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Un projet de compteur geiger à transistors

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Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Ven 3 Fév - 14:45:45

Salut à tous !
Comme ce projet risque d'être un peu long et atypique, je préfère scinder pour ne pas croiser les discussions sur les autres sujets de radioprotection.
Pour les plus pressés, il faut savoir qu'il y a en parallèle deux autres projets électroniques, ce qui fait que celui-ci risque d'avancer lentement; mais je reste à disposition par MP pour fournir des infos complémentaires en avance.

Si vous possédez un compteur geiger ou un dosimètre geiger, merci de lire la suite car vous pourrez sans doute apporter quelques réponses à mes questions.

Ayant un tube geiger dans un fond de tiroir, le 18504 de Phillips, je projette donc la fabrication intégrale d'un compteur "amélioré". C'est à dire, non pas simple détecteur qui fait "tac tac" sur un haut parleur, mais avec en sortie un "convertisseur" qui indiquera sur un galvanomètre la quantité de radiations captées et, in fine, l'exposition. Elle sera affichée en µR/h (µRöntgen/h), que je préfère au µSv/h car elle est encore utilisée sur de nombreux appareils geiger (dont les CD Victoreen), particulièrement dans les pays anglo-saxons. Néanmoins, le constructeur précise que l'on peut utiliser la conversion 100 µR/h = 1 µSv/h....

Première partie : deux interrogations pour les possesseurs de compteurs et dosimètres :

1- Comment est calculée l'exposition à chaque mesure sur votre appareil ?
Par exemple, le Radex RD1503 réalise une mesure de 40s avant d'afficher une valeur.
Selon la fiche technique, le processeur convertit le nombre d'impulsion en µSv/h selon une courbe préétablie.
Concernant le bruit de fond de mon coin (radioactivité naturelle), avec le tube 18504, je peux avoir entre 25 et 60 impulsions par minute (IPM) selon la pièce, avec une moyenne autour de 35 (courbe de Gauss). Les extrêmes représentant tout de même un écart important.
Par exemple, le RD1503 utilise le tube geiger CBM 20-1, qui mesure 30 IPM pour le rayonnement de fond en moyenne.
La courbe de Gauss prédit que l'on risque d'avoir certaines mesures tombant dans les extrêmes.

2- Est-ce que votre appareil a demandé une 2e mesure pour s'ajuster en cas de valeur particulière ?
l'a-t-il corrigée automatiquement avec un historique ?

La seconde partie concerne la conception de l'appareil. Une fois de plus, ce projet va éviter d'utiliser des composants intégrés : pas de CI, pas de puce, pas de régulateur intégré, etc... tout fonctionnera à transistor (entre 6 et 10).
Ceci afin de rendre indépendant des fournitures en ces composants qui peuvent se révéler rares dès maintenant, ou à terme.
Par exemple, le célèbre article d'Électronique et Loisirs magazine propose un circuit geiger perfectionné qui convertit les impulsions en mR/h. Il est performant mais nécessite (entre autres) un microcontrôleur ST6 (STMicroelectronics), programmé sous la référence EP 1407.....assez rare chez les fournisseurs, et sans programme....

Le second soucis vis à vis des circuits intégrés est leur fragilité dans un environnent radioactif. C'est peu perceptible en temps ordinaire, mais dans le cas d'un scénario nécessitant ces appareils, plusieurs sources tendent à montrer leur défaillance.

Les effets des radiations sur les circuits intégrés

L’impact des particules sur les circuits produit deux phénomènes. Elles peuvent provoquer des événements appelés ‘Single Event Effects’ ou SEE’s, ceux-ci sont des latchups ou des upsets.

Le phénomène de Latchup
: un ‘Single Event Latchup’ (ou SEL) est la mise en conduction d’un thyristor (structure PNPN) parasite présent dans tous les circuits intégrés CMOS, comme représenté sur la figure 1.2.
Une impulsion transitoire de courant produite par l'impact d'une particule lourde peut amorcer la mise en conduction d'un tel thyristor parasite, qui en condition normale est inactif. Le latchup crée un chemin direct entre la masse et l'alimentation et, par conséquent, cause un échauffement important du composant, pouvant conduire à sa destruction.
Dans la majorité des cas, les Latchups entraînent une forte augmentation de la consommation du circuit, mais certains composants montrent de faibles changements de consommation de courant, ce phénomène est appelé micro-latchup. Il pourrait être lié à la topologie même du circuit et causé par des latchups survenant en des points précis du composant. De tels événements ont été observés sur certains processeurs [4] ou coprocesseurs [5].

Le phénomène d'Upset : de même, l’ionisation des matériaux, suite au passage d'une particule chargée dans un circuit, peut causer un ‘upset’ (appelé aussi "bit-flip" dans la littérature anglaise) qui est le changement intempestif de l'état d'un bistable. Les upsets affectent en priorité les points mémoires [6]. La particule produit des paires électrons-trous le long de sa trajectoire. Celles-ci sont rassemblés au drain, figure 1.3, ce qui fait apparaître une impulsion de courant qui, si l’amplitude et la durée sont suffisantes, peut produire le même effet que celui d'un signal extérieur appliqué au transistor.
[...]
La plupart des circuits intégrés sont potentiellement sensibles aux upsets, en particulier les mémoires et les microprocesseurs. Les mécanismes
correspondants à ce phénomène sont décrits en détail dans [7].
La dose cumulée : il s’agit de l’accumulation de charges au niveau des oxydes (SiO2) et des interfaces SiO2-Si (création d’états d’interface) [8]. Ces charges sont dues au piégeage de paires électrons-trous lors des phénomènes d’ionisation. Pour les technologies MOS, il se produit une dérive des paramètres électriques [9] (tension de seuil par exemple). Ces charges sont cumulatives et peuvent conduire à une perte progressive, puis totale des fonctionnalités du composant.

Dans le cas d'environnement irradiés, il n'est pas certain qu'un quelconque processeur soit encore en état de convertir correctement l'exposition mesurée. Le cas est connu pour les circuits spatiaux (vs rayons cosmiques). Mais nous avons peu de retours sur les appareils récents. Par ailleurs, dans le cas d'une contamination importante, on rencontre plus volontiers les détecteurs CD Victoreen (qui détectent les doses supérieures), comme le CD 700, qui contient à peine deux transistors.



Enfin, les circuits intégrés représentent amha une complexification du principe de fonctionnement d'un appareil. Par exemple, pour le détecteur à semi-conducteur de l'autre topic, le comparateur LM311 a posé beaucoup de soucis aux membres qui suivent le projet, d'une part en raison des brochages qui diffèrent selon les schémas, mais aussi des parasites générés par le CI, qui doit être séparé du capteur et blindé.

Au final, rareté, complexité et risque de défaillance font que ce montage ne sera qu'à transistors communs, tous aisément remplaçables.
C'est donc un choix perso; si vous souhaitez construire un compteur geiger plus perfectionné, internet regorge de schémas dignes d'intérêt

== Le projet se décomposera en trois parties distinctes ==

1 - La THT, alimentant le tube geiger :

Terminée à 90%. Étant donné que les tubes ont tous leurs caractéristiques -dont la tension de plateau-, le générateur THT est prévu pour fournir une tension ajustable entre 300V et 600V. Les 10% restants concernent la régulation de la THT en cas d'absence de radiations (et donc une économie de consommation). Le circuit (un astable) sera intégralement expliqué.
Le tube geiger 18504 est assez particulier en son genre : il est pourvu d'une fenêtre en mica permettant aux bêta faibles d'être détectés. En outre, son seuil de sensibilité commence aux alentours du rayonnement de fond (23µR/h pour 20IPM) et atteint environ 11000 IPM (temps mort de 90µs) soit une exposition de 0,5R/h, lui permettant de détecter des objets à peine plus radioactifs que le fond, comme les champignons de mon coin, mais aussi de fonctionner dans un milieu fortement irradié.

2 - Le circuit détecteur
: un simple amplificateur à transistors, afin d'obtenir le signal sonore typique des compteurs geiger.

3 - Le convertisseur IPS-µR/h: partie la plus délicate quant à la valeur de sortie (en mR/h dans notre cas). Je vais utiliser la courbe constructeur (Milliwatt/Phillips) qui permet de trouver une équivalence entre Impulsions Par Secondes et exposition en mR/h.
Il sera alors possible, moyennant un pont diviseur de tension, de sélectionner le calibre de mesure : 10-100µR/h, 0,1-1mR/h, 1-10mR/h, 10-100mR/h et 0,1-0,5R/h.

Pour rappel, voici les seuils d'exposition et les effets qui en découlent : The Range From Harmless to Serious Exposures
As we have seen, all of us are exposed constantly to natural radiation, which in some cases equals eight-tenths of one roentgen a year.

The body may safely receive considerably greater doses of radiation because the effects are repaired almost as rapidly as they are produced. Over a period of many years, a human may safely receive in small doses a total amount of radiation which would cause fatal illness if administered to his whole body within a period of a few minutes.

A dose of three-tenths roentgen per week [NDtarsonis : 300mR/w] has been accepted by both national and international groups of experts as the maximum dose rate which may be delivered to the whole body for an indefinite period of years without hazard. This does not mean that three-tenths roentgen is the largest exposure which may be incurred in one week without hazard. Occasional exposures well above this figure will have no detectable bodily effect.

The lowest dose, received in a brief period, which will produce detectable effects in the body is about 25 r. and for many individuals will be 50r.
This 25 r.-50 r. range is generally considered an overexposure.
Radiation sickness follows exposure somewhere in the 75 r.-100 r. range, with nausea and vomiting occasionally found as low as 100 r.
Serious illness, from which people will recover with proper attention--will result at the 200 r. level.
Exposure to 400 r. in a brief period will probably kill 50 percent of all persons exposed.

Maximum Permissible Dose (MPD)
The limit for the public has been set at 2 mR/hr, or 100 mR for seven consecutive days, or 500 mR/yr. Doses to the public, however, should average less than 100 mR/yr over several years. The dose limit for pregnant radiation workers was set at 500 mR during the course of the pregnancy.
Pour ceux qui souhaiteraient des compléments d'info sur des tubes geiger (équivalences, caractéristiques & co), je peux les fournir par MP.

Bons bidouillages pour ceux qui seront tentés de suivre, et si vous avez des propositions entrant dans le cadre de ce petit cahier des charges, n'hesitez pas à m'en faire part !


Dernière édition par tarsonis le Lun 16 Juil - 11:22:02, édité 6 fois (Raison : Remise en forme)

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par Ash le Ven 3 Fév - 15:17:08

Question con, l'énergétique des impulsion n'est pas mesurée dans ce schéma (car IPM), raison de la mesure en R?

Ton convertisseur m'intrigue grandement, je peux? drunken

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Ven 3 Fév - 15:42:49

Salut !
Johann a écrit:Question con, l'énergétique des impulsion n'est pas mesurée dans ce schéma (car IPM), raison de la mesure en R?
Comme la plupart des tubes geiger, il est impossible de savoir avec quelle énergie le rayon a traversé le tube, car ils fonctionnent en saturation. C'était l'avantage des détecteurs au silicium de l'autre topic. Ici, j'aurai une valeur indicative de l'exposition grâce à la courbe de conversion fournie par le constructeur (que je détaillerai prochainement).
Ton convertisseur m'intrigue grandement, je peux?
C'est moins spectaculaire que cela en a l'air. Les signaux provenant du détecteur (carrés) sont "moyennisés" à l'aide d'un condensateur, et le pont diviseur résistif (ajusté par une résistance variable) permet d'extraire un certain pourcentage de cette valeur et l'envoie à un galvanomètre.
Le gros avantage de ce type de tube geiger est que la courbe de conversion IPS/R est une linéaire; l'échelle des deux axes étant les deux logarithmiques.
Néanmoins, je prévois un étalonnage entre IPS et µR à l'aide d'une échelle de comptage pour les grandes valeurs (histoire de vérifier que l'on ne s'éloigne pas de la courbe). Afin de rendre le projet le plus accessible possible, j'envisageais de le remplacer par un compte-tour de vélo ou une prise de carte son.
In fine, on pourra peut être envisager de le comparer aux autres appareils détenus par les membres

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par Ash le Sam 4 Fév - 14:40:32

Je ne pensais pas au spectaculaire, je me demandais quelle solution t'allais préférer (TIMTOWTDI clind'oeil ), je pensais à un condo aussi avec une petite resistance pour la décharge progressive, un bon vieux couple RC quoi...

Merci.

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Lun 6 Fév - 8:52:12

Salut !
Johann a écrit:je pensais à un condo aussi avec une petite resistance pour la décharge progressive, un bon vieux couple RC quoi...
La résistance sans doute en série avec un galvanomètre sur le collecteur d'un transistor. C'est le galvanomètre qui agira en résistance en prenant la tension aux bornes du condo avec sa résistance interne....cela revient au même au final, mais les réglages seront plus rapides à mon goût. clind'oeil
Au niveau de l'étallonage (courbe IPS-R/h), j'ai trouvé un peu plus simple : plutôt que de compter les impulsions fournies par le tube en sortie, on va les générer à l'entrée du convertisseur. On pourra ainsi le régler à partir d'un générateur de signaux....ou bien d'une simple sortie de carte son.
Dernier module qui sera construit si le reste tient la route : un comptabilisateur d'exposition sur le temps. C'est à dire qu'on pourrait calculer la dose reçue sur une certaine période. Comme le reste du montage, je l'envisage analogique, avec peu de composants.

