Elektronischer Geigerzähler

[ikarus_177]

Hallo!

Da ich mich in letzter Zeit immer häufiger mit Radioaktivität beschäftigt habe und mein Geigerzähler ("Gamma Check" vom großen C) zwar für einfache Messungen, nicht aber für Langzeit-Statistiken und dergleichen taugt, habe ich mich an die Konstruktion eines eigenen Geräts gemacht.

Hier das fertige Ergebnis, nebst dem gekauften Zähler (klick auf das Bild öffnet eine vergrößerte Version):


Der Geigerzähler besteht aus einem SI39G-Zählrohr, das für sehr wenig Geld bei Pollin zu haben ist. Das Zählrohr ist in einem externen Gehäuse untergebracht (ein Installationskanal für Elektriker), welches auf der dem Zählrohr zugewandten Seite einige Löcher hat, um die Empfindlichkeit für Betastrahlung etwas zu erhöhen. Diese Löcher sind aber mit einem dünnen, dennoch widerstandsfähigen Material (alter Analogfilm) verschlossen, damit kein Schmutz u. Ä. eindringen kann.

Die eigentliche Elektronik befindet sich auf 2 Leiterplatten, geteilt in Hochspannungserzeugung und Auswertung (die Schaltpläne sind für Interessierte angehängt).
Die Hochspannung wird mittes eines kleinen Printtrafos - "verkehrt" betrieben - und einer folgenden Hochspannungskaskade erzeugt. Sie ist mittels eines Trimmers zudem einstellbar. Verwendet werden für meinen Zählrohrtyp ca. 400V. Die Hochspannung und die Signalleitung führen über ein flexibles Kabel zur Zählrohreinhausung, welche auch den Anodenwiderstand (soll so nahe wie möglich am Zählrohr sein, um den Löschvorgang zu beschleunigen) sowie einen Koppelkondensator zur Auskopplung der Impulse enthält.
Anfangs hatte ich das Problem, dass (selbst ohne Zählrohr!) sehr viele Impulse registriert wurden. Es stellte sich schließlich heraus, dass die Restwelligkeit der Hochspannung durch das lange Kabel kapazitiv in die Signalleitung eingekoppelt wurde und so zu Impulsen im Takt der Hochspannung (ca. 500Hz) führte (konnte durch einen einfachen RC-Tiefpass am HV-Ausgang aber behoben werden).

Die vom Zählrohr kommenden Impulse triggern einen NE555 (als monostabiler Multivibrator), welcher pro Impuls einen sauberen Rechteckimpuls erzeugt. Diese werden an den den Microcontroller ( ein ATMega328 ) weitergeleitet, der auf der zweiten Platine sitzt.

Der Microcontroller erfasst einerseits die Impulse und berechnet daraus den momentanen Strahlungwert in uSv/h, welcher auch am Display angezeigt wird (ein echtes 1-Euro-Schnäppchen von Pollin). Außerdem können die Impulse für einen "akustischen Eindruck" über einen 3,5mm Klinkenstecker mit einem Kopfhörer oder kleinem Lautsprecher hörbar gemacht werden. Des weiteren wird der Strahlungswert sekündlich über die UART gesendet (verbunden mit der rechten Hirschmann-Buchse). Aktuell existiert ein kleines Java-Programm, das diese Werte einliest und daraus am PC ein schönes Diagramm erzeugt. Die linke Buchse dient zur Stromversorgung (wird aktuell für den mobilen Einsatz über AA-Akkus bewerkstelligt).

Ein besonders hilfreiches Feature (finde ich zumindest): die Strahlenwerte werden zudem jede Sekunde auf einer SD-Karte gespeichert (als *.csv-Datei, die automatisch - sofern eine SD-Karte eingelegt ist - beim Start des Geigerzähler angelegt wird), sodass am PC mit einem handelsüblichen Tabellenkalkulationsprogramm sehr schnell Langzeit-Strahlenstatistiken erzeugt werden können.

