Brojač ionizirajućeg beta i gama zračenja Belvar RKSB-104

Danas je nabavljen mjerač (brojač) čestica ionizirajućeg beta i gama zračenja oznake Belvar RKSB-104 (Белвар PKCБ-104). Uređaj je proizveden u Bjelorusiji (Minsk, Gomelj, Mogilev) i namijenjen za izvoz te se može naći pod različitim nazivima poput Gorin, Radian, Belwar, a uvozio ga je i njemački Voltcraft pod nazivima Dosimeter-Radiometer HS-036 ili PCK-104. Ovisno o izvoznoj inačici uređaj je mogao imati crvenu, plavu ili crnu boju kućišta te prilagođene natpise na prednjoj ploči. Naš primjerak datira iz 1991. godine, a proizvodio se još najmanje 10 godina.

Mjerenje radioaktivnosti, kao što smo već opisivali kod drugih mjerača, nije neka fiksna vrijednost koju možete brzo, jednostavno i precizno izmjeriti poput primjerice mjerenja napona. Potrebno je poznavati prirodu radioaktivnosti te utjecaj iste na ljudski organizam, a onda i razlikovati mjerenja i mjerne jedinice koje se vežu uz radioaktivnost. Stvari se ovdje usložnjavaju jer se za ista mjerenja mogu koristiti različite mjerne jedinice (stare, nove, veće, manje), a određena mjerenja su i u nekim matematičkim odnosnima sa drugim mjerenjima pa se mjerenjem jednih veličina mogu izračunati druge veličine. U osnovi treba razlikovati:

• Radioaktivnost (broj raspada atomske jezgre u jedinici vremena) – Bekerel (Bq) i Kiri (Ci), gdje je 1 Ci = 3,710¹⁰ Bq
• Ekspozicija (zbroj električnih naboja stvorenih u jedinici mase tvari pri prolasku rendgenskih ili gama zraka) – Rendgen (R) ili Kulon po kilogramu (C/kg)
• Apsorbirana doza (količina energije ionizirajućeg zračenja koju apsorbira tvar na koju zračenje djeluje) – Grej (Gy) ili Džul po kilogramu (J/kg), stara jedinica je “rad” (1 rad = 0,01 Gy)
• Ekvivalentna doza (apsorbirana doza sa uračunatim faktorom biološke štete koju određena vrsta zračenja uzrokuje ljudskom organizmu) – Sivert (Sv) ili Džul po kilogramu (J/kg), stara jedinica je “rem” (1 rem = 0,01 Sv)

Tako mjerač RKSB-104 omogućuje slijedeća mjerenja:

• Mjerenje ekvivalentne doze ionizirajućeg gama zračenja u rasponu 0,1 – 99,99 µSv/h (Sivert) što odgovara jačini ekspozicije u rasponu 10-9999 µR/h (Rendgen).
• Mjerenje intenziteta površinskog beta zračenja (radionuklida stroncija-90 i itrija-90) u opsegu 0,1-99,99 beta čestica u sekundi po centimetru kvadratnom površine (1/sec·cm²) što odgovara opsegu 6-6000 beta čestica u minuti po centimetru kvadratnom površine (1/min·cm²).
• Mjerenje specifične radioaktivnosti radionuklida cezija-137 sadržanog u različitim supstancama u opsegu 2 kBq/kg do 2 MBq/kg (Bekerel) što odgovara opsegu od 54 nCi do 54 µCi (Kiri).
• Mjerač se također može podesiti tako da stalno mjeri (prati) zračenje te oglašava zvučni alarm u slučaju detekcije ionizirajućeg zračenja iznad nekog podešenog praga u rasponu 0,1 – 16 µSv/h.

Kao što se vidi iz naše tablice, određivanje pojedinog načina rada mjerača RKSB-104 vrši se pomoću dvije sklopke na prednjoj ploči i osam mikrosklopki na zadnjoj strani uređaja.

Lijeva sklopka označena sa množiteljima zapravo određuje dužinu mjerenja, a time i veću ili manju točnost mjerenja. Vrijeme mjerenja je različito za različite vrste radioaktivnosti:

• ekvivalentna doza gama zračenje – 28 sekundi / 280 sekundi
• površinsko beta zračenje – 18 sekundi / 180 sekundi
• cezij-137 – 40 sekundi / 400 sekundi

U gornjem položaju sklopke je kraće mjerenje gdje se očitana vrijednost množi sa 0,01 (200), a u donjem položaju je duže mjerenje gdje se očitana vrijednost množi sa deset puta manjom vrijednosti 0,001 (20). Kod detekcije praga zračenja ova sklopka određuje grupu nižih pragova detekcije (0,1 – 1,6 µSv/h) ili grupu deset puta viših pragova detekcije (1 – 16 µSv/h).

Desna sklopka ima položaj “РАБ.” i “ДЕЖ.”. Razlika između ova dva mjerenja očituje se u akciji uređaja nakon završetka mjerenja. U položaju “РАБ.” nakon završetka mjerenja oglašava se isprekidani alarm u trajanju najmanje 15 sekundi (oko 10 bipova) i na displeju je prikazano slovo “F”. Kod dužih mjerenja, duže je i trajanje ovog alarma. Nakon isteka ovog vremena, brojač se automatski resetira i započinje novi ciklus brojanja. Položaj sklopke “РАБ.” koristi se za tri osnovna mjerenja (gama, beta i cezij-137).

U položaju “ДЕЖ.” nakon završetka mjerenja se ne oglašava nikakav alarm nego se brojač trenutno resetira i nastavlja novi ciklus brojanja. U ovom položaju rade samo kraća vremena mjerenja. Taj položaj se koristi za stalni monitoring gama zračenja i upozorenje alarmom samo ako koje mjerenje dostigne vrijednost veću od one koja je postavljena sklopkama S1-S4, odnosno u rasponu 0,1 – 1,6 µSv/h. Ovaj mod je predviđen za stalno nošenje uređaja u džepu prilikom kretanja po radijacijski opasnom terenu, gdje će nas alarm upozoriti ukoliko izmjerena vrijednost pređe postavljeni prag.

