Patent (1979): Alarmowy Rentgenoradiometr o znikomym poborze mocy z mozliwoscia pomiarowa

 Patent (1979): Alarmowy Rentgenoradiometr o znikomym poborze mocy z mozliwoscia  pomiarowa

 Histeria rozpętana wokół awarii jądrowej elektrowni TMI, Three Mile Island, w USA nie służy rozwojowi światowej energetyki jądrowej. Mimo iż doszło tam do najgorszego możliwego rozwoju sytuacji czyli częściowego stopienia rdzenia reaktora jądrowego, obyło się bez ofiar ale wieloletnie koszty usunięcia skutków katastrofy będą ogromne.
Paliwa do pieca paniki dorzucało lobby ropy naftowej, gazu ziemnego i węgla. Wydaje się że niepotrzebnie też tak dużo uwagi poświęcono temu zdarzeniu w Polsce i krajach socjalistycznych.
Wytwarzanie energii elektrycznej z paliw kopalnych jest najgorszym środowiskowo procesem jaki w wielkiej skali zastosował człowiek. Do atmosfery wyrzucana jest połowa tablicy Mendelejewa a w tym aktynowce ! Elektrownie jądrowe  nawet biorąc pod uwagę konieczność długotrwałego przechowywania odpadów radioaktywnych i wypadki jak TMI, są na tym tle sterylnie czyste i nieszkodliwe.

Polska energetyka bazuje na bardzo drogo głębinowo wydobywanym węglu kamiennym co ma mocny, negatywny wpływ na całą gospodarkę. O tym że w części kopalń wydobycie jest nierentowne wiadomo od końca lat sześćdziesiątych a sytuacja w tej mierze pogarsza się cały czas. Decyzja partii i rządu o budowie w Polsce elektrowni jądrowych jest głęboko słuszna.

Rentgenoradiometry stosuje się w zakładach nuklearnych, różnych laboratoriach oraz w wojsku.  
Autor proponuje do budowy systemu zaufania przenośne / (bezpiecznie) mocowane Alarmowe Rentgenoradiometry o znikomym poborze mocy z możliwością pomiarową. Urządzenia takie winny w „pobliżu” elektrowni jądrowej być umieszczone na ruchliwych dworcach kolejowych, dużych szkołach itp.  Dla niedowiarków demonstrowana  próbka „radioaktywności medycznej” do zbliżenia i inny przyrząd oraz zmieniająca się częstość trzasków od promieniowania tła przy zmianie miejsca.
Awaria elektrowni jądrowej może się przerodzić w upadek całego systemu energetycznego i urządzenie musi mieć zasilanie bateryjne co czyni go też przenośnym.

W rentgenoradiometrach stosuje się  liczniki Geigera Millera.  Rentgenoradiometr może mieć kilka przełączanych lamp GM. W dużym wyborze do różnych zastosowań lampy GM produkowane są w całym cywilizowanym świecie. Przy masowej produkcji są tanie.
Przy wzroście napięcia zasilania lampy GM szybko rośnie jej czułość  by następnie w zakresie Plateau  typowo rozpoczynającym się  przy napięciu 400 V a kończącym na 600 V ( czyli zalecane z zasilacza napięcie pracy jest circa 500 Vdc )  rosnąc bardzo powoli. Powyżej napięcia plateau   znów czułość szybko rośnie. Użyteczny jest zakres  Plateau i trochę niższe napięcia. Trwałość typowej lampy GM wynosi 10e10 impulsów a więc nie jest ona wieczna.
Dla egzotycznych lamp GM napięcie pracy może wynosi 900 V a nawet 1500 V. Zasilacz HV może mieć dużą oporność wewnętrzną bo przecież włączona jest ona w szereg z opornością anodową.
Lampa GM może być też zasilana ujemnym napięciem HV od strony katody jak w mierniku DP-66.
Dodatnie napięcie zasilania do lampy GM jest do anody podane rezystorem ( typowo 4.7 Mohm ) ograniczającym pobór prądu. Wraz z pojemnością rozproszenia w tym miejscu < 1 pF wyznacza ona czas martwy ( typowo 100 usec ) czyli też maksymalną częstotliwość generowanych przez napromieniowaną lampę impulsów. Ładunek jednego impulsu wynosi 50-200 pC.
Częściowo ekranowana od promieniowania tła lampa GM daje około 10 impulsów na minutę.

 Pierwszą  analizę generatora samodławnego przedstawiono w Linvill J.G, Matson R.N.: Junction transistor blocking generator. Proc. IRE, Nov 1955,  Vol43, No 11.  Literatura jest też dostępna  w języku polskim i rosyjskim.
Generatora samodławny był bardzo popularny w odbiornikach TV w układach odchylania pionowego (USA 1957 ale ZSRR także obecnie ) a w wersji zmodyfikowanej i układach odchylania poziomego ale obecnie jest schyłkowy jako że stosuje się realizacje scaloną funkcji w TV i TVC a poza tym transformatorek jest stosunkowo drogi przy innych elementach.  Używany był też w przyrządach pomiarowych. Maksymalna częstotliwość generacji nie przekraczała 1 MHz. Minimalną częstotliwość generacji ( współcześnie prądy upływu tranzystorów są bardzo małe i nie one wyznaczają granicę ) wyznacza głównie wzmocnienie tranzystora przy małych (<<1 uA) prądach bazy. Może być ona bardzo mała.
Antyrównoległa do uzwojenia pierwotnego dioda zapobiega generacji serii impulsów. Z reguły w  bazie tranzystora T daje się daje szeregowy rezystor z kilku powodów.
 
