Un compteur Geiger modifié plus précis utilisant un nouveau microcontrôleur ST7

Cet article informe les lecteurs qui se sont intéressés ou qui s’apprêtent à le faire— à notre compteur Geiger ultrasensible EN 1407 (voir le numéro 94 d’ELM) que moyennant deux petites modifications ils pourront améliorer de façon significative la précision de cet instrument.

Quand on veut observer un phénomène comme les rayonnements ionisants (la radioactivité), il faut savoir que les grandeurs mesurées sont extrêmement variables car la désintégration nucléaire est un événement absolument aléatoire. Il peut donc arriver que, pendant un certain temps, le tube Geiger produise peu d’impulsions, en raison du très petit nombre de particules radioactives qui l’atteignent, alors que dans l’intervalle suivant l’instrument enregistrera un nombre d’impulsions plus important, le capteur étant bombardé par des particules plus nombreuses. Afin d’obtenir une mesure qui suive au plus près possible les fluctuations du phénomène, notre compteur effectue une série de comptages, avec des intervalles de dix secondes et fait le total des impulsions détectées pendant chaque intervalle. Il mémorise la valeur de chaque comptage et l’affiche sur le LCD. Il est en outre possible de réclamer à l’appareil la valeur de comptage maximale depuis la mise sous tension, valeur mise à jour automatiquement.
C’est justement à cause de la variabilité du phénomène radioactif que l’on peut constater un nombre élevé d’impulsions lors du passage entre un intervalle de comptage et le suivant.
Dans ce cas, le microcontrôleur qui gère l’instrument doit être le plus rapide possible, de manière à ce que pendant le bref délai courant entre un comptage et le suivant une partie des impulsions ne soit pas perdue, ce qui rendrait la mesure moins précise.
Or nous voyons bien que le micro ST6 utilisé jusqu’ici pour constituer le coeur de notre compteur Geiger EN1407, sans être frappé d’obsolescence, fatigue tout de même un peu, au sens où son successeur est capable de faire aujourd’hui bien mieux: après dix années de bons et loyaux services, en effet, le ST7 est à même de le remplacer. Il permet d’adjoindre à notre compteur les avantages tangibles suivants:
- Une meilleure précision de la mesure: le sous programme du micro est complètement modifié, ce qui permet de prendre en considération, pratiquement en temps réel, toutes les impulsions arrivant au capteur, indépendamment de leur quantité et du moment de leur arrivée; d’où une meilleure précision de la mesure de la radioactivité.
- Une signalisation de I’“overrange” (dépassement d’échelle): à l’occasion du changement de micro, nous avons ajouté l’indication sur l’afficheur LCD de I’“overrange” Gustement); ce dépassement se produit chaque fois que la valeur de l’intensité de la dose d’exposition mesurée dépasse 0,999 milliRoentgen/heure (dans ce cas le LCD affiche “out” pour indiquer que la valeur de radioactivité mesurée dépasse la capacité de lecture de l’appareil.
- Une compatibilité future: nous avons pensé qu’à l’avenir le ST6 serait de plus en plus difficile à trouver et que nos lecteurs ne pourraient plus utiliser les schémas de l’article du numéro 94 d’ELM. Avec le ST7, plus facile à trouver désormais, ce problème est résolu: nous avons donc réalisé une petite platine EN 1407 B, qui se superpose aisément à la platine de base de l’ancien appareil en prenant la place du “vieil” 1C2 ST6 (voir figures 6 à 10). Ajoutons tout de suite que cette modification facile à réaliser, ne vous coûtera en outre pas bien cher.

Figure 1: Voici (de même qu’en photo de première page) le compteur Geiger EN1407 décrit dans le numéro 94 d’ELM et que le présent article vous propose de modifier afin d’en améliorer les prestations. Les deux flèches rouges indiquent la position des deux fentes rectangulaires dans lesquelles vous devez faire levier avec la lame d’un tournevis lorsque vous souhaitez ouvrir le boîtier plastique.

