Le Compteur Geiger SM4000 programmé avec MODULE℠

Bonjour :slight_smile:

Dans cet article je vais présenter mon dernier projet. J'ai essayé d'expliquer le mieux possible, mais si vous souhaitez d'autres informations vous pouvez les retrouver sur mon site perso:

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Le compteur Geiger SM4000

Le compteur Geiger (ou radiamètre) SM4000, est né de ma passion pour la science et pour l'instrumentation scientifique en général.

Antériorité du projet:
À l'époque ou j'ai commencé à m'intéresser à la radioactivité (années 1990 suite à l'accident de Tchernobyl), ce type d'appareil de mesure me semblais infaisable par un amateur, et en l'occurrence se trouvait être (et est toujours aujourd'hui) très onéreux dans le commerce.

Bien plus tard, je débute l'électronique en 2014, précisément dans l'objectif de comprendre comment réaliser ce projet, ainsi au fil de mon apprentissage et de persévérance, cela m'est apparut comme tout à fait réalisable.

Les caractéristiques du compteur Geiger:

  • Tube de détection LND712 (détection des Alphas, Betas, Gammas, et rayonnement X)
  • Élévateur de tension à découpage (5V vers 400V).
  • Carte de contrôle avec microcontrôleur ATmega328P.
  • Affichage digital avec afficheurs à digits MAX7219.
  • Affichage analogique à l'aide d'un Galvanomètre et d'une Del.
  • Buzzer de signalement.
  • Bouton rotatif de sélection des modes de détection.
  • Interrupteurs de visualisation des doses maximales relevées.
  • Accumulateur Lithium/Polymère 4S 4000mAh (14.8V).
  • Boîtier ouvert en Aluminium, Cuivre, Acier inoxydable, Laiton, et Ertalon.

L'affichage permet de visualiser plusieurs unités:

  • Le cumule des Coups.
  • Les Coups / seconde instantanés.
  • Les Coups / seconde maximums relevés.
  • Le débit de dose cumulé (glissant) au cours du temps.
  • Le débit de dose instantané.
  • Le débit de dose maximal relevé.

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Qu'est-ce que la radioactivité ?

La radioactivité est la conséquence et la manifestation de l'instabilité des atomes qui composent la matière qui nous entoure et qui nous constitue.

Cet état instable peut avoir plusieurs causes au niveau atomique:

  • L'atome a un excédant de neutrons (par rapport à la vallée de stabilité).
  • Le noyau de l'atome se réorganise (un neutron devient un proton).
  • L'atome est excité, il possède un excédant d'énergie (qu'il doit libérer).

Cette radioactivité se manifeste sous plusieurs formes:

  • Alpha (α): 2 protons + 2 neutrons (4 nucléons) sont éjectés du noyau, c'est l'Helium 4.
  • Beta- (β-): 1 neutron (1 quark up + 2 quarks down) devient 1 proton (2 quarks up + 1 quark down), ceci est accompagné de l'émission d'1 électron + 1 anti-neutrino.
  • Beta+ (β+): 1 proton (2 quarks up + 1 quark down) devient 1 neutron (1 quark up + 2 quarks down), ceci est accompagné de l'émission d'1 positon + 1 neutrino.
  • Gamma (γ): résultat de la collision d'1 particule avec son anti-particule, 1 ou plusieurs photons (rayonnement de nature électro-magnétique) peuvent êtres libérés de l'atome du fait de sa désexcitation. La fréquence vibratoire de cette onde est supérieure à 30 exahertz (30000000000000000000 hertz).
  • X: 1 électron passe d'un niveau d'énergie à un autre, ce qui s'accompagne d'une émission (photon) de même nature que le rayonnement Gamma mais de fréquence vibratoire inférieure (de 30 petahertz à 30 exahertz).

Ces émissions se comportent différemment selon le matériaux traversé:

  • l'Alpha est arrêté au contact d'une feuille de papier.
  • Le Beta est arrêté au contact d'une tôle d'Aluminium.
  • Le Gamma est atténué en traversant plusieurs mètres de béton ou plusieurs centimètres de Plomb, mais n'est pas arrêté.