Sklopka dolje desno je baterijska sklopka za uključenje/isključenje napajanja.

Sa zadnje strane je osam mikrosklopki. Sa gornje četiri sklopke se kodira vrsta mjerenja. Sklopka sa oznakom БД uključuje ili isključuje oscilator kruga za visoki napon za napajanje GM cijevi te je stalno u položaju 1 (osim kad se koriste vanjske GM cijevi). Simboli pored ostale tri sklopke odgovaraju sklopki koja mora biti u položaju 1 za tu vrstu mjerenja, dok su ostale dvije sklopke u položaju 0. Sa donje četiri sklopke pak se kodira prag uključivanja alarma.

Svako od tri osnovna mjerenja ima svoje specifičnosti i treba se pridržavati osnovnih uputa kako bi mjerenje bilo što točnije. Gama zračenje ima najjači ionizirajući učinak te se mjerenje ekvivalentne doze gama zračenja vrši sa umetnutim poklopcem preko GM cijevi na zadnjoj strani uređaja. Poklopac se mora koristiti kako bi se blokiralo manje prodorno beta zračenje, a propustilo samo gama zračenje. U suprotnom se mjeri zajedno i gama i beta zračenje. Kod mjerenja samo beta zračenja pak je potrebno prvo izmjeriti gama zračenje (sa poklopcem), a onda i gama i beta zračenje zajedno (bez poklopca). Iz tog drugog zajedničkog rezultata se onda oduzme prvotno izmjereno gama zračenje tako da dobiveni ostatak čini samo ionizaciju beta zračenjem.

Tako je za površinsku kontaminaciju beta radioaktivnim radionukleidima potrebno izvršiti dva mjerenja. Prvim mjerenjem se mjeri eventualno prisutno pozadinsko ionizirajuće gama zračenje, a drugim mjerenjem se mjeri površinsko gama i beta zračenje. Prvo mjerenje gama zračenja se vrši na udaljenosti 110-120 cm od izvora sa umetnutim poklopcem preko GM cijevi. Drugo mjerenje površinskog beta zračenja se vrši na udaljenosti ne većoj od 1 cm od izvora i to sa skinutim poklopcem GM cijevi. Rezultat se dobiva tako da se vrijednost prvog mjerenja oduzme od vrijednosti drugog mjerenja i pomnoži sa odabranim množiteljem (0,01 ili 0,001).

Mjerenje specifične radioaktivnosti radionuklida cezija-137 sadržanog u ispitivanoj tvari vrši se na poseban način jer je to relativno slabo zračenje. Stoga ovo mjerenje traje najduže i GM cijevi moraju biti što bliže ispitivanoj tvari. U tu svrhu se koriste posebne posude napunjene sa tvari tako da se zadnja strana mjerača sa GM cijevima može cijelom površinom prisloniti na tu tvar. Slično kao i kod beta mjerenja tako je i ovdje prvo potrebno izmjeriti pozadinsko zračenje na način da se u posudu prvo ulije radioaktivno čista voda. Radi bolje preciznosti, vrši se pet mjerenja te se kao rezultat uzima srednja vrijednost tih mjerenja. Nakon dobivenih rezultata sa čistom vodom slijedi također pet mjerenja na ispitivanoj tvari te se i ovdje uzima srednja vrijednost. Od te vrijednosti se zatim oduzima vrijednost pozadinskog zračenja dobivena prvim mjerenjima, te se rezultat množi sa 20 ili 200 ovisno o odabranoj točnosti mjerenja.

Mjerenje specifične radioaktivnosti radionuklida cezija-137 sadržanog u ispitivanoj tvari.

Mjerač RKSB-104 se počeo masovno proizvoditi nakon nesreće u nuklearnoj elektrani u Černobilu (1986) kada je naglo porasla potražnja za takvim mjeračima. Osim radionuklida koji oduvijek prirodno postoje na zemlji ili nastaju kao posljedica djelovanja kozmičkih zraka, razvojem nuklearnih reaktora i testiranjem nuklearnog oružja stvoreni su i novi radioaktivni elementi koji su u određenoj mjeri oslobođeni u zrak, tlo i vode. Nataložena kontaminacija dalje se kroz hranu, vodu i biološke procese prenosi na sve biljke, životinje i ljude na zemlji.

Na Zemlji je do danas izvedeno preko 2000 nuklearnih pokusa (najviše SAD i bivši SSSR), trenutno je u stalnom radu preko 400 nuklearnih elektrana, a planira se gradnja njih još oko 150. Što se tiče većih ili manjih nesreća, registrirano je preko 150 nesreća u nuklearnim elektranama, od čega su dvije bile najviše 7. razine po INES skali: Černobil 1986. godine i Fukushima 2011. godine, a još šest nesreća je imalo veće posljedice na širi okoliš (razina 6. i 5. razina po INES skali).

Radionuklidi prisutni na Zamlji nastali isključivo ljudskim djelovanjem su stroncij 90, jod 129, jod 131, cezij 137, plutonij 239 i drugi. Radionuklid Cezij-137 zajedno sa Stroncijem-90 predstavlja najveći izvor radioaktivnosti nastao nakon Černobilske nesreće. Cezij-137 zrači beta i gama čestice, a prehrambenim lancem (mlijeko i meso) lako dospijeva u organizam čovjeka. Vrijeme poluraspada mu je 30 godina, a do potpunog raspada u Barij-137 (koji nije radioaktivan) može proći i nekoliko stotina godina. Stoga se mjerenjem količine Cezija-137 i Stroncija-90  obično mjeri kontaminacija nastala nakon nuklearnih nesreća pa su ovi radionuklidi i istaknuti kod našeg mjerača radijacije.

