In einem
früheren Artikel habe ich in meiner Arbeit ein wenig ein selbstgemachtes Szintillationsradiometer gezeigt. Das Gerät hat die Öffentlichkeit interessiert und im Zusammenhang damit erscheint dieser Artikel, der das Radiometer von innen beschreibt.
Was ist das und warum?
Die überwiegende Mehrheit der Dosimeter und Radiometer im Taschenformat sind Instrumente, die auf einem Geigerzähler basieren. Dieser Detektortyp hat seine Vorteile, von denen die wichtigsten die Einfachheit und die geringen Kosten sind, aber auch eine Reihe von Nachteilen. Erstens ist dies eine sehr geringe Effizienz der Gammastrahlenregistrierung und ein völliger Mangel an Informationen über ihre Energie. Ein Geigerzähler erfasst nur einen Gammastrahl von mehreren hundert, während ein energiesparender Szintillationsdetektor einen Wirkungsgrad von nahezu 100% bietet. Wenn der Geigerzähler bei einem natürlichen Hintergrund mit den gleichen Abmessungen der Detektoren nur 10 bis 15 Impulse pro Minute abgibt, gibt der Szintillator die gleiche Anzahl von Impulsen ab, jedoch
pro Sekunde . Um zumindest eine Vorstellung von der Dosisleistung zu bekommen, müssen wir mindestens eine Minute mit einem Satz von Impulsen mit einem Geigerzähler verbringen, und mit einem Szintillator können wir jede Sekunde Informationen über die Strahlungssituation erhalten. Der Szintillationsdetektor gibt uns also zunächst die Reaktionsgeschwindigkeit auf schwache Radioaktivitätsquellen.
Zusätzlich hat der Szintillationsdetektor die Eigenschaft der Proportionalität. Je höher die Teilchenenergie ist, desto größer ist die Amplitude des Impulses am Detektorausgang. Wofür ist das? Auf diese Weise erhalten wir zunächst Informationen über die Strahlungsquelle. Jedes radioaktive Isotop hat seine eigene charakteristische Energie der Gammastrahlung (oder eine Reihe von Energien). Darauf basiert die Gammaspektrometrie. In diesem Gerät wird die durchschnittliche absorbierte Energie pro Quanten auf dem Bildschirm angezeigt (noch nicht fertig).
Zweitens, wenn wir einfach Impulse zählen, ohne die Energie zu berücksichtigen, erhalten wir eine unangenehme Sache, die als „Bewegung mit Starrheit“ bezeichnet wird. Angenommen, wir haben unser Cäsium-137-Radiometer kalibriert. Und dann waren sie an einem Ort, der mit Americium-241 infiziert war. Die Energie des Cäsium-137-Quanten beträgt 667 keV, Amerika - 59 keV, dh mehr als eine Größenordnung weniger. Bei der gleichen Anzahl von Partikeln, die vom Detektor eingefangen werden (und daher bei den gleichen Messwerten von der Vorrichtung), ist die absorbierte Dosis um mehr als eine Größenordnung geringer. Das heißt, die Messungen sind fehlerhaft. Und damit das Radiometer die Dosis bei verschiedenen Energien (
dh einem
Dosimeter ) korrekt messen kann, muss die Energie jedes registrierten Quantums berücksichtigt werden.
Tragbare Szintillationsradiometer-Dosimeter sind seit langem auf dem Markt. Aber zum größten Teil sind dies sehr teure Geräte für den professionellen Einsatz. Ich kenne nur ein Gerät, das auf den Heim- und Amateurgebrauch ausgerichtet ist - dies ist Atom Fast, hergestellt von KB "Radar". Der Rest - Polimaster-Geräte, eine Reihe ausländischer Unternehmen - ist sehr teuer.
In diesem Gerät wollte ich folgendes bekommen:
- Autonomes Arbeiten ohne Bezug zu einem Smartphone oder einem anderen Gerät mit eigenem Display (im Gegensatz zu Atom Fast);
- Versuchen Sie, eine Leistungskompensation vorzunehmen.
- Automatische Registrierung von Messungen auf Wechselmedien in Perspektive mit kartografischem Bezug;
- Kulturelles Erscheinungsbild, das nicht allen Arten von Bluthunden und Wachmännern einen hausgemachten Ursprung verleiht.
Als Ergebnis wurde die beschriebene Vorrichtung erhalten. Es ist noch nicht fertig, es gibt noch genug Arbeit, insbesondere mit Software.
Hauptfunktionen
Das Radiometer arbeitet in einem von zwei Modi: Suchen und Messen. Im Suchmodus werden die Messwerte des Geräts jede Sekunde aktualisiert, während sie zusätzlich zu den Messwerten in digitaler Form in einer Grafik angezeigt werden. Im Suchmodus werden Fehler nicht berücksichtigt, in diesem Modus ist das Gerät in erster Linie ein Indikator. Auf dem Bildschirm werden angezeigt: aktuelle Dosisleistung, Zählrate in Impulsen pro Sekunde (CPS) sowie die über die letzte Minute gemittelte Dosisleistung und die nach dem Einschalten des Geräts oder nach einem Zurücksetzen akkumulierte integrale Dosis. Im Messmodus hingegen wird die Messzeit vom Bediener eingestellt (durch Drücken der Eingabetaste, um die Messung zu starten und dann zu beenden), und der berechnete Fehler wird zusammen mit dem gemessenen Wert auf dem Bildschirm angezeigt, und ein Mini-Journal der letzten wird in seinem „Keller“ angezeigt. Messungen. Zusätzlich wurde im Messmodus zunächst versucht, die Energie der Quanten zu berücksichtigen und den „Hub mit Steifheit“ zu kompensieren. Der Messmodus befindet sich im Aufbau und befindet sich noch nicht in der angegebenen Firmware-Version.
