Le Compteur Geiger SM4000 programmé avec MODULE℠
Bonjour
Dans cet article je vais présenter mon dernier projet. J'ai essayé d'expliquer le mieux possible, mais si vous souhaitez d'autres informations vous pouvez les retrouver sur mon site perso:
Le compteur Geiger SM4000############# Lien supprimé: pas d'auto promo SVP
Le compteur Geiger (ou radiamètre) SM4000, est né de ma passion pour la science et pour l'instrumentation scientifique en général.
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Antériorité du projet:
À l'époque ou j'ai commencé à m'intéresser à la radioactivité (années 1990 suite à l'accident de Tchernobyl), ce type d'appareil de mesure me semblais infaisable par un amateur, et en l'occurrence se trouvait être (et est toujours aujourd'hui) très onéreux dans le commerce.
Bien plus tard, je débute l'électronique en 2014, précisément dans l'objectif de comprendre comment réaliser ce projet, ainsi au fil de mon apprentissage et de persévérance, cela m'est apparut comme tout à fait réalisable.
Les caractéristiques du compteur Geiger:
- Tube de détection LND712 (détection des Alphas, Betas, Gammas, et rayonnement X)
- Élévateur de tension à découpage (5V vers 400V).
- Carte de contrôle avec microcontrôleur ATmega328P.
- Affichage digital avec afficheurs à digits MAX7219.
- Affichage analogique à l'aide d'un Galvanomètre et d'une Del.
- Buzzer de signalement.
- Bouton rotatif de sélection des modes de détection.
- Interrupteurs de visualisation des doses maximales relevées.
- Accumulateur Lithium/Polymère 4S 4000mAh (14.8V).
- Boîtier ouvert en Aluminium, Cuivre, Acier inoxydable, Laiton, et Ertalon.
L'affichage permet de visualiser plusieurs unités:
dsc02880.jpg- Le cumule des Coups.
- Les Coups / seconde instantanés.
- Les Coups / seconde maximums relevés.
- Le débit de dose cumulé (glissant) au cours du temps.
- Le débit de dose instantané.
- Le débit de dose maximal relevé.
Qu'est-ce que la radioactivité ?
La radioactivité est la conséquence et la manifestation de l'instabilité des atomes qui composent la matière qui nous entoure et qui nous constitue.
Cet état instable peut avoir plusieurs causes au niveau atomique:
- L'atome a un excédant de neutrons (par rapport à la vallée de stabilité).
- Le noyau de l'atome se réorganise (un neutron devient un proton).
- L'atome est excité, il possède un excédant d'énergie (qu'il doit libérer).
Cette radioactivité se manifeste sous plusieurs formes:
Ces émissions se comportent différemment selon le matériaux traversé:- Alpha (α): 2 protons + 2 neutrons (4 nucléons) sont éjectés du noyau, c'est l'Helium 4.
- Beta- (β-): 1 neutron (1 quark up + 2 quarks down) devient 1 proton (2 quarks up + 1 quark down), ceci est accompagné de l'émission d'1 électron + 1 anti-neutrino.
- Beta+ (β+): 1 proton (2 quarks up + 1 quark down) devient 1 neutron (1 quark up + 2 quarks down), ceci est accompagné de l'émission d'1 positon + 1 neutrino.
- Gamma (γ): résultat de la collision d'1 particule avec son anti-particule, 1 ou plusieurs photons (rayonnement de nature électro-magnétique) peuvent êtres libérés de l'atome du fait de sa désexcitation. La fréquence vibratoire de cette onde est supérieure à 30 exahertz (30000000000000000000 hertz).
- X: 1 électron passe d'un niveau d'énergie à un autre, ce qui s'accompagne d'une émission (photon) de même nature que le rayonnement Gamma mais de fréquence vibratoire inférieure (de 30 petahertz à 30 exahertz).
Quantifier la radioactivité:- l'Alpha est arrêté au contact d'une feuille de papier.
- Le Beta est arrêté au contact d'une tôle d'Aluminium.
- Le Gamma est atténué en traversant plusieurs mètres de béton ou plusieurs centimètres de Plomb, mais n'est pas arrêté.
Plusieurs unités de mesure standards (ou dérivées du système standard) existent et permettent de quantifier le niveau de radioactivité et la dose reçue. Chaque unité est à placer dans un contexte précis de mesures par rapport aux conditions et à l'environnement associé, ceci afin d'éviter de fausses interprétations des résultats.
Plusieurs paramètres interviennent pour quantifier la radioactivité:
- La nature de l'émission (Alpha, Beta, Gamma, X).
- La distance (à 1 cm, à 1 mètre, etc...).
- Les parties du corps exposées au rayonnement (les effets seront bien différents selon la zone exposée).
- La sensibilité du matériel utilisé pour effectuer les mesures.
Voici une liste de quelques unités de mesure:
Le débit de dose lié à la radioactivité naturelle en France, est en moyenne de 1 à 2 millisievert / an par habitant. Pour les travailleurs du secteur du nucléaire en France, le débit de dose maximal admissible est de 20 millisievert sur 12 mois glissants par personne. Les risques de maladies et de cancer commencent à apparaître à partir de 100 millisievert (pas forcément lié à une unité de temps cette fois-ci).- Le Sievert (Sv): établi une estimation de l'impact biologique de la radioactivité sur le corps humain (par unité de temps en heures ou en années).
- Le Becquerel (Bq): souvent indiqué par kilogramme de matière, signifie 1 désintégration d'atome / seconde.
- Le Coup / seconde (Cps): de même nature que le Becquerel mais sans quantification de la quantité de matière.
- Le Gray (Gy): représente l'énergie (en Joules) apportée à une masse homogène d'1kg.