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par Ash le Lun 6 Fév - 14:52:00

Donc un système avec deux condos....

Le premier relié à un galvanomètre pour la mesure 'directe' (±1min par exemple) et le second qui se sert du premier comme d'une dérivée mathématique, qu'on peut lire avec un découpeur de tension par ex et raz avec inter et résistance de décharge...

À moins de se servir du premier galvanomètre...

Merci de te farcir les calculs clind'oeil

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Jeu 15 Mar - 9:40:54

Salut à tous !
Voici la première partie de ce projet

Partie 1 : Les tubes geiger et la radioactivité

Tout d'abord, une petite note d'appel à la prudence. J'ai longtemps hésité à poster l'intégralité de l'article afin de préserver ceux qui auraient deux mains gauches comme moi de se prendre une châtaigne.
Finalement, c'est avec beaucoup de mises en garde que je poste la fabrication détaillée.

Chaque internaute, pour peu qu'il se soit donné la peine de chercher des infos sur les sujets de radioprotection et de fabrication d'un détecteur de radioactivité devrait être en mesure d'un construire un afin de pouvoir analyser son environnement : les lieux, les aliments, l'eau, les personnes,
etc... et d'en déceler un risque radiologique.

Par ailleurs, j'ai inséré le logo "Forum Olduvaï" sur chaque photo car je suis excédé de voir certains forums ou sites pomper intégralement les infos d'ici sans demander l'autorisation aux auteurs des posts, pour s'en approprier le contenu, voire les détourner dans un but mercantile. Je me revendique auteur de l'intégralité du contenu de ce post (hors citations). Je refuse toute copie hors du forum Olduvaï sans mon autorisation (que je donne pourtant la plupart du temps). Contact par mail pour l'obtenir, sinon vous êtes dans l'illégalité. La citation du texte est autorisée (mais pas celle des images), à condition de mettre en lien la source exacte.
Voilà pour le coup de gueule; j'espère que les membres du forum ne m'en tiendront pas rigueur.

Ce post se découpe donc en deux parties : un rappel succinct sur la radioactivité, et un petit topo sur les tubes geiger. Je mets un point d'honneur à développer un minimum la seconde car les infos proposées par les encyclopédies me semblent condensées à l'extrême, soit jargonnesques.

Les rayonnements ionisants :


Les retombées d'un accident radiologique se situent, entre autres, sur plusieurs niveaux :



(Graphique perso réalisé avec le logiciel libre de diagramme Dia - principaux vecteurs des rayonnements)

Sur ce forum, nous évoquons de temps à autres le fait que le risque radiologique n'est jamais nul. Qu'il soit issu des retombées d'essais lointains (Une pollution radioactive à l’échelle planétaire), des incendies sur terrains irradiés (cas en 2010 en Russie), ou bien encore directement sur notre territoire avec un important réseau nucléaire (fuite d'uranium à Tricastin) ayant généré une quantité importante de déchets (voir le reportage : Mines d’uranium, le scandale de la France contaminée), ou d'une pollution de radio-éléments issue d'un hôpital (Pollution. La Garonne radioactive), négliger ce risque au point de le rendre nul serait inconsidéré. La triste catastrophe nippone, bien que complexe, est là pour nous le rappeler.
Par ailleurs, on pourrait penser que les matériaux radioactifs se cantonnent à l'industrie du combustible nucléaire, mais il n'en est rien. Plusieurs secteurs les utilisent car ils rendent de nombreux services.
En utilisant les données de l'Institut de Radioprotection et de Sureté Nucléaire on peut s'apercevoir que de nombreux composés radioactifs transitent dans notre environnement :




(graphique perso réalisé sous openoffice Calc)

Bilan des incidents de transport de matières radioactives à usage civil
Quelque 900 000 colis de matières radioactives à usage civil sont transportés chaque année en France.
La grande majorité de ces transports concerne des matières radioactives utilisées dans le domaine médical, pharmaceutique, industriel ou immobilier. Les transports de matières radioactives liées au cycle du combustible nucléaire ne représentent en effet que 15% des transports.
Plusieurs cas de pertes de colis sont d'ailleurs référencés : Un colis radioactif perdu à l'aéroport de Roissy, Perte d'un colis radioactif contenant de l'iode 125 et d'autres trouvés par les particuliers : Colis radioactif retrouvé dans une poubelle.

Le graphique récapitulatif des "événements" courant 2005-2007 de l'IRSN est intéressant car il détaille également les autres avaries par pourcentage : étiquetages oubliés, collision routière, défaut de fermeture, choc sur colis, irradiation, etc....

Il est impossible pour un humain de percevoir le risque radiologique autrement que par ses effets biologiques, sur le long, moyen, ou très court terme... c'est à dire, quand il est déjà trop tard : syndrome d'irradiation aiguë, empoisonnement, coma, mort, etc (pour les effets déterministes) et cancers, mutations, etc... (pour les effets stochastiques).
Dans cette situation donc, pouvoir détecter si nous sommes en présence d'un risque radiologique est un élément non négligeable de radioprotection.

Je présente mes excuses par avance aux éventuels lecteurs face à ce post, devenu incroyablement long au fur et à mesure de l'avance de ce projet. J'ai essayé de mettre un maximum de notes explicatives afin de permettre une compréhension intégrale, le plus possible indépendante d'internet et des encyclopédies. Ceci expliquant le découpage des différentes parties en posts qui seront postés au fur et à mesure.

Quelques notions sur les radio-éléments :

- L'électron-volt (eV) est une unité de mesure d'énergie. Un électron-volt est égal à  1,602×10-19 joule  (J)
- L'ionisation (la perte d'électrons) d'un atome de gaz nécessite une énergie d'environ 30eV, et de 3eV pour les atomes d'un cristal tel que le silicium.

Les rayonnements ionisants se distinguent en trois catégories :

Le rayonnement alpha, émis par désintégration alpha, est une particule composée de deux protons et de deux neutrons : c'est donc un noyau d'hélium :

Les particules Alpha sont émises avec une énergie généralement comprise entre 3 et 7 MeV (millions d'électronvolts).
Ce qui est conséquent, mais du fait de leur poids important, elles ont une vitesse comprise seulement entre 15 000 et 20000 km/s (C/15).

Le phénomène d'ionisation

De par son absence d'électrons (c'est un ion He2+), mais surtout son énergie cinétique, une seule particule alpha de 3 MeV  possède la faculté d'arracher les électrons de 100 000 atomes de gaz ou 1 million d'électrons dans le un cristal de silicium. Elles sont donc facilement détectées par une chambre d'ionisation.

Cependant, de par son poids énorme, et son interaction immédiate avec la matière, une particule alpha est très peu pénétrante; on considère qu'une couche d'air de quelques cm, une feuille de papier 80g/m² ou tout objet plus épais suffisent à l'arrêter.

Les plus grands dangers des particules alpha sont l'inhalation et l'ingestion
: les ionisation se produisent directement dans le corps (poumons, tube digestif, etc...). Les alpha peuvent alors engendrer de nombreuses réactions :
- ruptures de liaisons moléculaires
- créations de puissants oxydants (radicaux libres) au sein des tissus.
- déclenchements de réactions chimiques.
Si ces réactions touchent le matériel génétique, il peut être soit altéré (mutation), réparé (via divers mécanismes de réparation), ou détruit.
Le système digestif étant l'un des plus sensibles aux radiations (cf le facteur de pondération tissulaire du côlon), couplé au pouvoir d'ionisation du rayonnement alpha plus élevé qu'un rayonnement gamma (facteur 20).

Quelques Émetteurs Alpha (atomes d'hélium)

  • Polonium 210 : tristement célèbre à cause de l'empoisonnement de Litvinenko, il est présent dans le tabac industriel en raison de l'utilisation d'engrais phosphatés. Source primaire dans les réacteurs, et certains laboratoires.
  • Radon 218 219 220 222 226 : le plus dense des gaz rares. Issu de désintégration de l'uranium contenu dans les sols. Il est surtout présent dans les régions granitiques, volcaniques et uranifères. Il s'accumule dans les endroits confinés, et devient radiotoxique. Le documentaire "Du poison dans l'eau du robinet", de Sophie Le Gall, mettait en évidence la présence de radon en quantité importante dans l'eau du robinet de certaines communes.
  • Radium 223 224 226: employé dans les vieux paratonnerres, pour traiter certains cancers, et pour sa luminescence sur toutes sortes d'objets du début et milieu du XXe (aiguilles des réveils, cadrans de montres, instruments de navigation (avions), etc...).

(Actinides)

  • Actinium 225 : principalement comme source de neutron en laboratoire.
  • Thorium 227 228 229 230 232 : donne  une coloration et un effet fluorescent aux verres (230). Utilisé sur les électrodes des ampoules fluo pour augmenter leur durée de vie (229).
  • Uranium 233 234 235 236 238 : très répandu sur Terre. Le sous-sol d'un jardin sur un carré de 20 m de côté en contient, sur une profondeur de 10 m, environ 24 kg (wiki). "L'eau de mer contient environ 3 mg d'uranium par m3, soit 4,5 milliards de tonnes d'uranium dissout dans les océans". (CEA)
  • Plutonium 238 239 240 244 : combustible nucléaire, diffusé entre les années 40 à 70 par les essais nucléaires, on peut encore le détecter.
  • Américium 241 est utilisé principalement dans les  détecteurs de fumée, interdit en France depuis 2006.
  • Californium 249 252 utilisé en curiethérapie, et par les prospecteurs de pétrole.

Le rayonnement Bêta : β-

Une particule Bêta- n'est rien d'autre qu'un électron, à ceci près qu'il est issu du noyau.
L'énergie d'un rayon bêta- est en général exprimées en centaines de KeV (Kilo-eV).
Ce rayonnement, de la même manière que les particules alpha, interagit avec la matière en provoquant des ionisations.
Les particules Bêta-, plus légères que les alpha, sont beaucoup plus pénétrantes dans la matière, et peuvent donc agir plus profondément :
elles peuvent traverser plusieurs mètres d'air. On prend en général comme protection la feuille d'aluminium pour l'arrêter.

(laradioactivite.com)

La perte en énergie due à l'ionisation est proportionnelle à la masse et au carré de la charge de la particule. Elle varie beaucoup avec sa vitesse. Quand la particule est lente, elle passe davantage de temps dans un atome et elle a plus de chances d'interagir en le traversant. L'ionisation devient particulièrement intense en fin de parcours quand le projectile a perdu presque toute sa vitesse. Cette propriété est utilisée pour des applications thérapeutiques. Dans le traitement par irradiations de tumeurs cancéreuses, on règle le parcours des particules chargées pour qu'elles s'arrêtent dans les cellules malignes.

Quelques Émetteurs β- (électrons) :
On utilise couramment  les émetteurs bêta pour l’imagerie, les diagnostics et les traitements médicaux  ainsi que dans des applications industrielles (épaisseur de matériaux).

  • Carbone 14 permet de déterminer l’âge des artéfacts d'origine biologique. Il sert aussi de traceur médical.
  • Tritium (hydrogène 3) est utilisé dans l'étude du métabolisme des médicaments. Aussi en tant qu'indicateur lumineux autonome. (Nous avions déjà parlé des lampes au tritium sur le forum)
  • Césium 137 est utilisé en curiethérapie pour traiter différents types de cancer. C'est un déchet de plusieurs réactions nucléaires (cf contamination de Pripyat)
  • Cobalt 60 : utilisé en radiothérapie, et dans la stérilisation des aliments...et dans l'étalonnage de certains tubes geiger.
  • Iode 131 est utilisé comme traceur médical (notamment en angiologie). Produit lors de la fission de l'uranium. Principal risque immédiat lors d'un accident nucléaire (cf Pripyat).
  • Strontium 90 est utilisé comme source d’alimentation pour les satellites météorologiques et  les bouées de navigation (cf  générateur thermoélectrique à radio-isotope). Utilisé en tant que traceur en médecine et en agriculture.

Cas particulier des émetteurs β+    (positrons)
Il est assez difficile de détecter un champ B+, car les positrons s'annihilent presque instantanément avec un électron d'un atome environnant en émettant deux rayons gamma de directions opposées ayant chacun une énergie de 511 KeV.
On les détecte donc indirectement.

Le rayonnement Gamma

Ce sont des photons, c'est à dire les même particules (ou ondes   ) que la lumière, à ceci près que ces rayonnements sont de bien plus haute énergie (plusieurs centaines de KeV à quelques MeV dans le cas d'émission gamma).
Ils sont semblables aux rayons X, mais on les nomme "gamma" car ils proviennent du noyau.

Ils sont moins ionisants que les particules alpha et bêta, mais sont beaucoup plus pénétrants (agissent dans tous les tissus), si bien que le blindage de protection doit être beaucoup plus épais, et de matériaux à noyaux lourds : plusieurs centimètres (voire dizaines de cm) de plomb.
Ils ionisent la matière de manière indirecte par différents effets (Compton, photoélectrique et production de paires électrons/positrons).
Il est intéressant de noter que le corps humain étant composé en majorité d'eau (atomes légers), c'est l'effet Compton (éjection d'un électron) qui prédomine dans les tissus biologiques quand l'énergie des photons dépasse 50KeV, tandis que l'effet photoélectrique (électron + photon secondaire) concerne plutôt les matériaux lourds, comme le plomb qui sert de blindage.
La création de paires concernant les photons ayant une énergie supérieure au Mev, elle, reste anecdotique.