Quantifier la radioactivité:
Plusieurs unités de mesure standards (ou dérivées du système standard) existent et permettent de quantifier le niveau de radioactivité et la dose reçue. Chaque unité est à placer dans un contexte précis de mesures par rapport aux conditions et à l'environnement associé, ceci afin d'éviter de fausses interprétations des résultats.

Plusieurs paramètres interviennent pour quantifier la radioactivité:

  • La nature de l'émission (Alpha, Beta, Gamma, X).
  • La distance (à 1 cm, à 1 mètre, etc...).
  • Les parties du corps exposées au rayonnement (les effets seront bien différents selon la zone exposée).
  • La sensibilité du matériel utilisé pour effectuer les mesures.

Voici une liste de quelques unités de mesure:

  • Le Sievert (Sv): établi une estimation de l'impact biologique de la radioactivité sur le corps humain (par unité de temps en heures ou en années).
  • Le Becquerel (Bq): souvent indiqué par kilogramme de matière, signifie 1 désintégration d'atome / seconde.
  • Le Coup / seconde (Cps): de même nature que le Becquerel mais sans quantification de la quantité de matière.
  • Le Gray (Gy): représente l'énergie (en Joules) apportée à une masse homogène d'1kg.

Le débit de dose lié à la radioactivité naturelle en France, est en moyenne de 1 à 2 millisievert / an par habitant. Pour les travailleurs du secteur du nucléaire en France, le débit de dose maximal admissible est de 20 millisievert sur 12 mois glissants par personne. Les risques de maladies et de cancer commencent à apparaître à partir de 100 millisievert (pas forcément lié à une unité de temps cette fois-ci).

1 Gray est égal à 1 Sievert (unités de même dimension).

Ces mesures sont déterminés par l'intermédiaire du tube Geiger, qui est l'élément sensitif d'un détecteur de radioactivité. Le tube Geiger est un dipôles (cathode + anode) qui, rempli d'un gaz rare à basse pression (généralement le néon) et soumis à une différence de potentielle élevée (haute tension), est ainsi placé dans un état de métastabilité.

Il suffit donc d'une particule (électron, proton, neutron, ou photon) traversant le tube Geiger pour ioniser le gaz (les atomes perdent ou gagnent des électrons), se qui à pour conséquence de créer une avalanche d'électrons se déplaçant vers la cathode. Le tube est alors en saturation (le dipôle est fermé, comme un interrupteur), c'est le Coup (quantifié ensuite en Coups / seconde).

Ci-dessous, un exemple de mesures de la radioactivité naturelle avec le tube Geiger LND712 (le relevé indique 0.45 Coups / seconde):

La radioactivité naturelle a toujours été présente sur notre planète, elle fait partie intégrante de la croûte terrestre, de l'atmosphère, des océans, et du vivant.

Le corps humain est constitué de Potassium 40, un isotope radioactif !

Au cours de l'histoire et de l'évolution de la Terre, des réacteurs naturels ont existé bien avant l'apparition de l'homme. On en trouve des traces (vitrification des roches au voisinage de minerais d'Uranium) aux États-Unis.

Les isotopes radioactifs:
Un isotope est un atome ayant un nombre différent de neutrons. De fait, l'Uranium 236 est un isotope plus lourd (et donc plus instable dans ce cas de figure) que l'Uranium 235.

En revanche, un atome n'est pas un isotope d'un autre atome ayant un nombre différent de protons (Comme le Cesium 55 n'est pas un isotope du Xénon 54), ce sont bien deux types d'atomes différents.

Merci pour les explications et belle réalisation !

La désintégration d'un atome peut être naturelle:
Un matériaux constitué d'isotopes radioactifs perds la moitié de sa radioactivité durant une demi-période, puis une autre moitié durant une autre demi-période, et ainsi de suite, de sorte que la décroissance radioactive d'un matériaux suit une courbe asymptote. Ce temps est dépendant de l'isotope considéré, en effet plus il est instable, plus sa demi-période est courte, et plus ses émissions radioactives sont fortes.