LCD displej mjerača RKSB-104 može prikazati četiri znamenke, simbol “+” ispred znamenki ako je prekoračen kapacitet brojanja (9999), slovo “V” za premali napon napajanja (istrošena baterija) i slovo “F” koje označava završetak mjerenja (brojanja) i prikaz konačnog rezultata. Ugrađeni zvučnik daje karakteristični zvuk “kvrckanja” za svaku detektiranu ionizirajuću česticu (koji je prilično tih) te zvukove (isprekidano ili kontinuirano pištanje) za označavanje završetka mjerenja ili za alarm prekoračenog praga detekcije.

Sada kada otprilike znamo što i kako možemo mjeriti našim mjeračem radijacije RKSB-104 idemo na zabavniji dio, a to je vidjeti od čega se isti sastoji.

U RKSB-104 su ugrađene dvije ruske GM cijevi tipa SBM-20 (СБМ-20) koje imaju slijedeće karakteristike:

• ukupne dimenzije cijevi – 108×11 mm
• efektivne dimenzije cijevi – 91×10 mm
• gustoća stjenke komore – 40 mg/cm²
• debljina stjenke komore – 0,05 mm
• materijal od kojeg je napravljena komora (katoda) – željezo, krom (nehrđajući čelik)
• plin kojim je ispunjena komora – mješavina neona, argona i broma
• kapacitet između anode i katode – 4,2 pF
• anodni otpornik – 5,1 MΩ (minimum 1 MΩ)
• početni napon (prag) – max 260-320 V
• napon platoa (radni napon) – 350 do 475 V
• porast brzine brojanja na naponu platoa – 0,01 %/V
• mrtvo vrijeme – max 190 µs
• očekivani životni vijek cijevi – 2 x 10¹⁰ impulsa (brojanja)
• temperaturno područje rada: -60 do +70°C

Značenje pojedinih karakteristika opisali smo u objavi Radiološki detektor DR-M3 gdje se onda ova cijev može usporediti sa Philipsovom GM cijevima oznake 18504, odnosno ZP 1400 ugrađene u detektore DR-M3. Međutim, DR-M3 i RKSB-104 su po namjeni dva posve različita detektora te imaju različitu konstrukciju i različite opsege mjerenja. DR-M3 je vojni detektor namijenjen za mjerenje kontaminacije nakon nuklearnog udara te mu je opseg mjerenja vrlo širok (od 50 µR/h do 500 R/h). S druge strane, RKSB-104 je više “mirnodopski” detektor prilagođen za preciznija mjerenja malih doza radijacije koja se nenamjerno ispuštaju i talože iz nuklearnih objekata. Stoga je opremljen sa dvije paralelno spojene GM cijevi da mu se poveća osjetljivost, a uz to mu se preko konektora na zadnjoj strani mogu dodati i vanjske GM cijevi. Opseg mjerenja mu je sukladno tome niži i uži, od 10 µR/h do 10 mR/h iako je lako proširiv na veće vrijednosti jer se brojač nakon dosegnute maksimalne vrijednosti automatski resetira i nastavlja ponovno brojati od nule. Također, mjerenje sa RKSB-104 je točnije jer se uzima prosječni rezultat u nekom vremenskom okviru. Za vojni detektor pak je bolja i povoljnija samo trenutna detekcija jer vojnik mora brzo proći kontaminiranim terenom tako da u realnom vremenu dobije okvirnu sliku o stupnju kontaminacije tla i objekata na širem području. Ni jedan ni drugi detektor ne služe za neka precizna mjerenja i tolerancije su im općenito dosta visoke. Precizna mjerenja se vrše posebnim laboratorijskim uređajima sa drugačijim tipovima detektora te specifičnim metodama u kontroliranim uvjetima.

U naš mjerač ugrađen je LCD displej tipa ИЖЦ14-4/7 sa četiri znamenke. Ovo je univerzalni displej za digitalne multimetre pa osim znamenki ima i simbole za većinu električnih mjernih jedinica (napon, struja, otpor, kapacitet, frekvencija, temperatura) kao i predznak -/+, simbol za izmjeničnu struju te simbol niskog napona baterije. Svi ti simboli ovdje nisu potrebni, pa se koristi samo simbol za napon “V” kao indikator niskog napona baterije (čudno da se za ovo ne koristiti originalni simbol), zatim simbol za kapacitet “F” kao indikator završetka ciklusa mjerenja i predznak “+” kao indikator prekoračenja kapaciteta brojanja (iznad 9999). Inače postoje displeji iz iste serije koji imaju simbole prilagođene upravo digitalnim mjeračima radijacije, no ovdje su se vjerojatno htjele utrošiti postojeće zalihe.

U mjerač RKSB-104 ugrađeno je ukupno 13 integriranih krugova. Rusi imaju vlastiti sistem označavanja logičkih integriranih krugova, vlastiti sistem naziva pojedinih logičkih vrata kao i vlastiti sistem crtanja logičkih simbola. Pokušali smo iskopati barem osnovni sadržaj ugrađenih logičkih čipova u naš uređaj:

• К176TM2 (x2) – dva D-flip flopa
• К176ТМ2 – dva D-flip flopa
• К1561ТЛ1 – četiri NAND Schmitt okidna sklopa
• К176ЛЕ5 – četiri NOR vrata sa dva ulaza
• К561ЛП2 – četiri XOR vrata sa dva ulaza
• К176ИЕ2 – binarni i dekadski brojač
• К176ИЕ12 – binarni brojač sa oscilatorom
• К176ИЕ4 (x5) – dekadski brojač sa dekoderom za 7-segmentni displej

Svi naši čipovi imaju prvo slovo “К” što znači da su namijenjeni za uređaje široke potrošnje u domaćoj industrijskoj proizvodnji. Slijedi broj 5 ili 1 koji označava grupu čipova (poluvodički čipovi), a ostali brojevi su tvornički brojevi razvojne serije ili skupine čipova. Dva slova koja slijede označavaju funkciju ili tip sklopova ugrađenih u čipove: ТМ – D-flip flop, ТЛ – Schmitt okidni sklop, ЛЕ – logička vrata ILI-NE, ЛМ – logička vrata ILI-NE/ILI, ИЕ – brojači. Brojevi na kraju su opet serijski brojevi koji označavaju neke karakteristike ili proizvodne grupe čipova.