Le cas des neutrons :

Ce ne sont pas des particules chargées, ils n'induisent pas d'ionisations. Cependant, ils peuvent soit se désintégrer en un proton et un électron, soit rendre les matériaux radioactifs par capture neutronique (neutrons lents, et on obtient alors un isotope), d'où l'utilisation d'une feuille de cadmium autour du tube geiger pour les détecter; le cadmium ayant un pouvoir d'absorption neutronique élevé (voir plus bas).

La plupart des désintégrations alpha et Bêta laissent le noyau d'origine dans un état excité, si bien que ce dernier évacue son excédant d'énergie par l'émission de rayons gamma.

C'est pourquoi certains radio-éléments émettant des rayons alpha, comme le plutonium 238, peuvent faire crépiter des compteurs geiger sans fenêtre (voir plus bas) par une émission gamma secondaire.

Graphique récapitulatif des types de désintégration des noyaux par ratio proton/neutron :



(Graphique perso obtenu à l'aide du logiciel Nucleus, issu de Nubase - Atomic Mass Data Center.)

La chasse aux atomes :

Le site buzzle.com propose une liste des radioéléments en précisant leur masse atomique, leur type de radioactivité (α, β−, β ), ainsi que leur demi-vie : List of Radioactive Elements

Les tubes geiger

Qu'est-ce qu'un tube geiger ?
Tout simplement l'organe de détection des champs ionisants. Ils ont un fonctionnement proche des chambres à
ionisations, tout en possédant leurs propres particularités. En règle générale, il s'agit d'un simple tube métallique hermétique.



Ici, l'un de mes tubes, le 18504 de MiniWatt (7 grammes pour 53 x 17mm). Il est clipsé sur une armature métallique, et lui même enfermé dans une chambre métallique. Ceci afin bien entendu de le protéger, mais aussi afin de contrôler la détection. Ce type de tube s'accompagne en effet d'une feuille de cadmium afin de mesurer les neutrons thermiques.
On remarquera que les électrodes ne sont jamais soudées directement sur le tube ou l'électrode centrale, ce qui dégraderait ce composant par la chaleur communiquée. L'électrode centrale est reliée à l'aide d'une cosse clipsée, et l'armature est reliée via une cosse de serrage.

Le plus souvent de métal, on peut en rencontrer en verre. Certains, comme celui qui sera utilisé dans ce projet, ont une "fenêtre" sur une face, composée d'un autre matériau, qui est en général du mica.
Ces derniers sont plus fragiles, mais aussi beaucoup plus sensibles. Nous verrons plus bas pourquoi.


(Vue de la fenêtre sombre de mica)

Un tube geiger (prononcé horriblement "guéguerre", mais on accepte la francisation jéjère) est donc un dipôle présentant deux électrodes.
Ici, la première est l'armature toute entière, et la seconde l'électrode centrale. mais il n'est pas rare de rencontrer des tubes aux électrodes à relier aux extrémités, comme le CBM20.

Ce dipôle présente souvent dans les schémas un symbole proche de la réalité :



A la différence de la chambre à ionisation, qui utilise des gaz atmosphériques, les tubes geiger sont hermétiques, et remplis de gaz rares, sous faible pression (cela va sans rappeler les tubes fluorescents). Il s'agit principalement d'argon et de néon (des gaz monoatomiques) pour la détection, et de gaz halogénés plus quelques vapeurs d'alcools (des gaz polyatomiques) pour la coupure électrique (voir plus bas).

Fonctionnement d'un tube geiger :
Cela se rapproche de la chambre à ionisation. On procède à une différence de potentiel entre les deux électrodes, de plusieurs centaines de volts.
Nous avions vu que les radiations ionisantes étaient en mesure d'ioniser la matière, c'est à dire de lui faire perdre des électrons. Un atome est neutre électriquement. S'il perd un ou plusieurs électrons, qui eux sont chargés négativement), ils devient chargé positivement, à cause de l'excès de charges positives du noyau (des protons).
Ici en l'occurrence, il s'agira des gaz du tube qui seront ionisés.

Comme il y a une différence de potentiel (une tension) entre les deux électrodes, les atomes chargés (positivement) vont se diriger vers la masse (anode du tube), et les électrons arrachés (chargés négativement), migreront vers la borne positive (la cathode). Cette migration de charges au sein du tube forme un courant électrique.
Jusqu'ici s'arrête la similitude avec la chambre à ionisation, où l'on détectait ce très faible courant (quelques pico-Ampères)

Aux bornes du tube geiger, la tension est si élevée que les électrons qui migrent vers la cathode centrale sont accélérés, et arrachent à leur tour d'autres électrons aux atomes de gaz environnants; on parle d'ionisations secondaires. On voit alors apparaître le phénomène "d'avalanche électronique". Très vite, le tube geiger entre en saturation, une grande quantité de gaz est ionisée, et une étincelle jaillit entre les deux bornes.

Cette avalanche se propage très rapidement dans le gaz du tube geiger, avec une vitesse de l'ordre de 10cm par µS (sa durée est donc très inférieure au temps mort intrinsèque au tube). Russian Academy of Sciences

L'électrode centrale est souvent très fine, afin d'accroître le nombre d'ionisations secondaires à proximité, car il y a plus d'électrons accélérés autour d'une faible surface).
Les tubes geiger fonctionnent sur ce mode de "saturation", ce qui signifie qu'ils pourront être extrêmement sensibles (une particule détectée = une avalanche), mais qu'il sera impossible de discriminer l'énergie de deux rayonnement (était-ce un bêta- de 400KeV ou bien un gamma de 300KeV ?).

Caractéristiques des tubes geiger

La plus importante : la tension d'alimentation.
Elle est fixée par le constructeur. Sont fournies en général les tensions Min et Max.
Par exemple pour le tube 18504, Min commence à 325V et Max oscille autour de 650V.

Les tubes geiger présentent ce que l'on appelle un "plateau de tension". C'est à dire, une réponse quasi-identique sur une plage bien définie de tension d'alimentation.



Il s'agit de la courbe constructeur sur une source de cobalt 60, à une température de 25°C. Il y a une variation de 0,5V par degré supplémentaire.
Ainsi, entre 400V et 600V, la réponse du tube sera comprise entre 100 et 102 coups par seconde (CPS). Le tube geiger fournit ainsi une valeur stable sur ce plateau de tension entre deux mesures. Nous pourrons alors définir une tension d'alimentation fixe, et étalonner le compteur pour mesurer d'autres champs ionisants.

La partie de gauche ne descend pas plus car en dessous de 320V (la "tension d'amorçage"), car la tension devient insuffisante pour créer l'effet avalanche. En effet, les électrons et les atomes ionisés n'ont pas le temps de migrer vers les électrodes et se recombinent.

La partie droite montre la zone "dangereuse" pour le tube geiger. On peut détecter un peu plus de particules, mais on se rapproche alors vers la saturation permanente (étincelle en continu) or, les tubes ont une durée de vie limitée en nombre d'impulsion (50 milliards de coups pour le 18504).
D'une part les mesures risquent d'être faussées (par manque d'extinction), d'autre part on dégrade rapidement le tube.

Pour ce projet, j'ai fixé la tension aux bornes du tube à 460V.

La résistance série
Si le courant qui traverse le tube durant l'étincelle n'était pas limité, on détruirait rapidement le tube (et les composés halogénés). On intercale donc en série une résistance de très forte valeur, définie par le constructeur. Le tube 18504 nécessite une résistance 10MΩ en série, plus une résistance de 1MΩ. Les deux formant un pont diviseur de tension entre lesquelles nous prélèverons le signal.
Cette résistance permet en outre l'extinction de l'étincelle : lorsque cette dernière se produit, on trouve une importante différence de potentiel aux bornes de la résistance, ce qui fait chuter la tension aux bornes du tube, et réduit donc le champ électrique. Les charges n'étant plus attirées, l'étincelle s'éteint.
Les vapeurs d'alcool sont importantes, car elles accélèrent cette extinction; elles permettent de diminuer drastiquement la valeur nécessaire de cette résistance.

Le temps mort
Une fois l'étincelle éteinte, il y a un temps de recombinaison intrinsèque au tube (les ions redeviennent des atomes). Durant cette période, aucune particule ionisante ne pourra déclencher de nouvelle ionisation, d'où l'appellation de "temps mort".
Il conditionne ainsi les capacités de détection du tube en cas de fort rayonnement. Dans le cas du 18504, il est évalué à 90µS, ce qui nous donne approximativement un maximum de 11000 impulsions par seconde.
Ce temps mort est également largement conditionné par la valeur de R, ainsi que de la capacité du tube geiger (liée à la recombinaison), dont les deux armatures sont l'anode et la cathode. Il s'agit en effet d'une cellule RC, avec le tube geiger formant un condensateur; il y a donc un temps minimum pour "charger" le tube au potentiel adéquat.
Plus sa valeur est faible, plus le temps mort sera court. Le tube 18504 a une capacité de 2pF, ce qui explique sont temps mort relativement faible.
La nécessité d'avoir une faible capacité est la raison principale pour laquelle on doit procéder à un câblage court du tube geiger.
Lorsque nous allons extraire les impulsions du tube geiger à l'aide d'un condensateur de liaison, il faudra également veiller à le choisir avec une valeur élevée, afin de ne pas perturber cette cellule RC.

La fenêtre de détection
La plupart des tubes sont constitués d'un cylindre métallique fermé. Si bien que les rayons alphas et bêta, qui ont un faible pouvoir de pénétration, sont la plupart du temps bloqués. Certaines sources radioactives pouvant être dangereuses avant tout par ces rayonnements, on a créé des tubes munis d'une fenêtre perméable à ces rayons (parfois pour un seul des deux), mais hermétique aux gaz du tube. Il s'agit principalement d'un mince film de mica. Il convient dans ce cas de bien prendre soin du tube, qui est plus fragile que ses homologues gamma.

Le 18504 possède cette fenêtre, que l'on remarque bien sur la photo du dessus. Les données constructeur spécifient qu'il est en mesure de détecter à la fois alphas et bêta (et les neutrons thermiques si on enveloppe le tube dans une feuille de cadmium)

Le rayonnement de fond :

C'est le nombre d'impulsion comptées en une minute sans source radioactive, c'est à dire causées par les rayons cosmiques et une partie de la radioactivité naturelle. Ici, elle est en moyenne de 10 impulsions par minute. C'est une valeur à prendre en compte lors des calculs d'exposition.

Équivalences entre les tubes
Bien qu'il existe des centaines de tubes différents, les constructeurs en ont fabriqué plusieurs ayant des caractéristiques similaires.
Par exemple, LND nous fournit une table d'équivalence, qui permet ainsi d'adapter un montage, de remplacer un tube défectueux, ou encore de retrouver les données constructeurs d'un tube similaire (tensions, plateau, résistance, temps mort, etc...).

Cross Reference Chart to Other Mfg. Products

   
LND Type

Phillips/Amperex

TGM Detectors

Centronics

Mullard

72314

18526

N/A

ZP1430

MX169

72327

18506

N/A

ZP1431

MX149

7311

N/A

N1002/8767

N/A

N/A

73118

18546

N1006

ZP1460

MX167

743

N/A

N310/3P

N/A

N/A

719

N/A

N107/3P

ZP1860

N/A

72514

N/A

N/A

B12N

N/A

78016

18520

N/A

ZP1210

MX120

7807

N/A

N/A

ZP1221

N/A

78017

18545

N/A

ZP1220

MX145

72511

N/A

N/A

B12C

N/A

71322

N/A

N117-1S/C1321

ZP1321

N/A

7256

N/A

NP334-6

N/A

N/A

716

18529

N115-1/C1300

ZP1300

MX163

7165

N/A

N115-1S1/C1301

ZP1301

N/A

7437

N/A

NP358-9.1

N/A

N/A

714

18509

N116-1/C1310

ZP1310

MX151

45697

18511

N/A

ZP1610

MX161

7149

N/A

N/A

ZP1313

N/A

71412

N/A

N116-1SE/C1312

ZP1311

MX189

72611

N/A

N302

N/A

N/A

712

N/A

N/A

ZP1401

N/A

78034

N/A

N378/BNC

N/A

N/A

713

18550

N117-1/C1320

ZP1320

MX164

7133

N/A

N/A

M6H

N/A

7139

N/A

N/A

ZP1324

N/A

7102

N/A

N222

N/A

N/A

7103

N/A

NP322-2

N/A

N/A

720

N/A

N114

N/A

N/A

7242

18515

N/A

ZP1441

MX152

72412

N/A

N/A

ZP1442

N/A

7121

18503

N/A

ZP1200

MX146

7124

18504

N205

ZP1400

MX147

7128

N/A

N/A

ZP1201

N/A

72310

N/A

N1003

N/A

N/A

725

N/A

N112

N/A

N/A

7231

18536

N/A

ZP1490

MX166

72315

18516

N/A

ZP1452

N/A

72216

N/A

N/A

ZP1470

MX123

7224

18505

N/A

ZP1410

MX148

723

N/A

N210-1

N/A

N/A

7232

N/A

N210/BNC

N/A

N/A

721

N/A

N106/3P

ZP1850

N/A

72118

18555

N/A

ZP1330

MX177

72219

18507

N/A

ZP1600

MX159

72231

N/A

N201

N/A

N/A

72233

N/A

N/A

ZP1481

MX168

740501

N/A

NP315-4

ZP1810

N/A

7436

N/A

NP358-5.75/3P

N/A

N/A

On remarque alors que le 18504 est appelé ZP1400 chez Centronic, mais aussi MX147 chez Mullard, et 7124 chez LND

Pour les passionnés de détails et de formules, je conseille l'article Le fonctionnement des compteurs de Geiger Muller à autocoupure, de Daniel Blanc paru en avril 1953 dans le Journal de la Physique et le Radium.

