Code Monkey home page Code Monkey logo

universalscientifictechnologies / geodos01 Goto Github PK

View Code? Open in Web Editor NEW
4.0 5.0 5.0 30.51 MB

Stand-alone outdoor ionizing radiation detector for Earth surface measurements

Home Page: https://www.ust.cz/UST-dosimeters/GEODOS/

License: GNU General Public License v3.0

OpenSCAD 0.13% C++ 0.95% Jupyter Notebook 10.19% C 3.12% JavaScript 0.01% Nix 0.01% G-code 85.59% Python 0.01% Shell 0.01%
scintillation-detector cosmic-rays scintillation-crystal sipm-detector iot-application iot-device iot

geodos01's Introduction

GEODOS01B - Stand-alone ionizing radiation monitor

Open-source scintillation detector of ionizing radiation. The device can be further modified according to specific requirements. The character of its construction makes it especially suitable for placement into mountains for in-field measurements

GEODOS01A Installed on Polednik site

If you need a fully automatic ionizing radiation dosimeter-spectrometer device (with internal logging and a backup power supply) or a device designed for outdoor use without the possibility of connecting to a power supply and data network GEODOS01 might be a better option. We can help you in choosing the most suitable device or even design and develop a new one according to your requirements. In either case, reach us using email [email protected].

Locations

GEODOS devices are mounted in multiple significant locations around Europe at this moment.

Chernobyl Red Forest

One GEODOS device is installed in Chernobyl Red Forest site.

GEODOS01A Installed in Chernobyl Red Forest site

GEODOS01A raw data before temperature compensation

Šumava mountains

GEODOS devices are installed in multiple locations in Šumava. For example example at Polednik watch tower.

GEODOS01A Installed on Polednik site

Kosetice Atmospheric Tower

The National Atmospheric Observatory Košetice (NAOK) was established by the Czech Hydrometeorological Institute as a department specialized in long-term air quality monitoring and research at the background scale in 1988. The GEODOS is located here by CRREAT project.

GEODOS01B Installed Kosetice Atmospheric Tower

Technical parameters

  • Detection element: scintillation crystal NaI(Tl) 14 mm in diameter, 20 mm in length, integrated with SiPM detector
  • Power source: solar panel
  • Backup power source: LTO cells
  • Data memory: SD card
  • Record’s content: energy and time of each event above the specified energy (1MeV by default)
  • Record’s periodicity: 10 s (maximal dead time 2 s)
  • Time resolution: 20 us
  • ADC Conversion time: 104 us
  • Dead time: 2 us
  • Accuracy of event’s time: 500 ns
  • Energy range: 0.3 to 18 MeV (deposited energy)
  • Spectral Resolution: 0.02 MeV
  • Open-source HW and SW
  • Device status indicator type: LED
  • Uninterrupted measurement campaign interval: 6 months for 2 GB SD card
  • LoRa connection to IoT network
  • Charging temperature range: -20°C to +35°C
  • Operational temperature range: -30°C to +50°C
  • Dimensions 254x180x111 mm enclosure TK PS 2518-11-o
  • Weather protection IP 33

Device block diagram

GEODOS01A block diagram

Sensor element

The core of the detector is a scintillation crystal with SiPM detector.

Scintillation detector in box

Scintillation detector housing

Data storage

The primary raw data is stored in the SD card's memory. The IoT network is used for telemetry data transfer, and device monitoring (e.g. temperature, humidity, pressure, battery voltage, etc.). We are regularly using the TTN, but the device could be configured for use with any IoT LoRa-based network. For remote areas, mounting an IoT gateway in the radio range of GEODOS instruments could also be a good option.

Messages

About message

As a second message, when turned on, a string is sent that uniquely identifies the device.

$DOS,GEODOS01B,L02,256,379276a,1290c00806a200914056a000a0000086
  • $DOS - is the first character of the message string
  • GEODOS01B - Name of the device. In this case, it is GEODOS
  • L02- FW version
  • 256 - ADC offset
  • 379276a - Hash of commit with this firmware
  • 1290c00806a200914056a000a0000086 - Unique serial number of dosemeter instrument

Data message

The output data are in the form of textual NMEA-0183 like strings. There are two main message types - Histogram message ($HIST) and events stream message ($HITS). Both of these messages could be combined in data output from a single device.