Na osnovu elektroničke sheme priložene u knjižici sa Uputama uređaja RKSB-104 i nakon identifikacije integriranih krugova nacrtali smo blok shemu koja pokazuje da se ovdje zapravo radi o klasičnom digitalnom brojaču kojeg okidaju impulsi iz GM cijevi. Dodani su samo pomoćni sklopovi za detekciju niskog napona baterije i DC/DC pretvarač baterijskog napona od 9 V u napon reda 400 V potreban za rad GM cijevi. Pretvarač se sastoji od transformatora sa tranzistorskim oscilatorom na primaru i umnoživačem napona na sekundaru (vidi objavu Ionizator zraka – AETE). Kao tajmer se koristi integrirani oscilator/brojač kojemu je preko vanjskih RC elemenata određena vremenska konstanta za pojedine vrste mjerenja, a za deset puta brža mjerenja se koristi dekadski brojač (isti čipovi za dekadske brojače se koriste i za LCD prikaz). Za detekciju praga okidanja alarma koristi se poseban brojač/djelitelj. Kako smo opisali, tri osnovna mjerenja (gama, beta i cezij-137) imaju svoju logičku proceduru nakon završetka mjerenja, a mod detekcije praga ima svoju nešto drugačiju proceduru. Za te procedure (restart i start brojača, te generiranje LCD indikacije i alarma) osmišljeni su logički krugovi sa flip-flopovima i logičkim vratima koji se mogu pratiti po shemi pa ih mi ovdje nećemo detaljno razglabati.

Inače, u knjižici sa Uputama nisu dane vrijednosti ni oznake niti jedne elektroničke komponente što je prilično otežalo razumijevanje sheme, a o razumijevanju ruskog tehničkog jezika i ruskog načina crtanja logičkih shema ne moramo ni govoriti. Koga zanima može sam proučiti priložene Upute za RKSB-104:

Mjerač radijacije RKSB-104 je kao što smo vidjeli čisti brojač čestica, a kalibracija tog broja sa određenom vrijednosti izvedena je samom dužinom jednog ciklusa brojanja. Prednost ispred detektora sa kazaljkom se sastoji u tome što ovdje možemo uočiti praktično svaku česticu koja ionizira GM komoru. Neki nalaze zamjerku da se ovim uređajem ne može pratiti radijacija u realnom vremenu nego se samo dobiva prosjek za vremenske okvire 18-400 sekundi, ovisno o odabranoj vrsti mjerenja. To nije posve točno. Displej i zvuk se može pratiti čitavo vrijeme, te što će brojanje biti brže i zvučni klikovi gušći, to znači da je u tom trenutku zračenje jače. Ugrađeni tajmer ovdje svakako pomaže da se dobije točnije i realnije očitanje radijacije na nekoj točki mjerenja. Digitalni displej će ovdje prikazati baš svaku pojedinačnu ionizirajuću česticu kao povećanje broja za 1 kada god se ona pojavi, dok je kod analognih mjerača malu gustoću čestica vrlo teško detektirati, a pojedinačne čestice praktički nikako.

Kod nas su rašireni nekoliko desetljeća stari detektori radijacije iz vojnih otpisa (DR-M3, URD-500 DR-M1, RIK-T9, C.E.R.E.) te mnogi vlasnici od istih očekuju dobiti neki precizan i osjetljiv (vječan i nepoderiv) mjerač radioaktivnosti. Kao što smo već gore opisali, ti vojni uređaji nisu konstruirani ni za precizna ni za osjetljiva, a još manje za laboratorijska mjerenja. Oni su u prvom redu namijeni za detekciju postojanja visoke i opasne kontaminacije terena i objekata na širokom području i to gama zračenjem i jakim beta zračenjem. Želite li pak izmjeriti prirodno svemirsko ionizirajuće zračenje koja dolazi do vas, zračenje različitih svakodnevnih stvari, hrane i tekućina, odnosno tragove nataloženih i apsorbiranih radionuklida na tlu, vodi, biljkama, životinjama ili ljudima, ili ako se možda spremate turistički posjetiti kakvu kontaminiranu lokaciju nakon nuklearne havarije, onda je RKSB-104 definitivno bolji izbor za vas 🙂

U svrhu testa prvo smo izmjerili količinu kozmičkih i Zemljinih ionizirajućih čestica na 20 različitih (bliskih) lokacija preciznim gama mjerenjem. Mjerili smo unutar objekata, na otvorenom zemljištu, iznad tekuće vode, na tlu, u visokoj vegetaciji, danju i noću. Dobili smo brojke od 126 do 176 čestica u 280 sekundi. Preračunato, to je prosječno zračenje jačine 0,15 µSv/h, odnosno 3,6 µSv/dan, odnosno 1,31 mSv godišnje. Prema podacima iz Wikipedije stanovništvo Hrvatske od vanjskog ozračivanja primi dozu od 0,66-1,30 mSv godišnje tako da se naši podaci uklapaju u tu statistiku. Inače, najmanja kratkoročno primljena ekvivalentna doza koja može izazvati vidljive neposredne posljedice (privremenu promjenu krvne slike i mučninu) iznosi približno 500 mSv godišnje. Doza od 4 Sv smrtonosna je za 50 % ozračenih. Za čovjeka je smrtonosna ekvivalentna doza od oko 10 Sv primljena kratkoročno po cijelom tijelu.

