Geigerzähler

Ich habe vor einigen Jahren zwei russische Zählrohre des Typs SBM-20 gekauft, mit dem Ziel, irgendwann einmal einen Geigerzähler daraus zu bauen. Bei der Katastrophe von Fukushima konnte man gut sehen, dass Geigerzähler, oder Komponenten dafür, nicht verfügbar sind wenn man sie wirklich braucht. Im Herbst 2015 wurde das Projekt dann umgesetzt.

Funktionsweise eines Geiger-Müller Zählrohrs

Die genaue Funktionsweise eines Zählrohrs ist in der Wikipedia gut beschrieben. Es ist ein gasgefülltes versiegeltes Rohr mit einem leitfähigen Stab in der Mitte. Dieser Stab, die Anode, ist elektrisch von der Außenwand des Rohrs isoliert, welche ebenfalls leitfähig ist und die Kathode bildet. Das Gas ist im Normalzustand nicht leitend, so dass, wenn man eine Spannung zwischen Kathode und Anode anlegt, zunächst erst einmal kein Strom fließt. Trifft jedoch ein Strahlungsteilchen auf das Gas, wird dieses ionisiert und die entstandenen freien Elektronen wandern zur Anode. Dies kann als Stromfluss registriert werden. Ist die Spannung dabei hoch genug, werden die Elektronen dabei stark beschleunigt, so dass sie beim Auftreffen auf Gasmoleküle weitere Elektronen freisetzten. Die so erzeugten Strompulse sind deutlich größer und können ohne zusätzliche Verstärkung mit einem kleinen Lautsprecher hörbar gemacht werden.

Aufbau der Zähleinheit

BILD-FEHLT Die eigentliche Aufgabe beim Bau eines Geigerzählers ist das Erzeugen der Betriebsspannung für das Zählrohr. Diese beträgt beim SBM-20 ca. 400 Volt. Eingesetzt wurde ein einfacher Step-Up-Wandler auf Basis eines MC34063, der mit einem externen FET versehen wurde welcher die nötige Spannungsfestigkeit hat. Da als Eingangsspannung nur 9 Volt aus einer Batterie vorgesehen sind, muss der Spannungswandler eine Erhöhung von mehr als Faktor 40 erreichen und daher sehr ineffizient arbeiten. Da die Schaltung mit dem Zählrohr aber nur sehr wenig Strom benötigt ist das kein ernstes Problem. Die Ausgangsspannung wird durch den Spannungsteiler, den die Widerstände R11, R12, R13 und R14 bilden, bestimmt. Sie liegt rechnerisch bei 399,3 Volt. Hierbei ist zu bedenken, dass die Leistung so schwach ist, dass allein die Messung mit einem Oszilloskop reicht um diese Spannung deutlich einbrechen zu lassen.

Vom Ausgang des Spannungswandlers führen fünf 1-Megaohm-Widerstände zur Kathode des Zählrohrs von dessen Anode ein 470-k-Widerstand zur Masse geht. Dessen Wert wurde experimentell so bestimmt, dass eine Entladung des Rohrs den Transistor T6 sauber durchschaltet, wobei über das RC-Glied aus R15 und C1 der Puls etwas gestreckt wird. Dies erleichtert es dem Mikrocontroller ihn zu registrieren.

Der Mikrocontroller-Teil der Schaltung ist sehr Einfach gehalten. Ein ATtiny461 registriert und zählt die Pulse. Ein kleiner Lautsprecher sowie vier 7-Segment-Anzeigen werden zur Ausgabe benutzt. Über einen Schalter kann ausgewählt werden, ob die absolute Zahl der registrierten Pulse oder die Pulsrate (Pulse pro Minute) angezeigt werden sollen. Beim bestimmen der Pulsrate wird jede Sekunde die Anzahl der Pulse mit 60 multipliziert und der Wert über einen langsamen Tiefpass gefiltert. So muss man nicht erst 60 Sekunden warten um einen Wert zu erhalten.

Aufbau

Die Schaltung wurde auf einer selbst geätzten Platine realisiert. Die einzig erwähnenswerte Besonderheit ist die Halterung bzw. der Anschluss des Zählrohrs. Dieses ist an seinen Anschlussenden nämlich genau so breit, dass es sich direkt in amerikanische Sicherungshalter (für 6,3-mm-Sicherungen) einstecken lässt.

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Betrieb

Das Gerät funktioniert für mich absolut zufriedenstellend. In meinem Labor messe ich eine normale Pulsrate von ca. 20/Minute, was ein normaler Wert für das SBM-20-Zählrohr und ein nicht stahlen verseuchtes Labor ist. Zum Testen habe ich mir Thorium-Schweißelektroden besorgt, welche leicht radioaktiv sind. Mit diesen konnte ich eine deutlich höhere Zählrate provozieren.

Wichtig ist nur noch zu erwähnen, dass das SBM-20-Rohr nur zur Messung von Gamma- und mancher Betastrahlung geeignet ist, da Alphastrahlung aufgrund des kompletten Metallmantels nicht in sein Inneres vordringen kann. Detektoren für Alphastrahlung funktionieren zwar prinzipiell genauso, haben aber in ihrer Wand Fenster aus sehr dünner Folie, die durchlässig für Alphateilchen ist. Bei Reaktorunfällen werden jedoch auch viele Alphastrahler freigesetzt, die zudem, vor allem bei Aufnahme in den Körper, als besonders gefährlich gelten. Möchte man also z. B. sein Essen auf radioaktive Kontamination prüfen, sollte man besser ein Messgerät nutzen, dass auch Alphastrahlung messen kann.

Downloads

Geigerzaehler.zip Firmware-Quellcode, AVR-Studio-6-Projekt, Target3001-Datei (Platine + Schaltplan) (60 kB)

© 2014 - 2017 Philipp Meißner