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Geigerzähler
von Plapperkatze am 6.August 2011 um 13:54
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Ein Geigerzähler mit Geiger-Müller-Zählrohr besteht im Grunde aus einer Hochspannungsquelle, dem Zählrohr und der Auswertung der Impulse.

Als Hochspannungsquelle will man eine möglichst stabile Spannung um die 500V, die auch nicht gleich in die Knie geht, wenn sie ein wenig belastet wird. Man wird hier einen Kompromiss suchen aus Stromverbrauch (=Batterielebensdauer) und Belastbarkeit. Es gibt ziemlich gute Schaltungen, während sich meine Variante vor allem durch Einfachheit auszeichnet, sicherlich auf Kosten der Effizienz.

Das Zählrohr, das auch vorgibt, welche Spannung die HV-Quelle liefern muss, hat eine bestimmte Empfindlichkeit, die bei normaler Hintergrundstrahlung zwischen einigen Impulsen pro Minute bis hin zu einigen Impulsen pro Sekunde reichen kann. Ausserdem bestimmt es, welche Art(en) von Strahlung erfasst werden können; Fensterzählrohre wie mein SI8B können auch Alpha- und weiche Betastrahlung erfassen, für die "geschlossene" Zählrohre recht unempfindlich sind.

Die Auswertung übernimmt bei meinem Gerät ein Atmega8, im Grunde ist es nur eine Zeitmessung und das Zählen der Impulse. Mit Hilfe des Datenblattes des Zählrohrs kann man auf eine andere Einheit, beispielsweise die Äquivalentdosis umrechnen, auch wenn die Bewertung dieses Ergebnisses einiges Fachwissen benötigt. Während käufliche Geräte gerne möglichst schnell einen Wert anzeigen, war es mir wichtig, auch längere Messreihen (Durchschnitt über mehrere Stunden) durchführen zu können.



Hardware

In dieser Schaltung kommen Spannungen von einigen Hundert Volt vor!
Baut das nur nach, wenn ihr wirklich wisst, was ihr tut.
Ich übernehme keine Haftung.

Der mit "Supply Voltage" bezeichnete Teil stellt stabile 5V für den Atmega und das LCD zur Verfügung und es gibt nicht viel dazu zu sagen. Ich habe noch einen 10nF Kerko vor dem 7805 und einen kleinen Ferritring mit 4 Windungen, um besser zu Entstören, wenn das Gerät über ein Steckernetzteil betrieben wird - sonst werden falsche Impulse gezählt, wenn andere Verbraucher an der Steckdose geschalten werden.

Die 3,6V, die ich (grob) mit 2 Dioden aus den 5V erzeuge, sind das Ergebnis eines Optimierungsversuchs des "HV Circuitry". Es zeigte sich, dass der Stromverbrauch der HV-Quelle bei höherer Spannung zunimmt (Strom der sinnlos über die Z-Dioden abfliesst, weil eine "zu hohe" Spannung erzeugt wird).

Der Trafo, der im linken Teil des "HV Circuitry" zu sehen ist, stammte aus einem kaputten Ozon-Generator, ich denke aber, dass da auch andere kleine Trafos gehen, wenn man die anderen Bauteile ein wenig anpasst. Ein Oszi ist da sehr hilfreich. Die erzeugte Hochspannung wird zwei mal verdoppelt, um auf knapp über 500V zu kommen.

Einer meiner "Sonderwünsche" war, dass ein 2tes (externes) Zählrohr umschaltbar verwendet werden kann, darum sind im Schaltungsteil "G.M. Tubes" verschiedene Zener-Dioden zu sehen. Bei der niedrigeren 400V Spannung fliesst natürlich mehr Strom, da 100V quasi "vernichtet" werden.

An dem Atmega8 hängt, von dem ISP-Anschluss abgesehen, folgendes:
- das 2x16 LCD in bewährter Weise mit R/W auf Masse
- der "Speaker Amp" der für schönes geigerzählertypisches Knacksen gut ist
- eine LED
- der Taster für die Umschaltung der angezeigten Einheiten
- die 2te Hälfte des "Tube Switch"; damit "weiss" der Atmega, welches Zählrohr grade in Betrieb ist
- an INT0 kommen die Impulse des Zählrohrs an

Taster und Schalter schalten übrigens einfach gegen GND. Mit den internen PullUps lässt sich das bequem ohne weitere Beschaltung auswerten.

