傳感器應用系列 : 環境輻射監察與APRS訊息活用

前言

這是新一系列有關傳感器應用的文章。初步是踢著和玩熟相關傳感器，後續是希望將之放在APRS的訊息處理上，化為一些APRS的小玩意。

業餘事務，沒有schedule，按部就班就是了。

 

今日新聞，日本福島的核洩漏事故沒完沒了

 

輻射: 非電離輻射 vs 電離輻射

輻射一詞，我輩ham界中人應都不會陌生。學生時代接觸無線電，多會被不知輻射為何物的長輩教訓 “因住的輻射”。

到還未死得出來做事，的對輻射一知半解的豬朋狗友知你有個ham牌，就會好心問侯 “因住無仔生”。我諗，經歷這些詛咒可能是ham界的共同回憶。

我對輻射的知識僅限中學程度，充不了專家。以下是香港天文台網站對兩者的解釋:

輻射大致可以分為非電離輻射及電離輻射兩類。一般來說，非電離輻射(例如光線及無線電波)的能量較低，不足以改變物質的化學性質。相反，電離輻射(例如α粒子及β粒子)有足夠的能量使原子中的電子游離而產生帶電離子。這個電離過程通常會引致生物組織產生化學變化，因而對生物構成傷害。一般所指可引起傷害的輻射，就是電離輻射。

由此可知，我們的無線電通訊，在規格內的行事應相當安全。而今次的專題是監察生活環境中的電離輻射。

 

香港天文台的環境輻射監察網頁(每小時更新)

http://www.weather.gov.hk/radiation/ermp/rmn/applet/map/rmn_hourly_c.htm

 

GM tube vs Pin photo diode

就我的資料搜集，以自製方法去 detect 電離輻射(下文全簡稱為輻射)，不外兩種:傳統的 GM tube，和部份高敏感度，對輻射線有反應的 photo diode。

 

各種輻射粒子的穿透圖

 

後者常見於使用smartphone的作為輻射計的 APPS。但網上傳言近排這些APP已被迫下架，以避免缺乏輻射知識的普羅大眾不知就裡使用時身犯險境。儘管如此，部份developer的網站仍有下載。

還在架上的App，多是以GM Tube驅動電路的Beep Beep聲輸入smartphone，以計算CPM或uSV/hr值。

而我的選擇是前者，GM tube傳統，簡單，可靠，尤以對環境輻射的監察用途。Photo diode 對環境輻射的感度是比不上的。

就GM tube的入手，在靈敏度，對那種射線有反應，價格和供應上，我最終決定選擇前蘇聯的SBM-20，並在烏黑蘭郵購。請留意，網上很多 vender 如淘寶等也有GM tube供貨的，但多是二手拆下的洋垃圾。售價也不見得平宜。綜合各資料後 :

新:

• 外觀整潔，沒明顯銅繡跡
• 獨立有盒，serial no

 

我的GM tube

舊，二手:

• 外觀明顯較暗淡殘舊，更甚者一邊電極已被拆去，剩下內芯接片
• 展視的照片多是整批一盒或一札

 

網上圖片

各 GM tube比較:

https://sites.google.com/site/diygeigercounter/gm-tubes-supported

選擇SBM-20，因是STS-5 的後續版，能detect Beta, Gamma ，驅動電壓比其他tube小。剛巧又找到價錢公道，運費合理的 vender。

 

GM tube的驅動線路

GM tube需高壓DC驅動，電壓視乎不同的tube，範圍約是400-700 volts DC。驅動線路有兩種:

• 以 Timer IC 555 起震，再經diode和cap組成的電路升壓到所需電壓輸入GM tube
• 以 Timer IC 555 或Transistor起震，經內阻匹配火牛ST-14 升壓到所需電壓輸入GM tube

我選擇前者，因Form 3那年用過diode和cap組成的升壓電路做離子產生器，較熟悉。再者，沒有火牛ST-14，PCB Foot Print可更細少。

 

請留意，555 需為cmos，即TLC555 或兼容，NE555等是TTL的，不合用。除GM tube，其他零件皆可在本地零售市場購得。

為了方便調較輸出電壓，R7串上50 ohm半可調電阻。

電路輸出方面，就如中學物理課，或電影情節般，輸出是Beep Beep聲，越近輻射源，Beep Beep聲越密。這個稱之為CPM (counts per minute)。

 

PCB 左上角 9V電池位置，原是預留作 20X2 LCD模組之用。但越玩越過癮，所以暫放上電池以作portable之用。

 

銲接，調較，測試，輻射源的獲得

電路相當簡潔，用萬用板一兩晚工夫即可。銲接GM tube時請留意，雖則兩端電極明顯是錫銲，但GM tube 內部結構部份物料是 toxic的，基於命仔要緊和方便日後更換，使用中號的 fuse holder金屬座固定GM tube即可。

 

調較較麻煩。因高壓輸出是有壓無流，如你試過製作千人震，當然也會被電過。但這個circuit比千人震的電流更弱。

不論你或用電表去量度高壓輸出(GM tube正極)，皆會拖跨之，更不會如千人震般電到飛起。

雖則電路提到在 Diode -ve 端量度約有 200V 即可，但因各GM tube 工作電壓不一(SBM-20 為400V)，電壓太高，GM tube 內會加速離子化，降低壽命。太低，推唔起唔work。

要測到準確電壓值，需使用高內阻值>1G ohm的電壓棒，或自行計算。1G ohm的電壓棒不值得購入，那唯有用回 R=V/I 的基本方法。

 

