Contatore Geiger per BergamoScienza

Progetto di contatore Geiger basato su ESP32 con display TFT per la rilevazione di radiazioni ionizzanti, sviluppato per BergamoScienza.

Dispositivo completo assemblato: LILYGO T-Display ESP32, modulo CAJOE RadiationD v1.1 in case trasparente, e battery pack per utilizzo portatile

Panoramica

Questo sistema implementa un contatore Geiger digitale che visualizza in tempo reale le misurazioni di radiazioni su un display TFT colorato. Il progetto è progettato per funzionare con il modulo rilevatore di radiazioni CAJOE (RadiationD v1.1) equipaggiato con tubo Geiger-Müller J305.

Contesto Educativo

Questo progetto nasce nell'ambito di BergamoScienza, un'iniziativa educativa sviluppata da FabLab Bergamo, con l'obiettivo di creare un rilevatore di radioattività economico e accessibile per scopi didattici.

Obiettivi del progetto:

• Dimostrare tecniche di misurazione della radioattività in modo pratico
• Fornire esperienza hands-on con elettronica, programmazione e fisica
• Spiegare principi di schermatura dalle radiazioni e legge dell'inverso del quadrato
• Creare strumento riproducibile per educazione scientifica STEM
• Rendere accessibile la misurazione di radiazioni con hardware economico (<€50)

Risultati sul campo: Durante i test nell'area mineraria di Novazza, il dispositivo ha rilevato con successo campioni di minerali contenenti uranio, misurando livelli di radiazione da 0.08 a 7 µSv/h, dimostrando efficacia per applicazioni didattiche reali e ricerca geologica di base.

Due Implementazioni Disponibili

Il progetto offre due implementazioni complementari:

• MicroPython: Implementazione standalone con display base e funzionalità essenziali, utilizzata per sviluppo iniziale e validazione
• ESPHome: Versione avanzata con integrazione Home Assistant, grafico a barre e display migliorato

Versione MicroPython in sviluppo con Thonny IDE, mostrando il codice sorgente e il plotter in tempo reale delle misurazioni

Hardware

Componenti Principali

• Microcontrollore: ESP32 LILYGO T-Display (~€9) - Sito ufficiale
• Display: ST7789 TFT 240x135 pixel (integrato nella board T-DISPLAY)
• Rilevatore di radiazioni: CAJOE RadiationD v1.1 (~€30)
• Tubo Geiger: J305β (incluso nel kit CAJOE)
• Battery pack: 10000mAh raccomandato per uso portatile
• Case: Custodia stampabile 3D (file STL incluso)

Costo totale stimato: ~€40-50 (escluso case e battery pack)

Collegamento Pin ESP32

Display ST7789 (pin nativi LILYGO T-DISPLAY)

• SCLK: Pin 18
• MOSI: Pin 19
• MISO: Pin 2
• CS: Pin 5
• DC: Pin 16
• RST: Pin 23
• BL (Backlight): Pin 4

Nota: I pin del display corrispondono alla configurazione nativa della board LILYGO T-DISPLAY, rendendo il collegamento plug-and-play.

Rilevatore CAJOE

• Segnale impulsi: Pin 26 (interrupt fronte di discesa)

Forma d'onda tipica dell'impulso dal tubo Geiger misurata con oscilloscopio. Il segnale mostra un impulso negativo con durata ~338µs utilizzato per il conteggio degli eventi di radiazione.

Alimentazione

Il kit contatore può essere alimentato a 5V dall'ESP32 a sua volta alimentato tramite USB. Per trasportare il contatore si può utilizzare un battery pack per telefono collegato all'ESP32.

Connessioni tra ESP32 e Kit Contatore

Sono necessari 3 fili di connessione dai morsetti P3:

• +5V: Alimentazione positiva
• GND: Massa/Ground
• IMPULSO: Segnale impulsi (VIN sul circuito PCB)

Specifiche Tubo Geiger J305β

• Produttore: North Optic
• Rilevazione: Radiazioni β e γ
• Dimensioni: 111mm x 11mm (diametro)
• Tensione operativa: 350V (raccomandato), plateau 360-440V
• Sensibilità γ (Co-60): 65 cps/(μR/s)
• Sensibilità equivalente Sievert: 108 cpm/(μSv/h)
• CPM massimo: 30.000
• Rumore di fondo: ~12 CPM

Fattore di Conversione per Dose Assorbita

Il fattore di conversione utilizzato nel codice è 0.00332 µSv/h per CPM, specificamente per la dose assorbita di radiazioni gamma. Questo valore è derivato dalle specifiche tecniche del tubo J305β e rappresenta la conversione da conteggi per minuto (CPM) alla dose equivalente assorbita in microsievert per ora (µSv/h).

