Miglioramenti alle camere a ioni

Negli ultimi mesi le ricerche sulla camera a ioni per il Radon hanno portato ad inattesi risultati e nuove scoperte. Parte di queste scoperte sono merito di sperimentatori, sparsi per il mondo, il più attivo è sicuramente Pavel Provaz, che ha già sperimentato un gran numero di configurazioni diverse (e ha inventato la nuova versione a parete singola). In questa pagina riportiamo i risultati delle osservazioni più recenti.

Molti hanno sperimentato che la camera, dopo aver funzionato bene a lungo, improvvisamente perde sensibilità e, dopo un certo tempo, ricomincia a funzionare bene. E si sono chiesti se può dipendere da variazioni dell’alta tensione, o di altri parametri.

RISPOSTE
L’alta tensione non c’entra, può variare da 450 a 550 Volt senza provocare differenze nelle misure.

E anche la tensione sul TP1 è poco significativa, dipende molto dal FET. Alcuni FET hanno una corrente (con Gate aperto) più alta e quindi il TP1 sale un po’. Ma la tensione sul TP1 sale anche, e di molto, in presenza di aria umida. E in queste condizioni il FET amplifica meno.

Per cui questi difetti sono quasi sicuramente provocati dall’umidità dell’aria.

In questi ultimi mesi abbiamo scoperto che l’aria oltre il 70% di RH riesce a condurre decine di pico Ampere (e fino a oltre 500 pA quando ci si avvicina al 90%). Stiamo quindi studiando una camera che possa lavorare anche in ambienti molto umidi (oltretutto senza arrugginirsi)

La prima soluzione pensata fu di deumidificare l’aria (che si invia alla camera attraverso un tubo e una piccola ventola). Il deumidificatore è composto da una serpentina scavata su un lato di un blocco di alluminio da 5 x 5 cm e alto 10 mm, con una cella di Peltier che lo raffredda. La serpentina è rivolta in basso e un panno raccoglie le gocce di acqua e le fa evaporare.

Ma il deumidificatore non è una soluzione molto elegante e consuma molta corrente. Per cui stiamo studiando alcune soluzioni per l’umidità e alcuni miglioramenti, anche per altri aspetti:

  • Prima di tutto un elettrodo centrale in tubetto di ottone da 2mm (che migliora di molto anche la resistenza ai rumori meccanici)
  • Una parete esterna in acciaio inossidabile o alluminio.
  • Nuovo schema di polarizzazione del FET con Gate del FET a massa attraverso resistore da 1 Giga Ohm che sopporta anche centinaia di picoAmpere di corrente di perdita dell’aria.
  • Nuovo circuito amplificatore (versione 6).
  • Tentativi di eliminare la doppia parete, caricando l’elettrodo centrale con 500 Volt (circa) e isolando il Gate con condensatore da 1000pF.

Una nuova interessante idea è di proteggere la camera a ioni dalla umidità chiudendola in un sacchetto di polietilene. Il polietilene ferma sia il vapore acqueo che il Thoron, ma lascia passare il Radon. Il sacchetto di polietilene agisce come membrana polimerica (il radon deve prima dissolversi e quindi diffondere) e deve essere molto sottile per non rallentare troppo la risposta.

Chi volesse fare esperimenti, può rivolgersi ad Alessio, che sa come reperire i componenti e può preparare i nuovi PCB.


Nuovo amplificatore – Versione 6

IonChamberAmpV6_SCH   IonChamberAmpV6_3D_Bottom

Da questo indirizzo si può scaricare lo schema, il PCB e le simulazioni più recenti:
http://www.theremino.com/files/IonChamberAmpV6.zip

E qui si possono comprare economici resistori da 1 Giga:
http://www.mouser.it/ProductDetail/TE-Connectivity/RGP0207CHK1G0/?qs=%2fha2pyFaduhkrdcbzNk6CHQ1bfgoVndRtlEgfJiN2nuM8RBuTFoG3A%3d%3d

Attenzione che il resistore deve stare COMPLETAMENTE DENTRO alla camera interna, altrimenti raccoglie disturbi e non funziona più niente.