Iz ovog mjerenja se također vidi koliko je važno prije mjerenja beta zračenja, prvo izmjeriti stalno prisutno gama zračenje kako bi oduzimanjem učinka gama čestica dobili samo čisti učinak beta čestica. Naime, GM cijev ne može razlikovati (selektirati) vrste ionizirajućih zračenja, pa se koriste metalne blokade (filtri) ispred GM cijevi da se spriječi ulazak manje prodornog beta zračenja i time filtrira prolaz samo gama česticama. Također, što je mjerenje duže i što napravimo više mjerenja to ćemo dobiti i točniji rezultat je kozmičko zračenje nije posve ujednačeno cijelo vrijeme na svakoj točki mjerenja.

Za mjerenje beta zračenja poslužili kontrolnim radioaktivnim izvorom stroncij-itrij-90 sadržanim u kompletu Radiološkog detektora DR-M3. Kontrolni izvor bi trebao davati beta zračenje jačine 1900 µSv/h, no riječ je o najmanje 40 godina raspada pa je taj izvor sada ekspozicije 85 µSv/h mjereno na samom DR-M3 (vrijeme poluraspada stroncija-90 je 28,5 godina). Međutim, naš RKSB-104 nema baždaren opseg za mjerenje beta zračenja u neku mjernu jedinicu za ekspoziciju zračenja, već daje broj  beta čestica u sekundi po centimetru kvadratnom površine, dakle gustoću površinskog zračenja ili površinsku kontaminaciju beta zračenjem.

Generalno gledano RKSB-104 je dizajniran za mjerenje radijacije nastale nakon nekog nuklearnog izvanrednog događaja (mirnodopskog). Stoga je baždaren na karakteristične radionuklide najopasnije za čovjeka koji nastaju kod takvih događaja (stroncij-90, itrij-90, cezij-137), a i sam postupak mjerenja je prilagođen tako nastalim uvjetima na terenu. Svi današnji planovi za nuklearne izvanredne događaje koriste mjernu jedinicu µSv/h za gama zračenje na 1 m od tla ili izvora i mjernu jedinicu broj čestica ili impulsa u sekundi za beta površinsku kontaminaciju.

Mi ovdje ne možemo izravno pretvoriti 85 µSv/h izmjerenih sa DR-M3 u broj čestica po centimetru kvadratnom površine kako mjeri RKSB-104 jer bi za to trebali znati konstante samih GM cijevi za tu vrstu zračenja i prema tome izvršiti baždarenje mjerača prilagodbom duljine vremena mjerenja. Drugi problem je što je naš radioaktivni izvor točkast sa kružnim otvorom promjera 4 mm. On je kao takav prilagođen isključivo za kalibraciju GM cijevi 18504 ili ZP 1400 ugrađene u detektore DR-M3 i to kalibracijsko očitanje se ne može uspoređivati sa drugim tipovima GM mjerača. Naš RKSB-104 ima dvije razmaknute GM cijevi posve drugačijeg oblika i kao takav je kalibriran za mjerenje na većim kontaminiranim površinama (barem koliko su dimenzije kućišta mjerača), a ne na sitnim točkastim izvorima.

Uglavnom opći rad brojača može se ispitati i takvim izvorom, pa smo mi sa našim RKSB-104 izmjerili da je površinsko beta zračenje našeg kontrolnog izvora nešto iznad 220 impulsa u sekundi (namjerno nećemo reći po centimetru kvadratnom površine jer nismo imali dovoljnu površinu za točno mjerenje). Brojač je dakle u vremenu mjerenja od 18 sekundi dva puta izbrojao pun kapacitet znamenki i krenuo sa trećim brojanjem. Zgodno je kod brojača RKSB-104 upravo to što se nakon izbrojenog punog kapaciteta (9999) automatski resetira na 0000 i nastavlja dalje brojanje. Prvi reset označen je znakom + ispred znamenki, a lako je brojati i sva naredna resetiranja ako je mjerena radioaktivnost toliko velika. Time se zapravo mjerni opseg RKSB-104 može proširiti sve do granice koju određuje sama brzina GM cijevi (mrtvo vrijeme), no moramo biti realni da na tako jako kontaminirana područja sasvim sigurno nećemo izaći sa ovakvim mjeračem 🙂

Inače površinska kontaminacija hrane iznad 20 beta impulsa u sekundi je već prilično opasna za zdravlje, a da smo na nekoj stvarnoj kontaminiranoj površini izmjerili ovih preko 200 beta impulsa u sekundi to područje bi moralo biti evakuirano. Za usporedbu, kod mjerenja stalnog kozmičkog zračenja uhvatili smo prosječno 1 impuls u dvije sekunde, a kod mjerenja kontrolnog beta izvora u te dvije sekunde uhvatili smo gotovo 500 impulsa.

Kad sagledamo princip rada digitalnog mjerača ili brojača radijacije zapravo vidimo koliko je istog lako proširiti glede maksimalnih mjernih vrijednosti (dodavanjem novih segmenata dekadskih brojača) ili modificirati na različite mjerne jedinice (promjenom vremenskog okvira jednog mjerenja). Točnost mjerenja naravno ovisi o kalibraciji, no i uz najprecizniju kalibraciju sve opet jako ovisi o obučenosti samog operatera i shvaćanju ograničenja koje određeno mjerenje povlači sa sobom. Ovo je tip mjerenja gdje su rezultati to precizniji što je mjerenje duže i što je veći broj ponovljenih mjerenja.

