Kernstrahlungs-Spektrometer

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Die PIN-Fotodiode BPX61 eignet sich nicht nur für Kernstrahlungszähler sondern auch für ein Strahlungs-Spektrometer zur Anzeige von Alpha-, Gamma- und Betastrahlung. Die Energie jedes einzelnen Teilchens wird dabei gemessen und in ein Diagramm geplottet. Das Pingpong-Spiel mit seinem ATmega8-Controller und insgesamt 120 LEDs eignet sich zur Auswertung und Anzeige der Sensorsignale. Das Bild oben zeigt das Spektrometer in Aktion. Auf dem Bildschirm sieht man Gamma- und Beta-Signale einer Armbanduhr. Alpha-Signale erzeugen größere Signale weiter rechts auf dem Schirm. Sie wurden aber in diesem Fall durch das Uhrenglas abgeschirmt.


Der Sensorverstärker verwendet einen CMOS-OPV TLC272. Die Verstärkung ist so groß eingestellt, dass Alpha-Signale bis zu 2 V am Ausgang erreichen und Gamma-Signale bis über 0,2 V.



Der Verstärker wurde in eine kleine Blechdose (Fischerman´s Friend) eingebaut. Die radioaktive Probe kommt mit in die Dose im Inneren des Pingpong-Gehäuses. Damit hat man eine doppelte Abschirmung gegen Licht und zugleich eine elektrische Abschirmung des empfindlichen Eingangs. Das Gehäuse enthält außerdem einen Akku und einen 5-V-Regler für den Controller sowie das Programmierinterface für die Pingpong-Platine.



Das folgende Bild zeigt eine Messung an Uran-Pechblende. Wegen der großen Aktivität liegt das Ergebnis schon nach wenigen Sekunden vor. Man sieht Signale höherer Energie. Alle Signale rechts der Mitte zeigen Alpha-Teilchen, was sich durch Abschirmungsversuche mit einem Stückchen Alufolie zeigen lässt. Alle Signale, die eigentlich rechts außerhalb des Schirms liegen, werden von der Software im rechten Kanal aufsummiert. Die Linie ganz rechts zeigt also alle Signale hoher Energie mit Impulsen über 600 mV




Mit diesem Aufbau kann man auch Messungen an Proben mit sehr geringer Aktivität durchführen. Sie dauern dann einfach nur wesentlich länger. Das folgende Bild zeigt die Aktivität eines kleinen Stückchens einer alten Gipskarton-Platte. Das Ergebnis lag nach ca. einer Stunde vor. Es gab nur 18 Impulse in einer Stunde, davon einen eindeutigen Alpha-Impuls und vier Impulse mittlerer Energie, die in der Hintergrundstrahlung kaum gefunden werden. Die Strahlung stammt übrigens tief aus der Erde und wurde mit dem Kohlebergbau an die Oberfläche geholt. Bei der Rauchgas-Entschwefelung in Kraftwerken entsteht Gips, der für die Platten verwendet wird. Da Kohle immer etwas Uran und Thorium enthält, gelangt auch etwas davon die Platten. Die Strahlung ist so gering, dass man sie mit einem Geigerzähler kaum finden könnte. Aber die Energie-selektive Messung zeigt sie.

Zum Vergleich hier eine Leerlauf-Messung der Hintergrundstrahlung. 

 

Man muss übrigens bei der Messung schwacher Aktivitäten gut aufpassen, dass man die Messeinrichtung nicht mit stärkeren Proben kontaminiert. Ein Stückchen Pechblende kann z.B. Isotope mit geringer Halbwertszeit in der Messkammer hinterlassen, die erst mal eine folgende Messung verfälschen können. Zwischendurch solte man daher zur Sicherheit ab und zu eine Leerlaufmesung durchführen. 


Das Bascom-Messprogramm

Das Programm wertet Impulse aus, die über 10 AD-Stufen, also über 50 mV liegen. Nach dem Erfassen der Maximalspannung M des Impulses wird der zugehörige Energiespeicher E(M) um Eins erhöht und die entsprechende LED eingeschaltet. Jeder Speicherplatz erfasst einen Bereich von 50 mV. Die gesamte X-Achse reicht also bis 600 mV. Größere Impulse werden dem letzten Speicher zugeschlagen.

Download: Alphaping1.zip

'Pingpong-Platine
'Kernstrahlungs-Spektrometer
'V0.2: AD-Prescaler = 16, besserre Auflösung

$crystal = 8000000
$regfile = "m8def.dat"
$hwstack = 64
$swstack = 64
$framesize = 64

Dim Leds(12) As Word
Dim X As Byte
Dim Y As Byte
Dim N As Word
Dim D As Word
Dim M As Word
Dim E(12) As Byte

Declare Sub Standby
Declare Sub Test
Declare Sub Initialisierung

Declare Sub Led1(byval X As Byte , Byval Y As Byte)
Declare Sub Led0(byval X As Byte , Byval Y As Byte)

Initialisierung
Config Adc = Single , Prescaler = 16 , Reference = Off
Start Adc

For X = 1 To 12
Y = 1
Led1 X , Y
E(x) = 1
Next X

Waitms 500

Do
Do
D = Getadc(7)
Loop Until D > 10
M = D
Do
D = Getadc(7)
If D > M Then M = D
Loop Until D < 10
M = M / 10
If M > 12 Then M = 12
E(m) = E(m) + 1
If E(m) > 10 Then E(m) = 10
X = M
Y = E(m)
Led1 X , Y
Loop
...


