Il contatore Geiger HADARP

Matteo Negri, l’utente AstroTeo di ForumAstronautico.it, ha realizzato HADARP, un contatore Geiger che volerà su StratoSpera. In questo guest post Matteo racconta come lo ha progettato, costruito e testato. Il suo lavoro e il suo impegno seguono lo spirito delle rigorose fasi di realizzazione di un payload per una missione spaziale, anche se i prodotti industriali sono di livello superiore. Ma all’industria spaziale mancano forse l’ambiente della cucina e dell’allegria ferrarese di Matteo.

– Paolo

Ciao a tutti!
Dopo mesi di lavoro il contatore Geiger del progetto Stratospera ha preso finalmente forma!
Ed ecco a voi “HADARP: High Altitude Data Acquisition Radioactivity Probe”!
Questa è la sua storia …
Il progetto ha preso forma nel mio laboratorio-cameradaletto in questi mesi, godendo della mia piccola ma solida esperienza nella costruzione per scopo hobbistico di diversi contatori geiger, alcuni dei quali perfettamente funzionanti, e altri (purtroppo) finiti troppo presto nel bidone del rusco  .

Il contatore Geiger HADARP

Dopo aver realizzato lo schema a blocchi del circuito, sono passato alla scelta dei componenti elettronici. Questa fase mi ha portato via molto tempo, dedicato per lo più allo scartabellando dei vari datasheets, nell’affannosa ricerca di componenti, aventi un ampio range nella temperatura di funzionamento. I problemi più grandi incontrati da un pallone sonda diretto alla stratosfera, infatti, sono dovuti ai rigori di quest’ambiente. La bassa pressione dell’aria e gli sbalzi termici a cui è sottoposto durante l’ascesa, non sono assolutamente da sottovalutare. Ho cercato di scegliere così, circuiti integrati di tipo industriale (Delta T compreso tra: -55 e +125°C), eliminando da subito l’idea d’introdurre sulla board condensatori elettrolitici (soggetti a ribollimenti), sostituendoli prontamente con modelli allo stato solido al Tantalio.
Realizzato uno schema elettrico efficiente sono passato allo sbroglio del circuito stampato, seguito passo passo dall’ordine su internet dei componenti elettronici definiti in fase progettuale come “esotici”; tra questi un tubo Geiger avente la sensibilità opportuna al tipo di radiazioni da rilevare (raggi cosmici per la maggiore). Questo componente ha rappresentato in tutto e per tutto un vero e proprio calvario…

Componenti principali di HADARP

Rivoltomi per “principio” (così non posso “sbagliare” … pensavo!) a una nota casa costruttrice negli USA, ho potuto disporre di un tubo funzionante solo dopo 2 tentativi andati a vuoto! Il primo tubo che mi è stato consegnato dall’oltre oceano è arrivato schiacciato come una sogliola, mentre il secondo privo del gas a causa dell’ampolla di carico rotta nel viaggio!
Dopo varie imprecazioni per email con la casa costruttrice (alcune anche in Atlantideo pre-affondamento dell’isola), sono riuscito finalmente a farmi rimborsare per intero entrambe le spedizioni e ad avere finalmente, al terzo tentativo un tubo perfettamente funzionante, consegnatomi stavolta, “per precauzione”, in un “apposito container di metallo” degno concorrente del rack del payload di uno Space Shuttle! Hanno capito che con Astroteo non si scherza …
Terminato lo sbroglio del circuito stampato e i repentini controlli per verificare l’eventuale presenza di errori o cortocircuiti, il file “gerber” è volato in fabbrica per l’assemblaggio, e dopo due settimane, il circuito era già sul tavolo del mio laboratorio, montato e pronto per la programmazione finale.
La stesura del firmware di HADARP, ha richiesto anche la realizzazione in Visual Basic di un programma per il PC d’appoggio, quest’ultimo necessario per simulare l’unità di controllo principale del pallone. Sarebbe bastato anche il normale “Hyper Terminal” di windows, ma un lavoro titanico, richiedeva un software dedicato e sponsorizzato! E così è stato … dopo un paio d’ore di lavoro è nato “HADARP System Monitor” (vedi foto allegata IMG_3.jpg) che permette di visualizzare il traffico RS232 generato da HADARP e di inoltrargli, con un apposito pulsante, la stringa di richiesta dei dati misurati.