RKSB-104 je prvi digitalni mjerač radijacije koji smo pobliže razmotrili i puno više nam se dopada od prethodno opisana četiri analogna mjerača radijacije. Za “kućnu” upotrebu svakako nam treba mjerač, brojač ili detektor koji je sposoban registrirati svaku pojedinačnu ionizirajuću česticu koliko god se ona rijetko pojavljuje jer tu više radimo sa malim “neopasnim” svakodnevno prisutnim radijacijama u našem okružju, gdje je broj čestica u minuti nekad i manji od deset. S druge strane, uređaji koji mjere velike i smrtonosne doze zračenja nakon velikih nuklearnih havarija i eksplozija namijenjeni su obučenoj i uvježbanoj vojsci i profesionalcima, te se iskreno nadamo da nikad neće morati biti upotrijebljeni za nikakve druge svrhe osim za čisto tehničko proučavanje njihove unutrašnje građe kad jednom završe u otpisu 🙂

Problem sa našim uređajem Belvar RKSB-104, a vjerojatno i sa drugim inačicama, je vrlo slaba (praktički nečujna) zvučna indikacija detektirane ionizirajuće čestice. Kod većine mjerača radioaktivnosti navikli smo na karakteristično zvučno pucketanje (krckanje) koje se pojavi prilikom detektiranja ionizirajućih čestica. Po frekvenciji ponavljanja tih zvukova onda okvirno možemo procijeniti da li se nalazimo u području rjeđeg ili gušćeg prodora ionizirajućih čestica.

Razmatrajući elektroničku shemu koju smo dobili u uputama, uočili smo da ista u nekim dijelovima ne odgovara stvarnoj montažnoj shemi našeg uređaja Belvar RKSB-104. Na internetu smo pronašli modifikaciju sheme koja je bliža našoj inačici uređaja. Razlike se posebno očituju upravo u dijelu procesuiranja signala iz GM cijevi za brojače i zvučnu indikaciju i one nisu male. To moguće znači da je kod nekih inačica RKSB-104 problem zvučne indikacije izraženiji nego kod drugih inačica.

Jedna od inačica elektroničkih shema za detektore ionizirajućeg zračenja (radijacije) serije RKSB-104 koja više odgovora našoj inačici uređaja.

Kod naše inačice RKSB-104 zvučna indikacija pojedinačnih čestica je izuzetno slabo čujna, a uz to, osim zvuka čestica stalno je prisutan i neki kontinuirani zvuk takta od oko 2 Hz. Također, izvedba izlaznog zvučnog kruga kojeg čini kombinacija oscilatora i piezo-zvučnika je prilično neuobičajena i nismo je do sada vidjeli ni u jednom drugom uređaju.

Naime, piezo-zvučnici se obično proizvode u dvije izvedbe: Kao samostalni zvučnici sa dvije (tanke, okrugle) metalne vibrirajuće pločice ili kao gotove zujalice gdje se u istom kućištu nalazi piezo-zvučnik i tranzistorski oscilator. Kad je zvučnik samostalan, da bi proizveo neki kontinuirani ton, na njega se mora dovesti izmjenični napon u čujnom audio opsegu. Gotove zujalice pak imaju vlastite oscilatore izmjeničnog napona obično frekvencije 1-3 kHz i one prorade čim se na njih spoji istosmjerni napon napajanja (obično 5-12 V). Kako bi ugrađeni oscilator u takvim zujalicama bio što jednostavniji (jeftiniji), na piezo-zvučniku je izveden dodatni treći segment preko kojeg se uzima napon povratne veze za podržavanje oscilacija. Tako je za čitav oscilator (pojačalo) dovoljan jedan tranzistor i tri otpornika. Ovakve zujalice smo opisali u objavama Žični telefonski aparati i Zvučni alarm upozorenja. Oba tipa piezo-zvučnika, kako oni sa ocilatorom tako i oni bez njega imaju dva izvoda, a razlika je u tome što je prvi napaja istosmjernim, a drugi izmjeničnim naponom.

Kod našeg RKSB-104 pak se koristi piezo element sa pločicom za povratnu vezu smješten u zatvoreno metalno kućište, no u isto kućište nije ugrađen i uobičajeni tranzistorski oscilator. Stoga naš piezo zvučnik ima tri izvoda. Najbolje radi na frekvencijama 1-3 kHz, a puna snaga zvuka se dobije na amplitudi od 5 V. Kao vanjski oscilator koristi se spoj sa logičkim NAND vratima. To je u osnovi posve uobičajen spoj RC spoj oscilatora sa NAND logičkim vratima, no donekle modificiran tako da ga podržavaju oscilacije povratne veze sa piezo-zvučnika. Inače, ovdje bi sasvim dobro radio i bilo koji obični piezo-zvučnik sa dva izvoda ili je umjesto NAND vrata mogao biti upotrijebljen jedan tranzistor.

Snimak signala alarma (završetak mjerenja) koji dolazi na piezo zvučnik. Ovo je čisti pravokutni signal amplitude 9 V (napon napajanja) te je jačina zvuka maksimalna.

Snimak signala detekcije ionizirajućih čestica. Ovo je kratkotrajno istitravanje maksimalne amplitude 1,3 V koje proizvede tek jedva čujni “kvrc” u piezo zvučniku. 

Osciloskopom smo snimili signale koji se pojavljuju tijekom zvučnih alarma i signale koji se pojavljuju kod detektiranja pojedinačnih čestica. Vidimo da za alarm dobivamo kontinuirani pravokutni signal amplitude napona baterija (9 V) koji osigurava maksimalnu jačinu zvuka. Međutim, signal detekcije čestica je amplitude svega 1,3 V i vrlo kratkog je trajanja oko 1 ms. Također, to nije kontinuirani signal već neko istitravanje frekvencije oko 8,8 kHz. Ovakav signal sasvim sigurno ne može pokrenuti oscilator piezo-zvučnika ni približno u punom kapacitetu.