Ich habe mit einem Jumper die Hochspannungserzeugung abschaltbar gemacht, nachdem mir ein Atmega während dem Programmieren "gestorben" ist. Ich bin nicht sicher, ob es damit zu tun hatte, aber sicher ist es besser, die HV erst einzuschalten, wenn man nicht mehr an der Schaltung herumhantiert. Die kleinen Ströme sind eigentlich harmlos für Menschen, nicht aber für den Atmega.

Software
Die Software ist mittels Programmers Notepad in C geschrieben und sollte mit WinAVR kompilierbar sein. Es ist kein besonders schöner Code und ich habe darauf verzichtet, viel herumzuoptimieren, nachdem alles funktionierte.

Geschrieben ist der Code für einen Atmega8, der mit interner 4MHz Taktfrequenz läuft.

http://katze.dead-men.de/upload/243_geiger_4MHz.zip

Für eine Umrechnung in eine Energie- oder Äquivalentdosis braucht es Konversionsfaktoren, die man meist dem Datenblatt des verwendeten Zählrohres entnehmen kann. Im Code ist diese Umrechnung hier:
   switch(unit)  
{
case 0:   // es soll die Energiedosis angezeigt werden
{
 double c=793.65;      // konv.faktor für EQH2 Zählrohr
         if(!(PINC & (1<<0)))c=238.1;  // konv.faktor für SI8B Zählrohr

 
 rechenwert=durchschnitt*60/c; // cps->cpm, div. durch konv.faktor
 ganzzahl=(int)rechenwert;
 nachkomma=(rechenwert-ganzzahl)*1000;
 sprintf(buf2,"%d,%03d%s",ganzzahl,nachkomma,unitName[unit]);
 break;
}
               ...

Bedienung
Nach dem Einschalten beginnt das Gerät sofort mit einer Messung, die erst durch einen Reset (langes Drücken des Tasters) zurückgesetzt wird. Während der Messung steht in der ersten Zeile des Displays die verstrichene Zeit, in der 2ten Zeile werden, je nach gewählter Einheit, die Energiedosis in µGy/h, die counts per minute oder die Gesamtanzahl der Impulse angezeigt. Die Einheiten können mit kurzem Druck des Tasters durchgeschalten werden.

Sonstiges
Der Stromverbrauch liegt bei mir bei etwa 20mA, ein 9V Block hält also etwa 24h. Wenn auf das SI8B Zählrohr umgeschalten wird, steigt der Stromverbrauch allerdings auf 35mA.

Der Geigerzähler ist für wirklich starke Strahlung eher ungeeignet, die HV-Erzeugung bricht ab einigen hundert counts/Sekunde irgendwann zusammen.

Das EQH2 Zählrohr ebenso wie das SI8B Zählrohr sind schwer aufzutreiben. Was man einfacher bekommt ist zB das gut dokumentierte russische SBM20 Zählrohr oder das Valvo 18550, das in dem FHZ76V Niederdosiszählrohr eingebaut ist. Man kann davon 2 oder mehrere parallel schalten, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.







Update 22.01.2012
Herr S. hat das Projekt nachgebaut, leider hatte er Probleme mit der HV-Erzeugung, wie ich sie oben im Schaltplan habe. Für einen kleinen 6V/240V-Trafo verwendete er daher folgende Schaltung:

Zum Konversionsfaktor des SBM-20 Zählrohrs ergab sich noch folgende Frage:
Wenn 1µSv/h einer Zählrate von 2,55 Imp./Sekunde entspricht, was ist dann der Konversionsfaktor?
Nunja, 2,55 Imp./Sekunde entsprechen 153 Imp./Minute. Damit wäre der Faktor 153. In der/dem "Bella" ist ein SBM-20 verbaut, und dort dauert eine Messung etwa 40 Sekunden, danach werden die Anzahl der Impulse durch 100 geteilt, das sind dann die µSv/h. Damit käme man auf (100/40)*60 = 150 als Konversionsfaktor. Das stimmt also ziemlich gut überein.

Hier Bilder von dem Geigerzähler von Herrn S.:




Hier ist eine Übersetzung des Datenblatts der SBM-20 als pdf, die mir Herr S. freundlicherweise zukommen hat lassen (Danke!):
http://katze.dead-men.de/upload/251_SBM-20_GER1.pdf

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