Construa um Contador Geiger com Raspberry Pi – Tutorial de Sensor de Radiação Open-Hardware

Conteúdo

• Manifesto
• A Placa
• O Tubo Geiger
• Tipos de Radiação
• Tubos Geiger Suportados
• Fontes de Teste
• Atuadores
• De CPM para Sieverts
• Código Fonte
• Esquemático
• Participe
• Compre
• Links e Documentação

NOTA: Todos os exemplos de código neste tutorial usam a biblioteca arduPi. Você pode ver a documentação e baixar a biblioteca do repositório.

Manifesto

O propósito da Placa Sensor de Radiação para Raspberry Pi é permitir que indivíduos no Japão – e em qualquer outro lugar – meçam níveis de radiação ambiente independentemente, seguindo o incidente nuclear de Fukushima em março de 2011. Ao combinar um Raspberry Pi acessível e amigável com uma placa de sensor open-hardware, usuários podem obter leituras em tempo real de locais específicos em vez de depender apenas de avisos externos. O primeiro lote foi enviado gratuitamente para o Tokyo Hackerspace e outros grupos locais para apoiar esforços comunitários.

Tanto o design de hardware da placa quanto seu firmware são liberados sob GPL, refletindo nosso compromisso com princípios open-source e transparência científica.

— A Equipe Libelium, Abril 2011

A Placa

A placa é dividida em duas seções funcionais: uma fonte de alimentação de alta tensão (400–1000 V) para o tubo Geiger-Müller e um circuito de condicionamento de sinal que converte os pulsos elétricos do tubo em formato adequado para um microcontrolador.

Uma vez alimentado, o tubo emite um breve pulso de corrente para cada evento ionizante detectado. O microcontrolador conta esses pulsos; contando por 10 segundos e multiplicando por 6 obtém-se contagens por minuto (CPM). De acordo com o datasheet do tubo, CPM é então dividido pelo fator de conversão (360 para o tubo padrão) para obter taxa de dose em microSieverts por hora (µSv/h).

Dependendo do tubo específico, você pode precisar ajustar o fator de conversão. Teste diferentes valores e reporte qual calibração produz os resultados mais precisos.

A eletrônica da placa pode ser dividida em cinco componentes:

1. Fonte de alimentação de alta tensão

   Este módulo usa um multiplicador de tensão acionado por oscilador compreendendo diodos, transistores, resistores e capacitores (veja o esquemático). Gera 500 V para o tubo, com diodos zener opcionais em série para aumentar a saída se tensão mais alta for necessária.

2. Circuito de adaptação de saída

   Um transistor NPN traduz o pulso do tubo Geiger em um sinal lógico limpo que dispara uma interrupção do microcontrolador. O mesmo transistor também aciona um alto-falante piezo e indicador LED para feedback audível e visual.

3. Alto-falante piezo e indicador LED

   Estes estão conectados ao circuito de adaptação; cada pulso detectado faz o LED piscar e o alto-falante emitir um clique.

4. Tela LCD

   O LCD 16×2 é interfaceado via barramento paralelo de 4 bits (RS, EN, RW e quatro linhas de dados). Exibe CPM e taxa de dose em tempo real.

5. Barra de LED

   Uma barra de cinco LEDs (três verdes, dois vermelhos) fornece uma medição visual rápida de intensidade de radiação. Cada LED é acionado de um pino digital através de resistor em série.

Conectando a Placa de Radiação ao Raspberry Pi

A placa conecta ao Raspberry Pi através de uma interface shield padrão Arduino. Alimentação é suprida do pino 5 V do Pi, e contagem de pulsos ocorre no pino GPIO 2 do Pi, configurado como entrada de interrupção.

O Tubo Geiger

Um tubo Geiger-Müller contém gás inerte de baixa pressão (≈0.1 atm) – comumente neon – com um vapor orgânico ou halogênio fino. O cátodo do tubo é a parede metálica, enquanto o anodo é um fio fino correndo ao longo do centro. Um potencial alto (~500 V) é aplicado entre estes eletrodos, criando um forte campo elétrico.

Quando radiação ionizante entra no tubo, ioniza o gás, produzindo elétrons livres e íons positivos. Os elétrons são acelerados em direção ao anodo, iniciando uma avalanche de ionizações adicionais. Esta cascata produz um pulso curto de alta corrente que é detectado pelo circuito de saída.

Tipos de Radiação

• Alfa

  Partículas alfa (núcleos de hélio, carga +2) são densas e não penetram mais que alguns milímetros de ar ou uma folha de papel. Representam risco externo mínimo mas podem ser perigosas se ingeridas, pois danificam tecidos de dentro. Muitos contadores Geiger detectam radiação alfa apenas através de janelas de mica finas.

• Beta

  Partículas beta (elétrons, carga –1) são mais leves e penetram alguns milímetros de alumínio. Podem ser perigosas quando ingeridas e são detectadas por muitos tubos Geiger, dependendo da espessura da parede e presença de janela.

• Gama

  Raios gama são fótons de alta energia que podem atravessar virtualmente qualquer material. São efetivamente blindados apenas por substâncias de alto peso atômico como chumbo. Radiação gama é ubíqua em fontes cósmicas e é detectada por virtualmente todos os contadores Geiger.

Para detalhes técnicos adicionais, veja o tutorial Contador Geiger – Placa Sensor de Radiação para Raspberry Pi.

Links e Documentação

• Biblioteca arduPi no GitHub – Código fonte e documentação
• Esquemático da Placa PDF – Desenhos elétricos detalhados
• README do Projeto – Instruções de instalação e dicas de calibração