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利用图像传感器自制氡检测仪

  

 

  今天我们来分享一篇自制氡检测仪的文章,收获还是蛮多的,学到了不少东西,过去,我设计了很多氡检测仪,制作过程让我有机会开展多学科项目,同时产生社会效益。岩石和土壤会天然地挥发放射性气体氡,若在建筑物中积聚到一定程度,则会产生危害。世界卫生组织估计,高达14%的肺癌是由氡接触引起的。在加拿大卡尔顿大学工作期间,我在设计中使用了定制集成电路和专门程序化的微控制器,但我又在考虑如何利用散落在地下室的备用零部件造一台检测仪。

  事实证明,用5个基本部件就可以制作一台物美价廉的氡探测仪:一个网络摄像头、一个用铜箔胶带和铜网罩住的漏斗、用一些基本电气元件做成的电压倍增器、一个盒子和一台计算机。

  这个系统的工作原理是氡及一些氡子体在衰变时会释放α粒子。氡气被吸入人体后,这些α粒子是造成人体组织损伤的最大诱因。α粒子在撞击很多网络摄像头中心的互补式金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片时会产生大量的电子空穴对。这种电子空穴对显示为发光像素。

  α粒子穿透固体物质的能力较弱,所以必须去掉网络摄像头图像传感器的防护罩。我使用了一个备用的微软LifeCam VX-2000网络摄像头(网上售价约20~30美元),用德雷梅尔工具切掉防护罩,用绝缘胶带粘住LED指示灯。

  将改造过的网络摄像头放入通风的暗箱内,用USB连接线将其连接至一台计算机,这样氡检测仪就准备就绪了,但它的灵敏度非常低。为了提高灵敏度,我又加入了一个静电集中器,捕捉释放α粒子的一个氡子体。

  氡衰变为钋218后,钋通常带有一个正电荷,因此可利用适当形状的电场使其向摄像头图像传感器移动。只需一些铜箔胶带(VentureTape 1626)和一个粉体漏斗(我刚好有一个耐洁4252-0100粉体漏斗)就可以做一个双电极静电集中器,从而产生适当形状的电场。我在漏斗内壁也使用了铜箔胶带,以确保两个电极保持电接触。我使用的底电极的大小和间距都为15毫米,然后将铜网盖在顶部,将几个点焊住,就完成了。

  

 

  为了了解集中器的表现以及需要的电场强度,我用Comsol多物理场仿真软件进行了建模。对于10厘米高的集中器,估计每米50伏的电场强度足以捕获带电的钋218。要形成这个电场,集中器的电极需要有较高电压,但这一点并不难,因为两个电极之间实际不会接通电流。

  我组装了一个12级的科克罗夫特-沃尔顿电压倍增器,由向Triad Magnetics SP-4音频变压器馈送信号的双极555定时器驱动。电压倍增器将15伏的电压转换为集中器上下两个电极所需的1370伏和990伏。在处理这么高的电压时需要小心,但电压倍增器输出的电流非常少,偶然触碰不会致命。我还用了小电容(1毫微法拉)来避免危险的电荷积累。但还是要很小心,如要继续,后果自负。利用高压集中器将检测仪的计数率提高了25倍甚至更高。这对旧漏斗和铜箔胶带来说已经很不错了!

  我用Matlab软件控制网络摄像头并进行数据分析。因为图像传感器也有可能检测到相互作用不太强的β粒子,于是我设置了较高的检测门限(像素被α粒子击中的指标),以避免受到噪声和β粒子的影响。同时,在传感器被α粒子击中时,整个相邻的像素群通常都会记录相关影响,所以必须确定像素群,以避免过量的撞击。我使用8-最近邻算法来确定像素群,总共用了约100行代码。

  

 

  用Safety Siren Pro Series3氡检测仪(约130美元)进行校准,我自制的系统在氡含量为每立方米159贝克的环境中每小时可记录5.2次α撞击。以这种灵敏度,确定氡含量是否达到美国国家环境保护局建议可提起诉讼的水平,大约需要20小时,精确度约为10%。

  (对于如何改进这个检测仪,我考虑用静电建模软件来优化集中器的形状、电极的大小以及电压,提高检测仪的效率。还可以进行严格校准,观察检测仪活动与温度、湿度和空气中颗粒物的依赖关系,这一定也很有意思。)

  如果你自制了类似的检测仪,而检测仪读数开始增高,那么就联系专业人员(或买一个校准的检测仪)吧,家中的氡含量可能过高了。

  作者:Ryan H. Griffin

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