Notare che se si polarizza a massa il Gate la tensione sul TP1 diventa circa 0.3 Volt e non viene più modificata dall’aria umida (prima il voltaggio normale su TP1 era da 1.1 a 1.3 Volt e saliva molto, anche oltre 1.5 Volt, in presenza di umidità. E quando il voltaggio sul TP1 sale, il FET amplifica meno, e si verifica una forte perdita di sensibilità agli impulsi di bassa ampiezza. Per cui si contano meno impulsi.

Le ultime versioni includono anche un regolatore LM385 che riduce ulteriormente (oltre 30 volte) il rumore in arrivo dalle USB. Questo migliora il funzionamento su alcuni PC particolarmente rumorosi.

Le ricerche più recenti hanno evidenziato che una forte umidità dell’aria, oltre a condurre una corrente di centinaia di picoAmpere, provoca anche variazioni rapide di corrente. Queste variazioni si traducono in un forte rumore sovrapposto agli impulsi (visibile sul TP3 con un oscilloscopio). Il tutto viene amplificato dalla presenza di pulviscolo nell’aria (la polvere si inumidisce e aumenta di molto i disturbi)

Non sappiamo quindi fino a che livello di umidità si potrà arrivare, ma siamo abbastanza sicuri che, oltre il 90% di umidità, i disturbi diventano di tale ampiezza, che nessuna camera a ioni, comunque sia costruita, potrebbe funzionare.


Nuovo alimentatore alta tensione – Versione 5

Hv475_V5_SCHHv475_V5_3D_UpSchema e PCB dell’alimentatore versione 5, con componenti tradizionali.

Hv475_V5_SMD_SCHHv475_V5_SMD_3D

Schema e PCB dell’alimentatore versione 5, con componenti a montaggio superficiale.

Aggiungendo un regolatore a 3.3 Volt si evita che l’alta tensione venga disturbata dal rumore proveniente dalla USB. La linea di base che si misura sul TP3 è più stabile e quindi e misure sono più precise. Su alcuni PC con tensione USB molto rumorosa questo nuovo alimentatore può fare grande differenza.

Con questo link si può scaricare lo schema, il PCB e le simulazioni, sia dell’amplificatore che degli alimentatori, sia in versione SMD che con componenti classici: IonChamberCircuits    



“Concentration” o “Activity”, questo è il problema!

Fino a pochi mesi addietro misuravamo la “Concentrazione di Radon”, mentre ora misuriamo in “Radon Activity”. Ci siamo dovuti adeguare a questa usanza per dare valori simili agli altri misuratori di Radon in commercio.

Per tarare la camera a ioni in “Radon Concentration” il valore da impostare è 2.15 CPS/Bq/l. Con questa taratura i valori in Bq/l e Curie/l saranno circa cinque volte inferiori.

Per tarare la camera a ioni in “Radon Activity” il valore da impostare è 0.43 CPS/Bq/l. Con questa taratura i valori in Bq/l e Curie/l saranno simili a quelli misurati con gli altri apparecchi in commercio.

Nella relazione della commissione europea ci sono ottime definizioni delle due unità di misura.

  • “Con “misurazione delle concentrazioni di radon” si intende il numero di disintegrazioni del solo isotopo Rn-222.
  • Con l’espressione “esposizione al radon” si intende invece l’esposizione ai prodotti di filiazione del radon.”

Premesso che ci siamo convinti, se tutti usano la attività lo faremo anche noi. Vogliamo però far notare che si “dovrebbe” misurare la “Concentrazione di Radon” e dare valori circa cinque volte inferiori, come suggerito da tutte le organizzazioni internazionali.