Einem ersten Praxistest habe ich natürlich auch durchgeführt: ich habe den Zähler in meinem Rucksack während eines Ausfluges zum Wiener Atominstitut (das mit dem "Praterreaktor" den einzig verbliebenen Kernspaltungsreaktor in Österreich betreibt) einen ganzen Tag laufen lassen:



Man erkennt sehr schön die Hintergrundstrahlung im Bereich von 0,1uSv/h und die beiden Peaks währen der Führung im Atominstitut (der erste ist die Strahlung direkt überhalb des Reaktors, der zweite rührt von einer kleinen Mineraliensammlung her). Außerdem hat der Granitsockel des Goethe-Denkmals in der Nähe der Hofburg ein deutlich über dem Hintergrund liegendes Strahlungsniveau. Selbes gilt für die Mineraliensammlung im Naturhistorischen Museum, die auch einige uranhaltige Stücke enthält (ein nicht einmal faustgroßes Stück strahlte durch das Vitrinenglas hindurch noch mit 22uSv/h!).

Alles in allem ist ein für mich praktisches Utensil bei der Bastlerei herausgekommen, mit dem ich auch die Höhenstrahlung ala Victor Hess auf einem Flug in die USA zu messen versuchen werde.

Falls euch noch irgendwelche Dinge am Zähler selbst interessieren würden - bitte immer her mit Wünschen / Anregungen / Beschwerden

Schöne Grüße

[robocat]

Hi ikarus,
gefällt mir sehr gut! Ein Bild von den Leiterplatten wäre sehr interessant.
In welcher Sprache hast du programmiert?
In deinem Schaltplan sehe ich keine 5V Stabilisierung, wie machst du das mit den Akkus? Hast du einmal den Stromverbrauch gemessen?

Beim Flug in die USA würde ich mich vorher erkundigen, nicht, dass man dir den Zähler wegnimmt.

Mit Kaliumchlorid aus der Apotheke könnte man bei bekannter Geometrie evtl kalibrieren, nur so als Idee.

Ich habe noch ein SBM-20 Zählrohr übrig, das man wohl mit deiner HV ohne große Änderungen betreiben könnte. Man darf keine Wunder erwarten, aber etwas empfindlicher als das SI39G wäre es vermutlich schon. Bei Interesse schreib mir einfach eine PM.

Grüße von der Katze

[ikarus_177]

Hallo!

Bilder der Leiterplatten sind angehängt! Programmiert habe ich das ganze in C, wobei ich allerdings nicht alles selbst gemacht, sondern auch ein paar Libraries verwendet habe (die wirklich sehr gute SD-Bibliothek von Roland Riegel und I2C von Peter Fleury).

Die 5V-Stabilisierung geschieht auf der Hochspannungsplatine mit einem Schaltregler (LM2575). Zusätzlich gibt es noch einen 3,3V LDO für die SD-Karte am Digitalboard. Der Stromverbrauch liegt bei etwa 30-40mA (wobei es keinen großen Unterschied macht, ob das Display ein- oder ausgeschaltet ist), mit meinen uralten AA-Akkus sind da 6-7 Stunden Dauerbetrieb möglich, mit neuen Akkus sollte (hoffe ich zumindest) es noch mehr sein.

Bezüglich USA: wo kann man sich denn da erkundigen? Auf der Liste der verbotenen Gegenstände der Fluggesellschaft sind Geigerzähler (erwartungsgemäß) nicht angeführt...

Die Kalibrierung habe ich momentan mit einigen Vergleichsmessungen (mit meinem Conrad-Geigerzähler) an verschiedenen Quellen (WIG-Elektroden mit Thoriumoxid, Am241, Uhrenzeiger mit Radiumfarbe) realisiert. Diese Quellen decken eigentlich einen recht großen Strahlenbereich ab (< 1uSv/h für die Elektroden; ca. 5uSv/h für das Americium; ca. 20uSv/h für Radium). Welche Aktivität kann man denn vom Kaliumchlorid etwa erwarten?

Wie hättest du denn die Kalibrierung gemacht?

Schöne Grüße!