因为一些小道消息,NeoAtlantis从日本311地震之后又对放射性的探测产生了兴趣。 于是决定制作一个盖革计数器。

盖革计数器成品

首先需要一个盖革计数管。在淘宝上搜索的结果是,找到了一种J308的管子,现在售价130元。貌似涨价了,应该是受311地震的影响。

盖革计数管简单说结构是一根同心接近真空圆管,内部充有气体用来熄灭放电。中心轴线上有一个电极,管壁是玻璃+导电的涂料或者就是金属。管壁很薄,以便进入射线。所以要注意轻拿轻放,避免破碎。J308的外壁是黑色的,所以无法目测看到哪个电极是阳极哪个是阴极。但是观察两个电极附近,会发现有一个极附近的管壁上有突起的线埋在玻璃内。这一极就是管壁一极,即阴极。另一极是阳极。

盖革计数管的工作电压需要300-400V,J308需要的工作电压是400V,但是电流很小(估测是微安级别)。这么高的电压有很多产生方法。例如果壳上的例子使用了电蚊拍的升压电路。我使用的是照相机闪光灯升压模块,当输入5V时输出正好500V。

为了引出盖革计数管在放电(探测到粒子时的反应)时电流的波动,在盖革计数管上串联一个采样电阻。然后将盖革计数管和采样电阻串联后,并联4个100V的稳压管。注意稳压管是利用反向击穿之后的伏安特性稳压的,因此稳压管外壳上标记银灰色圈的一边,或者说是阴极一边,朝向盖革计数管的阳极。

注意到在上述描述中,严格说盖革管两端的电压要减去采样电阻上的分压。但是实验中,将采样电阻选取为10kΩ时,在盖革管无放电时电阻上的分压仍然极小,似乎接近0. 但在有放电时,这一瞬间的电压变化是很显著的。

将采样电阻和盖革管串联的位置引出信号。这一信号先经过一个1000pF的隔离电容,然后接入三极管9013的基极(B)。盖革管上高压的阴极、供电电源的负极共同接地。三极管9013的发射极(E)也接地。

这样,当隔离电容上有传来电流时,9013导通。在9013的集电极(C)上连接一个1kΩ的电阻然后接到5V电源上,则导通时9013的集电极上电势接近为0, 但不导通时则接近5V。

这一信号输入到施密特触发器中(可用NE555搭接),可得到一个较规整的数字信号。

用示波器观察这一输出脉冲,可注意到,脉冲长度在几十微秒(这里是40微秒左右)的量级。这一脉冲可以用来输入到数字信号的计数器,例如CD4040或者CD4033进行计数或者显示。图中展示的计数器是用CD4033制作的(CD4033当前售价不算便宜,在中关村至少要2.5元一片,网上不知道)。

NE555的输出信号直接给CD4033即可。这样短的脉冲也是能计数的。

关于制作计数显示器的经验教训:1. 买合适的插接件,例如一种排插,焊在电路板上。数码管和计数芯片都应当可拆卸,因为数码管可能买到次品,焊接时芯片也容易损坏,所以不要一下子焊死。2. CD4033除了驱动数码管的7段输出、清零RESET、CARRY进位、CLOCK计数脉冲之外,还有个用于控制数值为0时是否消隐的RBI(旁边有个RBO引脚,我没用到)。RBI为0则数值为0时无显示,1为有显示。但是这和计数芯片的数位无关,如果在低位上也这么设置就会出现1000显示为1空空空的结果。RBO也许是解决这个问题的?我没用到,因为发现这个问题后所有的RBI我都给成1了。

最后还提醒下不该提醒的问题:注意机箱的设计!要考虑固定的元件(铜柱之类)和插接件都插好之后的尺寸!我因为设计问题出现各种干涉,最后不得不在电路板上去掉部分。另外固定电路板同时还对准既有的开口是件挺精密的事情,我本来设计让数码管镶嵌在盖子里的——现在只能让数码管在开口后面显示了。过两天再考虑怎么把开口用有机玻璃之类的封上好了。