Compteur Geiger fonctionnel avec pièces minimales : 4 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Voici, à ma connaissance, le compteur Geiger fonctionnel le plus simple que vous puissiez construire. Celui-ci utilise un tube SMB-20 Geiger de fabrication russe, entraîné par un circuit élévateur haute tension volé à une tapette à mouches électronique. Il détecte les particules bêta et les rayons gamma, émettant un clic pour chaque particule radioactive ou sursaut de rayons gamma qu'il détecte. Comme vous pouvez le voir dans la vidéo ci-dessus, il clique toutes les quelques secondes à partir du rayonnement de fond, mais prend vraiment vie lorsque des sources de rayonnement telles que le verre d'uranium, les manteaux de lanterne en thorium ou les boutons en américium des détecteurs de fumée sont approchées. J'ai construit ce compteur pour m'aider à identifier les éléments radioactifs dont j'ai besoin pour remplir ma collection d'éléments, et il fonctionne très bien ! Le seul véritable inconvénient de ce compteur est qu'il n'est pas très bruyant et qu'il ne calcule et n'affiche pas la quantité de rayonnement qu'il détecte en coups par minute. Cela signifie que vous n'obtenez aucun point de données réel, juste une idée générale de la radioactivité basée sur le nombre de clics que vous entendez.

Bien qu'il existe divers kits de compteur Geiger disponibles sur le net, vous pouvez créer le vôtre à partir de zéro si vous disposez des bons composants. Commençons!

Étape 1: Compteurs Geiger et rayonnement: comment tout cela fonctionne

Le compteur Geiger (ou compteur Geiger-Müller) est un détecteur de rayonnement développé par Hans Geiger et Walther Müller en 1928. Aujourd'hui, à peu près tout le monde connaît les cliquetis qu'il émet lorsqu'il détecte quelque chose, souvent considéré comme le « son » de radiation. Le cœur de l'appareil est le tube Geiger-Müller, un cylindre en métal ou en verre rempli de gaz inertes maintenus sous basse pression. À l'intérieur du tube se trouvent deux électrodes, dont l'une est maintenue à un potentiel de haute tension (généralement 400-600 volts) tandis que l'autre est connectée à la terre électrique. Avec le tube dans un état de repos, aucun courant n'est capable de sauter l'espace entre les deux électrodes à l'intérieur du tube, et donc aucun courant ne circule. Cependant, lorsqu'une particule radioactive pénètre dans le tube, telle qu'une particule bêta, la particule ionise le gaz à l'intérieur du tube, le rendant conducteur et permettant au courant de passer entre les électrodes pendant un bref instant. Ce bref passage de courant déclenche la partie détecteur du circuit, qui émet un « clic » audible. Plus de clics signifie plus de rayonnement. De nombreux compteurs Geiger ont également la possibilité de compter le nombre de clics et de calculer le nombre par minute, ou CPM, et de l'afficher sur un cadran ou un écran de lecture.

Regardons le fonctionnement du compteur Geiger d'une autre manière. Le principe clé du fonctionnement du compteur Geiger est le tube Geiger et la façon dont il établit une haute tension sur une électrode. Cette haute tension ressemble à une pente de montagne escarpée recouverte de neige épaisse, et il suffit d'un tout petit peu d'énergie de rayonnement (comme un skieur descendant la pente) pour déclencher une avalanche. L'avalanche qui s'ensuit emporte avec elle beaucoup plus d'énergie que la particule elle-même, suffisamment d'énergie pour être détectée par le reste du circuit du compteur Geiger.

Comme cela fait probablement un certain temps que bon nombre d'entre nous se sont assis dans une salle de classe et n'ont pas appris ce qu'est la radiation, voici un petit rappel.

La matière et la structure de l'atome

Toute matière est composée de minuscules particules appelées atomes. Les atomes eux-mêmes sont composés de particules encore plus petites, à savoir des protons, des neutrons et des électrons. Les protons et les neutrons sont regroupés au centre de l'atome - cette partie s'appelle le noyau. Les électrons tournent autour du noyau.