Il n'est pas possible de prédire la désintégration d'un seul atome, ce phénomène peut intervenir à n'importe quel moment (aléatoire), par contre, il est possible de prédire la désintégration de la moitié d'un groupe d'atomes:

1kg d'Uranium 235 perds la moitié de sa radioactivité (ou de sa masse) en 4.5 milliards d'années. Il reste alors 0.5kg d'Uranium 235 encore non désintégré, qui perds à son tour la moitié de sa radioactivité en 4.5 milliards d'années supplémentaires, etc...

Les premiers 500g d'Uranium 235 désintégrés ne sont pas volatilisés, il se sont transformés en Thorium 231 par désintégration Alpha, puis ce Thorium par désintégration Beta- se transformera en Protactinium 231, de sorte qu'un seul isotope radioactif au départ produit une grande quantité de descendants radioactifs dont il faut tenir compte pour les mesures effectuées.

La désintégration d'un atome peut être induite:
Par capture d'un neutron lent, l'Uranium 235 devient de l'Uranium 236, beaucoup plus instable. Il se désintègre (fission) en ce scindant en deux atomes, le Krypton 92 et le Baryum 141, deux isotopes radioactifs aux demi-périodes très courtes.

Remarquons que 236 - (92 + 141) = 3, ce qui signifie que 3 neutrons rapides sont éjectés lors de cette réaction de fission.

Les 3 neutrons rapides ainsi libérés, si ils sont ralentis (par exemple en traversant un volume d'eau), peuvent être à nouveau capturés par de l'Uranium 235, qui à son tour deviendra un Uranium 236 par nature instable qui se désintégrera et éjectera à nouveau 2 ou 3 neutrons:
C'est la réaction en chaîne !

La réaction en chaîne est obtenue sous plusieurs conditions:

  • La masse critique doit être atteinte (c'est-à-dire un certain volume de radio-isotopes dans le but de favoriser la capture de neutrons).
  • La géométrie du réacteur (endroit ou se produit la réaction) doit être considérée avec importance.
  • Des réflecteurs à neutrons (en carbure de tungstène) doivent êtres disposés autour des assemblages de radio-isotopes (crayons de combustible).
  • Les neutrons rapides doivent êtres ralentis afin qu'il soient capturés.

Cette réaction en chaîne est accompagnée d'une forte émission Gamma, résultat de la perte de masse entre le début et la fin de la réaction, et du trop plein d'énergie à évacuer.

L'exposition externe et interne:
L'exposition à la radioactivité est dite externe lorsque la source d'émission est situé à l'extérieur du corps. Cela peut être provoqué par la radioactivité naturelle (minerais) ou artificielle (stockage de déchets ou pollution).

La durée de l'exposition est très importante dans un calcul, associée à la dose reçue, elle conditionne les facteurs de risques encourus.

L'exposition interne qu'en à elle intervient lorsque la source d'émission ce situe à l'intérieur du corps, c'est alors la contamination. Ceci est très dangereux parce que l'énergie émise par un radio-isotope décroit au carré de la distance. Ce qui signifie qu'un atome d'Uranium 235 à quelques mètres de distance (sans danger immédiat), ne comporte pas les mêmes risques sur la santé que directement au contact des cellules du corps humain (dans le cas d'une ingestion ou inhalation).