Figure 2: Photo d’un des prototypes de la petite platine ENI4O7B que vous allez devoir réaliser si vous voulez améliorer votre compteur Geiger EN1407. Cette fois le microcontrôleur est un ST7 déjà programmé en usine EPI4O7B.
Mais cette superposition d’une petite platine comportant entre autres le nouveau micro ST7 n’est pas la seule modification proposée par cet article:
nous vous recommandons en plus de monter le tube Geiger proprement dit à l’extérieur du boîtier plastique, sur le côté, afin de le rendre, lors des mesures, plus sensible aux radiations (voir figures 11 à 15).
Nous nous sommes en effet récemment aperçus que le matériau plastique du boîtier donnait lieu à une atténuation de ces radiations reçues par le capteur La valeur affichée par le LCD était donc inférieure à la valeur effective, à cause du “blindage” opéré par le plastique du boîtier! En le mettant à l’extérieur, nous garantissons une exposition maximale du tube au rayonnement ionisant ambiant ... et le système à glissière que nous avons conçu (voir figures 11 à 14) permet de protéger le tube de la casse et des poussières en dehors des mesures.

Figure 3: Schéma électrique du circuit ENI4O7B où l’on aperçoit le compteur ICI 4040 et le nouveau microcontrôleur 1C2 5T7-EPI4O7B.

Figure 4: Brochages du com pteur 4040 et du microcontrôleur 5T7 vus de dessus et repère-détrompeur en U vers la gauche.

Figure 5a : Schéma d’implantation des composants de la petite platine ENI4O7B. En bas à droite les deux lignes de huit trous qui recevront les barrettes permet- tant la connexion de la petite platine avec la platine principale du compteur Geiger (ne les soudez pas maintenant). Ces barrettes seront soudées côté composants et sortiront côté soudures, leur partie libre femelle allant s’insérer dans le support de l’ancien 1C2 ST6 (ce dernier une fois déposé) par l’intermédiaire des doubles barrettes mâles/mâles (voir figures 7 à 10).
-----------------------
Liste des composants
EN14O7B
Ri 10k
R2 10k
R3 10k
Cl 100 nF polyester
C2 100 nF polyester
DS1 1N4148
ICi CMOS 4040
1C2 5T7-EP14O7B déjà
Divers:
support 2 x 8 broches
support 2 x 16 broches
barrettes à 8 broches doubles mâles
Note: les résistances sont des quart de W
programmé en usine
CONN1...barrette 2x8 broches mâ le/femel le
-----------------------------------------------
Le schéma électrique
Le schéma électrique de la modification principale (platine EN14O7B en remplacement du 5T6) est visible figure 3 avec la liste des composants:
le microcontrôleur est désormais le 5T7-EP14O7B 102 (le programme résident a changé lui aussi).
Afin de rendre les opérations de comptage plus rapides, nous avons fait seconder le micro par un compteur CMOS 4040 ICi. Comme nous l’avons dit, cette petite platine remplace le 5T6 dont l’ancien support reçoit les connexions électriques.
Il suffit donc d’extraire le “vieil” 5T6 et d’insérer à sa place la platine EN14O7B, selon les indications qui suivent.
La réalisation pratique
Distinguez bien les deux modifications que vous allez réaliser:
- le remplacement du microcontrôleur 5T6 par la platine EN14O7B; ce qui suppose 1) la réalisation de ladite platine et 2) sa mise en place sur la platine principale de compteur Geiger;
- le déport du tube Geiger de l’intérieur du boîtier plastique vers l’extérieur, dans une glissière aisément amovible.
La réalisation de la platine ENI4O7B
Voir les figures 2 à 5. Quand vous avez réalisé le circuit imprimé double face à trous métallisés dont les figures 5b-1 et 2 donnent les dessins à l’échelle 1:1 ou que vous vous l’êtes procuré, montez tout d’abord les deux supports de circuits intégrés et vérifiez ces premières soudures (ni court-circuit entre pistes ou pastilles ni soudure froide collée). Montez maintenant les quelques composants (tous face “composants”) comme le montrent les figures 5a et 2. Montez en premier les trois résistances, les deux condensateurs polyesters et la diode (attention à sa polarité, bague repère-détrompeur vers la droite), c’est tout, c’est terminé, Il ne vous reste qu’à insérer les circuits intégrés dans leurs supports, repère-détrompeurs en U vers la gauche. Laissez libres les seize (deux lignes de huit) trous en bas à droite qui recevront par-dessous les barrettes de connexion à la platine principale.
L’installation de la platine ENI4O7B sur la platine principale
Commencez par déposer l’ancien micro 1C2 ST6 (vous n’en aurez plus besoin), comme le montre la figure 6.

Figure 5b-1: Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la petite platine ENI4O7B, côté soudures où sortent les deux rangs de barrettes M/F.

Figure 5b-2: Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la petite platine ENI4O7B, côté composants où sont montés tous les autres com posa nts.