Na slici smo označili točke i elemente koji pripadaju oscilatorskom krugu piezo-zvučnika. Bilo kakvim malim audio pojačalom vrlo lako možemo pojačati slab signal detekcije čestica, no nikako ne možemo eliminirati i dodatne klikove koje proizvodi generator takta jer su približno iste amplitude. Stoga smo odustali od pojačanja signala izravno sa zvučnika ili GM cijevi i odlučili uzeti čisti signal koji služi za okidanje samog brojača i prikaz brojčanih vrijednosti na LCD displeju.

Okidni impuls za decimalne brojače.

Prvo smo osciloskopom snimili okidni impuls za decimalne brojače. Kao što se vidi, brojači se okidaju logičkim nulama, a impulsi traju 270 µs. Ako takve impulse želimo iskoristiti za pokretanje zvučnika svakako ih prvo moramo invertirati u pozitivne impulse (logičke jedinice). Impulsni od 270 µs su vrlo kratki i u tom vremenu tonski oscilator ne može proraditi. Testom smo našli da je za pokretanje našeg tonskog oscilatora potreban pozitivni impuls (logička jedinica) u trajanju od najmanje 30 ms. Međutim, tako dugački detektorski impuls će se na povećanoj učestalosti čestica vrlo brzo pretvoriti u kontinuirani ton.

Karakteristični zvuk kod većine detektora ionizirajućeg zračenja zapravo se i ne proizvodi pomoću nekog posebnog audio oscilatora. Ono što čujemo u zvučniku, poput kvrckanja, to je samo jedna oscilacija koju proizvede svaki pojedinačni istosmjerni impuls nastao prilikom prolaska pojedine čestice. Membrana zvučnika je pri tome samo jednom privučena i jednom otpuštena i to je dovoljno za stvaranje zvuka. Ovo zvučnu indikaciju čini najjednostavnijom za izvedbu i obično je dovoljan svega jedan tranzistor (vidi shemu Radiološkog detektora URD-500 DR-M1). Kratak istosmjerni impuls će se svakako nešto slabije čuti od kontinuiranih oscilacija na rezonantnoj frekvenciji piezo-zvučnika, a jačina zvuka naravno ovisi o naponu napajanja i tipu upotrijebljenog zvučnika.

Prilikom testiranja, pomoću generatora funkcija simulirali smo različite širine i amplitude impulsa za pokretanje piezo-zvučnika na našem RKSB-104, kako izravno tako i preko internog oscilatora, te smo isprobali drajverske sklopove sa tranzistorima, operacijskim pojačalima, audio pojačalima i logičkim krugovima (inverteri sa NOT i NAND vratima). Također smo isprobali i više tipova piezo zvučnika i zujalica, kao i male elektrodinamičke zvučnike. Na kraju smo došli do zaključka da svi ovi sklopovi daju približno iste rezultate, a jednako tako nema ni velikih razlika glede upotrijebljenog tipa (malih) zvučnika. Veliki osjetljivi zvučnici naravno proizvode jače zvukove no oni se nikako ne mogu ugurati u naš uređaj, a jednako tako ni neki veći elektronički sklopovi. Stoga smo odlučili zadržati postojeći piezo zvučnik na koji ćemo napon dovesti preko jednostavne tranzistorske sklopke koja ovdje ujedno služi i kako inverter.

Kako bi dobili puni napon i najjači mogući zvuk, signal smo doveli na ulaz postojećeg NAND oscilatora. Naime, izravno dovođenje signala na zvučnik remeti rad oscilatora i samog zvučnika za alarm, pa bi morali koristiti poseban piezo-zvučnik ili odvajanje signala kondenzatorom. Za dodatni zvučnik nema mjesta, a odvajanje kondenzatorom osim što prigušuje amplitudu i sužuje širinu izlaznog impulsa, također i mijenja frekvenciju internog oscilatora. Evo kako izgleda montaža našeg tranzistora na pločicu uređaja.

Sa naponom od 9 V i postojećim piezo zvučnikom nemoguće je proizvesti jači zvuk od ovog dobivenog našom modifikacijom. Istina, nešto jači zvuk detekcije čestica dobio bi se produženjem trajanja impulsa sa 270 µs na 30 ms koliko je potrebno da proradi oscilator. Međutim, time dobivano “nekarakteristični” ton indikacije (pištanje umjesto kvrckanja), a kod povećane frekvencije impulsa ti zvukovi se brzo stope u kontinuirani ton.

Naravno, jačini zvuka ne pomaže ni činjenica da na prednjoj ploči nema otvora za zvučnik čime je zvuk dodatno prigušen u zatvorenom kućištu. Ipak, ovom jednostavnom modifikacijom pojačali smo jedva čujni zvuk detekcije na jačinu koja se sasvim dobro može čuti i na nekoliko metara oko uređaja.

Na  popravak je došao još jedan Belvar RKSB-104. Osim što se karakteristično za ove modele ne čuje zvučna indikacija detektirane ionizirajuće čestice, ovdje je došlo i do djelomičnog oštećenja LCD displeja.

Na displeju se uočavaju neke svijetle mrlje što je vjerojatno prljavština sa unutrašnje strane zaštitne plastike, no tamne mrlje ispod prve znamenke ukazuju na razlijevanje samih tekućih kristala uslijed fizičkog oštećenja unutrašnje strukture LCD displeja.

Unutrašnja struktura oba primjerka uređaja Belvar RKSB-104 je ista, postoje tek neke male razlike u ugrađenom tipu (proizvođaču) pojedine pasivne komponente.

Prljavština koja se zavukla na prozorčić displeja potječe od raspadnutog spužvastog materijala koji je bio zalijepljen u prostor za smještaj baterije.  

Tamne mrlje pak ukazuju na unutrašnje oštećenje integriteta slojeva samog LCD-a. Tekući kristali koji su procurili iz ITO maske (elektroda) nisu više ispravno polarizirani i ne nalaze se na području između elektroda. Stoga se vide kao stalne tamne mrlje. Na slici se također vidi djelomično odlijepljena ljepljiva traka kojom je polarizacijski filtar pričvršćen za vanjsku staklenu površinu unutrašnje strukture displeja. 

