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プローブスタイルのガイガーカウンターとケーブル容量

4月の下旬、VICTOREEN V-700 のマニュアル・回路図をネットで入手し、プリントアウトして風呂上りや仕事の合間に眺めていました（今となっては年代モノの回路ですが、そのシンプルさはまるで当時のＡ１送信機なみ？）。



電源部や出力回路はそれなりに予想していたのですが、
一つだけ気にかかったのはアノード抵抗が１ＭΩと、それまで私が入手できたどのＧＭ管よりも低い設定になっている事です。

なんとなく、まあ、6993というGM管の仕様なのか、とも思いつつ、 ある日オークションで（手の届かない金額に達していた） V-700 の実物写真を見て、プローブと本体を結ぶケーブルが細くて長い事にも気付きました。

そして5月半ば過ぎ、運良く V-700 のＧＭ管とケーブル付きハウジングだけを入手することが叶い、その質感と堅牢な構造にちょっと感動（物欲だけクレクレタコラの食い散らかしにならぬよう己を戒めています）。
6993というＧＭ管は動作電圧が900Ｖと高めですが、これは SBM-20 などの電源を倍電圧整流すれば済む訳で、ならばさほど苦労せずにプローブ式のガイガーカウンターも作れるなと胸を躍らせました。

では、その前に、気にかかっていた事を検証しておかなければなりません。
これはまた、6993に限らず、 SBM-20、J-408、SI-1G などでも同様で、ＧＭ管を使った装置を自作する際に頭に留めておくべきパラメーターの一つだと思います。

まずは V-700 の回路図通りアノード抵抗を1ＭΩ（実際には1.1ＭΩでの実験ですね）にして、
但しハウジングは使わず、回路と管の接続は短い電線にミノ虫クリップを付けた物で行いました。
（ここでは1MΩ＋100ＫΩですが、先日のブログの通りアノード抵抗の変化により充電時間が変化します。）



案の定、回路図には記載されていないもう一つの重要なパラメーターが残っていたのです。

VICTOREEN V-700 はプローブ式（ＧＭ管分離外装式）のサーベイメーターですが、プローブ（ＧＭ管を収めるハウジング）は濃厚な金属製で操作時はオペレーターの手（身体）に触れます。
微弱ですが高圧回路が含まれており、かつＧＭ管からの反応出力も比較的ハイインピーダンスですので、人の身体に触れる部分は接地（ＧＮＤ）が基本でしょう。V-700 のプローブ（ハウジング）もＧＮＤに接続されています。
このことからＧＭ管のカソードはそのままＧＮＤに接地されており、出力検出にはオシロの波形のようにアノード側に現れる負の方向への電圧変化を検出する回路となっています。

そのＧＭ管のアノードは繊維入りの強靭なシールド線で本体の回路に結ばれています。

それが何を意味するかという事は、以下の写真がズバリです。



↑ 全体的な波形の立ち上がり状態をご覧下さい。
シールド線の容量がモロに効いて、アノード抵抗を増加したような曲線に変化しています。
（６月１日にアップしました拙稿中、上から３枚目の写真（R anode=5.7MΩ）に似た曲線ですね。）

またシールド線の容量がＧＭ管の放電容量を上回っている為、ＧＮＤ方向へ落ちた検出パルスが底上げされ、落ちきる前に上昇を始めています。

（底部の波形の乱れ（お尻マーク？）はケーブル容量起因によるものでは無いと思います。
ケーブル不使用時にも観測されることがあり、波高もその時によって変ります。今回の実験は６月１日の時よりも線源を近づけていた為、もしかするとこの辺がクエンチング動作に関する波形なのかもしれません。）

ＧＭ管の稼動時容量は計測できませんが、単に容量計を繋いだ場合、１ｐＦ未満でした。
それに対し、ハウジング一式の容量はご覧の通りです↓。



これらが何を意味し、何に影響するかということです。

●実際の実装において、アノード抵抗に加えＧＭ管と（場合によっては）その負荷となる容量にも気をつけなければ、電圧の回復時間の変化により最大ＣＰＭ数はもとよりＢＧ、俗に言う感度も変ってくるという事ではないでしょうか。
（某1989年発売のキットには ｢ＧＭ管に到達した放射線はほぼ100％検出される～｣とありますが、直前の検出後、電圧が回復していないとＧＭ管は動作できず、放射線を検出できません。）