Unabhängig vom Modus wird der Messzyklus von Sekunde zu Sekunde fortgesetzt, wobei die Ergebnisse im RAM gespeichert werden. Aus diesem Grund werden in der Grafik beim Umschalten in den Suchmodus die Messwerte angezeigt, die während des Aufenthalts des Geräts im Messmodus sowie beim Aufrufen des Menüs usw. angezeigt wurden. Unabhängig vom Modus funktioniert auch der Alarm zum Überschreiten von Schwellenwerten.
In letzterem gibt es drei Schwellenwerte. Die traditionelle erste und zweite - werden auf Wunsch des Bedieners über das Menü eingestellt, und wenn sie durch die Ergebnisse des nächsten zweiten Zählzyklus ausgelöst werden, ertönt ein Tonsignal. Zusätzlich zu ihnen gibt es auch eine adaptive Schwelle. Es wird automatisch auf einen Durchschnittswert pro Minute eingestellt, wobei ein, zwei oder drei Sigma (Sie können in den Einstellungen auswählen) daraus eingestellt werden. Wenn im nächsten Zyklus eine Operation an dieser Schwelle erfolgt, wird der Wert aus dem vorherigen Zyklus für den nächsten Zyklus übernommen, so dass bei einem langsamen, aber stetigen Anstieg der Strahlung ein stabiler Alarm erreicht wird. Anschließend wird ein Alarmprotokoll implementiert, dies ist jedoch bisher nicht der Fall.
Es wurde noch nicht implementiert, um die Messergebnisse auf einer microSD-Karte zu speichern, deren Anschluss auf der Radiometerplatine montiert ist. Es sieht auch den Anschluss eines GPS-Moduls vor, dessen Verwendung ebenfalls eine Frage der Zukunft ist.
Das Umschalten der Modi und das schnelle Ändern einiger Einstellungen erfolgt über die "Hotkeys", den Rest der Vorgänge - über das Menü. Das Aufrufen des Menüs stoppt, wie bereits erwähnt, den Messvorgang nicht.
Allgemeiner Plan des Gerätes
Das Radiometer ist in einem Standard-Chip-and-Dip-Gehäuse Gainta G1389G mit den Abmessungen 122 x 77 x 25 mm montiert. Auf dem oberen Bedienfeld befindet sich ein 3,5-Zoll-LCD-Farbdisplay mit einer Auflösung von 480 x 320 Pixel. Das Nextion NX4832T035-HMI-Modul wird als Display verwendet, das sich von herkömmlichen Displays durch einen eigenen Mikrocontroller unterscheidet, der ein vorgefertigtes Programm zur Anzeige von Schnittstellenelementen enthält, das wir jedoch nur senden müssen Befehle zum Anzeigen, Entfernen oder Ändern - Ändern Sie beispielsweise die eine oder andere Ziffer, zeichnen Sie einen anderen Punkt in der Tabelle oder ändern Sie die Farbe der einen oder anderen Inschrift. Unter der Anzeige befindet sich eine Tastatur mit fünf Tasten. Für den GNSS-Empfänger ist noch Platz, und am oberen Ende befindet sich ein Szintillationsdetektor.
Rote Zahlen zeigen an: 1 - Anzeigemodul, 2 - Tastatur, 3 - Detektor, 4 - Analogkarte, 6 - Systemkarte.
Die elektronische Schaltung des Geräts (ohne Anzeige und Navigationsempfänger sowie Tastatur) ist auf zwei Leiterplatten montiert. Zum einen wird der analoge Teil des Geräts zusammengebaut, zum anderen alles andere: ein Mikrocontroller mit Umreifung, ein Stromkreis und dessen Umschaltung, Batterieladung und eine Hochspannungsquelle für den Detektor.
Detektor
Ein Thallium-aktivierter Szintillationskristall aus Cäsiumiodid wird als Detektor im Radiometer verwendet. Dieser Kristall hat die Eigenschaft der Radiolumineszenz - geladene Teilchen und hochenergetische Photonen (Röntgen- und Gammabereich) regen ein Leuchten an, und Licht wird in Form eines kurzen Lichtblitzes von etwa einer Mikrosekunde emittiert - Szintillation. Dieser Blitz ist zu schwach, um mit dem Auge gesehen oder auf die übliche Weise erkannt zu werden. Fotozellen, Fotodioden und Fotowiderstände sind dafür zu unempfindlich. Um das Ausmaß der Katastrophe einzuschätzen, werde ich die folgenden Zahlen zitieren.
Ein Gammastrahl mit einer Energie von 1 MeV, der vollständig in einem CsI (Tl) -Kristall absorbiert ist, erzeugt ungefähr 40.000 Photonen grünes Licht. Versuchen wir, dieses Licht mit einer Fotodiode einzufangen. Angenommen, sie alle steigen auf eine Fotodiode (tatsächlich ist dies unrealistisch und gut, wenn nur die Hälfte von ihnen darauf kommt). Nehmen wir an, wir haben eine ideale Fotodiode mit einer Quantenleistung von 100%. Dies bedeutet, dass jedes der Photonen ein Elektron-Loch-Paar in der Struktur der Fotodiode erzeugt. Und für die Dynamik erhalten wir 40.000 Photoelektronen. Und dieser Puls dauert bekanntlich 1 μs. In einer Sekunde haben wir also 4 ∙ 10
10 Photoelektronen. Die Elektronenladung beträgt 1,6 × 10
–19 ° C und die Ladung 4 × 10
10 Photoelektronen beträgt 6,4 × 10
–9 ° C, dh die Stromstärke, die der Szintillationsblitz in unserer Fotodiode verursacht, beträgt nur wenige Nanoampere! Und wenn wir uns daran erinnern, dass nicht alle Photonen auch auf die Fotodiode gelangen und ihre Quantenausbeute nicht 100% beträgt ... Und außerdem ist das Megaelektronvolt die Energie ziemlich harter Gammastrahlung, und es wäre schön, viel niedrigere Energien zu sehen. Im Allgemeinen sind Fotodioden für uns hier praktisch nicht geeignet. Sie sind eher geeignet - aber mit großen Schwierigkeiten.