Ces mesures sont déterminés par l'intermédiaire du tube Geiger, qui est l'élément sensitif d'un détecteur de radioactivité. Le tube Geiger est un dipôles (cathode + anode) qui, rempli d'un gaz rare à basse pression (généralement le néon) et soumis à une différence de potentielle élevée (haute tension), est ainsi placé dans un état de métastabilité.1 Gray est égal à 1 Sievert (unités de même dimension).
Il suffit donc d'une particule (électron, proton, neutron, ou photon) traversant le tube Geiger pour ioniser le gaz (les atomes perdent ou gagnent des électrons), se qui à pour conséquence de créer une avalanche d'électrons se déplaçant vers la cathode. Le tube est alors en saturation (le dipôle est fermé, comme un interrupteur), c'est le Coup (quantifié ensuite en Coups / seconde).
Ci-dessous, un exemple de mesures de la radioactivité naturelle avec le tube Geiger LND712 (le relevé indique 0.44 Coups / seconde):
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La radioactivité naturelle a toujours été présente sur notre planète, elle fait partie intégrante de la croûte terrestre, de l'atmosphère, des océans, et du vivant.
Le corps humain est constitué de Potassium 40, un isotope radioactif !Les isotopes radioactifs:Au cours de l'histoire et de l'évolution de la Terre, des réacteurs naturels ont existé bien avant l'apparition de l'homme. On en trouve des traces (vitrification des roches au voisinage de minerais d'Uranium) aux États-Unis.
Un isotope est un atome ayant un nombre différent de neutrons. De fait, l'Uranium 236 est un isotope plus lourd (et donc plus instable dans ce cas de figure) que l'Uranium 235.
En revanche, un atome n'est pas un isotope d'un autre atome ayant un nombre différent de protons (Comme le Cesium 55 n'est pas un isotope du Xénon 54), ce sont bien deux types d'atomes différents.
La désintégration d'un atome peut être naturelle:
Un matériaux constitué d'isotopes radioactifs perds la moitié de sa radioactivité durant une demi-période, puis une autre moitié durant une autre demi-période, et ainsi de suite, de sorte que la décroissance radioactive d'un matériaux suit une courbe asymptote. Ce temps est dépendant de l'isotope considéré, en effet plus il est instable, plus sa demi-période est courte, et plus ses émissions radioactives sont fortes.
Il n'est pas possible de prédire la désintégration d'un seul atome, ce phénomène peut intervenir à n'importe quel moment (aléatoire), par contre, il est possible de prédire la désintégration de la moitié d'un groupe d'atomes:
Les premiers 500g d'Uranium 235 désintégrés ne sont pas volatilisés, il se sont transformés en Thorium 231 par désintégration Alpha, puis ce Thorium par désintégration Beta- se transformera en Protactinium 231, de sorte qu'un seul isotope radioactif au départ produit une grande quantité de descendants radioactifs dont il faut tenir compte pour les mesures effectuées.1kg d'Uranium 235 perds la moitié de sa radioactivité (ou de sa masse) en 4.5 milliards d'années. Il reste alors 0.5kg d'Uranium 235 encore non désintégré, qui perds à son tour la moitié de sa radioactivité en 4.5 milliards d'années supplémentaires, etc...
La désintégration d'un atome peut être induite:
Par capture d'un neutron lent, l'Uranium 235 devient de l'Uranium 236, beaucoup plus instable. Il se désintègre (fission) en ce scindant en deux atomes, le Krypton 92 et le Baryum 141, deux isotopes radioactifs aux demi-périodes très courtes.
Les 3 neutrons rapides ainsi libérés, si ils sont ralentis (par exemple en traversant un volume d'eau), peuvent être à nouveau capturés par de l'Uranium 235, qui à son tour deviendra un Uranium 236 par nature instable qui se désintégrera et éjectera à nouveau 2 ou 3 neutrons:Remarquons que 236 - (92 + 141) = 3, ce qui signifie que 3 neutrons rapides sont éjectés lors de cette réaction de fission.
C'est la réaction en chaîne !
La réaction en chaîne est obtenue sous plusieurs conditions:
Cette réaction en chaîne est accompagnée d'une forte émission Gamma, résultat de la perte de masse entre le début et la fin de la réaction, et du trop plein d'énergie à évacuer.- La masse critique doit être atteinte (c'est-à-dire un certain volume de radio-isotopes dans le but de favoriser la capture de neutrons).
- La géométrie du réacteur (endroit ou se produit la réaction) doit être considérée avec importance.
- Des réflecteurs à neutrons (en carbure de tungstène) doivent êtres disposés autour des assemblages de radio-isotopes (crayons de combustible).
- Les neutrons rapides doivent êtres ralentis afin qu'il soient capturés.
L'exposition externe et interne:
L'exposition à la radioactivité est dite externe lorsque la source d'émission est situé à l'extérieur du corps. Cela peut être provoqué par la radioactivité naturelle (minerais) ou artificielle (stockage de déchets ou pollution).
L'exposition interne qu'en à elle intervient lorsque la source d'émission ce situe à l'intérieur du corps, c'est alors la contamination. Ceci est très dangereux parce que l'énergie émise par un radio-isotope décroit au carré de la distance. Ce qui signifie qu'un atome d'Uranium 235 à quelques mètres de distance (sans danger immédiat), ne comporte pas les mêmes risques sur la santé que directement au contact des cellules du corps humain (dans le cas d'une ingestion ou inhalation).La durée de l'exposition est très importante dans un calcul, associée à la dose reçue, elle conditionne les facteurs de risques encourus.
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Envoyé par sylvain 