Documentazione che suggerisce di usare la “Concentrazione”

Sia “Word Health Organization” che la “Unione Europea” suggeriscono di usare la “Concentrazione di Radon”
https://www.uic.edu/sph/glakes/radon_measurement/pdfs/unit_three.pdf
http://www.atsdr.cdc.gov/PHS/PHS.asp?id=405&tid=71

The World Health Organization has recommended a radon reference concentration of 100 Bq/m3 (2.7 pCi/L).[82] The European Union recommends that action should be taken starting from concentrations of 400 Bq/m3 (11 pCi/L) for older dwellings and 200 Bq/m3 (5 pCi/L) for newer ones.[83]
http://en.wikipedia.org/wiki/Health_effects_of_radon#Radon_concentration_guidelines

Radon concentrations in the air are measured as the amount of radioactivity (Bq) in a cubic metre of air: http://www.who.int/ionizing_radiation/env/Radon_Info_sheet.pdf

La concentrazione di radon si misura in Becquerel per metro cubo (Bq/m3 ). Il valore di 400 Bq/m3 indica la disintegrazione di 400 nuclei atomici di radon al secondo in un metro cubo d’aria accompagnata dalla emissione di radiazioni ionizzanti. Tratto da:
http://www.bag.admin.ch/themen/strahlung/00046/00158/index.html?
lang=it&download=NHzLpZeg7t,lnp6I0NTU042l2Z6ln1ah2oZn4Z2qZpnO2Yuq2Z6gpJCKdnx9gWym162epYbg2c_JjKbNoKSn6A–

Radon concentration scale
http://en.wikipedia.org/wiki/Radon#Concentration_scale

Ma allora perché tutti i costruttori di apparecchi simili usano la “Attività di Radon”?

Probabilmente perché in questo modo si superano più facilmente i limiti di legge e diventa più facile proporre costosi interventi di risanamento. Questa è solo una nostra supposizione, ma fino a che qualcuno non ci suggerirà una spiegazione migliore…

 .


Una camera a ioni “embedded”

Alessio ha sviluppato una camera a ioni con tutto il software in un microcontrollore PIC. Questa soluzione è particolarmente economica perché non necessita di un PC (o tablet).

Radon Detector Embedded

Con un solo pulsante si manovrano tutte le funzioni. Il display indica la versione, attualmente “Radon Detector Ver. 1.0”, i secondi trascorsi e la concentrazione di gas Radon in Bequerel per metro cubo.

  1. Livio says:

    William ci ha scritto:
    Ho sperimentato una perdita di sensibilità di circa quattro volte, in condizione di aria secca (circa 50% dei giorni scorsi). Potrebbe essere causata dalla “ossidazione” dell’elettrodo centrale? E quindi da una minor conduzione delle scariche, prodotte dalle disintegrazioni, dall’aria al rame?

    Risposte:
    Per quanto l’ossidazione degli elettrodi diminuisca la conduzione, non influisce sulla ampiezza degli impulsi, i motivi sono i seguenti:

    1) La corrente degli impulsi è talmente piccola che anche una resistenza molto alta (ossido spesso) non diminuisce la ampiezza in modo misurabile.

    2) Per quanto gli elettrodi si ossidino, esiste sempre qualche spazio tra i punti ossidati (perforazioni microscopiche dell’ossido) e queste perforazioni, unite al leggero strato conduttivo che si forma sempre su tutte le superfici per effetto della umidità, portano ad avere comunque una superficie in contatto elettrico con il metallo. Magari si tratta di contatti con resistenza altissima, magari saranno centinaia di mega ohm, ma l’unico effetto di questa resistenza sarà solo di rallentare la salita degli impulsi. Alla fine comunque tutte le cariche arriveranno dove devono arrivare e non si noterà nessuna diminuzione della ampiezza degli impulsi.

    3) Abbiamo verificato questo rivestendo l’elettrodo centrale con un foglio di carta. La carta “dovrebbe” essere isolante ma ha in realtà una resistenza di decine di giga ohm. E il risultato è stato di avere impulsi esattamente uguali a quelli di un elettrodo non “isolato” con la carta.