Normalerweise wurden photoelektronische Multiplikatoren verwendet (und werden jetzt verwendet), um solche schwachen Lichtimpulse zu erfassen. In ihnen multipliziert sich jedes aus der Fotokathode herausgeschlagene Photoelektron auf dem Dynodensystem, was eine millionenfache Verstärkung ergibt, und der Stromimpuls an seiner Anode ist nicht mehr Nano, sondern Milliampere, und die Registrierung eines solchen Impulses ist nicht länger schwierig. PMTs sind jedoch zerbrechliche Glaszylinder mit fester Größe. Dies sind Kilovolt Leistung, die zusätzlich eine hohe Stabilität erfordern. Im Allgemeinen ist es in einem Gerät im Taschenformat schlecht dargestellt.
Glücklicherweise sind jetzt Halbleiter-Fotodetektoren verfügbar, die in ihrer Empfindlichkeit mit PMTs konkurrieren können. Wer hat Lawinenphotodioden gesagt? Ja, es sind fast sie. Nur Lawinendioden weisen, obwohl sie aufgrund der Lawinenvervielfachung von Trägern eine interne Verstärkung des Photostroms aufweisen, eine Reihe von technologischen Problemen auf, die es nicht ermöglichen, einen empfindlichen Bereich mit einem Durchmesser von mindestens einigen Millimetern herzustellen. Darüber hinaus hat die klassische Lawinendiode einen Lawinenverstärkungskoeffizienten ohne komplexe Tricks von nur 10-200, was im Vergleich zu einer millionenfachen Verstärkung, die für eine PMT charakteristisch ist, winzig ist. Alle diese Nachteile der Lawinenphotodiode werden in dem kürzlich auf dem Markt erschienenen Si-PMT oder SiPM beseitigt. Sie sind im Wesentlichen eine Matrix vieler Lawinenphotodioden, die im Prebreakdown-Modus arbeiten und in denen ein einzelnes Photon die Entwicklung eines Lawinenabbaus provozieren kann. Dieser Modus ähnelt dem Betrieb des Geigerzählers. Jede Zelle hat ein eigenes Austastschema, wodurch der Lawinenabbau sofort aufhört und die Zelle wieder für die Registrierung eines neuen Photons bereit ist. Alle Zellen (mit ihren Löschschemata) sind auf einem Si-PMT-Kristall parallel geschaltet, und die durch sie fließenden Stromimpulse werden summiert, so dass der durchschnittliche Strom proportional zur Beleuchtung des Kristalls ist. Und es ist sehr einfach, eine solche Silizium-PMT zu verwenden - es reicht aus, eine Sperrvorspannung an sie anzulegen - etwa 28 bis 29 V über einen Widerstand von mehreren Kiloohm, von dem das Signal entnommen werden kann. Es wird nichts mehr benötigt - weder eine Kilovolt-Stromquelle noch ein Teiler für Dynoden. Und das Si-PMT selbst ist ein kleines Siliziumquadrat mit den Maßen 3 x 3 oder 6 x 6 mm. Übrigens funktioniert es wie eine gewöhnliche Fotodiode, wenn Sie die Sperrvorspannung entfernen oder auf einige Volt senken.
Daher verwendet unser Detektor Si-PMTs und einen CsI (Tl) -Kristall, zwischen denen eine Schicht aus optischem Schmiermittel aufgetragen wird, um den Luftspalt zwischen dem Kristall und dem Fotodetektorfenster zu beseitigen. Und auf dem Kristall sind Si-PMT mit vielen Schichten eines dünnen fluoroplastischen Films bedeckt, der als FUM-Band bekannt ist. Diese Beschichtung hat ein sehr hohes diffuses Reflexionsvermögen. Der Detektor ist oben mit Aluminiumband abgedeckt, um Schutz vor externem Licht und Versiegelung zu bieten. Der Cäsiumiodidkristall ist extrem wasserlöslich und wird durch die kleinste Spur von Feuchtigkeit, die in den Detektor eindringt, zerstört. Glücklicherweise hat CsI im Gegensatz zu seinem "Verwandten" - Natriumiodid - praktisch nicht die Eigenschaft der Hygroskopizität - das heißt, es zieht keine Feuchtigkeit aus der Luft an. Natriumjodidkristalle dürfen nur in einer absolut trockenen Inertgasumgebung verarbeitet und in so hoch verschlossenen Behältern aufbewahrt werden, als ob ein Ultrahochvakuum in ihnen erzeugt werden müsste, und in gewöhnlicher Luft verschwimmen sie nur vor unseren Augen. Und umgekehrt kann Cäsiumiodid in Form von Einkristallen leicht an der Luft behandelt werden (z. B. mit einer gewöhnlichen Metallsäge gesägt und mit einem Schleifpapier geschliffen), wobei nur Spuren von flüssigem Wasser vermieden werden und der Kristall extrem giftiges Thallium enthält. Aufgrund der geringen Menge wird die akute (aber nicht chronische!) Toxizität jedoch durch Jod und nicht durch Thallium bestimmt.