Enfin, le tube geiger étant l'organe principal de ce projet, il représente également le composant le plus compliqué à acquérir.
A défaut d'en trouver, en ces périodes de spéculation sur les appareils détecteurs, il y aurait deux solutions :

- le fabriquer de toutes pièces : Mr Kainka Burkhard (dont nous avions parlé au sujet du détecteur de radiations à semi-conducteur), propose un protocole ici : Eigenbau-Zählrohr
Das Zählrohr wurde aus dem Metallgehäuse eines Schutzgas-Relais gebaut. Im Boden waren bereits isolierende Glasdurchführungen vorhanden. An eine wurde ein Silberdraht mit einer Dicke von 0,8 mm gelötet. Am Ende des Drahtes sorgt eine kleine Lötzinnkugel dafür, dass es zu keiner ungewollten Spitzenentladung kommt. Boden und Hülle wurden dann wieder verlötet. In das Gehäuse wurde außerdem ein kleines Loch gebohrt. An dieser Stelle wurde ein Röhrchen aufgelötet.

Das wichtigste an einem Zählrohr ist die richtige Gasfüllung. Üblicherweise nimmt man Helium-Neon mit einem Zusatz von Alkohol als Löschgas. Es geht aber auch mit verdünnter Luft. Der richtige Unterdruck wurde wie in einem Einmachglas hergestellt : Durch das Röhrchen wurden einige Tropfen Feuerzeugbenzin eingefüllt. Dann wurde das ganze Zählrohr mit einem starken Lötkolben erhitzt. Oben trat Benzingas aus und wurde angezündet, um zu sehen wann alles verdampft war. Genau in dem Moment, als die Flamme ausging, wurde das Loch des Röhrchens zugelötet. Beim Abkühlen kondensierte das restliche Benzin und sorgte für einen Unterdruck. Die Gasfüllung aus verdünnter Luft und Benzin als Löschgas ist viele Jahre stabil geblieben. Das Zählrohr funktioniert auch noch nach mehr als 10 Jahren.
traduction sommaire

- remplacer le tube par des lampes à décharge, comme l'a proposé Elektor en Juin 2005 : Compteur Geiger basé sur un tube à décharge
Publié dans Elektor n° 324, juin 2005 Compteur Geiger Les tubes compteurs de Geiger-Müller sont coûteux. Les tubes à décharge constituent de bons substituts s’il ne s’agit que de détecter le rayonnement radioactif. Mais il y a tube à décharge et tube à décharge.
Voilà pour les tubes geiger ! Prochain chapitre : générer la haute tension


Dernière édition par tarsonis le Sam 30 Aoû - 1:21:15, édité 7 fois (Raison : Images repostées car Imageshack me les a effacées.....)

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Un projet de compteur geiger à transistors

Message par Ash le Ven 16 Mar - 20:11:18

Tant que j'y suis:

un cristal tel que le silicium.
Les cristaux de silicium sont assez fréquents, la citrine (jaune), l'améthyste (pourpre) ou l'onyx (noire) sont des versions impures du cristal de roche qui est du SiO2 à peu près pur.

Les particules Alpha sont émises avec une énergie comprise entre 3 et 7 MeV (millions d'électronvolts)
C'est énorme en fait, ça suffit à casser les grosses molécules telles que l'ADN. (pour faire simple)

Lors d'une réaction de fission, celle qui crée en général de la radioactivité, des 'éclats' peuvent partir, c'est ça une particule alpha.


Ensuite pour les émetteurs différents, il ne faut pas oublier un truc, qu'un atome, quand il se brise (fission donc) crée deux autres éléments et parfois, d'un émetteur alpha (courte portée) on se retrouve avec un émetteur béta (moyenne portée) peu de temps après ou inversement, c'est instable par définition.

Du reste, chapeau bas.

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par Cyrus_Smith le Ven 16 Mar - 22:09:09

un cristal tel que le silicium.
Les cristaux de silicium sont assez fréquents, la citrine (jaune), l'améthyste (pourpre) ou l'onyx (noire) sont des versions impures du cristal de roche qui est du SiO2 à peu près pur.
C'est ambigu. AMHA, vu le contexte, il faut comprendre "cristal de silicium" au sens strict (ceux que tu prends en exemple sont des cristaux de silice, c'est-à-dire du dioxyde de silicium, SiO2 comme tu l'indiques). Un cristal de silicium proprement dit est composé de silicium métallique, comme les cristaux artificiels créés dans l'industrie électronique:
Image de Wikipédia, cliquez dessus pour les infos de copyright

Ensuite pour les émetteurs différents, il ne faut pas oublier un truc, qu'un atome, quand il se brise (fission donc) crée deux autres éléments et parfois, d'un émetteur alpha (courte portée) on se retrouve avec un émetteur béta (moyenne portée) peu de temps après ou inversement, c'est instable par définition.
Oui (si ce n'est qu'un des deux éléments créés est en général la "particule radioactive"), jusqu'à ce qu'on tombe finalement sur un élément stable. C'est ce qu'on appelle les chaînes de désintégration.

Du reste, chapeau bas.
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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Sam 17 Mar - 17:07:27

Salut !
Cyrus_Smith a écrit:
un cristal tel que le silicium.
Les cristaux de silicium sont assez fréquents, la citrine (jaune), l'améthyste (pourpre) ou l'onyx (noire) sont des versions impures du cristal de roche qui est du SiO2 à peu près pur.
C'est ambigu. AMHA, vu le contexte, il faut comprendre "cristal de silicium" au sens strict (ceux que tu prends en exemple sont des cristaux de silice, c'est-à-dire du dioxyde de silicium, SiO2 comme tu l'indiques). Un cristal de silicium proprement dit est composé de silicium métallique, comme les cristaux artificiels créés dans l'industrie électronique
Oui, la citation parle amha des composants à semi-conducteur. Par exemple, le détecteur à diode PIN de l'autre topic est capable de capter les particules ionisantes ponctuelles (dont les bêta- faibles et certains alphas), et surtout de mesurer leur énergie d'ionisation. Le seul inconvénient de ce type de capteur étant la faible surface de détection offerte par les composants usuels.
Du reste, chapeau bas.
Merci ! Et n'hésitez pas si vous voyez des erreurs, je jongle entre une dizaine de brouillons...une incohérence peut se glisser à travers mes posts

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par Ash le Lun 19 Mar - 19:48:06

Ben, comme d'hab, si je vois, je dis, du reste, les quelques remarques que j'avais à faire l'ont été même si une était faussée...

Donc, RAS de mon coté.

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Jeu 5 Avr - 16:10:47

Salut à tous !
Voici le chapitre suivant du projet geiger :

Partie 2 : L'Alimentation des circuits

Elle précède la partie sur l'alimentation THT du tube geiger car elle mérite un petit approfondissement.

Au vu du prototype fabriqué sur plaque d'essai, j'ai beaucoup hésité quant à la manière d'alimenter les circuits. En effet, le circuit THT et le circuit de conversion du signal requièrent une tension de 3V. Le choix pouvait sembler vite vu avec un jeu de deux piles 1,5V alcalines en série, mais il n'en est rien; car ce serait ne pas prendre en compte la chute de tension progressive sur ces piles, au fur et à mesure de l'usure.
Ainsi, elle peut chuter à 1,2V pour une pile encore "usable". Le montage de conversion pouvait alors avoir une tension oscillant entre 3V et 2,4V (-20% !)....ce qui aurait faussé tous les calculs IPS/graduation sur un montage intégrateur.

La solution souvent présentée dans les montages geiger est de recourir à une régulation de tension.....ce qui impose d'avoir une tension en amont de plusieurs volts supérieure à la tension d'alimentation en aval (en raison de la chute occasionnée par la régulation). Au final, nous nous serions retrouvés avec 3 piles 1,5V, pour former une tension de 4,5V, régulé à 3V pour une utilisation indépendante de l'état de charge des piles.

Second problème arrivant avec un montage prévu pour 3 piles alcalines 1,5V : les difficultés de l'adapter à un montage avec des accus NiMH 1,2V.
Avec un pack de 3 x 1,2V, nous aurions à peine 3,6V, qui est une tension très limite pour réguler à 3V. La parade aurait alors consisté à prendre au moins 4 accus pour former 4,8V, régulés à 3V.

Personnellement, cette configuration présente de nombreux inconvénients :
- nécessité de plusieurs piles/accus (de même charge), ce qui monopolise ces éléments, souvent nécessaires aux autres appareils.
- poids supplémentaire pour un montage censé être autonome.
- place supplémentaire requise pour les piles dans le boîtier.
- beaucoup d'énergie perdue dans la régulation.

Afin de corriger globalement tous ces problèmes, j'ai opté pour un montage survolteur à hachage. Il s'agit sensiblement du même circuit construit dans le post Circuit Survolteur ajustable : convertir 1,5V en 9V - 12V - 15V, etc...
Dans ce cas, le montage final sera alimenté par une seule pile 1,5V !

Les avantages sont immédiats :
- gain de place : une seule pile est utilisée. Les autres
- polyvalence : moyennant une petite retouche sur une résistance ajustable (un coup de tournevis), on peut passer aux accus 1,2V.
- le montage est auto-régulé : il sortira 3V à vide ou à charge.
- le montage corrige la baisse de tension de la pile/accu : même déchargé à 1,1V, le montage sort toujours 3V.
- haut rendement du dispositif : la quasi-totalité de l'énergie est transférée au récepteur.

Bien entendu, si le montage consommait 20mA sous 3V, il consommera un peu plus de 40mA sur une pile 1,5V. Un jeu de deux piles 1,5V durerait deux fois plus longtemps dans le premier cas (en fait moins à cause des pertes de régulation) qu'une seule pile dans ce montage hacheur....mais l'ensemble revient rigoureusement au même puisque quand la première pile est déchargée, il suffit de permuter avec la seconde du jeu. Nous consommons au final deux piles sur la même période.

Ce serait même un avantage, car le compteur geiger n'utilisant qu'une seule pile, la seconde peut très bien alimenter un autre appareil en attendant (radio, lampe, etc...).

Voici donc le circuit :


Précisions :
- la flèche rouge indique un connecteur jack, permettant d'alimenter le circuit avec une source externe si nécessaire (solaire, secteur, etc...).
- La flèche violette indique une prise à cavalier (comme sur les cartes mères), afin de pouvoir séparer le circuit d'alim des autres en cas de maintenance ou diagnostic de panne.
- l'interrupteur n'est pas relié définitivement à la carte, car les connexions sont toujours plus fragiles que le reste de la carte (les fils finissent toujours par lâcher). Par ailleurs, cela permettra de visser l'interrupteur sur le boitier et le laisser dessus en cas d'extraction du circuit. Il en sera de même pour le haut parleur et le galvanomètre.
- La résistance ajustable (50KΩ) est protégée par une coque blanche étanche....elle provient d'un magnétoscope.
- L'ensemble du projet sera sur cette carte (THT en haut, convertisseur à droite), qui fait 7,5 x 8cm.
- Il s'agit avant tout d'un prototype, qui aura sûrement son circuit époxy une fois terminé...et je fournirai un vrai typon pour ceux qui détestent les prototypes sur perfboard

Vue de la tension de sortie à vide (3,06V) :



Tension de sortie à charge (3,04V) : le régulateur agit correctement.

Elle est mesurée aux bornes d'une résistance qui simule une charge de 13mA (courant moyen mesuré sur le montage THT).

Courant à vide prélevé sur la pile (2,4mA) : il s'agit principalement du courant consommé par la LED, indiquant la marche de l'appareil.

(Le nombre est négatif car l'ampèremètre est branché à l'envers....)


Courant de charge de sortie (13,5mA):



Courant prélevé sur la pile à charge (48,7mA) :


C'est supérieur aux 27mA qui seraient prélevés sur une pile 1,5V neuve car......la pile est déjà bien usée (0,96V à peine !) :

Le circuit tire coûte que coûte l'énergie de la pile pour alimenter toujours sous la même tension (3V) les circuits en sortie. On remarque que 3/0,96 = 3,16 et 48,7/13,5 = 3,6...on convertit avec peu de pertes (avec les 3mA de la LED, on arrive à une conso de 45,6mA, soit un rendement de 94%...) !