Beta- und Gamma-Messung mit der BPW34

Gleicher Verstärker und gleiche Software, aber die Diode ist jetzt eine BPW34. Man findet nur noch Signale in der unteren Hälfte des Energiespektrums, weil Alpha-Teilchen in der Plastikumhüllung der BPW34 abgefangen werden. Die Leerlaufrate wurde dreimal bestimmt und beträgt zuverlässig 0,2 Impulse pro Minute. Die Messungen an Kaliumchlorid zeigen eindeutig, dass die Diode Beta-Strahlen messen kann. Dagegen haben die Messungen an der Holzkohlenasche und an einem Stückchen Gipskarton kein klares Ergebnis, während die offene BPX61 in diesen beiden Fällen eine Strahlung nachweisen konnte.

 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kanal
 1 0 1 0 0 0 Leerlaufmessung 10 min, 0,2 /min
4 2 3 0 1 1 Kaliumchlorid 10 min 1,1 /min
2 4 0 1 0 0 Kaliumchlorid, dickes Papier 10min 0,7 /min
4 3 2 1 0 2 Kaliumchlorid 10 min   1,2 /min


http://www.youtube.com/user/bkelektronik



Spektrometer mit ADC0804, von Till Elborg

In etwa zu der Zeit als Sie Ihre Experimente zur Strahlungsmessung aufleben ließen, begann ich ebenfalls, mich wieder intensiver mit der Materie zu befassen und stieg mit dem Franzis-Buch von Herrn Rapp ein. Da waren Ihre Schaltungsvorschläge mehr als willkommen. Fast alle habe ich versucht, nachzuvollziehen, aufgebaut und getestet. Ein Meilenstein war die Anschaffung einer großen leeren Keksdose. Erst mit ihr gelang eine zufriedenstellende Abschirmung. Jetzt finde ich, dass es an der Zeit ist, Ihnen auch mal eine Rückkopplung zu geben.

Die besten Ergebnisse erreiche ich bislang mit Ihrer Schaltung „Kernstrahlungs-Spektrometer“ mit einem TLC272-Operationsverstärker und einer BPW34-Diode, allerdings der Typ mit erhöhter Blau-Empfindlichkeit (BPW34-B, leider deutlich teurer). Obwohl nur eine einzige Sensor-Diode verbaut ist, liefert die Schaltung kräftige Signale sogar für die Nullrate. Sie beträgt in einem geschlossenen Raum im Untergeschoss zwischen 15 und 35 Impulsen pro Minute.

Das Ausgangssignal der Schaltung werte ich hier etwas anders aus: Der Signalausgang ist mit einer zweiten Schaltung verbunden, die im Wesentlichen aus einem freilaufenden ADC0804-A/D-Wandler-IC besteht. Der hat zwar nur acht Bit, kann dafür aber hervorragend an die parallele Schnittstelle eines PCs angeschlossen werden und scheint auch ausreichend schnell zu sein. Die parallele Schnittstelle selbst ist recht performant und erlaubt mit einem schnellen Rechner unter Windows Server 2012 Abfrageraten von gut 300.000 pro Sekunde bei exaktem Timing.

Einen dazu passenden Vielkanal-Analysator habe ich als Software in C# mit WPF als Oberflächentechnologie entwickelt. Der AD-Wandler ist mit Null-Offset auf etwa 14 mV eingestellt und misst mit voller Skala einen Bereich von knapp 400 mV. Den Rest erledigt die Software.

Erstaunlicherweise scheint dieser Aufbau ungewöhnlich präzise zu sein, man erkennt Spektren und Abklingkurven wie im Lehrbuch, errechnete Äquivalenzdosisleistungen decken sich mit den Anzeigen professionellerer Messgeräte.

Zuletzt hatte ich drei vulkanische Mineralproben aus dem hohen Vogelsberg untersucht. Mit einem Geigerzähler ohne Befund. Nach etwa einer Stunde in der 4l-Messkammer (Keksdose) begann wohl durch Radon-Emanation eine deutliche Aktivität sich einzustellen, die nach 24 Stunden sogar mehr als 10000 Impulse pro Minute lieferte. Das Spektrum ließ auf Th-232 als Mutter schließen und nach Entfernung der Mineralien konnte man das Abklingen des Restgases beobachten und sogar nahezu präzise Halbwertszeiten berechnen, die zu Rn-220 passen. Faszinierend im Verhältnis zu den eingesetzten Bauteilen, von denen das teuerste tatsächlich die Keksdose ist.


 
 Screenshot der Software bei der Messung einer Fingerhut-Menge an Meersalz, welches sich kaum vom Hintergrund abhebt

Eine weitere interessante Messvariante ermöglicht Ihre Idee mit der Keksdose: Die Messung der Radon-Exhalation gewöhnlichen Leitungswassers. Hierzu befeuchtet man ein Stück Küchenrolle oder einen kleinen Schwamm und legt es/ihn in die Messkammer. Das im Trinkwasser (ausgenommen dem von Talsperren) stets enthaltene Radon (im Schnitt ca. 5000 Bq/m^3) geht bei Luftkontakt in diese über und kann dann aufgrund des in der Keksdose minimierten Luftaustauschs schon nach rund einer halben Stunde prima gemessen werden. Die Aktivität steigt entsprechend den Zerfallsgesetzen (steigende Konzentration in der Messkammer, Entstehung der Radon-Folgeprodukte) bis zu einem gewissen Niveau an und beginnt nach einigen Stunden wieder abzuklingen. Dieses Experiment ist recht eindrucksvoll und kommt ohne gefährliche Strahlungsquellen aus.

Siehe auch: Hardware und Software des Vielkanalanalysators


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