Ich werde keine Ratschläge zur Selbstherstellung des Detektors geben, da ich mich nicht damit befasst habe (der fertige Detektor wurde mir freundlicherweise vom Entwickler und Hersteller
KBRadar im Austausch für einige Artefakte zur Verfügung gestellt, die für Elektronikingenieure wertvoll sind), ich werde nur seine Parameter
angeben . Dies sind: Die Größe des Kristalls beträgt 8 x 8 x 50 mm und der Si-PMT MicroFC 30035 der irischen Firma SensL (jetzt ist es eine Abteilung von On Semi) als Fotodetektor. Eine Vielzahl von Herstellungstipps finden Sie online. Mit einer leichten Vergrößerung können Sie einen Standard-CsI (Tl) - oder NaI (Tl) -Kristall in einem „nativen“ Paket kleiner Größen (10 x 40, 18 x 30 mm usw.) verwenden. Je größer das Ausgabefenster ist, desto schlechter funktioniert der Fotodetektor mit einer Größe von 3 x 3 mm. Ich empfehle daher dringend, einen größeren (und viel teureren) MicroFC 60035 mit einem größeren Durchmesser des Ausgabefensters zu verwenden. Die Broadcom-Analoga dieser Fotodetektoren sind dies übrigens nicht empfohlen zu verwenden. Neben dem Gehäuse (WLCSP-16), das für das Löten zu Hause völlig unverdaulich ist, weisen sie auch einen fast höheren Geräuschpegel auf.
CsI (Tl) -Kristalle wurden wie folgt verarbeitet. In allen Proben war die Seitenfläche mattiert. Das Schleifen der Enden wurde zuerst auf dünnem Sandpapier und dann auf Seidentuch durchgeführt. Zum besseren Mahlen wurde in Ethylalkohol verdünntes Ceroxid verwendet. Beim Schleifen wurde Glastransparenz erreicht. Wenn es notwendig war, den Kristall auf große Dicken zu reduzieren, wurde er einfach mit einem in Wasser getauchten Faden gesägt. Dann wurde die Verarbeitung in der gleichen Reihenfolge durchgeführt.
(Gorbunov V. I., Kuleshov V. K. Zur Frage der Auswahl der optimalen Größen von Szintillatoren für die Defektoskopie von Produkten // Izv. Tomsk Polytechnic Institute. 1965. V.138. S.42-48.)
Analoger Teil
Das Schema ist in der obigen Abbildung dargestellt. Es besteht aus folgenden Hauptknoten:
- Eingangsschaltung;
- Komparator;
- Spitzendetektor.
Der Detektor ist mit dem XP1-Eingangsanschluss verbunden. Die Si-PMT-Kathode - an Pin 3 (HV), die Anode - an Pin 1 (DET) und an Pin 2 (GND) ist der Metallschirm des Detektors angeschlossen - seine Hülle besteht aus Aluminiumklebeband.
Die Eingangsschaltung besteht aus dem Lastwiderstand des Detektors R2 und dem Strombegrenzungswiderstand R1, der versucht, den Detektor bei Problemen wie versehentlichem Versorgen einer zu hohen Sperrspannung oder falscher Sperrspannung zu schützen, wenn der Detektor selbst nicht richtig angeschlossen ist. Zusammen mit der Kapazität eines Silizium-PMT (ca. 900 pF) bilden sie Spannungsimpulse mit einer Anstiegszeit von ca. 1 μs und einer Abfallzeit von ca. 15 μs. Vor dem Anlegen an den Eingang des Komparators wird das Signal durch einen 470 pF-Kondensator geleitet, der die Schaltung durch Gleichstrom entkoppelt und zusammen mit dem Eingangswiderstand des Teilers R3R5R6 den Impuls auf 2-3 μs verkürzt.
Als Komparator wurde eine LMV7239-Mikroschaltung verwendet, die einen geringen Stromverbrauch mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit (<100 ns) bei niedrigen differentiellen Eingangsspannungen kombinierte. Der Spannungsteiler R3R5R6 bildet zusammen mit der Integrationsschaltung R4C3 eine "schwebende" Schwellenspannung, wodurch der Komparator etwas unempfindlich gegenüber dem Dunkelstrom des Detektors und Änderungen des Eingangsstroms mit der Temperatur wird. Die Empfindlichkeit des Komparators wird durch Auswahl des Widerstands R5 im Bereich von mehreren zehn Ohm gesteuert. Am Ausgang des Komparators wird ein Rechteckimpuls negativer Polarität gebildet. Die Hinterflanke dieses Impulses kann aufgrund von Detektorrauschen leicht klappern, aber ein Versuch, diesen Sprung durch Einführung einer Hysterese zu beseitigen, hat zu einer Abnahme der Empfindlichkeit und im Allgemeinen zu schlechteren Ergebnissen geführt. Dieser Impuls steuert den Spitzendetektor und wird dem digitalen Teil zugeführt, wo er eine Unterbrechung des Mikrocontrollers erzeugt.
Der One-Shot des integrierten DA2-Timers (LMC555CM, tatsächlich - ein herkömmlicher 555-Timer, nur in CMOS-Version) erzeugt einen Impuls (positive Polarität) von 10 μs Dauer (eingestellt durch die R7C6-Steuerkette) an der Ausgangsflanke des Impulses am Ausgang des Komparators. Dieser Impuls wird mit DD1 (einem einzelnen TinyLogic-Wechselrichter im SOT23-5-Gehäuse) invertiert und dem DD2-Schlüssel zugeführt, der den Spitzendetektorkondensator C12 ohne Eingangsimpulse kurzschließt. Zum Zeitpunkt des Eintreffens des Impulses wird der Kurzschluss um die angegebenen 10 μs beseitigt.