Au niveau autonomie
:
Les circuits THT/régulation consomment en moyenne 13mA en milieu moyennement radioactif (tests sur environ 150CPM), et à peu près 3mA en milieu ordinaire (avec le rayonnement de fond usuel).
Ce qui téléporte à une consommation de 30mA sur une pile neuve (et 48mA sur une pile presque morte...on arrondit à la louche à 40mA en moyenne) en milieu radioactif, et environ 9mA sur cette même pile en rayonnement de fond.
Une pile alcaline LR06 ordinaire présente une capacité de 2800mAh (source wiki), ce qui nous donne environ 70 heures d'autonomie en continu sur un rayonnement inquiétant, et à peu près 13 jours d'autonomie en continu sur un rayonnement de fond.
Bien entendu, à hauteur de deux heures d'utilisation par jour, on allonge cette autonomie à 35 jours pour le milieu radioactif, et 150 jours d'ordinaire.

Enfin, la prise jack est là pour assurer une alimentation externe en cas de besoin : un montage solaire (qui chargerait l'accu du détecteur le jour), une pile LR20 (de 20 000mAh !), etc...

Bons bidouillages à tous....en attendant la partie sur la THT

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La théorie, c'est quand on sait tout et que rien ne fonctionne. La pratique, c'est quand tout fonctionne et que personne ne sait pourquoi. [...] Albert Einstein

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par Ash le Jeu 5 Avr - 20:51:36

Joli joli!

On pourrait alors tout à fait voir arriver un montage avec des supercapas de 1,2v pour alimenter l'ensemble, capas facilement rechargeables avec peu de pertes encore une fois...

Rar (rien à redire)

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Ven 6 Avr - 17:09:27

Salut !
Johann a écrit:
On pourrait alors tout à fait voir arriver un montage avec des supercapas de 1,2v pour alimenter l'ensemble, capas facilement rechargeables avec peu de pertes encore une fois...
Tu devances un de mes projets !
Au sujet du survolteur 1,5V->15V, j'ai monté la version 2, qui fonctionne sur cellules solaires. Le circuit est prévu pour fonctionner sur des alcalines, mais aussi sur des accus NiMH (avec le solaire donc) et bien entendu.....deux supercapas en cas d'accus morts ou indisponibles. On a ainsi de quoi alimenter sur le solaire régulé (avec ou sans accus) toutes sortes d'appareils, de quoi tenir sur les capas quelques minutes de plus, et des centaines d'heures sur les alcalines.
Sur le coup, j'ai préféré traiter en premier le projet Geiger histoire de le faire avancer, le projet survolteur pouvant être traité en un unique post.

Merci en tous cas !

Ps : J'ai oublié de le préciser : l'oscillateur de l'alimentation étant sensiblement identique à celui de la THT du tube geiger, la description de son fonctionnement sera vue dans la prochaine partie. clind'oeil

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Circuit générateur de haute tension pour le tube geiger

Message par tarsonis le Dim 6 Mai - 3:19:28

Salut à tous !

Voici donc le chapitre le plus important du projet de compteur geiger à transistor : le circuit générateur de la haute tension.

Je le répète : prudence !
Il n'y a pas de quoi s'électrocuter, mais on ne manquera pas de s'électriser les doigts égarés. Ni le forum, ni moi ne pourront être tenus responsables d'un
quelconque dommage que vous, votre entourage, ou des équipements subiriez directement ou indirectement; ceci n'est qu'à but informatif.



Les seuls prérequis en électronique pour aborder cet article sont ceux décrits dans mon post Théorie et pratique des circuits d'une radio (fonctionnement des résistances, selfs et condensateurs), et une compréhension sommaire du transistor (en commutation : 0.6V pour le débloquer).

Ce circuit, comme beaucoup d'autres, n'a pas la prétention de rivaliser avec ses homologues du commerce; les principaux critères que j'ai conservé sont la simplicité de fonctionnement, la compréhension aisée, la fabrication bon marché, avec des composants disponibles et remplaçables par des centaines d'équivalents et la maintenance assurée, avec un circuit entièrement réparable, maintenant comme dans 20 ans.

Tous les schémas de principes ont été réalisés sous SDS avec l'aimable autorisation de son auteur (le log est gratuit, simple et performant).
Une partie a été remplacée, utilisant un oscillateur astable, mais elle est disponible avec des schémas réalisés sour
DIY Layout Creator version 3.0, (un freeware très pratique, surtout sous perfboard).

Suite à un MP à propos de ce projet, réalisé sur perfboard :
Si l'on a pas de plaque bakélite, époxy, perfboard, ou veroboard, il est possible de réaliser un montage aérien à l'ancienne :





(exemple de mon poste radio des années 40, avec montage sur châssis, directement relié au 110V !)

Mais il est aussi possible de construire à partir de dominos d'électriciens, si l'on ne se soucie pas de la place occupée.

Partie 1 : Le générateur haute tension :

J'ai réalisé qu'il était vraiment injuste que je réserve (comme dans le post sur la chambre à ionisation) la partie concernant la fabrication des circuits HT aux seuls Olduvaïens par MP, en raison du danger de la HT.
La tension générée sera très proche de 440V (dans le plateau du tube geiger).

Cette fois-ci, je fournis tous les docs. Attention donc ! Si vous avez le moindre doute, il est préférable que vous me demandiez par MP ou dans ce topic.

Fonctionnement général :
Nous allons utiliser un oscillateur, qui va alimenter un transformateur élévateur de tension pour passer de 3V à 400V.

La théorie :
Elle est assez simple car elle repose sur le fonctionnement d'un transformateur de tension alternative. Il est possible d'utiliser à la place du transfo les fameux circuits de Latour & Schenkel, qui consistent en une mise en série/parallèle de condensateurs HT et de diodes; mis bout à bout, nous obtenons un multiplicateur de tension dit de Greinacher ou de Cockroft-Walton :




Et de créer ainsi un montage dit "survolteur", que l'on utilise parfois dans les compteurs geiger. Mais ces derniers nécessitent des composants qui peuvent s'avérer relativement ardus à dégotter post bise : condensateurs 250V~ classe X2 (en quantité et de bonne qualité) ainsi que des diodes HT. C'est donc vers un montage à simple transformateur que j'ai orienté ce post.

Le fonctionnement du transformateur

Afin de convertir une tension, la méthode la plus simple et économe est d'utiliser le principe de transformation du courant alternatif. Faraday a longtemps tenté de convertir le courant continu. Il utilisait pour cela un transformateur à deux bobines sur un tore de métal. La bobine marron est le primaire (là où on injecte le courant à transformer), la bobine rouge le secondaire (là où on le récupère).


Mais il n'a jamais obtenu de production quelconque mise à part une légère impulsion de courant dans le secondaire à la mise sous tension du primaire, puis plus rien à l'instant suivant.

Mais ce phénomène a toute son importance. Comme je l'avais expliqué dans le post sur la radio (partie sur l'induction), on crée un courant dans une bobine dès que l'on fait varier un champ magnétique autour. Faraday ne produisait qu'une seule variation de champ dans le tore : celle à la mise sous tension, où le primaire va se comporter comme un aimant et présenter deux pôles, ce qui va générer un unique pic de tension dans le secondaire) :

Si on fait varier la tension aux bornes du primaire (les pôles de "l'aimant" s'alternent, comme dans un générateur), on voit très vite apparaître une tension qui varie aux bornes du secondaire; c'est le début de la transformation : un courant alternatif peut être converti à travers un transformateur en un autre courant alternatif.

Le nœud de l'expérience est donc de transformer dans un premier temps le courant continu de que l'on a (batterie, pile, etc...) en courant alternatif afin d'élever sa tension.

Les premiers transformateurs étaient à noyau de fer; ils fonctionnent à une fréquence relativement faible (50Hz). Avant l'ère des semi-conducteurs (et des lampes thermoïoniques), on a d'abord choisi en tant qu'oscillateur, des relais oscillants. Un montage astucieux permet de s'affranchir d'autres composants : la bobine de Ruhmkorff.

C'est d'ailleurs le principe du rupteur des veilles voitures :
Grosso modo un interrupteur mécanique va ouvrir et fermer le circuit très rapidement. De cette manière, le primaire de la bobine sera alimentée en courant alternatif (signal carré 12V/0V/12V) dont la fréquence est celle du rupteur.
Cependant, le principe a ses limites : le circuit génère une étincelle très forte dans les contacts (on l'amoindrit en reliant en parallèle aux contacts un condensateur), qui ont tendance à se détériorer, le circuit a une consommation non négligeable, et il est assez encombrant.

C'est pourquoi le circuit utilisé ici est électronique. Rien de bien méchant : c'est un simple oscillateur à deux transistors.

Certains bidouilleurs préféreront d'autres montages oscillants nécessitant moins de composants (à inductance, ou transfo à double primaire en particulier). Celui-ce me semble parmi les plus simples à appréhender, tant par la théorie que dans la pratique. La fréquence d'oscillation est allumé/éteint est réglée un simple circuit RC.
Je n'ai pas choisi l'oscillateur astable avec deux couples RC car la théorie est plus complexe. Cependant, je peux fournir des détails à ce sujet étant donné que ce fut le prototype de ce générateur HT.

L'oscillateur à deux transistors.

Ce circuit est ridiculement aisé à mettre en œuvre : 2 transistors, 1 condensateur et 2 résistances en tout et pour tout.
Avec ceci, on peut sans soucis créer un signal oscillant d'une fréquence allant de quelques centièmes de Hz à plusieurs GHz, dépendamment bien entendu de la valeur des composants C et R.
Il était très fréquent dans tous les montages oscillants, des circuits radio à la réception TV, mais récemment remplacé par des circuits intégrés. Ses utilisations sont très vastes et, d'un point de vue LLBSV, elles peuvent se prêter à de nombreux montages :

- clignotants
- systèmes de temporisation.
- oscillateurs d'émetteurs radio (post en cours)
- détecteurs de métaux (couplage de deux oscillateurs synchronisés)
- générateurs HT : comme ici pour un détecteur de radioactivité, mais aussi en remplacement du générateur HT d'un compteur Geiger défectueux pour générer 400V...
- circuits inverters (Convertisseur 12VDC/230VAC), pour des puissances jusqu'à 200W (au delà, on a tendance à prendre un oscillateur à déphasage qui génère un sinus pur).
- générateur sonore : sirène, ultrasonique, etc...

La théorie de fonctionnement est relativement simple pour un débutant; cependant, elle est souvent survolée voire décrite en omettant certains phases.
Par ce topo, je vais tenter d'expliquer clairement et simplement le fonctionnement de ce montage, à la portée de tout bidouilleur, mais important dans son potentiel d'utilisation.

Schéma de principe & Fonctionnement
Curieusement simple pour une fonction aussi compliquée :


Un transistor NPN est passant si sa base a une tension de 0,6V supérieure à son émetteur (cf porteurs de charges dans la théorie). Ce dernier étant en général à la masse, on dit souvent par abus de langage qu'un NPN conduit si on lui présente 0,6V à la base. Pour un transistor PNP, c'est l'inverse. Il faut que la tension à sa base soit de 0,6V inférieure à son émetteur. L'émetteur étant à 3V, le PNP commence donc à conduire avec une tension inférieure à 2,4V à sa base.


  • A la mise en service, le condensateur C est déchargé, c'est à dire qu'il fait office de simple fil de connexion, il y a une tension de 3V sur la base du PNP, le bloquant. C est cependant relié à +3V via le primaire du transformateur, et à la masse via la résistance R. Il va donc se charger.
  • Lorsque C1 se charge, la tension à ses bornes augmente (principe de la charge des condos).
  • Quand le condensateur se charge, on voit apparaitre une différence de potentiel entre ses plaques. Quand cette différence atteint 0,6V, le PNP commence donc à conduire.
  • Ce dernier alimente alors la base du transistor NPN, qui entre alors en conduction : l'émetteur est relié au collecteur : la tension du collecteur tombe brusquement à 0V. Nous avons donc quasiment 3V aux bornes de notre transformateur ! C'est le pic de tension.
  • Cependant, lorsque le NPN conduit, le condensateur se décharge à travers la base du PNP. Comme la borne droite reliée également à la borne positive, le condensateur se décharge encore plus vite. Le condo s'étant déchargé, cela coupe le PNP, qui lui même coupe le NPN. Nous voici retournés à la situation de départ. Le temps de charge/décharge dépend ici du couple RC. Augmenter la valeur de R ou C augmente la durée de la période, la diminuer diminue la période, et donc augmente la fréquence.

Cet oscillateur est très pratique dans la génération de HT car il n'y a qu'un seul couple RC, alors que bon nombre de circuits en possèdent deux : un qui règle la période OFF, et un pour la période ON. Ici, le primaire du transformateur est ON/OFF sur une durée identique.
Il est donc plus simple de trouver la fréquence optimale d'utilisation du transformateur. L'idéal est d'avoir un condensateur fixe de petite valeur, et une résistance ajustable.

On classe ce circuit dans les oscillateurs de relaxation.

On remarque la tension entre la masse et le collecteur du NPN oscille entre deux états : 0V et 3V. Les variations étant brutales, le signal est sensiblement carré.
Exemple ici d'un signal quasi-carré de 50Hz oscillant entre 0V et 3V :


La fréquence de ce signal est homogène à 1/(R x C) (il me semble qu'il y a un léger coefficient devant), ce qui n'est pas étonnant car les cycles de charge/décharge étaient justement régulés par la résistance, mais aussi la capacité du condensateur. Plus la résistance est élevée (resp la capacité de C), plus C se charge lentement, et plus la période est longue (la fréquence est basse). L'inverse est vrai : Plus la résistance est faible (resp la capacité de C), plus C se charge rapidement, et plus la période est courte (la fréquence est élevée).