    Perdita di sensibilità
    ———————————————————————————–
    Dato che non avevi una forte umidità allora non sappiamo dirti cosa può essere successo. Suggeriamo comunque di controllare spesso il TP1. Se ci sono perdite (dovute alla umidità o altro) la tensione sul TP1 sale e quando arriva a 1.5 Volt e oltre la sensibilità diminuisce molto e si contano pochi impulsi.

    Impulsi a raffica
    ———————————————————————————–
    Se invece si contano impulsi a raffica si deve controllare TP3 con l’oscilloscopio. Se si tratta di 50Hz allora si deve migliorare la schermatura (reticelle di ottone doppie sui fori). Se invece sono ondulazioni casuali allora potrebbe trattarsi di conduzione provocata dall’aria umida.

  2. William says:

    Volevo aggiornare la situazione a riguardo del commento sopra postato in mio nome da Livio.
    Dopo una revisione della camera operata da lui, con sostituzione di qualche componente difettoso, la sensibilità e stabilità della camera è arrivata a livelli davvero elevati.

    Ho implementato, sfruttando i canali liberi, i sensori di pressione, temperatura ed umidità (grazie al buon Alessio!!), in modo da avere un quadro completo delle variazioni delle condizioni di misura (eventuali ventilazioni intervenute durante la misurazione) che possano far variare i dati.

    Vi lascio con un grafico “fresco fresco” realizzato in condizione di bassissima concentrazione (ambiente dotato di ventilazione meccanica controllata).
    https://drive.google.com/file/d/0ByNPlNE2fCMqT1ZZeDZwTENxMkE/view?usp=sharing

  3. mario says:

    Nella realizzazione della camera a ioni non mi è chiaro a quale potenziale va collegata l’armatura del barattolo con i coperchi.
    Se si tratta di una schermatura, dovrei collegare al “ground-earth” (terra/riferimento) oppure è meglio lasciarla floating ?
    Non trovo sui disegni questa informazione e vi sarei grato se riusciste a chiarirmi questo punto.
    Grazie a tutto il gruppo e complimenti per l’ottimo lavoro.

    • Livio says:

      Va collegata a GND.
      Il punto migliore è il negativo del connettore dove arrivano i tre fili dal Master.

      Se si lascia volante i disturbi esterni, in arrivo dall’impianto elettrico, saturano il preamplificatore e non funziona più niente.

      In questa pagina ci sono molte informazioni utili:
      http://www.theremino.com/hardware/inputs/radioactivity-sensors

      • mario says:

        Grazie Livio per la tua risposta.
        Avrei qualche altra domanda : come si può essere certi che le misure ottenute con la camera ionica dipendono effettivamente da radiazioni del Radon ?
        Se si utilizza un geiger, anzichè la camera ionica, è possibile che il conteggio sia in parte dovuto alla presenza di Radon ?
        Per concludere: non è forse vero che le radiazioni alfa/beta e gamma sono tutte rivelabili utilizzando il concetto di ionizzazione ?

        Grazie per la tua grande pazienza, Mario

        • Livio says:

          Beta e gamma ionizzano anche loro, ma il numero di molecole che vengono ionizzate da ogni disintegrazione è circa cento volte minore di quelle prodotte da una disintegrazione alfa.

          Inoltre le disintegrazioni del Radon (e anche del Thoron) hanno energia dai 5 ai 7 Mega elettronVolt, contro appena qualche centinaio di KeV dei beta e gamma prodotti da quasi tutte le sostanze radioattive.

          Per cui gli impulsi elettrici che si sviluppano dopo il FET sono decentemente grandi per Radon e Thoron ma talmente piccoli da essere assolutamente non misurabili per tutto il resto.

          In ogni caso una camera a ioni a conteggio come la nostra i beta e i gamma non li vede proprio. Per essere sicuri abbiamo usato campioni molto energetici di varie sostanze e non abbiamo mai visto impulsi prodotti da altro che dal radon.