 Na schemacie pokazano proponowany rentgenoradiometr. Przetwornica jest zmodyfikowanym generatorem samodławnym z tranzystorem BC337-40 ( jest odpowiedni )  bez diody D ale z prostownikiem HV za uzwojeniem wtórnym.
Radiometr.png
Dioda Zenera DZ równoległa do C-E tranzystora słabo (ale jednak ) stabilizuje wysokie napięcie ale także skraca niepożądane serie gasnących załączeń które optymalnie winno być jedno. Dobrany rezystor R ( o dużej wartości ) odpowiada za dostarczaną spoczynkowo przez tą przetwornice mikro moc. Połączono w szereg kilka szybkich diod prostownika HV aby uzyskać bardzo mały,  prąd upływu. Dobrze sprawują się tu diody BAV21 a znacznie gorzej BA159. Diody BAV21 mogą być połowicznie niby diodą Zenera bardzo małej mocy na wysokie napięcie.  
Wyjście z katody  lampy GM podano do bazy tranzystora T2 o wysokim wzmocnieniu grupy C ( najlepiej >600 ) który  steruje  impulsem dwójnikiem RC tranzystor T3 typu BC328-40 o Ic=800 mA z uwagi na wymagane duże wzmocnienie przy większym prądzie  a poprzez rezystor tranzystor T4, który  podaje prąd kontrolny do kondensatora przetworniczki.
Gdy wymagana jest większa moc akustyczna wyjściowa należy, dodać w komplementarnym Darlingtonie kolejny tranzystor NPN na większy prąd i zastosować odpowiednio duże napięcie zasilania. Kondensator równoległy do głośniczka ogranicza przepięcie powodowane jego indukcyjnością. Prawie każdemu impulsowi z lampy GM odpowiada załączenie tranzystora  przetworniczki T1, zmagazynowanie energii w rdzeniu transformatorka i przepompowanie jej do obwodu HV. Elementy tak dobrano ze napięcie jest względnie stabilne ale przy dużym obciążeniu winno spadać ze względu na specyfikę lampy GM.
Ponad pobór jałowy jest on proporcjonalny do ilości zliczeń lampą GM.  Dołączony równolegle do miniaturowego głośniczka poprzez rezystor (może mieć przełączaną wartość dla zakresów ) miernik magnetoelektryczny wychyla się tym mocniej im większe jest natężenie promieniowania.
Nie dysponując silnym ( niebezpiecznym !) źródłem promieniowania impulsy na bazę tranzystora T2 podajemy kondensatorkiem ( z szeregowym rezystorem ) z regulowane generatora sygnału  prostokątnego. Materiał promieniotwórczy jest stosowany w czujkach pożarowo -  dymowych ale próba wypożyczenia takowej się nie powiodła.  

Układ jest bardzo elastyczny projektowo. Kieszonkowy rentgenoradiometr może być zasilany napięciem już od 3V ( taki wykonano ) a być może nawet 1.5 V ale próba zakończyła się niepowodzeniem.
Przy zasilaniu większym napięciem z potrójnym Darlingtonem NPN+PNP+NPN można dołączyć głośnik tubowy mocy > 5W uzyskując potężne trzaski ( przy Alarmowym poziomie przechodzące w ryk i pisk  ) i dodatkowo przekaźnik który zwartymi stykami daje Alarm.

Temat dużej rezystancji wyjściowej zasilaczy HV znany jest z analiz telewizyjnych układów odchylania poziomego H-Out i nie ma potrzeby powtarzania informacji. Negatywną role odgrywają tu rezonanse wtórnego uzwojenia HV.

Działanie układu sprawdzono promieniowaniem tła. Ono silnie zależy od  miejsca ! Człowiek jest przystosowany do tolerowania słabego promieniowania tła. Sprawdzono też słabym promieniowaniem rentgenowskim X emitowanym przez TVC Rubin. W tym wypadku podniesiono ( tylko na chwilę ) napięcie HV dla lampy GM aby zwiększyć jej czułość. Odbiornik TV tylko ledwie uchwytną odrobinę zwiększa poziom promieniowania  tła.
W pracach wykorzystano złomowy rentgenoradiometr DP-66, który bez oświetlenia pobiera ca 30 mA prądu z baterii.
Do zgrubnego pomiaru HV można zastosować sondę 30 KV stosowaną do kontroli odbiorników TVC o oporności 1 GOhm ale z odpowiednim miernikiem !
 
Do celów pomiarowych napięcie HV jest lepiej stabilizowane ale też obniżone przy bardzo dużym promieniowaniu. Układ stabilizacji jest prosty ale niestety sporo wzrasta spoczynkowy pobór mocy.  

Najważniejszą cechą systemu jest bardzo mały pobór mocy ( na czym skupiono wysiłki ) dający bardzo duża trwałość odpowiedniej baterii. Priorytetem jest Alarm a nie dokładny pomiar natężenie promieniowania.
Pobór prądu silnie wzrośnie przy dużym promieniowaniu ( oby nie ) i bateria oczywiście zostanie rozładowana tylko że wytrzymałość człowieka na promieniowanie jest mniejsza niż pojemność baterii.
Do dokładnych celów pomiarowych można dać do procesowania impulsów z lampy GM ogólnie znane, dokładniejsze  układy z radiometrów. W tym nie ma elementu innowacji.
Oczywiście można takowy wykonać w technice mikromocowej ale nie leży to w nurcie tematu.
Układy mikromocowe zasilane z baterii mają doskonałą przyszłość.

W wojnie jądrowej nie na zwycięzców więc zastosowanie wojenne dla Obrony Cywilnej pomijamy.