Les protons sont des particules chargées positivement, les électrons sont chargés négativement et les neutrons ne portent aucune charge et sont donc neutres, d'où leur nom. Dans un état neutre, chaque atome contient un nombre égal de protons et d'électrons. Parce que les protons et les électrons portent des charges égales mais opposées, cela donne à l'atome une charge nette neutre. Cependant, lorsque le nombre de protons et d'électrons dans un atome n'est pas égal, l'atome devient une particule chargée appelée ion. Les compteurs Geiger sont capables de détecter les rayonnements ionisants, une forme de rayonnement qui a la capacité de transformer des atomes neutres en ions. Les trois différents types de rayonnements ionisants sont les particules alpha, les particules bêta et les rayons gamma.

Particules alpha

Une particule alpha se compose de deux neutrons et de deux protons liés ensemble, et est l'équivalent du noyau d'un atome d'hélium. La particule est générée lorsqu'elle se détache simplement d'un noyau atomique et s'envole. Parce qu'elle n'a pas d'électrons chargés négativement pour annuler la charge positive des deux protons, une particule alpha est une particule chargée positivement, appelée ion. Les particules alpha sont une forme de rayonnement ionisant, car elles ont la capacité de voler des électrons à leur environnement et, ce faisant, de transformer les atomes qu'elles volent en ions eux-mêmes. À fortes doses, cela peut causer des dommages cellulaires. Les particules alpha générées par la désintégration radioactive se déplacent lentement, sont de taille relativement grande et, en raison de leur charge, ne peuvent pas traverser facilement d'autres choses. La particule capte finalement quelques électrons de l'environnement et devient ainsi un atome d'hélium légitime. C'est ainsi que la quasi-totalité de l'hélium terrestre est produite.

Particules bêta

Une particule bêta est soit un électron, soit un positron. Un positron est comme un électron, mais il porte une charge positive. Des particules bêta-moins (électrons) sont émises lorsqu'un neutron se désintègre en un proton, et des particules bêta-plus (positons) sont émises lorsqu'un proton se désintègre en un neutron.

Rayons gamma

Les rayons gamma sont des photons de haute énergie. Les rayons gamma sont situés dans le spectre électromagnétique, au-delà de la lumière visible et ultraviolette. Ils ont un pouvoir de pénétration élevé et leur capacité à s'ioniser vient du fait qu'ils peuvent faire tomber des électrons d'un atome.

Le tube SMB-20, que nous utiliserons pour cette construction, est un tube courant de fabrication russe. Il a une fine peau métallique qui sert d'électrode négative, tandis qu'un fil métallique traversant le centre du tube dans le sens de la longueur sert d'électrode positive. Pour que le tube détecte une particule radioactive ou un rayon gamma, cette particule ou ce rayon doit d'abord pénétrer la fine peau métallique du tube. Les particules alpha sont généralement incapables de le faire, car elles sont généralement arrêtées par les parois du tube. D'autres tubes Geiger conçus pour détecter ces particules ont souvent une fenêtre spéciale, appelée fenêtre Alpha, qui permet à ces particules d'entrer dans le tube. La fenêtre est généralement constituée d'une très fine couche de mica, et le tube Geiger doit être très proche de la source Alpha afin de capter les particules avant qu'elles ne soient absorbées par l'air environnant. *Soupir* Donc ça suffit pour les radiations, passons à la construction de cette chose.

Étape 2: Rassemblez vos outils et matériaux

Fournitures nécessaires:

• Tube Geiger SMB-20 (disponible pour environ 20 USD sur eBay)
• Circuit élévateur CC haute tension, volé à une tapette à mouches électronique bon marché. C'est le modèle spécifique que j'ai utilisé:
• Diodes Zener avec une valeur totale combinée d'environ 400v (quatre 100v seraient l'idéal)
• Résistances avec une valeur totale combinée de 5 Megohm (j'ai utilisé cinq 1 Megohm)
• Transistor - type NPN, j'ai utilisé 2SC975
• Élément de haut-parleur piézo (dérobé à un micro-ondes ou à un jouet électronique bruyant)
• 1 pile AA
• Support de pile AA
• Interrupteur marche/arrêt (j'ai utilisé l'interrupteur momentané SPST de la tapette à mouches électronique)
• Des morceaux de fil électrique
• Morceau de bois de rebut, de plastique ou d'autre matériau non conducteur à utiliser comme substrat pour construire le circuit sur

