Let’s build a Geiger counter ! (part 1)

Sous ce titre volontairement aguicheur et provocateur, je vais m’empresser de rassurer tout le monde : oui nous allons construire un compteur Geiger et non l’article ne sera pas écrit en Anglais ! Et puis quand j’y repense, j’aurais peut être du appeler ça “construisons une alimentation à découpage” mais tout de suite ça avait l’air un peu barbant.

Ceci fait, regardons de plus près ce en quoi consiste un compteur Geiger : c’est tout simplement un tube contenant un gaz inerte qui va conduire le courant pendant un bref instant lors de la réception de rayonnements ionisants (X, beta, gamma etc …). Pour faire simple on va pouvoir mesurer la radioactivité ! Du coup on pourra aussi vérifier en cas d’accident où s’arrête le nuage, vu que de toute façon il ne peut pas y avoir d’accident chez nous puisque EDF et AREVA veillent au grain et que ça risque surtout d’arriver en Allemagne (c’est gratuit oui, mais c’est parce qu’ils gèrent pas qu’ils veulent arrêter le nucléaire, mais ça personne ne le dit).

De tels tubes en se trouvent dans toutes les bonnes crèmeries, de préférence de l’autre côté de l’ancien rideau de fer. Le mieux est de demander à eBay de nous trouver un tube SBM-20 (СБМ-20 dans la langue originale) On peut trouver des tubes plus jolis en verre et qui tiennent dans la poche, mais d’après ce que j’ai pu lire ici et là, il semblerait que le SBM-20 soit le meilleur compromis en terme de détectivité (et surtout pour s’amuser en mesurant le fond de radioactivité naturelle). Cependant s’il s’agit, après l’apocalypse, de savoir où il est préférable de tenter de survivre, il serait plus pertinent de prendre un tube ayant une plus faible détectivité et qui saturera moins vite qu’un tube très sensible. Oui parce qu’un tube saturé donnera une mesure vraiment aberrantes. Et pour savoir comment survivre après l’apocalypse en parlant aux centrales nucléaires je conseille aussi ce bouquin mais je ne suis pas critique littéraire donc je n’en parlerais pas plus en détail.

Tube Geiger SBM-20 que l’on va mettre en pratique par la suite

Et voilà on a reçu notre tube après quelques jours de patience. Mais ceci est loin d’être suffisant, j’ai dit qu’il fallait mesurer un courant électrique. Et vu qu’il faut ioniser un gaz à faible pression, il faut un truc pas trop mou. En somme une pile 9v c’est mort, même deux batteries de voitures ça suffira pas, et pas question de brancher ça sur la prise secteur, je crois que ça ferait désordre et puis c’est pas du courant direct. Comme on le voit sur la datasheet originale :

Datasheet orignale du SBM-20, source : http://www.gstube.com/data/2398/
Datasheet originale du SBM-20, source : http://www.gstube.com/data/2398/

On va donc voir comment fabriquer une alimentation DC à 400 V alimentée par quatre piles 1.5 V. Ça semble très présomptueux mais ça ne l’est pas tant que ça ! Cependant ça pose une bonne question : alors qu’il semble assez simple d’élever la tension d’une source alternative, comment faire pour du DC ? C’est donc l’occasion de présenter l’alimentation DC-DC boost à ceux qui ne connaitraient pas la réponse. Je vous donne le schéma de principe de la dite alimentation ci-dessous :

Schéma de principe d'une alimentation DC-DC boost
Schéma de principe d’une alimentation DC-DC boost

douterait du contraire

Un source de tension continue, une diode, une bobine, un transistor et un condensateur. Je ferme le circuit avec le transistor, le courant circule dans la bobine, tout va bien. Puis si j’ouvre (brutalement) le circuit, la bobine va s’opposer à cela : le courant à ses borne devant décroitre, il va se créer une différence de potentiel à ses bornes ; différence de potentiel qui va permettre de faire circuler un courant à travers la diode désormais passante pour charger le condensateur. On répète l’opération autant de fois que possible jusqu’à obtenir la bonne tension aux bornes du condensateur et c’est fini. Au fond c’est un peu comme une pompe à vélo, sauf que c’est un condensateur qu’on remplit et c’est une diode qui sert d’anti-retour.

Vu que même avec beaucoup d’entrainement on ira jamais assez vite pour faire cette opération à la main autant utiliser un circuit spécialisé pour commander le transistor : ici on utilisera un MC 34063A très beau composant fabriqué par Motorola :

Voilà à quoi ressemble le MC 34063A que nous allons utiliser.

Voilà à quoi ressemble le MC 34063A que nous allons utiliser.

Il est assez simple à partir de ce composant de fabriquer un convertisseur élévateur en tension continue :Schéma de base d'une alimentation à base de MC34063A

Schéma de base d’une alimentation à base de MC34063A

Le composant possède un oscillateur interne (qui a besoin d’un condensateur C1) et son transistor intégré sera alternativement commuté pour remplir le condensateur. Ici le composant dispose d’une boucle de rétroaction (c’est le sens de la broche V_Sense) qui désactivera la commutation et donc le remplissage du condensateur quand la tension voulue sera atteinte. Il faut que la tension sur la borne de rétroaction soit de 1.25 V pour la tension voulue, on utilisera donc un diviseur de tension comme représenté sur le schéma ci-dessus (ici adapté pour une tension de 400 V).