HADARP System Monitor

Il firmware successivamente creato e poi scaricato nel processore, in sostanza fa tre cose fondamentali:
  1. Gestisce l’elettronica per generare l’alta tensione necessaria al tubo geiger (circa 500V), contando successivamente i preziosi impulsi generati da quest’ultimo quando colpito dalla radioattività ambientale;
  2. memorizza i dati della radioattività rilevata in sei sessioni da 10 secondi l’una, registrandoli per sicurezza sulla “Fly Data EEPROM”;
  3. successivamente, quando dall’unità di controllo del pallone, attraverso la presa seriale, arriva il messaggio di richiesta “G1”, legge i dati memorizzati, li elabora e li spedisce all’unità centrale attraverso la presa seriale stessa.
A bordo della scheda HADARP è presente anche un termometro digitale integrato, che provvede a compensare attraverso un apposito algoritmo, le variazioni di tolleranza del tubo Geiger esposto al freddo dell’ascesa. Il circuito funziona con una tensione compresa tra 7 e 18V e assorbe una corrente massima di circa 39 mA. I dati misurati (colpi in 10 secondi di misura) vengono sparati in uscita sulla seriale, quando su essa arriva una stringa di richiesta “G1”, quest’ultima inviata a 9600 bps.
Una volta terminata la stesura del firmware, ho passato HADARP ai rigorosi controlli per l’idoneità al volo. I test eseguiti sono stati i seguenti:
  1. .Stress meccanico;
  2. .Stress termico;
Per il test n°1 ho provveduto ad alimentare il circuito con un pacco-batteria al litio, legando il tutto (Hadarp compreso) al piatto di un vecchio giradischi munito di un apposito contagiri digitale. Dopo averlo centrifugato per più di un’ora alla massima velocità, ho provveduto a controllare il funzionamento del circuito a banco, nonché le misure rilevate, notando che tutto aveva funzionato perfettamente. Successivamente ho provveduto a far cadere solo la board HADARP sul pavimento (il tubo Geiger no, per l’amor di Dio!!!) e ho notato che nessuna saldatura aveva ceduto … risultato test n°1 … ready for launch!
Per il test n°2 ho provveduto a rinchiudere la board HADARP e il tubo Geiger nel congelatore di casa assieme ai gelati e ai salami ferraresi … Dopo due ore a -30°C, HADARP e il suo fedele sensore, funzionava ancora perfettamente, apparendo al primo approccio congelato, come la DeLorean di Ritorno al Futuro, dopo un intrepido viaggio nel tempo. Il circuito era ricoperto di brina, aveva il LED di sistema appannato, ma emanava ancora un rassicurante lampeggio rosso di “Program in progress”! Una volta al banco, valutando i dati memorizzati, ho rilevato (per fortuna) bassi valori di radioattività nei cibi presenti, eccetto un picco anomalo degno di nota, rilevato dopo circa mezz’ora di congelamento (e contrassegnato da me stesso con la scritta: “wow”), sfortunatamente non più ripetutosi per l’intera fase di stoccaggio a -30 … risultato test n°2 … ready for launch!
A questo punto, ho dichiarato HADARP idoneo al volo, dotandolo subito, nelle parti più suscettibili, degli appositi cappucci rossi recanti la scritta: “Remove before fly”.
Resto in attesa delle istruzioni precise per i controlli finali dal resto del team.
A presto!
Astroteo
Teotech Corp. Laboratory

Licenza

Paolo Amoroso

Divulgatore dell’astronomia e dello spazio appassionato di scienza e tecnologia

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14 Risposte

  1. RikyUnreal ha detto:

    Bel lavoro Teo!

    Bellissimo come sono stati effettuati i test.

  2. Spidey ha detto:

    Complimenti, ma vogliamo le foto dei test!!!
    Si possono avere le specifiche tecniche del geiger? Che tipo di dati registra e manda a terra? Complimenti ancora

  3. phoenix 1994 ha detto:

    Non c’è che dire: complimenti!

  4. Astroteo ha detto:

    @Spidey
    Ciao Spidey!
    Le foto dei test non sono purtroppo disponibili … non le ho fatte … ero impegnato nelle verifiche culinarie! Il geiger Hadarp utilizza un prestigioso tubo sensibile sia alle radiazioni corpuscolari (alpha e beta) che elettromagnetiche (X e gamma). La sua elettronica non fa altro che misurare il numero di collisioni con le particelle ionizzanti presenti nell’ambiente nell’unità di tempo prefissata, memorizzarle nella memoria locale e poi trasmetterle a terra attraverso gli apparati radio del pallone dopo un’opportuna elaborazione. Per una maggiore precisione di misura, il microcontrollore di hadarp esegue sei misure al minuto e poi esegue la media. Al dato ricavato “cps” (colpi al secondo), sottrae il valore della radioattività di fondo (quella generata dai materiali costruttivi del tubo stesso) e compensa il suo “dead time”, ovvero quel lasso di tempo in cui il gas interno, dopo la ionizzazione dovuta alla radioattività, deve ricombinarsi per ritornare neutro. Quel lasso di tempo, infatti, è un black out effettivo del tubo, durante il quale non è in grado di misurare altre collisioni con altre particelle che dovessero avvenire nel frattempo. Le compensazioni che apporta il firmware, contribuiscono ad aumentare così la precisione della misurazione. Nella memoria di programma del microcontrollore è presente anche una routine che converte i cps ricavati in mR/h (milli Roentgen per ora) che è l’unità di misura della “dose di esposizione” e “volendo” anche in uS/h (micro Sievert per ora) che è l’unità di misura “dell’equivalente di dose” utilizzato a tutt’oggi come udm ufficiale nel sistema internazionale di misura. Questi due dati sono però puramente indicativi (il perchè è troppo lungo da spiegare), quello che comunque a noi interessa è stilare una curva dei cps rilevati dal tubo, sia durante l’ascesa, che durante la discesa dalla stratosfera. Questi dati, infatti, raccolti in un grafico, dovrebbero descrivere una curva di tipo Gaussiana, con il picco di radiazioni, rilevate alla massima altezza raggiunta. Staremo a vedere!