Outils que j'ai utilisé:

• Fer à souder "crayon"
• Soudure à noyau de colophane de petit diamètre à des fins électriques
• Pistolet à colle chaude avec bâtons de colle appropriés
• Pinces coupantes
• Pince à dénuder
• Tournevis (pour démolir la tapette à mouches électronique)

Bien que ce circuit soit construit autour d'un tube SMB-20, capable de détecter les particules bêta et les rayons gamma, il peut facilement être adapté pour utiliser une variété de tubes. Vérifiez simplement la plage de tension de fonctionnement particulière et les autres spécifications de votre tube particulier et ajustez les valeurs des composants en conséquence. Les tubes plus gros sont plus sensibles que les plus petits, simplement parce qu'ils sont des cibles plus grandes pour les particules à atteindre.

Les tubes Geiger nécessitent des tensions élevées pour fonctionner, nous utilisons donc le circuit élévateur CC d'une tapette à mouches électronique pour augmenter le 1,5 volts de la batterie jusqu'à environ 600 volts (à l'origine, la tapette à mouches fonctionnait en 3 volts, produisant environ 1200v pour zapper les mouches. Faites-le fonctionner sur des tensions plus élevées et vous auriez un taser). Le SMB-20 aime être entraîné à 400V, nous utilisons donc des diodes Zener pour réguler la tension à cette valeur. J'utilise treize zeners 33V, mais d'autres combinaisons fonctionneraient tout aussi bien, comme 4 x zeners 100V, tant que le total des valeurs des zeners est égal à la tension cible, dans ce cas 400.

Les résistances sont utilisées pour limiter le courant dans le tube. Le SMB-20 aime une résistance d'anode (côté positif) d'environ 5M ohm, j'utilise donc cinq résistances de 1M ohm. N'importe quelle combinaison de résistances peut être utilisée tant que leurs valeurs totalisent environ 5M ohm.

L'élément de haut-parleur piézo et le transistor constituent la partie détecteur du circuit. L'élément de haut-parleur piézo émet des bruits de cliquetis et les longs fils vous permettent de le tenir plus près de votre oreille. J'ai eu de la chance de les sauver de choses comme les micro-ondes, les réveils et d'autres choses qui émettent des bips ennuyeux. Celui que j'ai trouvé est entouré d'un joli boîtier en plastique qui aide à amplifier le son qui en sort.

Le transistor augmente le volume des clics. Vous pouvez construire le circuit sans transistor, mais les clics générés par le circuit ne seront pas aussi forts (je veux dire à peine audibles). J'ai utilisé un transistor 2SC975 (type NPN), mais de nombreux autres transistors fonctionneraient probablement. Le 2SC975 n'était littéralement que le premier transistor que j'ai sorti de ma pile de composants récupérés.

Dans l'étape suivante, nous procéderons à un démontage de la tapette à mouches électrique. Ne vous inquiétez pas c'est facile.

Étape 3: Démonter la tapette à mouches

Les tapettes à mouches électroniques peuvent différer légèrement dans la construction, mais comme nous ne recherchons que l'électronique à l'intérieur, il suffit de la démonter et de tirer les tripes lol. La tapette dans les images ci-dessus est en fait légèrement différente de celle que j'ai intégrée au comptoir, car il semble que le fabricant ait modifié sa conception.

Commencez par retirer toutes les vis ou autres attaches visibles qui le maintiennent ensemble, en gardant un œil sur les autocollants ou des choses comme le couvercle de la batterie qui pourraient cacher des attaches supplémentaires. Si la chose ne s'ouvre toujours pas, il faudra peut-être faire levier avec un tournevis le long des coutures du corps en plastique de la tapette.

