります。この電圧を得るため、例陰極管用のインバータを使用しています。出力は5V入力時に650Vrmsということなので、入力電圧を3.3Vにさげ、429Vrms程度としています。これを倍電圧整流してDC 600v程度としています。

放射線を検出すると、GM管のカソード抵抗にはかなり大きな電圧が現れます。

(これは単体で見たとき。実際の回路ではトランジスタのベースに流れて0.6vでクリップされます)

回路図(まだ清書してません)

ソフトウェア

1秒毎にカウント値(CPS)を更新
60秒分のカウント履歴を保持し、２秒毎にCPM値を更新
３種類の表示モードをスイッチで切り替え

ATTiny2313はRAM 128バイト、ROM 2Kバイトしかないのですが、ほぼ全容量使い切ってしまいました。もう少し機能を絞り込んだ方がいいかもしれません。

文字列の出力には ChaNさんの「AVR用組み込みprintfモジュール」を使用しています。

割り込み

タイマー割り込み

16bit timerをCTCモードで10ms毎に割り込みをかけます。
1秒経過毎にCPS値を保存し、一秒経過をメイン処理に通知します。
ビープ音を100msとなるように停止します。
スイッチの押し下げ時間を測り。短時間の押し下げ、長時間の押し下げをメイン処理に通知します。

立ち下がりエッジ割り込み

CPS値に1追加し、ビープ音慣らします。圧電サウンダの発振には8bit timerを使っています。CTCモードで4KHzを発信させ、OC0B出力をトグルモードに設定して自動的に2KHzの方形波が出るようにしています。

メイン処理

１秒経過、スイッチの通知を待ちます。

1秒経過処理

1秒毎に以下の処理を行います

CPS値の履歴を更新し、(実際には2秒間隔)とCPM値を計算
LCD画面更新
UARTに現在値出力

スイッチ

表示モードを切り替えます。２秒以上押し下げられた場合、カウント値、時刻をリセットします。

LCD表示

カウント値、経過時間表示モード
最大値表示モード
レントゲンモード
シーベルトモード

カウント値、経過時間表示モード

上段にCPS, CPM
下段に累積カウント、経過秒数を表示します

最大値表示モード

上段にCPS, CPM
下段に累積カウント、経過秒数を表示します

レントゲンモード

上段にCPS, CPM
下段に累積カウント、経過秒数を表示します

シーベルトモード

上段にCPS, CPM
下段にuSv/h、nSv/hを表示します。
uSv/hはCPSの2秒移動平均値から計算しています。 nSv/hはCPM値から計算しており60秒移動平均の値となります。表示では"/h"を省略しています。

UART出力

以下の形式でデータを出力します。区切り文字はスペースです。

秒 CPS値 CPM値 totalカウント

例

56198 0 4 2875
56199 0 4 2875
56200 0 4 2875
56201 0 4 2875
56202 0 3 2875
56203 0 3 2875
56204 0 3 2875
56205 0 3 2875
56206 0 3 2875
56207 0 3 2875

単位換算

ネットで見つけたデータシートにCo60を放射線源としたときのカウントレートのグラフがあったので、そこから読み取とると、
$R/h=\frac{cps^{1.0332}}{1751.73}$
となりました。
グラフには小さい方( $10^{-3}R/h$ 未満)のプロットが無いし、線が太い上にスケールが微妙にゆがんでいるので、誤差がありますが、２倍以内には収まっていると思っています。

1.0332乗の計算はcpsの大きさに合わせて以下のように近似します。

100cps付近	1.165*cps
10cps付近	1.0794*cps
1cps付近	1.000*cps
0.1cps付近	0.9264*cps

以上から、R/h、Sv/hの換算式を以下のように決めました。

R/h(レントゲン毎時)

大きいとき(100cps付近)、表示はmR/hとする。: $mR/h=\frac{1.165\times{cps}}{1751.73}\times{10^3}=0.665\times{cps}=\frac{85}{128}\times{cps}$
小さいとき(0.1cps付近)、計算にcpmを使用。表示はuR/hとする。: ${\mu}R/h=\frac{0.9264(cpm/60)}{1751.73}\times{10^6}=8.814\times{cpm}=\frac{141}{16}\times{cpm}$

Sv/h(シーベルト毎時)

まず、
$mSv=mGy=8.772\times{R}$
とします。

大きいとき(10cps付近)、表示はuSv/hとする。: ${\mu}Sv/h}={\mu}Gy/h=\frac{1.0794\times{cps}}{1751.73}\times{8.772}\times{10^3}=cps\times{5.4}=\frac{43}{8}\times{cps}$
小さいとき(0.1cps付近)、計算にcpmを使用、表示はnSv/hとする: $nSv/h=nGy/h=\frac{0.9264(cpm/60)}{1751.73}\times{8.772}\times{10^6}=77.3\times{cpm}=77\times{cpm}$