Der Spitzendetektor ist nach der klassischen nichtinvertierenden Schaltung aufgebaut.
Die Nachteile dieses Schemas sind bekannt, aber in dieser Ausführungsform ergibt sich eine interessante Sache. Tatsache ist, dass in Erwartung eines Impulses die Rückkopplungsschleife von DA2.1 unterbrochen wird und der Operationsverstärker zum Zeitpunkt des Eintreffens des Eingangsimpulses in einem Überlastzustand sein sollte, dessen Ausgang viel Zeit in Anspruch nimmt, und der Zustand des Verstärkers vor dem Impuls überhaupt nicht bestimmt wird (von dem alle Nachteile von Spitzendetektoren dieses Typs). Andererseits ist die Spannung am nichtinvertierenden Eingang im vorhergehenden Moment nahe Null und der Kondensator ist kurzgeschlossen, so dass die Spannung am invertierenden Eingang ebenfalls Null ist. Zum Zeitpunkt des Eintreffens des Impulses befindet sich der Ausgang des Operationsverstärkers zu diesem Zeitpunkt im Kurzschlussmodus und die Schutzschaltungen von diesem decken den Operationsverstärker mit einer internen Rückkopplungsschaltung ab, die den Ausgangsstrom begrenzt! Aus diesem Grund befindet sich die Verstärkerendstufe nicht mehr im Begrenzungsmodus.es stellt sich jedoch heraus, dass es in den linearen Modus gezwungen wird, aus dem es bereits leicht und schnell austritt. Infolgedessen arbeitet ein solcher Spitzendetektor viel schneller als wenn er am Ende des Impulses durch Kurzschließen des Kondensators C12 zurückgesetzt würde.Eine Bedingung für das normale Funktionieren dieser Schaltung ist das Fehlen einer konstanten Komponente im Detektorsignal, wodurch der Operationsverstärker sofort in den Überlastmodus versetzt wird und ein erheblicher Strom durch die Diode und einen kurzgeschlossenen Kondensator fließt (jedoch begrenzt durch die erwähnte eingebaute Rückkopplungsschaltung, so dass nichts durchbrennt). Daher ist der Eingang und hier der Isolationskondensator C9. Der Widerstand R8 liefert eine Entladung dieses Kondensators, wenn er sich plötzlich auflädt (andernfalls kann er sich nicht entladen - die Eingangsimpedanz von DA2 nähert sich dem Teraom). In seiner Abwesenheit werden lustige Tricks beobachtet, wenn die Schaltung eine Weile normal funktioniert und dann plötzlich stoppt und die Arbeit nach einer Weile wieder herstellt.Die Parameter des Spitzendetektorkondensators hängen normalerweise direkt davon ab, wie gut er funktioniert. Normalerweise wird ein unpolarer Film, häufig ein Fluoroplast, aufgetragen, da eine geringe Absorption bei geringer Leckage erforderlich ist. Hier werden die Anforderungen dafür durch die Tatsache gemildert, dass es in Abwesenheit eines Impulses (der den Absorptionseffekt unterdrückt) ständig kurzgeschlossen wird, und durch die Tatsache, dass die Ladungsspeicherzeit nur 10 & mgr; s beträgt, daher ist ein hochwertiger Keramikkondensator der Größe 1206, notwendigerweise mit einem Dielektrikum vom Typ NP0, hier durchaus anwendbar.Auf dem zweiten Operationsverstärker der DA2-Mikroschaltung ist ein Puffer mit einem hohen Eingangswiderstand aufgebaut, der es ermöglicht, die Spannung vom Kondensator des Spitzendetektors zu entfernen, ohne ihn zu entladen, dessen Verstärkung durch die Widerstände R9 und R10 gegeben ist.Diese Schaltung erzeugt, wenn ein Impuls vom Detektor am Eingang empfangen wird, einen Nullpegelimpuls am TRIG-Ausgang mit einer Dauer von 2 bis 4 us und einen nahezu rechteckigen Impuls mit einer Dauer von 10 us mit einem Pegel, der proportional zur Amplitude des vom Detektor am Ausgang SP empfangenen Impulses ist. Für die meisten dieser 10 μs bleibt der Spannungspegel konstant, wodurch er mehrmals mit dem eingebauten ADC des Mikrocontrollers gemessen werden kann. Das TRIG-Signal muss zuerst den MC „aufwecken“ und den Interrupt-Handler starten, in dem diese Messung durchgeführt wird (zusammen mit der Impulszählung). implementiert.Für den Betrieb benötigt die Schaltung zwei Versorgungsspannungen: 3,3 - 5 V für den Betrieb der Schaltung und eine "hohe" Spannung von 28-29 V zum Vorspannen des Detektors. Die Stromaufnahme beträgt ca. 2,5 mA. Gemäß der Hochspannungsschaltung hängt der Stromverbrauch von der Detektorlast ab und beträgt bei Hintergrundstrahlung mehrere Mikroampere. Es wird auf einer Leiterplatte mit einer Größe von 64 x 22 mm unter Verwendung einer Oberflächenmontage montiert.Nach dem Zusammenbau sollte alles sofort funktionieren. Bei der Überprüfung müssen Sie jedoch berücksichtigen, dass der TRIG-Ausgang ein sehr schneller Komparatorausgang ist und starke Interferenzen erzeugen kann. Wenn sie mit einem langen ungeschirmten Leiter verbunden sind (z. B. an ein Oszilloskop), wird aufgrund dessen alles angeregt. Aus dem gleichen Grund gibt es bei meiner entwickelten Version der Karte eine Aufnahme von diesem Signal zum TRIG-Signal in Form eines hochfrequenten „Klingelns“. Bei der Montage des fertigen Geräts muss die Platine mit einem Bündel mit minimaler Länge an die Systemplatine angeschlossen werden, in dem die TRIG- und SP-Leitungen separat abgeschirmt sind, z. B. mit einem an einem gemeinsamen Draht geerdeten Nickelklebstoff.Hauptplatine
Darauf befinden sich folgende Hauptknoten:- Netzteile und deren Schaltkreis, einschließlich Batterieladekreis;
- Der Mikrocontroller und alles, was Sie für seine Arbeit benötigen;
- Hilfsschaltungen für Tastatur, Display, SD-Karte usw.