Le transistor NPN est celui utilisé pour alimenter directement le primaire du transformateur. Il convient de bien vérifier que la puissance maxi qu'il tolère ne soit pas dépassée (en contrôlant l'intensité débitée par l'alim (P = U x I), au risque de le détruire.
Cependant, le prototypage a été fait avec un simple BC547 (100mW), et la puissance maxi n'a jamais été atteinte. On peut cependant ne pas prendre de risques en optant pour un simple 2N2222 ou un BC337.

Le transformateur :

La théorie des transformateurs est assez fournie. Pour plus de détails, voici un bon tuto pour les intéressés.

Grosso modo, le rapport de transformation de tension est le rapport du nombre de spires dans les bobines (100 tours sur A 1000 tours sur B = un facteur multiplicatif de 10, en théorie car le nombre de tours est régit par les propriétés du noyau...).
On peut s'en souvenir en considérant que 1000 spires équivalent à 10 transformateurs de 100 spires en série. Par la loi d'additivité des tensions (en série), on retrouve bien une tension dix fois plus importante.

Afin de minimiser les pertes du champ magnétique, il faut absolument que la boucle magnétique soit fermée. C'est pourquoi les transformateurs usuels ont cette forme :



Cependant, le champ magnétique induit dans un noyau conducteur crée un courant en son sein (courants de Foucault) ! Au début, cela avait pour conséquence de faire chauffer la carcasse par effet joule.

C'est pourquoi maintenant dans les transformateurs à noyau de fer, les lamelles sont coupées, afin d'éviter une boucle, et que le courant circule. On peut voir ce découpage si l'on démonte un transformateur à lamelles : elles sont de formes variées, dont les plus fréquentes sont en "E" et en "I". Cette astuce a néanmoins pour effet de créer des fuites de champs, qui influent sur le rendement du transfo.

Les transformateurs classiques à lamelles de fer peuvent être utilisés, mais ont quelques inconvénients. Il y a en effet des pertes énergétiques, ils sont lourds, et relativement difficiles à assembler.

J'ai donc opté pour un transformateur en ferrite. Il est cependant possible, faute de mieux et en adaptant la fréquence du circuit, d'utiliser un transformateur 50Hz 220V/1,5V. Les 3V du primaire étant transformés en 440V au secondaire.

Les ferrites ont transformé la technologie de transformation ().
En effet, leurs propriétés magnétiques sont très intéressantes, tout en étant isolantes électriquement (car ce sont des céramiques ferromagnétiques). Il n'y a plus de courant qui circule dans le noyau, et donc plus de pertes par effet Joule.

De cette manière, la quasi-totalité de l'énergie fournie par le primaire est transférée au secondaire, tout en étant quasi-insensible aux parasites extérieurs. Elles sont par ailleurs très légères.

La contrepartie de ces avantages (outre un prix plus élevé) est de nécessiter une fréquence de fonctionnement bien supérieure à 50Hz.
Bien souvent elle démarre à 15KHz, jusqu'à plusieurs MHz.
Ce qui explique pourquoi certaines des alims "Ac-> Dc -> hachage à plusieurs KHz -> conversion par ferrite-> redressement" émettent des parasites radio (lampes fluo par ex).

J'ai réalisé plusieurs prototypes de transformateur (tore, bobine relais, etc...), mais ne vais garder que le type le plus simple :

- Le transformateur à entrefer en ferrite :
L'ensemble provient d'une self de lampe fluocompacte, exemple ici dans le cercle blanc (cela ressemble à un transformateur, au premier coup d'œil) :



Les parties ferrites sont extrêmement fragiles et cassent pour un rien sans crier gare. Elles sont en général collées à la cyano, mais l'ensemble étant souvent de mauvaise qualité, les entrefers se décollent d'eux-mêmes. Une fois désolidarisées (au soudeur, cutteur, miracle, etc...), on ôte le fil de cuivre qui va servir pour bobiner le primaire.

(ici avec un autre modèle de self de lampe fluo)


Voici les différentes étapes :

- débobinage de la self
- bobinage des spires du primaire (ici 15)
- on isole le primaire à l'aide de scotch d'électricien
- on bobine le secondaire
- enfin, on repose les entrefers en ferrite.



Le fil servant à réaliser le secondaire est récupéré de la bobine d'un réveil à aiguille cassé (à gauche). Il est extrêmement fin (à défaut, on peut aussi récupérer le fil d'un relais électromécanique).
Son diamètre est de 0,1mm (approximativment 2Ω/m), avec une résistance une fois la bobine finie de 220Ω (soit 100m). Ceci donne à la louche 3500 spires (avec une spire mesurant entre 2 et 4 cm (centre et périphérie de la bobine).



Avec 15 spires au primaire, nous avons donc un facteur multiplicatif de 230 pour la tension, ce qui donne donc approximativement 700V maxi au secondaire avec 3V (bien plus à vide en réalité) au primaire.
Ce prototype fonctionne bien et est assez facile à bobiner, mais on est en présence d'un fil très fin qui casse au moindre faux mouvement, donc patience et précision sont de mise.

Pour les aficionados de l'électronique, je tiens à préciser que je suis parfaitement conscient que le bobinage de notre transformateur n'est absolument pas optimal. En effet, la théorie des transfo ferrite est suffisamment compliquée pour que je n'alourdisse pas davantage ce post. Au final, nous aurons tout de même des petites pertes de transformation (sans compter le fait que certaines tores ne sont pas vraiment adaptées pour la transformation de tension).

Il est possible de sauter l'étape de fabrication avec la récup dans un écran LCD HS. Ce type d'écran contient un inverter permettant d'alimenter en haute tension de minces tubes néons de part et d'autre de la dalle. Il est tout à fait possible de récupérer le transformateur de cet inverter. On peut donc soit choisir de bobiner soi-même le transformateur, soit le récupérer tout fait

J'ai testé les deux transfos pour ce projet.

Tests avec le transformateur DIY, la tension non régulée (juste une diode et deux condensateurs en série pour former une capa de 100nF) oscille entre 550V et 600V.




La capacité est suffisamment faible pour rendre relativement inoffensif le montage, mais suffisante pour faire une étincelle :

(capture vidéo)

Capture avec un prototype à condensateurs chimiques (2µF) :



La régulation haute tension
Il est tout à fait possible de ne pas réguler la haute tension, si elle oscille entre des valeurs comprises dans le plateau de tension du tube geiger. Malheureusement, c'est rarement le cas.
Les circuits prototypés montaient sans broncher jusqu'à 1500V. Il convient alors de nous ramener à des valeurs utilisables.
J'ai personnellement opté pour la régulation à diodes zener.

La diode zener est une diode particulière. A la différence des diodes usuelles, qui claquent définitivement passé une certaine tension (tension de claquage, ou d'avalanche), elle n'est pas détruite; elle est même prévue pour "claquer" à des tensions bien particulières.
Ceci nous arrange, puisque les diodes zener vont nous permettre, à chaque dépassement de leur tension zener, de ramener la tension à leur valeur définie.

Par exemple, une zener 5V disposée en parallèle à un récepteur, en état bloquant, va écrêter la tension à chaque fois qu'elle va dépasser 5V. Cela permet de créer des régulations simples, améliorées par les transistors ballast et de petits systèmes de protection.

Le gros avantage des diodes zener est la possibilité de créer une tension de claquage en les disposant en série. Deux diodes 200V et une diode 40V vont créer (en état bloquant) une diode zener de 440V (la première ayant 200V à ses bornes, comme la deuxième, et la troisième voit 40V à ses bornes).
Cet ensemble écrêtera notre tension HT.

Attention, il n'est pas question ici de juste écrêter dans le vent, au risque de perdre énormément d'énergie à travers les diodes zener !
Nous allons créer un rétrocontrôle négatif sur le circuit oscillant du primaire du transformateur.
Si on détecte une tension supérieure à 440V sur la HT, alors il faut arrêter le circuit générateur. Si la tension est inférieure à 440V, alors il faut le réamorcer.

Le principe est simple : la base B du transistor PNP doit être plus négative que son émetteur E pour que le PNP conduise le courant.
Si on intercale une résistance entre B et E, nous laisserons passer un courant qui rendra la base un peu plus positive, en diminuant l'amplification du PNP.

Si on remplace maintenant cette résistance par un transistor, nous pouvons moduler la quantité de courant qui arrivera sur la base, et donc l'amplification du PNP.

Revenons à nos diodes zener : Si la tension HT dépasse 440V, les diodes zener l'écrêtent (de 440V), et entrent en conduction. Si nous relions la dernière zener à la base d'un transistor NPN, via une forte résistance de protection, le faible courant de conduction va enclencher le NPN. Ce dernier va alors permettre le passage du courant sur la base du PNP, qui va moins amplifier. Dans le circuit oscillant, les impulsions sont plus faibles, le primaire du transformateur est moins alimenté, la HT diminue alors.
Voici notre rétrocontrôle !


Si l'on a pas les bonnes diodes zener.

La régulation se faisant sur diodes zener (200V + 200V + 39V), ces composants peuvent se révéler rares à dégotter ou récupérer sous certaines contrées.
Il y a plusieurs manières de réguler sans ces composants :
- monter en série des diodes zener d'autre tension, par exemple, 6 diodes zener de 80V en série
- monter en série des diodes ordinaires en sens passant : chaque diode ayant une tension seuil de 0,7V, monter 600 diodes ordinaires en sens passant en série permet d'avoir une tension seuil d'environ 420V.....montage à réserver pour un scénario post apo

Réaliser un pont diviseur de tension à l'aide de résistances : le transistor NPN de rétrocontrôle conduit à partir de +0.6V entre sa base et la masse.
Un pont diviseur de tension n'est qu'une application de la loi d'ohm.
Supposons que nous mettions une énorme résistance de 40MΩ aux bornes de notre condensateur HT, chargé à une tension de 440V (imaginons).
Si nous utilisons deux résistances de 20MΩ en série, selon la loi d'additivité des tensions, chaque résistance aura 220V à ses bornes.
Si maintenant nous les remplaçons par 700 résistances de 55kΩ en série, chacune d'elles aura une tension de 0.6V à ses bornes.

On voit où l'on arrive : la dernière résistance a une valeur de 55KΩ, dont une broche va à la masse, et l'autre sur la base du transistor. Toutes les précédentes, en série, peuvent être regroupées en une unique résistance de 39,95MΩ, arrondie à 40MΩ (on n'est à pas quelques volts près au vu de la tolérance des résistances).
Voici le pont diviseur de tension, qui agit sensiblement comme les diodes zener, à ceci près qu'il est toujours en conduction (donc pertes en continu), donc le circuit THT consommera toujours un peu plus qu'avec la régulation zener.

Si la tension aux bornes du pont dépasse 440V, la tension aux bornes de la dernière résistance sera supérieure à 0.6V, et fera entrer le NPN de contrôle en conduction.
Si la tension aux bornes du pont est inférieure à 440V, la tension aux bornes de la dernière résistance sera inférieure à 0.6V, ne débloquant pas le NPN.

Le circuit final de haute tension

Nous allons maintenant combiner notre générateur de signaux carrés à notre transformateur et notre régulateur à diode zener afin de générer une haute tension, et charger un condensateur HT.




Circuit sans diodes zener :



Commentaires

  • R1 = 33kΩ, Condo = 1nF, Résistance = 100kΩ
  • Les transistors du circuit oscillant doivent tenir plusieurs kHz c'est à dire avoir une fréquence de transition (là où le gain tombe à 1) supérieure à la fréquence de notre montage. Pas d'inquiétudes, c'est en général le cas pour tout transistor de petits signaux. Personnellement, j'ai utilisé le BC547. Pour ne pas entrer dans les valeurs limites, il est tout à fait possible d'utiliser des transistors un peu plus puissants, comme le BC337 ou le 2N2222.
  • Les diodes Haute Tension : Le must est d'utiliser des diodes dite diodes "rapides" (cad qui supportent des fréquences de redressement élevées); on en trouve entre 2 et 4 dans les lampes fluocompactes. J'ai utilisé pour les prototypes une simple 1N4007 (700V max) : aucun soucis à quelques KHz; mais si votre circuit tourne à fréquence élevée, elle risque de chauffer (on perd beaucoup d'énergie pendant le temps de recouvrement) et exceptionnellement, en utilisation intensive de griller.
  • Les condensateurs HT: On trouve rarement des condos supportant plus de 400V dans la récup. Cependant, si on les relie en série comme ici, on divise par deux leur capacité, mais on double la tension maxi d'utilisation ! J'ai donc utilisé deux condensateurs récupérés de lampes fluo, supportant chacun 400V, de 200nF. Donc formant un condensateur de 100nF supportant 800V. En cas de mauvaise manip de l'utilisateur, la puissance dissipée dans les doigts s'approche plus de la châtaigne qu'autre chose.
  • Attention lors du soudage de bien respecter le sens des diodes, afin d'avoir une tension positive sur la cathode du tube geiger.