Le problème c’est (comme lu sur la datasheet) que le courant qui peut traverser le composant n’est que de 100mA, ce qui est peu, on se servira donc de celui-ci pour commander un transistor MOS à canal N bien dimensionné (ici un IRF820 qui peut switcher 2.5 A à 500V, bien assez pour nous) pour faire passer plein de courant (de toute façon j’entends souvent dire autour de moi qu’il faut utiliser des MOS). Puisque la sortie du composant est un l’émetteur d’un transistor bipolaire, on ne peut que faire sortir du courant, on utilisera donc deux autres transistors bipolaire pour commander la grille du MOS (qui, puisqu’il a un gros canal aura une capacité de grille non négligeable, il faut donc bien ça) :

Schéma final de l'alimentation utilisant un transistor MOS pour la commutation
Schéma final de l’alimentation utilisant un transistor MOS pour la commutation

On utilisera aussi une classique diode 4007 qui permettra de faire passer assez de courant pour notre application. On utilisera un condensateur à faible résistance interne (céramique) et à forte tension limite (ici 1kV) de 10nF de capacité (pas très gros mais ça suffit). Pour l’oscillateur interne, on prendre un condensateur de 1nF, pour une fréquence cible de 30 kHz, et avec ceci une bobine 220µH. Avec un petit calcul de coin de table, on peut montrer que le courant maximal dans la bobine sera de 0.9 A, ce qui est raisonnable. On pourra ainsi fournir quelques milliampères à 400 V avec une telle configuration.

Montage compteur geiger complet, avec voltmètre et sonde de l'oscilloscope en sortie
Montage compteur Geiger complet, avec voltmètre et sonde de l’oscilloscope en sortie.

On arrive bien à produire une tension continue de 400V, et on vérifie sur l’oscilloscope l’entrée de la boucle de rétroaction : on a bien une tension moyenne de 1.25 v mais parfois des petits overshoot liés à la commutation…. rien de grave ici. Ce qui veut dire qu’on peut maintenant brancher le tube geiger sur l’alimentation avec en série une résistance de 5 MOhm sur la cathode. On ajoute un petit circuit RC pour former une belle impulsion à chaque évènement de conduction, un transistor pour référencer tout ça par rapport à la source de tension de 5v et finalement on filtre la sortie avec un filtre passe bas pour éliminer ce qu’il pourrait rester de l’oscillateur du régulateur de tension, comme tout ceci est représenté ci après :

Schéma de raccordement du tube Geiger pour la mise en forme de l'impulsion
Schéma de raccordement du tube Geiger pour la mise en forme de l’impulsion

 

On peut donc mesurer à l’oscilloscope la sortie du filtre passe bas (aux bornes du condensateur) : et là on observe un passage par zéro pendant 200 µs, correspondant à la détection d’une désintégration (sans doute une particule bêta, il y a beaucoup de gros bêta qui trainent ces derniers temps (!)), Le fond radioactif naturel étant autour de la dizaine de désintégration par minute, ceci n’est pas absurde et valide la réalisation effectuée ici :

Détection d'une désintégration
Détection d’une désintégration en live !

Voilà pour le moment, les cartes sont parties à la fabrication et quand elle seront arrivées on pourra fabriquer effectivement notre compteur Geiger. On s’intéressera après (partie 2) à la fabrication d’une jolie boite et à l’intégration de ceci avec un chevino ….

Mais en attendant, on peut s’amuser en modifiant cette alimentation 400V pour une alimentation 120 V. Quel intérêt me direz vous ? On pouvoir alimenter des … tubes Nixie ! Comme le fameux IN-13 présenté ci-après :

Le tube IN-13 qui prend la pose à côté du SBM-20 !
Le tube IN-13 qui prend la pose à côté du SBM-20 !

On voit dans la datasheet originale qu’il faut une tension de 120V, branchée sur l’anode (repérée par la peinture blanche), la cathode étant relié à la masse avec une résistance de 2.2k pour limiter le courant. On ajoute tout ça au montage en enlevant la partie liée à la mise en forme des impulsions pour le compteur Geiger, on modifie le diviseur de tension pour qu’une tension de 120 V soit générée en sortie, et le condensateur de sortie pour un modèle (beaucoup) plus gros. On met ici un 2.2µF électrochimique :

nixiealim
Montage d’une alimentation pour tube Nixie. On voit que certains composants ont changé !

L’écran étant ici trop lumineux, on ne voit pas bien la tension mesurée , mais tout va bien, on obtient bien 120 V en sortie :

120 V sur l'alimentation
Environ 120 V sur l’alimentation

On alimente donc le tube Nixie avec et là c’est tout joli :

nixieglowing
Alimentation d’un bargraphe Nixie IN13 sous 120 V

Ainsi, voilà comment dimensionner une alimentation haute tension à découpage, qui en prime peut servir à plusieurs projets (ce qui vaut le coup de faire fabriquer une dizaine de carte). Les sources de la carte seront bientôt disponible sur github (sous la forme du projet KiCad).

Bon dimanche !

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paul_f4hed

Bricoleur du samedi matin, programmeur du dimanche.