Das Energieschema (ich entschuldige mich sofort dafür, dass ich die weiteren Schemata nicht auf den Standard gebracht und direkt von Eagle übernommen habe) ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Das Gerät wird von einer Einzelzellen-Lithium-Ionen-Batterie gespeist, die an Anschluss X1 angeschlossen ist. Ich habe einen Lithium-Polymer-Akku "Robiton" mit 2,3 Ah * verwendet. Grundsätzlich reicht jeder Akku von Smartphones usw. aus. zu einer ähnlichen Kapazität. Auf DA1 wird ein Ladegerät dafür gebaut, das über einen USB-Anschluss funktioniert. Hier ohne Funktionen alle auf dem Datenblatt des LTC4054-4.2. Der Ladestrom kann von 350 auf 700 mA erhöht werden, indem der untere gemäß der Ausgangsschaltung des Widerstands R4 über den MK-Anschluss an das gemeinsame Kabel gezogen wird. Dies ist dann erforderlich, um die zulässigen 500 mA vom USB-Anschluss nicht zu überschreiten und gleichzeitig den Akku schneller aufladen zu lassen, wenn das Gerät an einen Netzwerkadapter angeschlossen ist. Mit DA2 erfährt der MK, dass die Batterie leer ist, und schaltet das Gerät aus. Mit dem Teiler R5R6C3 können Sie die Spannung messen (aufgewickelt an einem der analogen Eingänge des MK).Die CHRG-Leitung von DA1 ermöglicht es dem MK, den Zustand des Ladegeräts nach einem kniffligen Algorithmus zu steuern: Wenn keine Ladung vorhanden ist, hat sie eine Null, eine Einheit erscheint im Ladevorgang, die leicht auf Null angezogen werden kann, und wenn sie vollständig aufgeladen ist, wird sie nicht mehr angezogen und bleibt auch bei einer Last von mehreren Kilogramm eins. Anstelle von DA1 ist neben dem teuren Original LTC4054-4.2 auch der Klon von ST - STC4054 anwendbar. Ich warne davor, den chinesischen LTC4054 mit Aliexpress zu verwenden: Entweder funktionieren sie überhaupt nicht oder sie funktionieren nicht wie sie sollten, wodurch der Akku zerstört und die Gefahr einer Explosion besteht. Aus diesem Grund habe ich mich geweigert, das "beliebte" TP4056 zu verwenden: Das Original wurde lange Zeit nicht hergestellt und es ist unmöglich, es zu bekommen, aber die Klone haben entweder keine Vorladung, dann beträgt die Spannungsverteilung 4,2 V - fast ein Volt, dann wird der Wärmeschutz entwurzelt ... Im Allgemeinen ,Die einzige normal funktionierende Instanz dieser Mikroschaltung, die ich habe, ist eine kleine Lithiumbatterie, die ich einmal gekauft habe. Aber es ist schade: Sie hat eine einfachere Anzeige der Modi und der maximale Ladestrom ist größer und die Kühlung durch den SO-8 mit dem Bauch ist besser als über die SOT-23-5-Anschlüsse.Der VT1VD1R7-Stromkreis trennt die Last von der Batterie und schaltet sie vom USB-Anschluss auf Strom, wenn Spannung an ihm anliegt, um den DA1 nicht zu stören, um den Lademodus ordnungsgemäß aufrechtzuerhalten und sein Ende zu erkennen.Als nächstes kommen die Wandler, um die richtigen Versorgungsspannungen zu erhalten. DA3-Mikroschaltung erhöht die Batteriespannung auf 5 V, sie wird von einem Display, einem Aufwärtswandler für 28 V für den Detektor und über den linearen Stabilisator - eine analoge Karte - gespeist. MK kann all diese Verbraucher auszahlen, indem es in der Zeile POWER_ON Null setzt. Das Display wird vom DA6-Schalter separat ausgeblendet.Um eine hohe Spannung zu erhalten, wird am DA5 ein Aufwärtswandler montiert. Die Version mit der höchsten Spannung des DC-DC-Wandlers LM2731 wurde ausgewählt. Ursprünglich sollte das chinesische MT3608 verwendet werden, das in dieser Schaltung viel wirtschaftlicher ist, aber mit einer Ausgangsspannung von 28 bis 29 V eine sehr geringe Zuverlässigkeit aufwies (laut Datenblatt beträgt die maximal zulässige Ausgangsspannung 28 V, was nicht überraschend ist). Beim Einrichten dieses Abschnitts der Schaltung ist zu beachten, dass beim Unterbrechen des Unterarms des Teilers (R12R13) die Ausgangsspannung auf 50-60 V springt und den Kondensator C20 ausschaltet, was bei einer Augenverletzung gefährlich ist (sie explodieren sehr kühl!). Und wenn R11 versehentlich kurzgeschlossen wird, brennt der FB-Eingang (Pin 3 von DA5) mit dem gleichen Effekt aus (außerdem müssen Sie den Chip wechseln).In diesem Zusammenhang sollte besonders auf die Qualität des Abstimmwiderstands und die korrekte Installation geachtet werden. Ein Ausgangsfilter wird benötigt, um die Welligkeit am Ausgang dieser Umwandlung zu unterdrücken. Der Konverter wird durch einen Blechschirm geschlossen, der an den Kanten mit dem Grundpolygon auf der Platine verlötet ist.Anstelle von DA3 können Sie, wie die Praxis gezeigt hat, bei der Korrektur der Karte einen Schalter ähnlich DA6 installieren (dementsprechend benötigen Sie keine Drossel und Diode sowie zwei Widerstände R9 und R10). Dies macht das Gerät etwas wirtschaftlicher. Dann muss der DA4-Stabilisator nicht bei 3,3 V, sondern bei 3,0 V installiert werden, damit die analoge Stromversorgung über den gesamten Bereich der Batterieentladung stabilisiert wird.Der DA7-Konverter arbeitet die ganze Zeit, auch wenn das Gerät ausgeschaltet ist, und liefert eine 3,3-V-MK. Im Leerlauf verbraucht er nur einige zehn Mikroampere, sodass das ausgeschaltete Gerät fast keine 2,3-Ah-Batterie entlädt. Leider verfügt der STM32L151 nicht über einen separaten Eingang für die Stromversorgung der RTC, weshalb ich eine solche Entscheidung treffen musste (oder das Umschalten erschweren musste).