Figure 6: Prenez la platine principale de votre compteur Geiger; pour effectuer la modification vous devez déposer (extraire délicatement de son support) l’ancien microcontrôleur 1C2 ST6-EP1407 qui ne servira plus. Ensuite déposez le tube Geiger en enlevant ses deux colliers de contact et en le libérant de ses deux clips (supports) en plastique, puis ôtez également ces derniers du circuit imprimé (vous en aurez besoin pour fixer le tube Geiger à l’extérieur du boîtier plastique).

Figure 7: Retaillez (avec un cutter) la base adhésive de l’entretoise de façon à pouvoir la coller entre 1C5 et 1C6 (platine principale EN1407). Insérez les 2 x 8 broches des doubles barrettes mâles/mâles (CONN MLES), dans le support de 1C2 (débarrassé de son circuit intégré ST6) et, dans les broches libres de ces dernières, les deux rangées de barrettes (CONN FEMELLES).

Figure 8: Insérez l’entretoise adhésive dans le trou de la petite platine ENI4O7B et faites correspondre les 2 x 8 trous de cette dernière des deux rangées de barrettes (CONN FEMELLES) provenant du support de l’ancien 1C2.

Figure 9: Enlevez le papier de protection de la base adhésive de l’entretoise et collez-la dans la bonne position puis soudez les deux rangées de barrettes dans les 2 x 8 trous de la petite platine ENI4O7B (voir figure 5).

Figure 10: En haut nous avons récapitulé en vue éclatée les opérations précédem ment décrites (figures 7-8- 9) et en bas nous montrons l’aspect de ce travail achevé. Les deux platines ont été couplées électriquement et solidarisées mécaniquement.

Figure 11: Cette page montre les séquences de fixation du tube Geiger à l’extérieur (cette fois) du boîtier plastique du compteur. Cette fixation nécessite une double goulotte à glissière en plastique (une partie mâle et une partie femelle).

Figure 12: Fixez la partie femelle de la goulotte à glissière sur le côté du boîtier plastique du compteur Geiger au moyen de deux vis autotaraudeuses. Pratiquez quatre trous dans les positions indiquées: deux pour insérer les deux clips plastiques de maintien du tube Geiger et deux pour faire sortir les deux fils de contact (voir figure 6).

Figure 13: Prenez le tube Geiger que vous avez mis de côté (voir figure 6) et fixez-le à l’extérieur du boîtier plastique du compteur à l’aide de ses deux clips plastiques; puis remettez les deux colliers métalliques de contact en place autour des deux extrémités du tube, là où ils étaient précédemment (voir figures 8 et 9 pages 32-33 du numéro 94 d’ELM),

Figure 14: Quand le tube Geiger est ainsi fixé et connecté dans la partie femelle de la goulotte, insérez la glissière de protection (partie mâle de la goulotte). Avant d’effectuer une mesure, faites-la glisser de façon à exposer le tube au maximum de radiations; vous la refermerez ensuite pour le protéger des chocs
des poussières.

Figure 15: Photo d’un des prototypes du compteur Geiger EN1407 ayant bénéficié des modifications conseillées dans cet article (remplacement du microcontrôleur ST6 par la petite platine ENI4O7B et extériorisation du tube Geiger).

Suivez maintenant les opérations détaillées des figures 7-8 et 9 et récapitulées en figure 10. La liaison mécanique est assurée par une entretoise autocollante et la connexion électrique par des barrettes insérées entre l’ancien support de 102 (platine principale) et la petite platine EN14O7B.
Le déport vers l’extérieur du boîtier du tube Geiger
Commencez par déposer le tube Geiger (faites-le de préférence avant de monter la platine EN14O7B sur la platine principale) et ses deux supports en clips plastiques, comme le montre la description de la figure 6.
Suivez maintenant les opérations détaillées des figures 11-12-13 et 14 et dont le résultat final peut s’apprécier en figure 15. La liaison mécanique au bord extérieur du boîtier est assurée par une goulotte à glissière (type installation électrique ou autre cache-câbles) et les deux clips récupérés; la connexion électrique par les deux colliers internes
également récupérés.
Conclusion
Voici l’un des avantages de l’électronique amateur: les appareils que l’on construit soi-même ne deviennent jamais vraiment obsolètes car on peut les modifier en les améliorant pour qu’ils soient toujours à la pointe des technologies disponibles.

Publié dans Electronique-Magazine N°_98 _2007