Une fois que vous l'aurez ouvert, vous devrez utiliser un coupe-fil pour couper les fils au niveau de la grille de maille du fly zapper. Deux fils noirs (parfois d'autres couleurs) proviennent du même endroit sur la carte, chacun menant à l'une des grilles extérieures. Ce sont les fils négatifs ou « terre » pour la sortie haute tension. Étant donné que ces fils proviennent du même endroit sur le circuit imprimé et que nous n'en avons besoin que d'un, coupez-en un sur le circuit imprimé, en mettant le fil de ferraille de côté pour une utilisation ultérieure.

Il devrait y avoir un fil rouge menant à la grille intérieure, et c'est la sortie haute tension positive.

Les autres fils provenant du circuit imprimé vont au boîtier de la batterie, et celui avec le ressort à l'extrémité est la connexion négative. Assez simple.

Si vous démontez la tête de la tapette, peut-être pour séparer les composants pour le recyclage, faites attention aux éventuelles arêtes vives sur le treillis métallique.

Étape 4: Construisez le circuit et utilisez-le

Une fois que vous avez vos composants, vous devrez les souder ensemble pour former le circuit montré dans le schéma. J'ai tout collé à chaud sur un morceau de plastique transparent que j'avais traîné. Cela en fait un circuit robuste et fiable, et semble également assez bon. Il y a une petite chance que vous puissiez vous donner un peu de chance de toucher des parties de ce circuit alors qu'il est sous tension, comme la connexion sur le haut-parleur piézo, mais vous pouvez simplement couvrir les connexions avec de la colle chaude s'il y a un problème.

Une fois que j'ai enfin eu tous les composants dont j'avais besoin pour construire le circuit, je l'ai assemblé en un après-midi. Selon les valeurs des composants que vous avez, vous pourriez finir par utiliser moins de composants que moi. Vous pouvez également utiliser un tube Geiger plus petit et rendre le compteur très compact. Montre-bracelet à compteur Geiger, ça vous tente ?

Maintenant, vous vous demandez peut-être pourquoi ai-je besoin d'un compteur Geiger si je n'ai rien de radioactif vers lequel le pointer ? Le compteur cliquera toutes les quelques secondes uniquement à partir du rayonnement de fond, qui est composé de rayons cosmiques et autres. Mais, il existe quelques sources de rayonnement sur lesquelles vous pouvez utiliser votre compteur:

L'américium des détecteurs de fumée

L'américium est un élément artificiel (non naturel) et est utilisé dans les détecteurs de fumée à ionisation. Ces détecteurs de fumée sont très courants et vous en avez probablement quelques-uns dans votre maison. C'est en fait assez facile à dire si vous le faites, car ils ont tous les mots contenant une substance radioactive Am 241 moulée dans le plastique. L'américium, sous forme de dioxyde d'américium, est plaqué sur un petit bouton métallique à l'intérieur, monté dans une petite enceinte connue sous le nom de chambre d'ionisation. L'américium est généralement recouvert d'une fine couche d'or ou d'un autre métal résistant à la corrosion. Vous pouvez ouvrir le détecteur de fumée et retirer le petit bouton - ce n'est généralement pas très difficile.

Pourquoi le rayonnement dans un détecteur de fumée ?

À l'intérieur de la chambre d'ionisation du détecteur, il y a deux plaques métalliques se faisant face. Attaché à l'un d'eux se trouve le bouton d'américium, qui émet un flux constant de particules alpha qui traversent une petite lame d'air et sont ensuite absorbées par l'autre plaque. L'air entre les deux plaques s'ionise et est donc quelque peu conducteur. Cela permet à un petit courant de circuler entre les plaques, et ce courant peut être détecté par les circuits du détecteur de fumée. Lorsque des particules de fumée pénètrent dans la chambre, elles absorbent les particules alpha et coupent le circuit, déclenchant l'alarme.

Oui, mais est-ce dangereux ?