Du côté des pannes :

Il faut bien reconnaitre que bon nombre de montages ne fonctionnent pas du premier coup. Il ne faut pas se décourager car le plus souvent une rapide vérification met en évidence une grossière erreur. Ce simple montage m'a cependant donné pas mal de fil à retordre, avec des pannes assez pénibles à réparer si l'on y pense pas au premier coup d'œil.
Je vais essayer d'énumérer les pannes fréquentes :

  • Défaut d'alimentation. C'est pour cela que j'ai séparé à l'aide d'un cavalier les circuits d'alim et THT. En l'ôtant, on peut vérifier que les 3V sont bien produits à l'aide d'un voltmètre. Si la LED s'éteint dès la mise en place du cavalier, il s'agit d'une surconsommation de la THT.
  • Surconsommation : le plus souvent il s'agit d'un défaut d'oscillation de la THT, ou d'un faux contact par soudure entre le +3V et la masse. On le vérifie avec un ohmmètre entre ces bornes (montage débranché bien entendu). Une valeur de court-circuit, soit entre 0 et 40 Ohms nous orientera dessus.
  • Défaut d'oscillation : là j'en ai eu une belle : un transistor neuf HS. On le vérifie en déposant un transistor de même caractéristiques sur les 3 broches du circuit (côté soudure). Une amélioration du fonctionnement permet d'incriminer le transistor en question. Perso, il s'agissait du seul PNP du montage.
  • Défaut de THT : Là j'ai tout d'abord eu un fonctionnement correct quelques essais, puis plus rien. Tous les composants de la THT se sont pourtant révélés Ok chacun leur tour. Il s'agissait de la diode HT (1N4007) qui avait claqué à un moment où j'avais débranché la régulation (tension montée à 1500V). La diode claquée s'est révélée pourtant bonne sur le multimètre (tension seuil 0,6V, et résistance infinie entre ses bornes en sens bloquant).
Prototype :
Ici testé avec un transformateur d'inverter d'écran LCD.

On peut apercevoir deux transistors du côté de la régulation au lieu d'un seul NPN sur le schéma: il s'agit juste d'un montage Darlington car les modèles que j'avais sans la main ont un gain très réduit; un simple BC547C comme préconisé fait l'affaire.

Consommation quand la THT est court-circuitée : 30mA maxi



Consommation hors shunt avec HT stabilisée à 439V : autour de 3mA



Test en temps réel :

Tout d'abord quelques petits courts-circuits, puis un shunt continu, afin de pousser la consommation à 30mA, et enfin stabilisation du tout à quelques mA.
Je rappelle que ce sont ici des conditions extrêmes : la décharge se déroulant dans un tube geiger est limitée par une résistance en série de 10 MégOhm, ce qui n'a rien à voir avec un court circuit de quasi 0Ω, qui décharge instantanément les condensateurs (avec R proche de 0Ω dans un circuit RC, la constante de temps est également quasi nulle).



L'alim THT permet aussi de s'amuser un peu avec les lampes thermoïniques (tubes à vide) et les tubes néon (type tournevis d'électricien), via une résistance de protection :


J'étais en train de compléter mon brouillon quand le post a été envoyé par erreur sur le forum, il manque donc quelques photos du circuit final, que je posterai d'ici peu....
En attendant, bons bidouillages à tous !


Dernière édition par tarsonis le Lun 7 Mai - 11:45:38, édité 4 fois (Raison : Remise en forme)

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par Ash le Dim 6 Mai - 15:17:53

RAS, nickel clind'oeil

Un petit mot pour dire que sur les plaques à essai les contacts sont souvent aléatoires, si vous en utilisez une (c'est quand même très pratique), ne vous étonnez pas qu'un composant ne fonctionne plus subitement, c'est souvent qu'une patte n'est pas enfoncée convenablement...

Voilà.... (vivement que je recouvre mon matos...)

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Lun 7 Mai - 10:00:05

Salut !
Merci pour la vérification ! Le post étant sorti avec beaucoup d'avance par erreur de manip, j'ai essayé de rectifier très rapidement quelques parties encore partielles dans le brouillon; il y avait donc un risque que quelques erreurs se soient glissées

Johann a écrit:
Un petit mot pour dire que sur les plaques à essai les contacts sont souvent aléatoires, si vous en utilisez une (c'est quand même très pratique), ne vous étonnez pas qu'un composant ne fonctionne plus subitement, c'est souvent qu'une patte n'est pas enfoncée convenablement...
Tout à fait !
En cas de panne, il ne faut pas hésiter à appuyer sur les composants et les faire bouger. C'est particulièrement sensible sur les transistors en boitier TO-92, qui ont des pattes très fines; si les connecteurs sont souvent sollicités, le serrage peut être imparfait.
Sinon, il faut bien entendu utiliser du fil monobrin, car la torsade du multibrin se désagrège lors du contact

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Ven 25 Mai - 15:56:33

Salut à tous !
Petit interlude dans ce projet pour présenter l'Echelle de Comptage Geiger de mon neveu.
Un appareil fabriqué en France vraisemblablement dans les années 60, par la Société d'Applications Industrielles de la Physique, pour un labo.

Curieusement, il rentre quasiment dans les critères que j'avais défini pour le projet de ce topic : simple et à transistor.
Il y déroge par l'utilisation d'un tube compteur dit "Décatron". Celui-ci est à Argon. Le tube n'est pas thermoïnique comme les lampes usuelles, mais fonctionne uniquement par ionisation, sans chauffage. Un peu comme à la manière des petites veilleuses néon.
http://en.wikipedia.org/wiki/Dekatron
Ces tubes permettent de compter par intervalles de 10 impulsions, afin d'alléger le compteur mécanique terminal.

Il est possible d'ajuster la tension entre 0 et 600V, permettant d'utiliser plusieurs types de tubes geiger, mais aussi de tester leur plateau de tension (voir plus haut).

Curieusement, je ne trouve pas de référence détaillée de ce type de matériel dans la littérature. Au vu du numéro de série et de la place laissée à l'impression, il ne doit pas y avoir eu beaucoup de modèles construits.
La coque est en acier épais, ce qui donne un poids total de près de 10kg pour se petit compteur geiger qui fonctionne sur le secteur.

Pour les intéressés, voici donc quelques photos et une vidéo :


Le circuit, avec ses composants d'origine, reste assez simple :
La tension est régulée à l'aide de tubes Cerberus SR6 - SR7 (en haut à gauche).


Petite vidéo de fonctionnement (avec un son à peine décalé).
Le tube geiger est muni d'une fenêtre pour les rayonnements alpha, que l'on peut occulter avec un cache métallique. L'enveloppe métallique du tube peut être ôtée pour augmenter un peu le nombre de coups détectés.
Un tour de décatron signifie 10 impulsions. Avec le rayonnement de fond, on tourne ici autour de 50 IPM.

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Mesurer une haute tension avec un pont diviseur et un multimètre

Message par tarsonis le Jeu 7 Juin - 15:27:20

Salut à tous !
En attendant la suite -nous sommes presque au bout du projet vu que les chapitres suivants sont plus simples- voici quelques précisions sur la régulation de tension à résistance, qui nous permettra également de mesurer les hautes tensions stockées dans des condensateurs.

Attention ! Bien que théoriquement universelle sur les courants continus, les manips présentées ne doivent pas être réalisées sur les hautes tensions usuelles (secteur, postes de transformation, etc...), qui présentent un danger de mort, ni sur les condensateurs chimiques de plusieurs microFarads (µF), mais sur les petits condensateurs de quelques nano-Farads (nF), où il ne reste que le risque de châtaigne désagréable. Ni moi ni le forum Olduvaï ne pourront être tenus responsables pour un quelconque dommage subi.

Cela concerne à la fois les membres qui m'ont écrit vis à vis de leur difficulté à trouver des diodes Zener de tension adéquate, et souhaiteraient des précisions sur le pont diviseur de tension. Mais c'est aussi proposé pour les membres qui sont bien embêtés pour mesurer une THT avec un multimètre.

En effet, l'énergie stockée dans les condensateurs THT est relativement faible, et les multimètres usuels présentent une fuite de courant lorsque l'on mesure des tensions, ce qui crée des parasites perturbateurs lors des mesures.
Sur le calibre 600V, certaines résistances de voltmètres (on les nomme impédances) descendent même à 2 MΩ.
Selon la loi d'ohm, I = U / R, donc I = 0,3mA (600/2 000 000).
Le multimètre peut donc laisser passer un courant de 0,3mA (180mW) lors de la mesure. Ceci est relativement faible sur une mesure de tension usuelle, mais bien trop élevé pour mesurer les tensions aux bornes d'un condensateur de quelques dizaines de nF (100nF sur mon circuit).

Dès que l'on mesure la tension, elle commence à chuter et il n'est pas rare de mesurer seulement 350V.
Si on mesure la tension avec le circuit en fonctionnement, la régulation se lance et se remet à charger le condensateur. Nous avons donc notre tension de base, plus des impulsions de courant de recharge.
Si le circuit de charge fournit assez de puissance pour compenser les pertes du multimètre, alors la mesure se stabilisera autour de (la tension régulée), avec quelques oscillations.
Si elle est insuffisante, ou que le multimètre présente une impédance d'entrée trop faible, les impulsions vont perturber fortement les mesures de l'appareil, qui va afficher un peu n'importe quoi.

Il existe un principe très simple permettant de mesurer les hautes tensions moyennant peu de matériel : il s'agit du pont diviseur de tension !

Comme expliqué plus haut,
Supposons que nous mettions une énorme résistance de 40MΩ aux bornes de notre condensateur HT, chargé à une tension de 440V.
Si nous utilisons deux résistances de 20MΩ en série, selon la loi d'additivité des tensions, chaque résistance aura 220V à ses bornes.
Si maintenant nous les remplaçons par 700 résistances de 55kΩ (pour un total de 40MΩ) en série, chacune d'elles aura une tension de 0.6V à ses bornes.

On voit où l'on arrive : la dernière résistance a une valeur de 55KΩ, dont une broche va à la masse, et l'autre sur la base du transistor. Toutes les précédentes, en série, peuvent être regroupées en une unique résistance de 39,95MΩ, arrondie à 40MΩ (on n'est à pas quelques volts près au vu de la tolérance des résistances).
Voici le pont diviseur de tension, qui agit sensiblement comme les diodes zener, à ceci près qu'il est toujours en conduction (donc pertes en continu), donc le circuit THT consommera toujours un peu plus qu'avec la régulation zener.

Nous avions dit que les multimètres usuels présentaient une résistance trop faible pour la mesure, qui déchargeait le condensateur.
Nous pouvons alors construire un pont diviseur de tension qui va non pas mesurer la tension aux bornes du condensateur, mais une fraction de cette tension, aux bornes d'une résistance en fin de ligne.

L'enjeu est donc de construire un pont diviseur de tension ayant une résistance totale suffisamment élevée pour ne pas décharger notre petit condensateur THT, c'est à dire, avoir la constante de temps R x C très élevée.

Nous allons procéder avec des résistance de 10MΩ en série. On en trouve parfois dans les radios, magnétoscopes, ou tout simplement chez un revendeur à 5cts l'unité.

Si nous plaçons 10 résistances de 10MΩ en série, nous aurons une résistance totale de 100MΩ, qui elle ne perturbera pas notre condensateur.
En réalité, les résistances usuelles ont une tolérance de 5%, ce qui peut mener à avoir des résistances inférieures à 10MΩ, et donc à avoir une mesure finale de tension faussée.
On peut soit accepter une marge d'erreur finale de 5%, soit pousser le précision un peu plus loin :

Tester ces résistances. Et là, de nouveau un gros problème : tout comme les multimètres ont du mal à mesurer les hautes tensions, ils sont souvent incapables de mesurer les grandes résistances, en étant limités à 2MΩ.
Seconde astuce : placer les résistances en parallèle afin de mesurer la résistance équivalente.
La formule bien connue nous donne 1 / Req = 1 / R1 + 1 / R2 + ... + 1 / Rn (n=10 dans notre cas).
Ou encore Req = (1 / (1 / R1 + 1/R2 + ... + 1 / Rn)
Si toutes les résistances ont même valeur on remarque que Req = R/n donc pour dix résistances de 10MΩ en parallèle, la résistance équivalente vaudra 1MΩ, qui est dans les calibres souvent proposés par la plupart des multimètres.

Si nous avons une résistance en dessous de 10MΩ, alors la résistance équivalente sera inférieure à 1MΩ : ce qui est le cas ici :

(10 résistances de "10 MΩ" en parallèle, ayant une résistance équivalente de 0,991MΩ).

Si nous ôtons une résistance à la fois pour n'en conserver que 9, nous pouvons repérer la ou les résistances fautives.
En effet, pour n=9, Req = R/9 = 1,111MΩ.
Nous pouvons ainsi descendre jusqu'à 6 résistances en parallèle pour ne pas dépasser le calibre du multimètre (2MΩ).

Nous avons donc au final des résistances dont la valeur est quasiment égale à 10MΩ, dont la valeur en dérivation donne exactement 1MΩ.


Maintenant que nous avons des résistances correctes, nous formons notre résistance équivalente R1 de 100MΩ en les plaçant en série (série = addition des résistances).
En plaçant au bout de cette chaîne une résistance R2 de 10KΩ (9,89KΩ), nous pourrons calculer le rapport du pont diviseur.




Ce rapport est (R1+R2)/R2 (on cherche ici, contrairement au cas usuel du pont, la valeur de la haute tension, ce rapport est donc >>1). Cette formule se démontre assez facilement à partir de la loi d'Ohm.
Le rapport vaut donc ( 100 000 000 Ω + 9890 Ω ) / 9890 Ω soit 10112.
La tension sera donc 10112 fois plus élevée aux bornes du pont total qu'aux bornes de la petite résistance R2.