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Conception et fabrication du SM4000:

La carte élévatrice de tension est réalisée en prenant exemple sur le schéma électrique des magnétos des moteurs Lycoming en aviation légère. Elle permet de transformer la tension d'alimentation de 5V à 400V, elle détecte également la fermeture du tube Geiger (ici connectée sur le tube Geiger SBM20 de conception Russe, à gauche la carte finale, à droite le prototype):

Le plan de mise en production de cette carte est disponible ici:

Télécharger le plan de l'élévateur de tension

Liste des composants:

2x Résistance 1kΩ carbone 0.25W
1x Résistance 2.2kΩ carbone 0.25W
1x Résistance 10kΩ carbone 0.25W
1x Résistance 4.7MΩ carbone 0.25W (tube Geiger SBM20)
ou 1x Résistance 10MΩ carbone 0.25W (tube Geiger LND712)
1x Condensateur 100pF céramique
1x Condensateur 4.7nF céramique 1kV
1x Condensateur 10μF électrolytique radial
1x Inductance 10mH self radiale
1x Diode Redresseur 1N4007
1x Diode Zener BZX85C5V1
1x Transistor MPSA44
1x Transistor 2N3904
4x Broches mâles 0.1"

Quelques étapes de l'assemblage des autres parties du projet:
Fabrication des cartes électroniques pour l'affichage:


Usinage des différentes pièces:
Aluminium, Ertalon, et découpe des tôles de Cuivre:


Matériel utilisé pour l'usinage des pièces:
Fraiseuse, perceuse à colonne, tour à métal:

Programmation avec MODULE℠:
Premiers essais:

Modification d'un petit Galvanomètre:
Assemblage sur les pièces usinés:


Câblage et montage final de l'ensemble:
Puis validation du fonctionnement:



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N'hésitez pas si vous avez des questions ou suggestions :slight_smile:

Merci pour ton commentaire B83s :wink:

hello

pour poser des questions, il faudrait maitriser le sujet:o
là je ne peux qu’être admiratif.

bravo Monsieur, pour la qualité de votre travail et de votre post

sylvainmahe:
...
À l'époque ou j'ai commencé à m'intéresser à la radioactivité (années 1990 suite à l'accident de Tchernobyl), ce type d'appareil de mesure me semblais infaisable par un amateur, et en l'occurrence se trouvait être (et est toujours aujourd'hui) très onéreux dans le commerce.

bonsoir
Jolie intégration
Le look "back to the future" est sympa :grin: (perso j'aurais plus mis des TM1638 que des MAX719)

Le probleme en DIY de ce genre de réalisation vient essentiellement du capteur , de la qualité de l’étage primaire d'alimentation/acquisition et surtout d'une bonne table de calibration.
Sans calibration sur sources "certifiées" ça ne restera qu'un simple (+/- bon) indicateur, mais pas un instrument de mesure .

(Basique : plus ça couine fort, plus il faut courir vite :sunglasses: )

Merci pour vos commentaires dfgh et Artouste.

Pour la question de la fiabilité de la mesure, effectivement c'est pour cela que je ne le fait afficher que les coups / s, et une dose (sans unité), un coefficient en fait, relatif à la radioactivité naturelle mesurée.

A noter que dans mon atelier la calibration est bonne puisque ce coef affiché tourne autour de 1, et au bout de quelques minutes seulement (mesure cumulée) il sera dans des valeurs très proches de 1.0

Ici par exemple après très peu de mesures, on est à 1.05 par rapport à la radioactivité naturelle:

Après je comprend tout à fait par rapport à si les coups augmentent beaucoup, tout deviendra non linéaire, 100 fois la radioactivité naturelle ne sera pas forcément exact, etc... Mais ce qu'aura interprété le compteur par rapport aux coups sera exact par rapport aux coups (dont certains coups auront étés oubliés par le tube puisque il fonctionne en saturation). C'est pour cela que je ne souhaite pas rentrer dans les millisievert / h, même si je sais calculer une approche..

Pour le look, c'est vrai que je n'imaginais pas vraiment un compteur geiger autrement (la caricature du compteur geiger), il était comme ça dans mon esprit, donc j'ai essayé au mieux de le matérialiser de cette manière la :slight_smile:

Bonjour,

Belle réalisation!!!

Ah tiens voila mr kamill :slight_smile:

Merci pour ton commentaire !