Funzionalità Software

Caratteristiche Principali

• Misurazione in tempo reale: Aggiornamento ogni 5 secondi
• Media a lungo termine: Calcolo su base di 1 minuto
• Display grafico:
  • Letture attuali e mediate in µSv/h
  • Simbolo di radioattività animato
  • Indicatore di attività (pixel lampeggiante)
• Ottimizzazione prestazioni: Funzioni critiche ottimizzate con @micropython.native

Algoritmo di Misurazione

1. Conteggio impulsi: Interrupt hardware su fronte di discesa dal tubo J305
2. Calcolo CPM: Conteggio impulsi × 12 (per intervalli di 5 secondi)
3. Conversione dose assorbita: CPM × 0.00332 = µSv/h
4. Display: Visualizzazione simultanea di valori istantanei e mediati

Timers

• Timer 0: Aggiornamento display ogni 5 secondi
• Timer 1: Calcolo media ogni 60 secondi

Struttura del Progetto

contatore-geiger/
├── boot.py                    # Script di avvio MicroPython
├── geiger.py                  # Applicazione principale MicroPython
├── lib/                       # Librerie hardware per MicroPython
│   ├── st7789.py             # Driver display ST7789
│   ├── xglcd_font.py         # Sistema font X-GLCD
│   └── sysfont.py            # Font di sistema
├── esphome/                   # Implementazione ESPHome ⭐
│   ├── esphome-lilygo-tdisplay-cajoe-geiger.yaml  # Config ESPHome
│   └── README.md             # Documentazione ESPHome dettagliata
├── fonts/                     # File font
│   └── Unispace12x24.c       # Font Unispace 12x24
├── images/                    # Immagini documentazione
│   ├── rilevatore-con-battery-pack-1024x768.jpg
│   ├── impulso_geiger.png
│   └── thonny-2-1-1024x629.jpg
├── 3d-enclosure/             # Custodia stampabile 3D
│   ├── Case.stl              # File STL per stampa 3D
│   └── LICENCE.MD            # Licenza custodia (by @nick_375545)
├── doc/                      # Documentazione tecnica
│   ├── fonts/                # Font di backup
│   │   └── Unispace12x24.c
│   └── scheda BergamoScienza.pdf  # Scheda tecnica completa
├── measurements/             # Dati sperimentali
│   └── grafico radiazione - distanza.pdf  # Grafici validazione
├── README.md                 # Questo file (documentazione principale)
├── CLAUDE.md                 # Guida per Claude Code AI
└── LICENSE                   # Licenza del progetto

⭐ Raccomandato: Per la maggior parte degli utenti, l'implementazione ESPHome è consigliata per la sua facilità d'uso, integrazione con Home Assistant, e funzionalità avanzate. Vedere esphome/README.md per documentazione completa.

Implementazioni

Versione MicroPython

L'implementazione MicroPython (boot.py, geiger.py) offre:

• Funzionamento standalone senza dipendenze esterne
• Display base con valori numerici e simbolo radioattivo
• Algoritmo di misurazione ottimizzato per performance
• Ideale per uso educativo e dimostrativo

Versione ESPHome

L'implementazione ESPHome (esphome/) aggiunge:

• Integrazione Home Assistant: Sensori automatici e dashboard
• Display avanzato: Grafico a barre tempo reale con cronologia
• OTA Updates: Aggiornamenti firmware wireless
• Scala logaritmica: Visualizzazione ottimizzata per range radiazioni
• Media mobile: Buffer circolare per stabilità delle letture

Per dettagli completi vedere: esphome/README.md

Custodia 3D

Il progetto include una custodia stampabile in 3D progettata per contenere l'elettronica del contatore Geiger:

• File: 3d-enclosure/Case.stl
• Autore: @nick_375545
• Fonte: Printables - Geiger Counter Kit Case
• Attribuzione: Custodia 3D creata da @nick_375545, disponibile su Printables.com
• Licenza: Consultare il file 3d-enclosure/LICENCE.MD per i dettagli sulla licenza

Documentazione e Misurazioni

Documentazione Tecnica

• doc/scheda BergamoScienza - BRUNOT.pdf: Scheda tecnica completa del progetto per BergamoScienza

Dati Sperimentali

• measurements/grafico radiazione - distanza.pdf: Grafici delle misurazioni sperimentali che mostrano la relazione tra intensità di radiazione e distanza dalla sorgente

Installazione e Configurazione

Prerequisiti

1. Firmware MicroPython installato su ESP32
2. File font nella directory fonts/:
   • fonts/Unispace12x24.c

Procedura di Deploy

1. Collegare l'hardware secondo lo schema pin
2. Caricare tutti i file Python sul filesystem ESP32:
   • boot.py
   • geiger.py
   • lib/st7789.py
   • lib/xglcd_font.py
   • lib/sysfont.py
3. Caricare i file font nella directory fonts/
4. Riavviare il dispositivo

Calibrazione

Il fattore di conversione per dose assorbita (0.00332) è derivato dalle specifiche del tubo J305β e può richiedere calibrazione con sorgenti note per massima precisione nelle misurazioni di dose.