  5. Astroteo ha detto:

    Ciao Spidey!
    Le foto dei test non sono purtroppo disponibili … non le ho fatte … ero impegnato nelle verifiche culinarie! Il geiger Hadarp utilizza un prestigioso tubo sensibile sia alle radiazioni corpuscolari (alpha e beta) che elettromagnetiche (X e gamma). La sua elettronica non fa altro che misurare il numero di collisioni con le particelle ionizzanti presenti nell’ambiente, nell’unità di tempo prefissata, memorizzarle nella memoria locale e poi trasmetterle a terra attraverso gli apparati radio del pallone, dopo un’opportuna elaborazione. Per una maggiore precisione di misura il microcontrollore di hadarp, esegue sei misure al minuto, per poi eseguirne la media. Al dato ricavato “cps” (colpi al secondo), sottrae il valore della radioattività di fondo (quella generata dai materiali costruttivi del tubo stesso) e compensa il suo “dead time”, ovvero, quel lasso di tempo in cui il gas interno, dopo la ionizzazione dovuta alla radioattività incidente, deve ricombinarsi corpuscolarmente per ritornare neutro. Quel lasso di tempo, infatti, è un black out effettivo del tubo, durante il quale non è in grado di misurare altre collisioni con altre particelle che dovessero avvenire nel frattempo. Le compensazioni che apporta il firmware, contribuiscono ad aumentare così la precisione della misurazione. Nella memoria di programma del microcontrollore è presente anche una routine che converte i cps ricavati in mR/h (milli Roentgen per ora) che è l’unità di misura della “dose di esposizione” e “volendo” anche in uS/h (micro Sievert per ora) che è l’unità di misura “dell’equivalente di dose” utilizzato a tutt’oggi come udm ufficiale nel sistema internazionale di misura. Questi due dati sono però puramente indicativi (il perchè è troppo lungo da spiegare), quello che comunque a noi interessa è stilare una curva dei cps rilevati dal tubo, sia durante l’ascesa, che durante la discesa dalla stratosfera. Questi dati, infatti, raccolti in un grafico, dovrebbero descrivere una curva di tipo Gaussiana, con il picco di radiazioni, rilevate alla massima altezza raggiunta. Staremo a vedere!

  6. Niki Giada (razziadacqua) ha detto:

    Persino il Geiger! Io avevo pensato ad un semplice radiodosimetro come prima missione,quelli da ospedale…tramite conoscenze locali 🙂

  7. Alessio Periloso ha detto:

    E’ un peccato che non siano state pubblicate le rilevazioni fatte con il geiger… ma è stato lanciato? 🙁

  8. amoroso ha detto:

    Alessio: quali rivelazioni? HADARP non è ancora stato lanciato.

  9. beppe ha detto:

    Ciao, io ho un contatore geiger costruito da un kit della nuova elettronica. Devo dire che se qualche mese fa misurava una media di 10 mR/h ora , dopo il disastro in giappone,ne misura dai 22 ai 24. ho trovato anche un altro sito che da gli stessi valori rilevati da me : 3/7 prima e 25 dopo con foto che ne attesta il valore (NB in quel caso il contatore era militare della germania dell’est)
    Sarei curioso di paragonare questi dati con quelli del tuo HADARP

  10. beppe ha detto:

    Scusa mi correggo : 0,003/0,010 e 0,024

  11. Bel Lavoro !!
    Oggi sono disponibili interessanti tecnologie moderne di fatto alternative all’utilizzo del convenzionale tubo geiger muller. Infatti potebbe essere sostituito con dei diodi pin o dei sipm array, magari accoppiati con dei cristalli di lutezio che conferirebbero al sistema una sensibilità pari o superiore al convenzionale tubo geiger e in più sarebbero anche in grado di valutare oltre alla attività anche l’energia della sorgente radioattiva.

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