Histogram message
$HIST,8,118.15,960.09,4.06,2.33,394,803,0,3,30656,2401,1304,5,3,4,7,9,5,4,6,7,4,3,0,8,2,3,1,1,1,4,3
  • $HIST - Marking a message with spectrums
  • count - Message number since restart or power-up
  • time - Time in seconds from power-up
  • suppress -
  • dose - Number of detected particles
  • offset - ADC offset. Specifies the zero channel position.
  • energetic channels - All remaining values indicate a certain energy channel. From the smallest to the largest. The third value is 1st channel.
Events message
$HITS,20,916,84,2984,37,16386,38,30666,26,38530,48,43043,27,49257,100,53904,43,59650,32,65631,32,65802,46,68555,47,71124,53,73601,48,74179,59,77454,72,90563,30,98074,74,98901,124,99743,50
  • $HITS - Marking a message with individual events
  • hit count - Number of events captured from the last HITS message
  • time - Time in seconds from power-up
  • hit channel - Channel corresponding to the captured event

Detailed documentation of the used electronic modules

geodos01's People

Stargazers

 avatar  avatar  avatar

Watchers

 avatar  avatar  avatar  avatar  avatar

geodos01's Issues

Životnost fotovoltaických panelů

Aktuální fotovoltaické panely jsou konstruovány z monokrystalických článků zalitých do plastické hmoty a silikonu černé barvy.
Důsledkem tohoto konstrukčního řešení je vysoké zahřívání, které v zimních měsících je poměrně výhodné #1. Pro letní provoz je ale naopak silně nevhodné. Neboť kromě jevu, kdy s rostoucí teplotou článků klesá jejich účinnost, tak hlavně s tepelnými cykly zřejmě dochází k porušení slepených vrstev FV panelu. Viz následující fotografie:

IMG_20221011_225904

IMG_20221011_225936

Je tak pravděpodobné, že vznikem těchto bublin hned první sezonu se výrazně zkracuje očekávatelná životnost fotovoltaických panelů této konstrukce. Příčinou je zřejmě cyklické zahřívání na vysoké teploty vlivem vysokého podílu černých ploch, které nejsou aktivní plochou fotovoltaických článků (v létě na panelu nelze udržet ruku).

FYI @ChroustJan

Zmena rozsahu

Vedci chteli upravit detekcni rozsah, tak je treba do vsech novych kusu osazovat odpor R10 12k misto 6k8. Na modulu fotonasobice.

270041747_627895475193995_7953880010693752277_n

Puvodne byl rozsah do cca 35 MeV. Ted je neco kolem 15 MeV.

In field device mount

V původním návrhu se počítalo s umístěním na stromy. Ve vyšších polohách hor ale stromy mají nízkou kvalitu pro trvalou montáž navíc je zde potíž s umístěním solárního panelu.

Je tak možnost ještě použít zemní vruty. Zde je ale otázkou jaký je v zamýšlených umístěních podklad a jestli jej bude možné prošroubovat

Dalším úkolem k vyřešení je pak montáž samotného GEODOSu na trubku vsazenou do zemního vrutu. Zde existuje několik možností. V případě této aplikace bych preferoval využití stahovacích pásků před klasickými šroubovými třmeny, neboť to eliminuje potíže se ztracením matic ze třmenů.
Pro upevňování elekroinstačních krabic jsou tak dostupná následující řešení:

Pro spony na upevňování krabic existuje tento katalog

Low spectral resolution caused small number of channels

Aktuální konstrukce GEODOSu požívá 10bit ADC integrovaný v MCU. Použití takového ADC má za důsledek, že počet kanálů je 1024 jak je vidět na spektru níže.

270087259_1296132510890289_6870435780927380350_n

Dotyčný GEODOS je už po úpravě rozsahu #22. Tudíž spektrum je přibližně do 16 MeV.

269982569_245525231042634_2351347537841874851_n

Pro srovnání níže je přiloženo spektrum RT, které má větší krystal.

270519197_1361962144238055_7848485850536943514_n

Protože se ale i v malém krystalu GEODOSu vyskytují deponované energie okolo 15 MeV, tak zřejmě dává smysl zvětšit počet digitalizačních kanálů. Prakticky to znamená do modulu zesilovače PCRD06A přidat vícebitové ADC s rozhraním I2C, nebo SPI.

Measurement dead time

Celé zařízení má velmi dobrou mrtvou dobu měření do 2us. Potíž nastává ve chvílích zápisu na SDkartu, kdy je obsluha SDkarty řešena jako blokující. Přístroj tak po dobu zápisu na SDkartu neměří.

Závažnost tohoto neduhu závisí na typu použité SDkarty, neboť u některých SDkaret se s počtem zápisů do souboru délka zápisu prodlužuje. Délka zápisu navíc závisí na typu SDkarty a její velikosti. Prodlužování zápisu je tak zřejmě vnitřním stavem, některých SDkaret a může dosáhnout až 20s.

Zlepšení konstrukce GNSS a LoRa antény

Pro zlepšení signálu a vyrobitelnosti jsem na GEODOS zkusil namontovat novou anténu.
IMG_20220604_154155

Pro připojení je použit jeden pigtail MCX -> SMA F a pak redukce MCX na SMA F.

IMG_20220604_143708

Otvor pro anténu je vytvořen stupňovým vrtákem o průměru 18mm v této pozici:

IMG_20220604_142950

IMG_20220604_142908

Nyní je potřeba ověřit, že úprava funguje. Zatím jsem ověřil, že po zapnutí GEODOS získá FIX, což se pozná blikáním TPL LED na GPS modulu.