●上記２つのパラメーターはＧＭ管へ電圧を加えるタイミングそのものです（ゆっくり加えるか、急峻に加えるか）。これがＧＭ管のストレスに影響するとすれば、長期安定使用に相応しい充電曲線はどちらなのでしょうか？。

●ＧＭ管のデッドタイムについて、まだ正確な定義を掴んでいないので断言できませんが、充電曲線がそれに関与しているとすれば、やはり抵抗と容量はそれを支配するに等しいパラメータに成り得ると思います。
（放電後、ＧＭ管の電圧は充電曲線を辿って上昇して行きますが、その途中にスタート電圧があり、動作（設定）電圧に回復する訳ですから、スタート電圧に到達するまでは、いわゆるデッドタイムとも考えられます。）

少ない知恵で憶測と妄想を語っておりますが、もう少しの間だけ辛抱してください。

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●図①は筐体内にＧＭ管を内装してしまう場合、楽に作れる接続方法です。
出力もほぼ分圧抵抗の公式により設定容易な正方向電圧のパルスが得られ、インアクティブ時はＧＮＤ電位となりますのでロジックへ結ぶには都合が良い反面、ＧＭ管がＧＮＤから浮いた位置（電位）になりますので金属ハウジングを使用するのであればＧＭ管と絶縁しなければなりません。

●図②は電圧の高い部分で検出を行う回路ですね。
アクティブ時、ＧＮＤ方向へのパルスが得られます。
場合よっては R-detect を省略することもできますが、いすれにせよインアクティブ時にはdrive電圧そのものが現れてしまいます（要カップリングコンデンサ）。
この回路ですとＧＭ管のカソードをＧＮＤへ接地できますので、ハウジング＋ケーブルを使いプローブ式にする場合に都合が良くなります。

●図③は②の回路をより実装的に表現できるよう努力しました。
ハウジング、シールド線のコールドをカソードと共にＧＮＤへ落とせますが、必然的にシールド線の容量がＧＭ管と並列に接続される事になります。

●図①～③を眺めて、それを簡略したものが図④と④-b です。
④-bではＧＭ管を単なるコンデンサとして置き換えました。
ＧＭ管とアノード抵抗で積分回路を形成している事が判ります。

●図⑤は図③を書き換えたものとして見て下さい。
部品だけの回路図には記されていない、でっかいコンデンサが現れ、このコンデンサによって本来の積分時定数が大幅に変化することが判ります。＝それが実装時の時定数となり機器の性能となるわけです。

単なる私の推測に過ぎませんが、VICTROEEN V-700 の場合、カウント可能ＣＰＭを確保（測定器としてのダイナミックレンジを確保）するため、アノード抵抗はプローブケーブルの容量分を補償した値として（さらにＤＣ的な限界値も考慮して）１ＭΩが使われているとも考えられます。＝アノード抵抗を高くできない。

どこまで意味のある事かは不明ですが、 6993ＧＭ管を使い V-700 と同等のガイガーカウンターを作るのであれば、ハウジング＆ケーブルを使用した時と同じ波形（時定数）になるようアノード抵抗を増加させれば良く、ＧＭ管にとっても単純にアノード抵抗を回路図通り１ＭΩとするより格段に定格使用に近くなるはずです。

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ここまで来るとＧＭ管のパルス駆動という回路の基本が見えてきます。
あと一回だけ、妄想と屁理屈を述べさせて頂いてから、ＳＢＭ－２０のガイガーカウンター製作レポートをアップさせて頂きます。

加えて、ＰＩＣを使わない低消費電力のＣＰＭカウンターも作っています。部品の調達は通販のみ・総予算2千円内で収めたつもりですが、月末が来る前に、PICやArduino にも応用できることを検証してからアップします。