来做一个有点啸危险的盖革计数器（Geiger Counter）

专业版来做一个有点啸危险的盖革计数器（Geiger Counter）

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简介：参考了很多开源项目的版本，含软件和硬件开源

开源协议: MIT License

创建时间： 2023-09-03 14:03:58

更新时间： 2023-09-30 14:02:55

描述

盖革管核心工作原理

盖革计数器是用来专门探测电离辐射强度的计数仪器，目前仍然广泛地应用于核物理学和粒子物理学试验中。从1928年计数器的雏形出现至今，并且有了许多的改进，灵敏度也大幅提高，但是，其工作原理没有改变。

盖格管由一根金属丝，两边的电极和玻璃外壳构成，金属丝视为正极，玻璃外壳外层涂抹着的金属镀膜视为负极，玻璃管内部还充满了惰性气体，比如氦、氖、氩等。再工作时，正极接入较高的电压，且这个电压值需要略低于内部惰性气体的击穿电压。这样在一般情况下，管内气体不会放电，但是当金属管内有高速有射线粒子射入时，高速粒子可以让管内低压气体产生电离反应，让气体被击穿，并且发生快速的放电和输出脉冲电流信号。检测脉冲信号的计数，在把它于屏幕数值显示、蜂鸣器等功能结合，就可以直观的反映出射线粒子的计量，即辐射的强度了。

电路设计

盖革管的正常工作电压一般在400V左右，一般的外接电源和电池都是无法提供的。所以实现盖革计数器的核心就是设计合理、低功耗的升压电路。原理主要会用到拥有来拒去留属性的电感，配合特定占空比的PWM充放电信号，不断为电容进行充电，从而实现电容电压不断升高的效果。产生PWM信号的方法也有很多，可以用专门的PWM芯片，或者NE555这样的定时器，也可以直接交给ESP32这样的MCU实现。

我们选择尝试直接用MCU产生PWM的方案。

（使用PWM Capable pin 来进行PWM信号传输即可）

整体电路包括的模块如下：

1、升压电路

2、脉冲检测及整形

3、mcu及按键控制

4、外接电源及充电电路

5、屏幕及I2S电路

1、升压电路

由于我们所选用的N MOS管IRFP450的导通电压为4V，而我们MCU模块的IO电压是3.3V，所以需要把MCU产生的PWM信号放大到足够的电压才能推动MOS管完全导通。最终我们选择了EG3001作为这个驱动芯片，在VCC为5V的时候，电路就可以正常地升压了。选择MOS管时，请尽量选择耐压能力较强的型号。

2、脉冲检测

当高速射线粒子射入盖革管时，高速粒子可以让管内低压气体产生电离反应，让气体被击穿，并且发生快速的放电和输出脉冲电流信号。检测脉冲信号的计数即cpm，在把脉冲监测计数经过计算/调整，并显示在屏幕上、或结合蜂鸣器等功能，就可以直观的反映出射线粒子的计量，即辐射的强度了。在这里我们使用IO14口作为脉冲信号监测口。

3、MCU及显示

我们设计了一个可插接的mcu模块，在模块上预留了编码器、按键、I2S和屏幕，这样它既可以用来插在盖革计数器的板子上，也可以插在其他模块上，并且支持采用其他MCU方案比如STM32/CM32进行开发和尝试。同时由于板子预留了I2S电路来替代蜂鸣器，因此在声音提醒方面，它可以支持播放各种声音。

通过调整编码器，可以看到不同占空比下的电压情况，以及盖革管的击穿次数。我们目前的pwn频率设置的是7KHz，将pwm占空比75%->50%后，电压下降到250v，低于了盖革管最低工作电压，CPM数值也就直接降为了0。在实际使用时，由于7Khz这个频率是可以被人耳听到的，所以你会听到细微的嗡嗡声，不想听到它的时候，可以采取的解决方法是更换电感和电容，重新找到一个合适的pwm频率。

盖革计数器击穿次数CPM与辐射剂量uSv之间的换算关系

软件源码主要有3个部分构成：

1、PWM初始化、输出和电压测量。

2、脉冲计数与计算。

3、数值显示。

主要需要学习了解的是第二部分--脉冲计数与计算。

从盖革管的原理中可以知道，盖革管检测到电离辐射粒子的存在后，内部惰性气体会被击穿，从而产生脉冲信号，也是它的击穿次数。盖革计数器的基础计数参数就是每分钟的击穿次数，也就是CPM。粒子越多，CPM也越高，代表的辐射剂量也越大。但我们在各种新闻报道、专业文献或知识科普中，所看到的计量单位一般是类似uSv/h这样的辐射剂量单位。所以软件实现的核心问题，是如何将CPM一个计数数值，转换成我们更熟悉的辐射剂量数据。

事实上，每种盖革管在出厂的时候上都会提供一个换算系数，这个换算系数就是用来将CPM转换为辐射剂量用的。换算系数一般是在实验室中通过Co-60或Cs-137等来进行校准，这个换算系数的值通常来说是一个近似数值，不同的实验室条件、放射性同位素的使用，都会影响最终的结果。

例如我们这次使用的J321/M4011的转换系数是153.8 CPM = 1uSv/h。如果我们没有查到某个管子的转换系数，那么推荐使用管子的本底CPM值，除以原产地的本底辐射剂量。例如我国平均辐射强度中间值约为0.15uSv/h，而选用管子的原产地就是国内，本底值是20，那么换算一下，最终的大约的CPM就是151，即151 CPM = 1uSv/h。（x= 1/0.15 * 20=151）。更详细地辐射相关知识我们也可以通过国家核安全局的官方网站获取。

软件源码获取：

链接：https://pan.baidu.com/s/1O0tMuas3zKmRBC1w5OWfMg?pwd=mokm

软件编程工具推荐使用：Visual Studio Code

编译通过后，需将程序烧录至MCU模块板，烧录口位置：