Und das ist der Rest der Systemplatinenschaltung.
Das Herzstück des Systems ist MK STM32L151CBT6A (im Gegensatz zum Analog ohne Index A hat es doppelt so viel RAM - 32 kB). Fast alle 48 seiner Ergebnisse waren beteiligt. Die Ausnahmen waren PA9 und PA10, sie sind auch RxD und TxD des ersten USART, nur für den Fall, dass ich Kontaktflächen für sie hergestellt habe, die in Zukunft leicht zu löten sind. Zu den Funktionen gehört ein etwas kniffliges System zur Ermittlung des Ausgangsstatus des CHRG DA1 unter Einbeziehung eines Pull-Ups von PB14, wenn Sie feststellen müssen, ob der Akku geladen wird oder bereits geladen wurde und der Hochtöner über den DD2-Wechselrichter in Phase geschaltet ist. Mein Fehler ist in der Abbildung dargestellt: Wenn der MK in den STANDBY-Modus geschaltet wird, hängt der Eingang dieses Wechselrichters in der Luft, was zu einem erheblichen zusätzlichen Verbrauch und einer gleichmäßigen Erzeugung führt. Hier müssen Sie diesen Eingang über einen 100-Kilo-Widerstand auf Masse ziehen. Sie sollten auf die Qualität der Quarzresonatoren achten, insbesondere auf ZQ1. Mit dem Standard-12-pF-Taktquarz funktioniert die Uhr des Controllers nicht normal. Sie müssen nach einem seltenen Quarz mit einer Tragfähigkeit von 7 pF suchen. ZQ2 MK ist loyaler, aber mit dem ersten chinesischen Quarz, der aufgetaucht ist, kann man hier einen Mangel an Start feststellen oder auf der falschen Frequenz arbeiten. Leider stellt die STM32Lxx-Linie (sie ist es) sehr hohe Anforderungen an die Qualität von Quarz.
Die Tastatur ist ziemlich normal angeschlossen - die Anschlussleitungen werden von den externen Widerständen R17-R21 an die Stromversorgung gezogen und mit Tasten auf den Boden gedrückt. Auf der Tastaturplatine werden RC-Ketten parallel zu den Tasten verlötet, um Rattern zu unterdrücken. Wenn Sie die Ein-Taste mit dem DD3-Wechselrichter drücken, wird ein Signal mit hohem Pegel erzeugt, das dem WKUP-Eingang zugeführt wird und den MK aufweckt, wenn er sich im STANDBY-Zustand befindet. Um ein versehentliches Einschalten aufgrund von Störungen zu verhindern, ist die Kette R22C23 installiert. Tastaturleitungen sind mit aufeinanderfolgenden Portleitungen verbunden, sodass Sie sie in einem einzigen Portlesebefehl lesen können.
Eine microSD-Karte wird im SPI-Modus angeschlossen, da in diesem MK kein SDIO-Controller vorhanden ist. Der USB-Anschluss wird auf einfachste Weise über zwei Widerstände in den DP- und DM-Leitungen angeschlossen. Die STM32 MKs selbst sind statisch gesehen ziemlich „eichen“, und es gibt keine andere externe Kommunikation (außer der SWD-Firmware) für das Radiometer, sodass Sie keinen ernsthaften Portschutz gegen Überspannungen durchführen können.
Der Stromkreis von MK stammt aus einem Datenblatt und weist keine Merkmale auf. Bei der Einstellung des L6-Induktors habe ich nacheinander einen 100-Ohm-Widerstand hinzugefügt, wodurch die Spannungsschwankungen am VDDA stark reduziert wurden. Die Kapazität von C30 kann durch paralleles Löten eines anderen Kondensators (an denselben Stellen) um 0,01 μF auf 1 μF erhöht werden.