          I decadimenti del Radon e dei suoi figli fanno solo Alfa e Beta. Questi Beta sono deboli, solo qualche centinaio di KeV e (per quanto rivelabili da un geiger) si confondono col fondo naturale al punto da non essere misurabili.

          Infine, i tubi geiger hanno un volume sensibile piccolissimo, forse mille volte inferiore rispetto al litro della nostra camera a ioni. Per cui in un ambiente dove misuriamo una disintegrazione di radon al minuto, un gaiger misurerebbe una disintegrazione ogni mille minuti (sedici ore) e questo conteggio verrebbe del tutto mascherato dai conteggi dovuti al fondo ambientale, cento volte più frequenti.

          • Anonymous says:

            Grazie ancora Livio e complimenti per il progetto. Siete un gruppo formidabile di appassionati.
            Personalmente sono estremamente incuriosito dal fenomeno Radon e dalla radioattività in generale.
            Purtroppo trovo che la realizzazione della camera di ionizzazione e dei moduli elettronici è molto laboriosa e fornisce un risultato di sapore hobbistico, ma credo di essere giunto alla fase finale.
            Mario

            • Livio says:

              Di hobbistico c’è solo il costo dei materiali. Quando è stata comparata con attrezzature professionali (non facciamo nomi per correttezza) è risultata superiore in tutto. Principalmente più veloce ma soprattutto usabile comodamente. Collegandola a Theremino Geiger, si ottiene un grafico già significativo in tempi brevissimi (mezz’ora), mentre altre camere “professionali” ancora ruminano al loro interno per poi dare, dopo molte ore, un singolo numero.

    • Pavel Provaz says:

      The chamber outer wall needs to be connected directly to amplifier ground pin, or connected to ground with minimum 100uF capacitor. OR you have to connect the minus of the amplifier to some external ground by wire. So 3 setups are possible and working. Otherwise you will experience very high noise.

      In fact, there needs not to be any shileding of the chamber, you can use only a single wall can. I have tested that and I’m still using it in one of my devices. But in that case (if there is not GND on the chamber wall, but positive or negative high voltage), you have to increase the output HV capacitor to 100uF, otherwise the noise will be very high (it acts in this case also as a high pass filter, connecting the chamber wall noise to ground. With this capacitor value the additional induced noise is reduced to not detectable and a single non grounded can can be used, but it is very dangerous and also the startup time is longer… I would recommend that only in case you are encorporating the radon meter into some insulated housing box. Also a 100uF cap for that high voltage is quite expensive. On the other side it is much easier to DYI.

      As mentioned above, I have also tested a configuration with a single grounded can wall and central electrode injected with high voltage. It works well and it is obviously much safer. But the S/N Ratio achievable with this setup is little lower (less than 70%) and also a performance in high humidities is little worse. And, of course, because in this case the chamber is of one potential, a higher calibration factor must be determined, because the whole chamber surface is active (There is no loss of ion stream at both chamber ends, as in original version).

      Heh, my name was translated automatically from Provaz to “Rope”, when entering the answer :-)

      • Livio says:

        We do not use a 1 uF capacitor bur only about 33 nF that is not dangerous. Then to reduce the noise we use a 10 to 100 Mega ohm resistor and a HiVoltage generator with a double stabilized power supply.

        But your solution with the central electrode charged with high voltage can work very well. Now we have no time, but sooner or later we will test this configuration and publish a modified version. Thanks for your tips.