Ovdje smo skinuli polarizacijski filtar sa displeja i namjestili kut svjetla tako da se vidi oblik ITO elektroda. Jasno se vidi da je oštećenje na mjestu mrlje unutrašnje i time nepopravljivo. Kristali su djelomično iscurili sa donja dva segmenta prve znamenke.

Polarizacijski filtar postavljen koso, vodoravno i okomito na dijelu površine displeja.

LCD displeji se izrađuju posebnim tehnikama, postupcima i alatima u specijaliziranim tvorničkim pogonima i jednom kada su sastavljeni više se ne mogu rastavljati, popravljati i slično. Kod nekih displeja, poput ovog našeg, moguće je jedino razdvojiti i zamijeniti vanjske polarizacijske filtre i reflektirajuće folije. Polarizacijski filtri se danas čak mogu i kupiti te izrezati na potrebne dimenzije, a zatim i zamijeniti na nekom displeju gdje je možda došlo do ogrebotina ili nekog sličnog oštećenja vanjske površine. Međutim, kod novijih displeja polarizacijski film nije u obliku zasebne folije nego se nanosi poput boje na vanjsku staklenu površinu displeja. Čak i ovdje, u slučaju većih ogrebotina toga sloja, ima pokušaja skidanja (grebanja) toga sloja do kraja i zamjena istog polarizacijskim filmom (folijom). No, unutrašnja oštećenja na slojevima gdje su izvedene ITO elektrode i naneseni tekući kristali, jednostavno nije moguće sanirati niti jednim postupkom. Našao sam negdje na pokušaje “centrifugiranja” ili “vakuumiziranja” takvih razlivenih LCD-ova ne bi li se tekući kristali raspršili ili natjerali natrag u svoje komore. Od ovakvih postupaka nema rezultata jer se jednom fizički uništena mikroskopska struktura LCD-a ne može više popraviti. Inače, ovakvo razlijevanje LCD kristala je česta pojava na kraju životnog vijeka LCD-a, posebno ako već i tvornički nisu kvalitetno proizvedeni ili su bili izloženi niskim ili visokim temperaturama, prekomjernim mehaničkim naprezanjima, sunčevom (UV) zračenju i slično. Propadanje LCD displeja prilično je izražena pojava na ruskim uređajima iz 1980/90-tih godina.

Zamjena postojećeg displeja također često može biti praktično neizvediva. Postoje na milijune različitih (iako na prvi pogled vrlo sličnih) numeričkih LCD displeja, a za zamjenu je uvijek potreban potpuno isti tip kao što je i original. U našem slučaju ugrađen je ruski displej oznake ИЖЦ14-4/7 koji je očito bio predviđen za ugradnju također i u druge električne mjerne instrumente i multimetre. To je displej sa četiri 7-segmentnih znamenki svaka sa decimalnom točkom, a uz to sadrži još 17 različitih znakova i simbola (prefiksi i sufiksi). Vjerojatno ne postoji zamjena za ovaj displej izvan ruskog tržišta, a upitno je da li se i tamo više proizvodi ovaj tip displeja.

S električne strane gledano, originalni displej na RKSB-104 nije nikakav problem zamijeniti sa bilo kojim drugim sličnim ne-multipleksiranim displejom, no s praktične strane može biti vrlo teško i mukotrpno sve namjestiti i ugurati tako da stane u raspoloživi prostor. Sve naravno ovisi o tome koliko je kontrolnih linija (pinova displeja) potrebno premjestiti sa originalnih pozicija. Ovo bi bilo isplativo raditi za neki rijedak i skup instrument, no Belvar RKSB-104 ipak ne ulazi u tu kategoriju.

Pretraživanjem interneta nismo našli displej koji bi bio makar sličan ovom ruskom ИЖЦ14-4/7. Displeji sa četiri pune znamenke obično imaju 40 pinova, no s obzirom da naš displej uz znamenke ima desetak dodatnih simbola, onda ima i 50 pinova. Zamjena bi zahtijevala prespajanje gotovo svih pinova pojedinačnih LCD segmenata za što u unutrašnjosti uređaja nema mjesta. Jedini način je napraviti adapter svih spojeva preko neke tanke tiskne pločice. Međutim, za ovaj uređaj je teško naći strukturalno i po dimenzijama čak i neki slični displej jer su nam potrebna tri dodatna simbola što standardni displeji sa 4 znamenke obično nemaju. Možda se jednom nabasa na kakav neispravni ruski multimetar iz 1990-tih godina koji bi mogao imati ovakav displej. Za sada pak je displej najbolje ostaviti ovako kako jest jer oštećenje ne utječe previše na čitljivost znamenki.

***

Što se tiče dobivanja tonova detekcije ionizirajućih čestica u našoj prvoj modifikaciji upotrijebili smo tranzistor kojeg okida negativni impuls za brojače (dobiven iz flip flopa) i koji onda dalje okida tonski oscilator sa logičkim NAND vratima. Tranzistor smo upotrijebili kao inverter negativnih okidnih impulsa u pozitivne. Međutim, ovdje je moguće primijeniti i jednostavnije rješenje. D-flip flop ima dva izlaza: pozitivni i negativni (invertirajući). Umjesto da koristimo negativni izlaz koji se koristi i za brojače, mogli bi iskoristiti njegov pozitivni izlaz. Time nam tranzistor kao inverter više nije potreban i dovoljno je ostaviti samo diodu.

Modifikacija korištenjem negativnih impulsa za brojače.

Modifikacija korištenjem pozitivnih impulsa sa izlaznog D-flip flopa prema brojačima.

Modifikacija korištenjem pozitivnih impulsa sa izlaznog D-flip flopa prema brojačima uključuje dodavanje samo jedne signalne diode opće namjene (1N4148).