Raspberry Piガイガーカウンター構築 - オープンハードウェア放射線センサーチュートリアル

目次

• マニフェスト
• ボード
• ガイガー管
• 放射線の種類
• サポートされるガイガー管
• テストソース
• アクチュエーター
• CPMからシーベルトへ
• ソースコード
• 回路図
• 参加
• 購入
• リンクとドキュメント

注: このチュートリアルのすべてのコード例は、arduPiライブラリを使用します。リポジトリからドキュメントを閲覧し、ライブラリをダウンロードできます。

マニフェスト

Raspberry Pi用放射線センサーボードの目的は、2011年3月の福島原発事故以降、日本の個人、そして世界中のどこでも、環境放射線レベルを独立して測定できるようにすることです。手頃でユーザーフレンドリーなRaspberry Piとオープンハードウェアセンサーボードを組み合わせることで、ユーザーは外部の勧告にのみ頼るのではなく、特定の場所からリアルタイムの読み取り値を取得できます。最初のバッチは、東京ハッカースペースや他のローカルグループに無料で出荷され、コミュニティの取り組みを支援しました。

ボードのハードウェア設計とファームウェアの両方がGPLでリリースされており、オープンソース原則と科学的透明性へのコミットメントを反映しています。

— Libeliumチーム、2011年4月

ボード

ボードは2つの機能セクションに分かれています：ガイガー・ミュラー管用の高電圧電源（400-1000V）と、管の電気パルスをマイクロコントローラーに適した形式に変換する信号調整回路。

電源投入後、管は検出された電離イベントごとに短い電流パルスを放出します。マイクロコントローラーがこれらのパルスをカウントし、10秒間カウントして6を掛けると、分あたりカウント（CPM）が得られます。管のデータシートによると、CPMを変換係数（標準管で360）で割ると、マイクロシーベルト毎時（µSv/h）の線量率が得られます。

特定の管によっては、変換係数の調整が必要な場合があります。異なる値をテストし、最も正確な結果をもたらすキャリブレーションを報告してください。

ボードの電子回路は5つのコンポーネントに分解できます：

1. 高電圧電源

   このモジュールは、ダイオード、トランジスタ、抵抗、コンデンサで構成される発振器駆動電圧倍増回路を使用します（回路図参照）。管用に500Vを生成し、より高い電圧が必要な場合は直列にツェナーダイオードをオプションで追加可能。

2. 出力適応回路

   NPNトランジスタがガイガー管パルスをクリーンなロジック信号に変換し、マイクロコントローラー割り込みをトリガー。同じトランジスタがピエゾスピーカーとLEDインジケーターも駆動し、聴覚的・視覚的フィードバックを提供。

3. ピエゾスピーカーとLEDインジケーター

   これらは適応回路に接続され、検出パルスごとにLEDが点滅し、スピーカーがクリック音を発生。

4. LCD画面

   16×2 LCDは、4ビット並列バス（RS、EN、RW、4データライン）でインターフェースされます。リアルタイムCPMと線量率を表示。

5. LEDバー

   5つのLED（緑3、赤2）のバーが放射線強度のクイック視覚ゲージを提供。各LEDは直列抵抗を介してデジタルピンから駆動。

放射線ボードをRaspberry Piに接続

ボードは標準Arduinoシールドインターフェースを通じてRaspberry Piに接続します。電源はPiの5Vピンから供給され、パルスカウントはPiのGPIOピン2で行われ、割り込み入力として設定されます。

ガイガー管

ガイガー・ミュラー管は、低圧（≈0.1気圧）の不活性ガス（一般的にネオン）を含み、薄い有機またはハロゲン蒸気を伴います。管のカソードは金属壁、アノードは中心を走る細いワイヤーです。これらの電極間に高電位（~500V）が印加され、強い電場が生成されます。

電離放射線が管に入ると、ガスを電離し、自由電子と正イオンを生成。電子はアノードに向かって加速され、さらなる電離の雪崩を引き起こします。このカスケードが短い高電流パルスを生成し、出力回路で検出されます。

放射線の種類

• アルファ

  アルファ粒子（ヘリウム核、+2電荷）は密度が高く、数ミリの空気や紙一枚以上を貫通できません。外部リスクは最小ですが、摂取すると組織を内部から損傷するため危険です。多くのガイガーカウンターは薄いマイカ窓を通じてのみアルファ放射線を検出します。

• ベータ

  ベータ粒子（電子、-1電荷）はより軽く、数ミリのアルミニウムを貫通します。摂取時は危険で、管の壁厚と窓の有無に依存して多くのガイガー管で検出されます。

• ガンマ

  ガンマ線は、実質的にあらゆる物質を貫通する高エネルギー光子です。鉛のような高原子量物質でのみ効果的に遮蔽可能。ガンマ放射線は宇宙源に普遍的に存在し、ほぼすべてのガイガーカウンターで検出されます。

追加の技術的詳細については、ガイガーカウンター - Raspberry Pi用放射線センサーボードチュートリアルを参照してください。

リンクとドキュメント

• GitHubのarduPiライブラリ - ソースコードとドキュメント
• ボード回路図PDF - 詳細な電気図面
• プロジェクトREADME - インストール手順とキャリブレーションヒント