Zakrytování měřící části elektroniky

Na zakrytování snímací části je potřeba světlotěsná krabička. Vhodným řešením proto je kovová krabička z tenkého plechu.
Aktuálně se používá "kovová krabička od bombonů z kauflandu". Tato krabička má potíž v tom, že je kruhová, tím pádem je problematické na její boční stěnu světlotěsně umístit panelový konektor.

Lepším řešením by bylo požít některou hranatou standardně vyráběnou krabičku z tenkého plechu

Tyto krabičky lze podle informací na stránce objednat v zakázkových rozměrech už od počtu 25 - 30 ks.

Napájení z fotovoltanických článků - provozní rozsahy

Pro napájení z fotovoltanických článků je perspektivní využití následujících dvou modulů:

V kombinaci s fotovoltanickým panelem s nízkým počtem článků, kvůli eliminaci ztráty výkonu v důsledku zastínění jednoho z článků zapojených v sérii.

Modulům bude potřeba vzájemně vhodně nastavit pracovní rozsahy.

STM doporučuje ke svému obvodu SPV1040 lineární nabíjecí obvod L6924 důvodem zřejmě je impulzní odběr spínaného nabíječe, který způsobuje, že MPPT měnič a spínaný dobíječ musí být spojeny přes značnou bufferovací kapacitu.
Lineární architektura takový požadavek nemá.

Druhý dobíjecí obvod, je potřeba kvůli vyřešení problematiky, dobíjení li-ion článků za mrazu.

Passive GNSS sampling

@povik objevil snappergps, který experimentálně potvrzuje hypotézu, že navzorkovat GNSS signál a dále ho zpracovávat až později je energeticky výhodnější, než provádět výpočet na živém signálu specializovaným IC.

Pro naše experimenty by ale zřejmě bylo výhodnějši, kdyby takový princip byl aplikován spíš na určení času, než na polohy. Tj. aby při triggeru od částice nebo od blesku byl zaznamenán kus signálu, který umožní dopočítat čas a případně polohu. Něco takového by ale zřejmě muselo běžet stále dokola v kruhovým bufferu a zřejmě by pak moc nezafungovala ta výhoda, že je taková metoda v té chvíli výpočetně nenáročná.

Možná by ale alternativně šlo zajistit definovaný spoždění mezi triggerem a zaznamenáním GNSS signálu. Pak by nebyl potřeba ten stále běžící kruhový buffer.
Teoreticky by to zařízení pak mohlo spát dokud nepřijde další trigger, který spustí hodiny. Je to ale myslím dost jasný úkol pro FPGA.

Missing watchdog

Knihovna pro IoT je schopná zablokovat celou měřící smyčku.

image

Situaci by pravděpdobně vyřešila aktivace watchdogu.

Povolování držáku krabičky s detektorem

Při montáži nových antén #28 jsem zjistil, že se povoluje držák s krabičkou držící snímací elektroniku.

IMG_20220604_132830

IMG_20220604_133109

Dočasně jsem to na tomto konkrétním kusu vyřešil dotažením. Je však pravděpodobné, že to bude vyžadovat nějakou konstruční změnu.

On the device status display

Uživatelsky, tlačítkem aktivovatelný displej se zobrazením nějakých zásadních informací.
Samovolně bude vypnutý a nebude na něm nic vidět, dokud uživatel displej neaktivuje.

Recommend Projects

  • React photo React

    A declarative, efficient, and flexible JavaScript library for building user interfaces.

  • Vue.js photo Vue.js

    🖖 Vue.js is a progressive, incrementally-adoptable JavaScript framework for building UI on the web.

  • Typescript photo Typescript

    TypeScript is a superset of JavaScript that compiles to clean JavaScript output.

  • TensorFlow photo TensorFlow

    An Open Source Machine Learning Framework for Everyone

  • Django photo Django

    The Web framework for perfectionists with deadlines.

  • D3 photo D3

    Bring data to life with SVG, Canvas and HTML. 📊📈🎉

Recommend Topics

  • javascript

    JavaScript (JS) is a lightweight interpreted programming language with first-class functions.

  • web

    Some thing interesting about web. New door for the world.

  • server

    A server is a program made to process requests and deliver data to clients.

  • Machine learning

    Machine learning is a way of modeling and interpreting data that allows a piece of software to respond intelligently.

  • Game

    Some thing interesting about game, make everyone happy.

Recommend Org

  • Facebook photo Facebook

    We are working to build community through open source technology. NB: members must have two-factor auth.

  • Microsoft photo Microsoft

    Open source projects and samples from Microsoft.

  • Google photo Google

    Google ❤️ Open Source for everyone.

  • D3 photo D3

    Data-Driven Documents codes.