Le rayonnement émis est relativement bénin, mais pour être sûr, je recommande ce qui suit:

• Gardez le bouton d'américium dans un endroit sûr, loin des enfants, de préférence dans un récipient à l'épreuve des enfants d'une sorte
• Ne touchez jamais la face du bouton sur lequel l'américium est plaqué. Si vous touchez accidentellement la face du bouton, lavez-vous les mains

Verre d'uranium

L'uranium a été utilisé, sous forme d'oxyde, comme additif au verre. La couleur la plus typique du verre à l'uranium est le vert jaunâtre pâle maladif, ce qui, dans les années 1920, a conduit au surnom de « verre de vaseline » (basé sur une ressemblance perçue avec l'apparence de la vaseline telle que formulée et vendue dans le commerce à cette époque). Vous le verrez étiqueté comme « verre de vaseline » dans les marchés aux puces et les magasins d'antiquités, et vous pouvez généralement le demander par ce nom. La quantité d'uranium dans le verre varie de traces à environ 2 % en poids, bien que certaines pièces du 20e siècle aient été fabriquées avec jusqu'à 25 % d'uranium ! La plupart des verres à l'uranium ne sont que très légèrement radioactifs, et je ne pense pas que ce soit dangereux à manipuler.

Vous pouvez confirmer la teneur en uranium du verre avec une lumière noire (lumière ultraviolette), car tout le verre d'uranium émet une fluorescence verte brillante, quelle que soit la couleur du verre sous une lumière normale (qui peut varier considérablement). Plus une pièce brille sous la lumière ultraviolette, plus elle contient d'uranium. Alors que les morceaux de verre d'uranium brillent sous la lumière ultraviolette, ils émettent également de la lumière sous toute source lumineuse contenant des ultraviolets (comme la lumière du soleil). Les longueurs d'onde ultraviolettes à haute énergie de la lumière frappent les atomes d'uranium, poussant leurs électrons à un niveau d'énergie plus élevé. Lorsque les atomes d'uranium retrouvent leur niveau d'énergie normal, ils émettent de la lumière dans le spectre visible.

Pourquoi l'uranium ?

La découverte et l'isolement du radium dans le minerai d'uranium (pitchblende) par Marie Curie a déclenché le développement de l'extraction d'uranium pour extraire le radium, qui a été utilisé pour fabriquer des peintures phosphorescentes pour les cadrans d'horloges et d'avions. Cela a laissé une quantité prodigieuse d'uranium comme déchet, puisqu'il faut trois tonnes d'uranium pour extraire un gramme de radium.

Manteaux de lanterne de camping en thorium

Le thorium est utilisé dans les manteaux de lanterne de camping, sous forme de dioxyde de thorium. Lorsqu'il est chauffé pour la première fois, la partie en polyester du manteau brûle, tandis que le dioxyde de thorium (ainsi que d'autres ingrédients) conserve la forme du manteau mais devient une sorte de céramique qui brille lorsqu'il est chauffé. Le thorium n'est plus utilisé pour cette application, étant abandonné par la plupart des entreprises au milieu des années 90, et a été remplacé par d'autres éléments qui ne sont pas radioactifs. Le thorium a été utilisé parce qu'il rend les manteaux qui brillent très intensément, et cette luminosité n'est pas tout à fait égalée par les nouveaux manteaux non radioactifs. Comment savoir si votre manteau est vraiment radioactif ? C'est là qu'intervient le compteur Geiger. Les manteaux que j'ai rencontrés rendent le compteur Geiger fou, bien plus que les boutons en verre d'uranium ou en américium. Ce n'est pas tant que le thorium est plus radioactif que l'uranium ou l'américium, mais il y a beaucoup plus de matières radioactives dans un manteau de lanterne que dans ces autres sources. C'est pourquoi il est vraiment étrange de rencontrer autant de radiations dans un produit de consommation. Les mêmes précautions de sécurité qui s'appliquent aux boutons en américium s'appliquent également aux manteaux de lanterne.

Merci d'avoir lu, tout le monde ! Si vous aimez cette instructable, je le participe au concours « Construire un outil » et j'apprécierais vraiment votre vote ! J'aimerais également avoir de vos nouvelles si vous avez des commentaires ou des questions (ou même des conseils/suggestions/critiques constructives), alors n'ayez pas peur de les laisser ci-dessous.

Un merci spécial à mon ami Lucca Rodriguez pour avoir fait le beau schéma de circuit pour cette instructable.