Wenn Strom angelegt wird, beginnt die 3,3-V-Quelle sofort zu arbeiten und erzeugt Strom für den MK. Andere Stromquellen sind ausgeschaltet. Nach dem Starten des MC und dem Initialisieren der Peripheriegeräte wird die POWER_ON-Leitung (Port PA15) angehoben, die 5-V-Quelle gestartet und der analoge Teil und die Hochspannungsquelle mit Strom versorgt. Um das Display einzuschalten, müssen Sie die DISP_ON-Leitung (PA8) anheben. Um das Satellitennavigationsmodul einzuschalten, wird die GPS_EN-Leitung (PA1) angehoben. Im Gegensatz zum Display gibt es jedoch keinen speziellen Netzschalter. Der Leistungssteuereingang des Empfängers selbst wird verwendet (sollte es sein). Das Display wird ausgeschaltet, wenn das Gerät in Betrieb ist, indem nur die Stromversorgung unterbrochen wird.
Zählimpulse (TRIG) vom Analogblock werden an die Leitung PB0 gesendet, wodurch die fallende Flanke unterbrochen wird. Impulse, die Informationen über die Teilchenenergie (SP) enthalten, werden dem 21. Kanal des ADC zugeführt. Die Dauer des „Regals“ dieses Impulses, während der der Pegel unverändert bleibt, beträgt fast 10 μs, sodass Sie mehrere ADC-Konvertierungen durchführen können, nachdem der MC „aufgewacht“ und in den Interrupt eingetreten ist. Der Widerstand R34 entfernt das "Klingeln".
Das Motherboard hat eine Größe von 64 x 80 mm und ist für die Installation der meisten Widerstände und Kondensatoren der Größe 0603 ausgelegt. Die meisten Elemente sind einseitig installiert, mit Ausnahme von drei Kondensatoren im Stromversorgungskreis des MK und zwei Widerständen, die den Batteriespannungsteiler zur Messung bilden.
Montage- und Inbetriebnahmetipps
Die Analogkarte beginnt sofort zu arbeiten, wenn sie fehlerfrei zusammengebaut wird. In der Originalversion gab es keine R8- und C9-Elemente auf der Platine, ohne sie funktionierte die Schaltung vom Generator einwandfrei, aber die Impulsamplitude am SP-Ausgang war zufällig und unabhängig von der Impulsamplitude am Eingang. Die Einführung dieser Elemente korrigierte die Situation.
Wenn der analoge Teil des Geräts erregt ist, gibt es nur einen Kampf damit - die Abschirmung der TRIG-Leitung und die Minimierung der Länge des Verbindungskabels. Die Verbindung zum Detektor sollte ebenfalls am kürzesten und abgeschirmt sein.
R5 muss durch den zuverlässigen Durchgang von Impulsen ausgewählt werden, die vom Detektor mit dem Arzneimittel Americium-241 in Abwesenheit einer Komparatorreaktion auf das dunkle Rauschen des Si-PMT bei maximaler Betriebstemperatur abgegeben werden.
Die Analogkarte muss gründlich und gründlich von den geringsten Flussspuren, insbesondere im Bereich des Spitzendetektors, abgewaschen werden. Sie muss gut getrocknet und dann auf 150 ° C erwärmt werden. Die Isolationsbeständigkeit selbst in Gigabyte verschlechtert die Arbeit erheblich und macht sie instabil.
Beginnen Sie mit dem Aufbau der Systemplatine aus Stromquellen. Sammeln Sie zunächst eine 3,3-V-Quelle und stellen Sie sicher, dass sie funktioniert. Dann - eine 5-V-Quelle (nicht zu vergessen, POWER_ON vorübergehend mit dem + 3,3-V-Bus zu verbinden) und dann eine Hochspannungsquelle. Stellen Sie R13 vor dem ersten Einschalten auf die obere Position im Diagramm und löten Sie C20 erst, wenn die Spannung eingestellt ist. Stellen Sie die Spannung an der Hochspannungsquelle auf 28 V ein. Stellen Sie sicher, dass das Ladegerät ordnungsgemäß funktioniert, indem Sie die Batteriespannung während des Ladevorgangs überwachen. Nachdem Sie die Leistung und die korrekte Spannung an allen Leistungsbussen überprüft haben, können Sie den MK und alle damit verbundenen Details löten. Um den MK zu überprüfen, ist es ratsam, etwas Blink darin zu schreiben und zu flashen. Vergessen Sie nicht zu blinken und anzuzeigen.
Der Kalibrierungsprozess wird in der nächsten Ausgabe beschrieben.
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Dies ist nur der erste Teil des Artikels. Der zweite beschreibt den Softwareteil und das Kalibrierungsverfahren. In der Zwischenzeit für diejenigen, die nicht warten können -
Handouts .
Eagle-Dateien mit Schaltplänen und Leiterplattenlayouts sowie die aktuelle stabile Version der MK-Firmware und -Anzeige
können unter diesem Link von Google Drive heruntergeladen werden. In dieser Firmware funktioniert nur der Suchmodus und anstelle des Menüs das aktuelle Modell. Ich bin noch nicht bereit, eine funktionalere Firmware zu erstellen.
Bitte beachten Sie: Die Positionsbezeichnungen in der analogen Platinenschaltung in der Abbildung im Artikel und im Eagle-Projekt stimmen nicht überein, außerdem gibt es keine R8- und C9-Elemente (gemäß Abbildung aus dem Artikel), die ich mit einem Skalpell auf der fertigen Platine installiert habe.
Die Verkabelung der Platinen ist für die werkseitige Herstellung, für LUT usw. ausgelegt. es muss recycelt werden (es tut vielen Durchkontaktierungen weh). Ja, ich habe einige fertige Bretter. Wenn jemand es braucht - schreiben Sie in einer persönlichen Vereinbarung.