  4. mario says:

    Livio, ho eseguito le prime prove della camera ionica, tuttavia, pur misurando l’alta tensione (sul TP) a circa 500VDC e l’amplificatore con le corrette polarizzazioni, non riesco a ottenere gli impulsi neppure dopo 30′ di attesa. Ho impostato ciò che mi sembrava più corretto (Ion Chamber sensor, etc) nel programma, utilizzando in HAL: pin1 – slot1 – counter mode sul master.
    Il master lampeggia velocemente, ma mi sembra che non arrivino mai impulsi. E’ possible avere un setup di esempio per il programma IonChamber.exe da utilizzare per il Radon ? Grazie.
    PS: dato che i moduli della Ion Chamber (HV e AMP) sono realizzati con componenti non SMD e quindi sono “alti”, risulta impossibile chiudere con il coperchio come indicato nel progetto. Ho dovuto aggiungere un altro coperchio come spessore, saldato agli altri due, per creare un gap. Se rimangono delle fessure occorre tapparle con nastro adesivo in Al o possono rimanere senza problemi ?
    Grazie ancora, Mario

    • Livio says:

      Ciao,
      se rimangono fessure, o non metti correttamente a massa tutti gli schermi, non funziona più niente.

      Se ci sono fili lunghi anche in questo caso non funziona.

      La camera è delicata e va montata senza fare “variazioni” rispetto al progetto.

      Se imposti uno Slot di uscita nel theremino geiger diverso da quello nell’hal allora non funziona (prova a batterle sopra, se gli slot sono a posto deve contare)

      Sull’hal devi impostare Counter e non CounterPU.

      Se proprio non funziona potrai mandarla a Alessio che te la metterà a posto.

  5. Anonymous says:

    Sarebbe interessante capire come siete arrivati ad usare 2.15 CPS/Bq/l. come fattore di taratura.

    • Livio says:

      Potrai chiederlo con più precisione a Marco Catalano di Lacerc (certificazioni OnLine):
      http://www.theremino.com/contacts/about-us#marco

      Per ora ti rispondo quello che ricordo…
      1) Il fattore di taratura è stato modificato per adeguarsi ai misuratori che contano anche le disintegrazioni dei discendenti del Radon. Non sarebbe giusto ma fanno tutti così.
      2) Il fattore attuale è quindi 0.43 CPS/Bq/l.
      3) Per arrivare a questo dato Marco ha preparato un apposito apparecchio con tubi, ventole e una sorgente di Radon. Poi è andato in un laboratorio a confrontarlo con altri misuratori sicuri. Non ricordo il nome ma mi pare fosse un laboratorio dell’Arpa.

      Se serve altro chiedi pure o scrivici a engineering@theremino.com

  6. Mario says:

    Livio, ho realizzato Theremino con la Ion Chamber per il Radon e, in seguito, essendo un grande appassionato di elettronica, ho pensato di collegare la Ion Chamber a una schedina dotata con LCD che ho disegnato appositamente per contare i CPM del sensore. Il microprocessore è un PIC16F876 che ho programmato con MPLAB-X in XC8. Il prototipo funziona bene e a ogni disintegrazione lancia un impulso su un LED e invia un click al buzzer piezo.
    Ora vorrei visualizzare non solo il valore CPM, ma anche la dose equivalente in uSv/h. Poi lo utilizzerò anche con un sensore Geiger (SBM-20) di cui è già nota la costante di conversione.
    Ma per la camera ionica come faccio a convertire i CPM in uSv/h ? Grazie e buon lavoro. Mario

    • Livio says:

      La formula grezza la puoi ricavare da ThereminoGeiger, ma ancora più facilmente ti consiglio di prevedere un numero K.

      Poi farai: uSv/h = CPM * K

      All’inizio imposterai K = 1.000 e poi lo modificherai per confronto con Theremino Geiger fino ad avere letture simili.

      Comunque senza Theremino Geiger che fa la media nel tempo e il grafico avrai dati grezzi e poco significativi. Sarebbe molto meglio usare un Tablet da 8 pollici da 49 Euro con Windows 10 e Theremino Geiger. Ti fornirebbero anche la alimentazione, la batteria a l litio e il suo caricabatterie da rete a norme CE, il touch screen, i suoni dei click, il Wifi se vuoi vederlo da lontano… Oppure, anche meglio un Meegopad da 80 euro che è piccolissimo e consuma solo 200 mA a 5 Volt.

      Il tutto controllabile da lontano con TeamViewer via Wifi e anche via Internet.

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