Compatibilità CAJOE

Questo progetto è specificamente progettato per il modulo CAJOE RadiationD v1.1 con tubo J305, basato sul progetto:

• Repository GitHub: SensorsIot/Geiger-Counter-RadiationD-v1.1-CAJOE-
• Video tutorial: https://youtu.be/K28Az3-gV7E

Sicurezza e Uso Educativo

Protocolli di Sicurezza

Sicurezza elettrica:

• Il tubo Geiger J305 opera ad alta tensione (350-450V)
• Seguire sempre le precauzioni di sicurezza per alta tensione
• Non aprire il modulo CAJOE se non si è competenti con alta tensione

Sicurezza radiologica: Quando si lavora con materiali radioattivi, anche a bassa intensità:

• Mantenere sempre la distanza massima possibile dalle sorgenti
• La distanza è il metodo primario di protezione dalle radiazioni
• Seguire le linee guida per la manipolazione di campioni minerali
• Non raccogliere o conservare materiali radioattivi senza adeguate precauzioni e autorizzazioni

Applicazioni Didattiche

Il dispositivo è ideale per:

• Dimostrazioni in classe di fisica delle radiazioni
• Progetti STEM di elettronica e programmazione
• Misurazioni ambientali di radiazioni di fondo naturali
• Studio pratico della legge dell'inverso del quadrato
• Esperimenti su schermatura dalle radiazioni (piombo, alluminio, etc.)
• Ricerca geologica di base e mineralogica

Range Tipici di Misurazione

• Radiazione di fondo naturale: 0.08-0.30 µSv/h
• Materiali da costruzione (granito, tufo): 0.10-0.50 µSv/h
• Minerali contenenti uranio (campioni geologici): 1.0-20+ µSv/h
• Limite raccomandato esposizione pubblica: <1 mSv/anno (equivalente a ~0.11 µSv/h continua)

Nota importante: Per misurazioni critiche di dose in ambito professionale o dosimetria personale, utilizzare strumentazione certificata e calibrata.

Note Tecniche

Dose Assorbita vs Altri Tipi di Misurazione

Il fattore di conversione 0.00332 è specificamente calibrato per la dose assorbita (absorbed dose) in tessuti biologici. Altri fattori di conversione potrebbero essere necessari per:

• Dose equivalente (equivalent dose)
• Rateo di dose nell'aria (air kerma rate)
• Intensità di sorgente radioattiva

Riferimenti

1. IoT-devices LLC - "Geiger tube J305: How to calculate the conversion factor"
2. GitHub - SensorsIot Geiger Counter project
3. J305 Geiger Tube Specification datasheet
4. RadMon.org - Conversion factors database

Riproducibilità e Open Source

Questo progetto è completamente open source e riproducibile:

• Codice sorgente completo: Tutte le implementazioni (MicroPython ed ESPHome) sono disponibili in questo repository
• Lista materiali dettagliata: Tutti i componenti sono facilmente reperibili online a basso costo
• Documentazione completa: Istruzioni passo-passo per assemblaggio, configurazione e calibrazione
• File 3D inclusi: Case stampabile per protezione hardware
• Dati sperimentali: Misurazioni reali e grafici per validazione
• Community support: Contributi, miglioramenti e issue benvenuti

Risorse Aggiuntive

• Articolo completo: Caccia alla radioattività - FabLab Bergamo
• BergamoScienza: Iniziativa educativa che ha ispirato questo progetto
• FabLab Bergamo: Laboratorio di fabbricazione digitale che supporta progetti STEM

Contributi

Il progetto accoglie contributi dalla community:

• Miglioramenti al codice
• Ottimizzazioni hardware
• Nuove funzionalità
• Traduzioni documentazione
• Report di misurazioni sul campo

Crediti e Licenza

Progetto educativo per BergamoScienza

• Sviluppatore principale: Alex Brunot
• Organizzazione: FabLab Bergamo
• Iniziativa: BergamoScienza

Ringraziamenti:

• @nick_375545 per il design della custodia 3D
• SensorsIot per il progetto base CAJOE
• Community MicroPython ed ESPHome

Licenza: Il codice è basato su librerie open source per MicroPython. Consultare il file LICENSE per dettagli.