步驟一

先求自用電表的內阻值。一般廉價的他表，內阻只有1M，較貴的則是10M。將power supply輸出設為5V，串經電表駁到 1M ohm 電阻。

網上教材

 

如電壓顯示不是約 2.5V，則將電阻換為10M。這時電壓應約為 2.5V，我的fluke表是 2.6V。

公式：

(1/Vv)=(1/RvVo)R + (1/Vo)

where

Vv= 2.6v

Rv= resistance of Voltmeter

Vo= 5V

R= 10M ohm

結果電表內阻約為 Rv= 11M ohm

 

步驟二

請參考以下circuit:

先調校 50 ohm VR 使 Diode -ve 端有 200V 。

我們在 GM tube +ve端串10支10M電阻，組成100M 電阻。電壓表量度顯示為30V。

30V/(11/100) = 272V ，即GM tube +ve端只有272V。

由於SBM-20的建議工作電壓是400V，所以需調校VR，直至100M 末端電壓為 45V。這時GM tube的工作電壓是409V。

調校完成。

 

測試，輻射源的獲得

開始時沒想到這是個大問題，花的時間最耐。起初以為蓄光貼，自發光的氣燈(3H)手表應有輻射反應，但結果完全對 GM tube 沒作用。

再上網查資料，發現需radiation active的物料才可作輻射源。城市人可找到的途徑有以下幾種東西:

• 單鏡相機鏡頭，(螢光石系列??)
• smoke detector內的感應器
• 露營用的營燈燈紗

對我來說，要平，當然選擇燈紗。Wiki資料顯示，營燈燈紗製做時會加進 Thorium dioxide，以增加發光效率。而 Thorium 是radiation active的。

貪平走到一些專買國內營具的樓上舖買了一個國產燈紗，$20。回家測試，死，仍是沒反應。開始擔心是否支GM tube是否流的。再反覆檢查線路，和輻射源的資料。

沒辦法，找不到錯處。將蓄光貼曬到熟哂再試仍是沒反應。爛尾無所謂，鑽研路上早已習慣。但咁樣爛尾我心有不甘。盡地一鋪到全港最大的露營用品中斥鉅資$48大元購買了日本品牌的燈紗(1 pack 兩個)。一試即掂。

究竟是國內品牌的因法例所限，或有超高技術而無需加料也有同等效果，定偷工減料就無法知曉。不過真是不是味兒。

 

 

弔詭的conversion factor

如上文所述，Beep Beep 聲的單位是CPM。是一個多和少的比較值。一可用於和其他 GM tube 靈敏度比較，二聽到聲音之密度就可大約知道是否處於危險境況，簡單清楚快捷，無需專業知識。

但我們要將之化為輻射劑量單位，才可實際知道該輻射劑量對人體的影響。較普及的單位是 Servants/hour 。請參看下圖。一般情況下環境輻射 Servants/hour是 micro 級，單位簡為uSv/hr。

網上圖片

 

有關輻射劑量對人的影響的大表，請參考:

http://xkcd.com/radiation/

由CPM 轉 uSv/h，我們將 CPM x (1/conversion factor) 得出。

 

網上圖片，calibration數值因型號而定。offset數值則和經緯度有關

 

不同的 GM tube，應用情況不同(專注於 Beta 或 gamma 射線，或不同放射源的 CPM 的平均值)的參數(conversion factor)均不同。

就 SBM-20 而言，參考各有關網站和 YouTube 的資料後，得出 175 和 360 兩數字。這個很麻煩，兩個數字差近倍，絕對影響精準度。

由於有較多資料解釋 175 是由 Ra266 和 Co60 兩種釋放Gamma射線的CPM 平均值後求出，而環境輻射監察正是Gamma，所以之後的編程以175為參考。

各GM tube的參數匯編

http://sapporohibaku.wordpress.com/2011/10/15/conversion-factor/

 

環境輻射監察與 APRS 的關係

日本311地震後約10天，APRS 之父 BOB 便提出將環境輻射監察加入aprs 氣象站可兼容訊息之列。雖則仍是在proposal之內的東西。新的aprs protocol spec也久未更新，但aprs.fi實已支援。暫見到的是KI6TSF-8的Wx 有發放相關訊息。

KI6TSF-8的Wx ，留意環境輻射單位用了uR/hr

 

根據 Bob 之建議，有關輻射數據之起始碼為大階英文字”X“，之後為三個數字。該三個數字的頭兩個字為輻射劑量，第三個數字則

為10^x 之 x，輻射劑量單位為 nSv/hr 。

e.g. X456 =45 * 10^6 = 45 mSv/hr

APRS icon方面，如用在環境監察用途，Bob建議使用動態圖示，即不同輻射劑量顯示不同icon。令 APRS 地圖用者一看即明白事態的嚴重性。動態圖示在一些tracker如本 blog曾介紹的AVR tracker 會用上，一般用於 smart beaconing上。

環境監察動態圖示法則：

• 平時，劑量保持恆常值，以 /_ 顯示 Wx 氣象站icon
• 核事故初期，劑量處於上升形態，以 R_ 顯示為 輻射監察氣象站icon
• 核事故持續擴大，劑量上升至危險數值，以 RH 顯示正暴露於輻射風險中

 

What’s next

第1步完成，純粹靠 Beep Beep 聲的密度去評估輻射的水平。

第2步是以 20X2 LCD模組顯示 CPM 和 uSv/hr的值。其實也好簡單。MCU的int腳應用而已。不過地方淺窄，我寫program個壇拆咗，將要寫既蓄蓄埋埋先一次過搞。

第3步是輸出uSv/hr值透過RS232輸出到經改良的 AVR tracker，整合為一個輻射監察的的氣象站。

待續…