Donc nous pourrons mesurer la tension aux bornes de R2 (9,89KΩ) et en déduire la valeur de la haute tension par simple multiplication. Attention, il faut passer en mode Voltmètre.

Pour les intéressés, il s'agit sensiblement d'une mesure idéale de tension car la résistance de l'appareil (2MΩ) est beaucoup plus élevée que la résitance sur laquelle on prend la mesure (10KΩ), donc nous avons affaire à un pont diviseur de tension "non chargé".

Mesure de la tension de sortie du pont, et calcul de la haute tension :




43mV (calibre 2000mV), en oscillant de temps en temps sur 44.
Ce qui nous donne pour la haute tension : 43 * 10122 = 434816 mV, soit 434,8V !
Avec 44mV, nous obtenons 444,92V; ces deux valeurs tournent donc, moyennant les quelques approximations de mesure et de valeurs, bien autour de notre régulation fixée à 439V.

Bons bidouillages à tous !

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Ven 15 Juin - 14:52:20

Salut à tous !
Afin de répondre à une certaine impatience palpable dans les MPs et les mails quant à l'avancement de ce projet -est ce que ça fonctionnera un jour ? est-ce que ça détecte réellement des radiations ? etc... -, voici les premiers clics de notre projet geiger à transistor.

Le circuit de détection est excessivement simple : un condensateur de liaison (pour extraire l'impulsion de la THT), et un montage darlington pour amplifier le signal et le rendre audible dans un haut parleur 8Ω classique, en n'oubliant pas la résistance de 10MΩ en série avec le tube geiger. Tout ceci sera bien entendu expliqué au chapitre suivant. clind'oeil

1 Essai pour mesurer le bruit de fond :


Le "bruit de fond" en dehors de tout champ ionisant capté par le tube tourne, selon le constructeur, autour de 10 IPM.....mon climat doit être un peu plus radioactif que la moyenne...

2 Essai comparatif en présence de sel de cuisine au potassium (type Low Salt).

Ce sel contient du potassium à hauteur de 65%, qui lui même contient en proportion relativement stable (abondance naturelle) l'isotope 40 du potassium (K40), aux alentours de 0,01 %.

C'est un émetteur bêta-, peu pénétrant; c'est pourquoi les désintégrations du 40K dans le corps humain peuvent difficilement être détectées (par arrêt des tissus biologiques). Sa période est relativement longue, de l'ordre du milliard d'années, ce qui explique sa faible activité.
Il est stoppé en quasi totalité par une mince feuille métallique; ici, on le détecte justement grâce à la fenêtre de mica du tube geiger.
La différence n'est pas exceptionnelle, mais on peut tout de même comparer la moyenne des impulsions. Environ 12 impulsions sur 38 secondes pour le bruit de fond, contre 25 pour la seconde vidéo, sur une même durée.

En attendant l'intégration sur perfboard....j'encourage chaleureusement les internautes intéressés à s'inscrire sur le forum afin d'échanger directement ici

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Sam 30 Juin - 15:47:15

Salut à tous !

Vis à vis des tubes geiger, j'avais mentionné deux substitut envisageables ici :
- la fabrication perso, détaillée par Mr Kainka.
- l'utilisation de tubes à décharge, proposée par un article d'Elektor.

J'étais parti en quête d'autres substituts, plus accessibles au public, en procédant par élimination :
- Les petits tubes néon de tournevis d'électricien sont faiblement radioactifs, pour faciliter l'ionisation du gaz. Ils ne peuvent donc pas servir de tube geiger, car ils ajoutent un très fort bruit de fond.
- J'ajoute maintenant les tubes de starter de néons. C'était une voie qui était pourtant très prometteuse car ces tubes sont remplis au néon à faible pression, et possèdent deux électrodes. L'amorçage commençant aux alentours de 150V, la tension nécessaire devenait moins importante, et du coup moins dangereuse. Sur ce projet, le tube produisait une cinquantaine de clics par minute, soit un peu plus que le rayonnement de fond détecté par le 18504 - ZP1400.

Vue du tube starter avec son condensateur plastique (remarquez la ressemblance avec les condensateurs alu-scotch développés dans le topic
électronique)


Le tube ne présentait pas de radioactivité extérieure, j'avais donc évoqué dans plusieurs MPs et mails aux intéressés la possibilité d'utiliser des starters.............horreur, j'ai eu un doute et mon dernier test l'a confirmé !
Les électrodes des tubes de starter sont faiblement dopées au thorium, un émetteur alpha qui est donc bloqué par l'enveloppe de verre....expliquant l'absence de radiations en dehors du tube.

Pour un composant bon marché, j'ai été surpris de cet ajout un petit peu superflu. Du coup, je me demande si les tubes à décharges proposés par Elektor ne sont pas eux aussi dopés au thorium radioactif; interdisant leur utilisation pour détecter la radioactivité !

Vue du starter ouvert, sans sa coque de verre, ainsi que des deux électrodes :



Le montage habituel : le fil en l'air est là pour tester le détecteur avant initialisation, en raison de faux contacts sur mes vielles plaques d'essai.


Et enfin, mise en évidence de la faible radioactivité alpha détectée par notre projet geiger (à comparer pour l'instant au bruit de fond ci-dessus):

En un sens, cela permet d'avoir une source de faible radioactivité accessible au plus grand nombre pour tester les montages geiger.

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par Cyrus_Smith le Sam 30 Juin - 16:17:27

tarsonis a écrit:Pour un composant bon marché, j'ai été surpris de cet ajout un petit peu superflu.
J'imagine que les électrodes sont en tungstène? Il est probable que le tungstène thorié soit produit en grande quantité pour faire les électrodes de soudure TIG, et qu'en conséquence son utilisation ne soit pas plus coûteuse que celle de tungstène "pur".
tarsonis a écrit:En un sens, cela permet d'avoir une source de faible radioactivité accessible
Bonne nouvelle, j'en cherchais justement une! Very Happy

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Ven 20 Juil - 11:29:11

Salut à tous !
Un petit chapitre aujourd'hui, mais important tout de même : La détection des impulsions du tube geiger.

Pour ceux qui souhaitent juste avoir un compteur geiger de base, qui fait tac-tac, ce sera le dernier chapitre.
Vous avez alors de quoi rivaliser avec le même type de montage du commerce, avec en prime (normalement) la possibilité de comprendre et réparer/améliorer le circuit du début à la fin.
Sinon, il y aura encore plusieurs autres concernant le retraitement du signal (conversion en µR/h), le stockage du nombre d'impulsion (en pur analogique), et son enregistrement.

Une fois notre HT terminée, il ne nous reste plus qu'à alimenter le tube geiger via la résistance ad hoc, prévue par le constructeur. Sa valeur est souvent de plusieurs MΩ; dans notre cas elle vaut 10MΩ.
Le tube geiger réagit à la radioactivité ambiante, et les étincelles créent de fortes différences de potentiel à ses bornes. L'enjeu est de récupérer ces impulsions via un circuit détecteur.

Il est impossible d'appliquer les impulsions du tube geiger directement sur la base d'un transistor car, quand le tube est chargé, la tension récupérée est positive donc enclenche le transistor détecteur (l'inverse de ce que l'on cherche); ce qui nous intéresse est uniquement la variation de tension, donc l'impulsion :

Ici, la sonde détectrice reste à 440V en dehors des pics du tube geiger.

On voit se profiler l'utilisation du condensateur de liaison, qui coupe la composante continue, mais qui laisse passer la composante alternative. Il est important d'utiliser un condensateur ayant une valeur beaucoup plus élevée que celle du tube geiger utilisé (2pF) afin de ne pas perturber le coupe RC (voir post précédent).



Cependant les impulsions, en plus d'être négatives (car la variation est décroissante) ont une amplitude de plusieurs centaines de volts (400V / 0V), et feraient sauter la plupart des transistors. Il faut donc prélever une fraction de la tension de l'impulsion. Nous utiliserons alors un pont résistif diviseur de tension, que nous avions abordé quelques posts au dessus.
La prise se fait sous le tube geiger, afin d'avoir des impulsions positives car elles oscillent :
- entre 0V, qui est la masse du circuit quand le tube n'est pas conducteur (via la résistance 100k du pont)
- et 4,4V, qui est la tension aux bornes de 100k lors de la conduction du tube.
Rappel du pont diviseur de tension : U ~ 440 x 100k / 10M donc U ~ 440 x 0,01

L'impulsion est donc croissante, et répercutée par le condensateur de liaison sur la base du transistor détecteur.

volts

Nous voici avec une impulsion positive de quelques volts; il faut alors l'amplifier pour la rendre audible sur un haut parleur.
Ici, rien de bien terrible : deux transistors montés en darlington, qui procurent une amplification audible et nette de l'impulsion (le gain total est le produit des gains de chaque transistor) :

Ce montage est fonctionnel dès la mise en route, et a été utilisé pour la vidéo "premiers clics de bruit de fond".
Sur ce point, j'ai testé plusieurs configurations et, plus on améliore le signal, plus on se rapproche du montage proposé par l'article d'Elektor de 1980 (geiger sur le CI 74LS13), qui :
- ajoute une diode pour les cas où le potentiel de base est supérieur à celui du collecteur.
- une résistance de base pour former une cellule de filtrage, qui améliore le signal final pour traitement ultérieur
- une version modifiée du circuit darlington, qui n'est plus à collecteur commun et augmente un peu l'amplification.

Schéma du circuit adapté à une tension de 3V :


Montage détecteur intégré au circuit :


Petite vidéo avec une électrode de starter (la prise son de mon APN est un peu pourrie) :


Voici donc le schéma récapitulatif de ces premiers chapitres, permettant de construire un "compteur geiger" à transistors :

(L'image est renversée pour rentrer intégralement dans la page et ne pas dézinguer l'affichage du topic)


Estimation du prix du projet avec des composants neufs
(tarif C*nrad) :

- tube geiger : entre 3€ (SI3BG) et 70€ voire plus sur Ebay, selon a sensibilité voulue. Le 18504, qui détecte alpha, bêta, gamma et neutrons (avec sa feuille de cadmium) se négocie autour de 60€. Le montage présenté ici a l'avantage de produire les différentes tensions nécessaires (400-700v) pour chaque tube.
- 9 transistors usuels : 2€
- 12 résistances : 1,50€
- 3 diodes zener 1,3W : 0,5€
- 2 diodes HT : 0,1€ / rapides : 0,5€
- 1 diode rapide : 0,25€
- 1 DEL : 0,2€
- 1 inductance radiale : 0,7€
- 1 résistance ajustable : 0,25€
- 1 transformateur miniature : 3€, prévoir rebobinage pour obtenir la tension adéquate.
- 3 condensateurs céramique : 0,2€
- 1 condensateur chimique : 0,1€

Soit un total pour les composants d'un peu moins de 10 euros.
Donc en comprenant le tube geiger, et selon sa sensibilité, nous arrivons à un total compris entre 13 et 80 euros....avec en prime (si je n'ai pas été trop obscur), la possibilité de comprendre intégralement le fonctionnement du circuit.
Hormis pour les transistors que j'ai grillés durant les différents tests, et deux des trois diodes zener, tout a été construit sur de la récup.

Prochaine étape : le retraitement du signal pour obtenir un débit de dose !
Tout ne sera plus affaire que de transistors, résistances et condensateurs.... bons bidouillages !

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par Cyrus_Smith le Ven 20 Juil - 15:39:25

Super! Je ne pense pas tarder à m'en fabriquer un.

Dans quelle mesure penses-tu qu'il soit possible d'augmenter la HT? Je pense que ça risque d'être nécessaire pour faire des essais avec des tubes G-M ou des tubes proportionnels fabrication maison (avec de l'air et/ou à pression atmosphérique, mais qui auraient l'avantage de mieux détecter les alpha). Pourrait-on par exemple atteindre 4 ou 5000 volts simplement en augmentant le nombre de spires au secondaire du transfo et le nombre de diodes, ou risque-t-on de rencontrer d'autres problèmes, genre claquage de l'isolant au niveau du transfo?

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Re: Un projet de compteur geiger à transistors

Message par tarsonis le Ven 20 Juil - 16:13:07

Salut !
Il peut effectivement y avoir un soucis de DDP si on monte trop haut, vu que le seul isolant est le vernis du cuivre lorsque des spires éloignées dans le bobinage sont proches dans l'espace. On peut diminuer l'effet en bobinant par blocs de spires isolés, afin de ne pas dépasser la centaine de volts de DDP au maximum.
Sinon, les transformateurs ferrite d'inverters d'écrans (tubes à cathode froide) peuvent en général tenir le millier de volts.

Sinon, une méthode bien commode pour obtenir une THT avec un transfo limité, ou qui refuse de se laisser démonter, est d'utiliser sur le secondaire les circuits doubleurs de tension disposés successivement, formant une cascade de Cockroft Walton (ou Greinacher), abordée dans le post sur la THT. On atteint sans soucis plusieurs kV, à condition que les composants tiennent la tension entre leurs bornes....et particulièrement le condo HT final, qui lui a la DDP maximale.

Ces circuits sont rarement utilisés dans la transformation de courant car ils ne peuvent débiter de courant trop fort (quelques mA), mais c'est largement suffisant dans le cas Geiger- Müller

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