Tu fais partie des gens qui offrent beaucoup de leur temps en aide bénévolat sur le forum, et avec un très bon niveau pour expliquer les choses, continue comme cela c'est ce qu'il faut :wink:

sylvainmahe:
...
Pour le look, c'est vrai que je n'imaginais pas vraiment un compteur geiger autrement (la caricature du compteur geiger), il était comme ça dans mon esprit, donc j'ai essayé au mieux de le matérialiser de cette manière la :slight_smile:

:grin:
Bonsoir
Si c'est juste pour rester dans le "ludique old touch" , c'est plutôt bien fait.
Mais aujourd'hui dans le domaine pro , ça ne ressemble vraiment plus du tout ... à ça 8)

Mdr Artouste, c'est sûr que ce que j'aime en effet ce sont les vieux trucs old school avec des boutons et des potards :wink: Je suis un vieux déjà en même temps (31 ans), j'ai quand même connu l'Atari tu te rends compte !!

sylvainmahe:
Mdr Artouste, c'est sûr que ce que j'aime en effet ce sont les vieux trucs old school avec des boutons et des potards :wink: Je suis un vieux déjà en même temps (31 ans), j'ai quand même connu l'Atari tu te rends compte !!

bonjour
pour relativiser : perso j'ai connu en pro les cartes perforées :grin:

sylvainmahe:
Je suis un vieux déjà en même temps (31 ans)

Et quand on a plus, il y a un nom pour cette catégorie ? :wink:

sylvainmahe:
Mdr Artouste, c'est sûr que ce que j'aime en effet ce sont les vieux trucs old school avec des boutons et des potards :wink: Je suis un vieux déjà en même temps (31 ans), j'ai quand même connu l'Atari tu te rends compte !!

Tu te trouves vieux à 31 ans?
Qu'est ce que tu diras à 58? (mon âge)

Non non c'était une blague :wink:

Et puis, admettons que le corps soit considéré comme vieux (par le modèle de société dans lequel on vie), du moment que l'esprit reste jeune, c'est ce qui compte :slight_smile:

J’ai maintenant un peu de minerai d’Uranium (et ces descendants), voir ici:

Dans ce bocal en verre dont j’ai vitrifié le contenu pour plus de sécurité (par rapport aux poussières notament), il y a tout cela:
Uranium 238 > Radioactivité Alpha (4.4688 milliard d’années)
Thorium 234 > Radioactivité Beta- + Gamma (24.1 jours)
Protactinium 234 > Radioactivité Beta- + Gamma (1.17 minutes)
Uranium 234 > Radioactivité Alpha (245500 années)
Thorium 230 > Radioactivité Alpha + Gamma (75380 années)
Radium 226 > Radioactivité Alpha + Gamma (1602 années)
Radon 222 > Radioactivité Alpha (3.8235 jours)
Polonium 218 > Radioactivité Alpha (3.1 minutes)
Plomb 214 > Radioactivité Beta- + Gamma (26.8 minutes)
Bismuth 214 > Radioactivité Beta- + Gamma (19.9 minutes)
Polonium 214 > Radioactivité Alpha (164.3 microsecondes)
Plomb 210 > Radioactivité Beta- + Gamma (22.2 années)
Bismuth 210 > Radioactivité Beta- (5.012 jours)
Polonium 210 > Radioactivité Alpha (138.376 jours)
Plomb 206 (stable)

J’ai donc pu effectuer des mesures avec mon compteur geiger, voila ce que cela donne:

C’est une mesure de la radioactivité (principalement Gamma) par rapport au bruit de fond. Effectuée à une distance variable de 1cm à 20cm de l’échantillon, la courbe bleue est le niveau moyen sur une durée de 10 minutes par mesure, la courbe rouge représente les pics maximums relevés.

Je me suis amusé avec un pochoir à peindre le trisecteur radioactif sur ma mallette:

:wink:

J'ai également pas mal retravaillé mon article (et refait validé le tout par des professionnels du nucléaire):
Le compteur Geiger à tube LND712

N'hésitez pas si vous avez des questions :wink: