GDK101 Radiation Sensor [Arduino Sensors for Everyone]

This chapter explains how to use the GDK-101 sensor. You will learn its features, operating principles, specifications, connection pin arrangement, output values, and connect Arduino and the sensor together to measure the air around you easily using the library.

 

Contents

 

---

GDK101 Radiation Sensor

 

Radiation represents the intensity of radiation per second. The unit is Becquerel (Bq), and 1Bq means that 1 radiation is emitted per second.

Radiation is a measure of the effect on the body when radiation interacts with human tissues through air or body exposure. It can be measured in irradiated doses, absorbed doses, equivalent doses, and effective doses.

For radioactivity, units such as Sievert, becquerel (Bq, becquerel), and gray (gy) are used. Sievert (international standard) is a commonly used unit of radioactivity. Sievert's unit is too large, so millisievert (mSv) is mainly used.

 

Type		Current international unit	Past unit	Standard
Radioactivity unit		Becquerel (Bq)	Curie (Ci)	-1 Bq: 1 radiation per second -A unit representing the intensity of radioactivity
Related units	Irradiation dose	Klong/kilogram (C/Kg)	Rentgen (R)	The amount of electric charge generated per unit mass of air by X-rays or gamma rays
	Absorbed dose	Gray (Gy)	Rad	-The amount of absorbed radiation energy per mass -Units that do not take into account biological effects
	Equivalent dose	Sievert (Sv)	Rem	-The effect of radiation on specific tissues of the human body -Measured value limited to a specific body part
	Effective dose	Sievert (Sv)	-	Radiation effects on the human body Measured values ​​for the whole body 1 Sv = 1000 mSv (mSv = 0.001 Sv) 1 mSv = 1000 μSv (μSv = 0.001 mSv) 1 μSv = 1000 nSv (nSv = 0.001 μSv)

 

 

 

 

 

---

 

Effects on the human body

Radiation exposure can be divided into acute exposure and chronic exposure depending on the duration of exposure.
Acute exposure (Acute Radiation Syndrome, ARS) is a temporary decrease in the number of white blood cells when the body is suddenly exposed to a large amount of radiation, and physical abnormal symptoms such as vomiting, hair loss, and skin changes appear as the exposure dose increases.
Chronic exposure (Chronic Radiation Syndrome, CRS) occurs after exposure to low levels of radiation. Symptoms include skin atrophy, previous burn marks that disappeared after a wound, and the formation of fibers in the skin due to eye cataracts.

 

 

[Radiation concentration standard]
 
In the United States, the standard concentration is determined based on 3mSV. The annual standard value of the International Atomic Energy Agency is 1mSv, and in Korea, it is 1mSv.

The amount of natural radiation we receive is about 2.4mSv. Because it varies depending on the place, it is considered weak radiation. Artificial radiation is about 1mSv. It does not exceed 1mSv per year, even with hospital treatment, radiation treatment, etc. If this is calculated simply, artificial radiology and hospital treatment are combined, then people are exposed to about 3.4mSv per year. 

 

 

What if radiation exceeds 3.4mSv?
Chest X-ray = 0.04 mSv
Surface Space Particle Rays = 0.24 mSv/year
Surface underground radiation = 0.28 mSv/year
Brain CT scan = 0.8 to 5 mSv
Average annual radon radiation dose in US households = 2 mSv
Organ X-ray = 14 mSv
Average annual radiation exposure in the United States: 6.2 mSv
1.5 packs of cigarettes a day = 13 mSv per year
Annual allowed exposure for nuclear workers: 20 mSv
Radiation industry annual allowance = 50 mSv
Carcinogenesis lowest limit: 100 mSv/year
Chernobyl disaster radiation: 350 mSv lifetime

If we are exposed to 1Sv per year, it causes slight blood changes, and if it is 2~3Sv per year, it causes nausea, hair loss, and bleeding. There are also many cases of death. Over 6Sv per year, 80% die within 2 months.

 

 

 

 

 

 

 

---

GDK-101 Sensor?

The GDK101 sensor manufactured by FTLAB is a sensor that can measure gamma rays (including X-rays). It is a solid-state gamma ray sensor module with a sensitive 10-pin photodiode and a transimpedance amplifier circuit controlled by an MCU. 

 

GDK101datasheet_v1.6.pdf

0.34MB

---

  

 

 

[FTLAB homepage]

 

---

[GDK101 sensor specifications]

GDK101 sensor specifications are as follows. Some measuring instruments can measure high dose values, but in general, a measuring instrument that can accurately measure 0.5uSv/h or less is adequate. In daily life, it is necessary to accurately measure the range of 0.3~0.4uSv/h to actually find the radiation risk for the general public. Radiation in this range is also very dangerous if continuously exposed.

The GDK101 sensor can measure even in the 0.01uSv/h range. The input voltage is 5V.

 

 

 

---

[Sensor operation principle]

The GDK101 sensor is a solid-state gamma sensor that directly converts incident radiation into electric current using a variety of materials such as germanium, silicon, cadmium, zinc, tellurium, and ide. These sensors provide high resolution measurements and are used to detect accurate amounts of radiation energy. The 10 PIN photodiode is also used to detect gamma ray/radiation (γ-ray) and X-ray radiation. Photodiodes convert light into current, which are be amplified with additional voltage. It works like a typical Geiger counter, but unlike a Geiger counter, you can actually measure the output pulse over time to roughly determine the average energy of a gamma photon.

There is no physical difference between gamma rays and X-rays with the same energy levels. Unlike alpha rays or beta rays, gamma rays (gamma ray/radiation, γ rays) do not carry a charge, and thus have a relatively high material permeability. This radiation has the strongest penetrating power, and when exposed, internal organs of the human body can be damaged. Like X-rays, gamma rays cause damage such as burns, cancer, and genetic modification.

 

 

• PIN photodiode: There are 10 PIN photodiodes. 
• Vibration Sensor: When vibration is detected, the MCU cancels the detection signal for ± 0.5 seconds. 
• For analog and digital modules, the internal supply voltage Vdd is 3.3V with two LDOs. 
• TP_Analog Pin: Transimpedance amplifier output port. When a gamma ray is detected, an analog pulse with a peak of 100mV to 1000mV and a pulse width of 100µs FWHM is output from this pin. The default noise level is typically ± 50mV.

 

 

 

 

---

 

 

[Sensor output units]

The GDK101 UART interface provides two modes: Auto_send and Normal.

 

 

*UART Interface

 

• Auto_Send sends the sensor measurement value (1 minute) when the sensor is turned on. It automatically connects to Arduino every minute. 
• Normal allows Arduino to send requests to the sensor. For example, when requesting “┐D:?<CR><LF>,” the sensor responds with “┐D:1.24<CR><LF>.” The D command stands for 10-minute measurements. 

 

 

 

 

* I2C Interface

The sensor's default I2C address is set to 0x18. It reads 5 bytes of data and measures the gamma sensor value with the values of read data1 and read data2. For example, if the value of read data 1 is 1(16) and the value of read data 2 is 15(16), conversion to decimal values results in a value of 1.21.

 

 

 

 

 

---

Purchasing the GDK-101 sensor

As follows, the [GDK-101] sensor used in the book [Arduino Sensors for Everyone] can be purchased at Ali Express, Amazon.  

 

 

 

 

 

 

 

---

Software Coding

Run the example file in Steamedu123_Sensor-master > examples.

/*
   @305 GDK101 Gamma radiation sensor
*/

#include <C305_Steam_Air_GDK101_GAMMA.h>    // Internal library header file

SteamGDK101 gdk101;       // Instance

void setup() {
  Serial.begin(115200);   // Start serial communication at a speed of 115200bps.
  gdk101.begin();         // (1) Initialize the sensor.
}

void loop() {
  gdk101.read();          // (2) Measure the value of the sensor.
  gdk101.display();       // (3) Output the sensor value.
  delay(2000);            // Wait for 2 second.
}

 

 

 

 

 

---

 

GDK-101 Arduino sensor operation check

When the hardware connection and software coding are completed, you can check the operation screen as follows.

 

------------------------------------------------------ 
Development environment: WINDOWS 10
Arduino IDE: 1.8.13
------------------------------------------------------ 

 

01 library copy

You can easily check the operation by using the  library.  
The libraries \Steamedu123_Sensor-master folder is copied to the folder below.
* This folder is created automatically after installing Arduino C:\Users\s\Documents\Arduino\libraries

02 *. ino file execution
-Connect Arduino and PC
-Run Arduino IDE
-Menu → Tools → Board: Check Arduino UNO
-Menu → Sketch → Check/Compile

03 Check compilation

Select Sketch>OK/Compile (CTRL+R) to compile.

04 Arduino Uno upload

When the compilation is completed without any problems, select Sketch>Upload (CTRL+U) to upload the compiled file.

05 Operation check

You can check the operation as follows.
 

 

---

 

Wrap-up

You can connect Arduino and [GDK-101] sensor and practice the sensor easily with simple coding.

 

In this section, we investigated the effects of radiation on the human body, the reference concentration, the measurement range of simple measuring instruments, and the sensors used in measuring instruments. We learned how to control the GDK101 sensor, and with Arduino, we measured radiation (gamma rays). 

For accurate radiation measurement, it is necessary to measure the dose rate that is steadily accumulated for more than 24 hours. With Arduino and RTC (time) module, accurate time can be obtained, and cumulative dose rate can be measured. Radiation is invisible, oderless, and can cause damage over a long period of time. Acute disorders (erythema, hair loss), fetal developmental disorders (mental retardation), chronic disorders (cataracts, cancer, leukemia), and traumatological disorders (congenital disorders) can affect the human body. Therefore, we have to monitor indoor radiation exposure to radioactive gas radon, which is dangerous from inhalation, and gamma radiation with its very high transmittance.

 

 

 

 

---

 

References

 

References for [GDK101 radiation (gamma ray) Arduino sensor] used in the book [Arduino Sensors for Everyone] are as follows.

[84] Korea Atomic Energy Agency, natural and artificial radiation 
[85] Acute radiation syndrome
[86] Chronic radiation syndrome
[87] FTLAB website
[88] GDK101datasheet_v1.6, “Functional Characteristics”, p3
[89] GDK101datasheet_v1.6, “Pin Descriptions”, p1
[90] GDK101datasheet_v1.6, “Pin Descriptions”, p1

 

 

 

---

Purchasing a book

[Arduino Sensors for Everyone] The book is available for purchase on Google Book and Apple Books.

In this book, you will learn how to use the PMS7003, GP2Y1010AU0F, PPD42NS, SDS011 Fine Dust Sensor, DHT22 temperature/humidity sensor, MH-Z19B carbon dioxide sensor, ZE08-CH2O formaldehyde sensor, CCS811 total volatile organic compound (TVOC) sensor , GDK101 radiation (gamma ray) sensor, MQ-131 ozone (O3) sensor, MQ-7 carbon monoxide sensor, MICS-4514 nitrogen dioxide sensor, MICS-6814 ammonia sensor, DGS-SO2 sulfur dioxide (SO2) sensor, BME280 atmospheric pressure sensor, GUVA-S12SD ultraviolet (UV) sensor, MD0550 airflow sensor, and QS-FS01 wind speed sensor.

 

 

[Google play book]

Arduino Sensors for Everyone, 저자: Ronnie Kim - Google Play 도서