Dieser
Sensor für radioaktive Strahlung wurde in ein
Zigarrenröhrchen eingebaut. Die bisherigen Versuche mit einer
Fotodiode BPW34 als Gamma-Detektor waren etwas kniffelig, weil extrem
kurze Impulse herauskamen. Nun soll ein passender Verstärker
dafür sorgen, dass direkt hörbare Impulse entstehen. Pate
dieser Entwicklung war der Alpha-Detektor von Norbert Renz der FET im Elektret-Mikrofon. Das Ergebnis ist ähnlich wie beim Aufbau mit einem FET-Amp von Manfred Hartman. Allerdings werden hier ein JFET BF245 und zwei NPN-Transistoren als Vorverstärker eingesetzt.
Ein Elektret-Mikrofon
enthält einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) und einen
geladenen Kondensator als Membran. Das Ersatzschaltbild zeigt die
interne Diode des FET. Die angedeutete Spannungsquelle und der
veränderliche Kondensator werden durch die permanent elektrisch
geladene Elektret-Folie gebildet. Faszinierend finde ich den hohen
Eingangswiderstand des Verstärkers und das geringe Eigenrauschen
des Mikrofons. Wenn ein kleiner Eingangsstrom ins Gate fließt,
wird die Spannung durch die interne Diode des FET begrenzt. Der Eingang
kann sich also nicht beliebig positiv aufladen.
Wenn man etwas
vergleichbares mit einem JFET BF245 aufbauen will, gibt es ein Problem.
Weil der Transistor für größere Ströme ausgelegt
ist, ist er bei 0 V am Gate zu niederohmig. Der Verstärker
funktioniert dann nicht gut. Nötig ist ein Source-Widerstand, um
den Arbeitspunkt passend zu verschieben. Dann verliert allerdings die
Eingangsdiode ihre Funktion. Deshalb wurde hier eine externe Diode
1N4148 eingebaut.
Die
Eingangsdiode wirkt wie ein hochohmiger Widerstand, hat aber noch
andere Vorteile. Der Dunkelstrom der BPW34 kann mit ca. 1 nA angenommen
werden. Bei diesem Strom hat die 1N4148 eine Spannung von ca. 0,2 V.
Der differenzielle Innenwiderstand beträgt an diesem Arbeitspunkt
ca. 25 MΩ. Ein Gammaquant bewirkt in der BPW34 einen Stromimpuls,
der die Kapazitäten der Diode und der übrigen Schaltung
auflädt. Der Diodenwiderstand sorgt dann für die Entladung.
Bei 9 V Sperrspannung hat die BPW34 eine Sperrschichtkapazität von
ca. 15 pF. Wenn man von insgesamt 20 pF und 25 MΩ ausgeht, ergibt
sich eine Entlade-Zeitkonstante von 0,5 ms. Damit entsteht also ganz
ohne Tricks ein gut hörbarer Impuls. Nach zweistufiger
Verstärkung kommen Impulse bis 1 V heraus, die sich gut aus dem
Hintergrundrauschen abheben und die direkt an einen Kopfhörer oder
an einen Verstärker geleitet werden können.
Wichtig
für die Funktion der Schaltung ist absolute Dunkelheit an der
Fotodiode. Falls aber doch etwas Licht eindringt, sorgt die Si-Diode
dafür, dass der Arbeitspunkt im Rahmen bleibt. Man hört dann
z.B. ein Brummen des modulierten Kunstlichts. Bei sehr geringem,
konstantem Restlicht arbeitet die Schaltung bereits korrekt, allerdings
mit einer kürzeren Zeitkonstante. Die Impulse werden leiser und im
Klang höher. Nun kann man also rein nach dem Klang die Abdunkelung
verbessern. Je dunkler es ist, desto tiefer und lauter werden die
Knackgeräusche. Wenn man die Lichtabschirmung im Griff hat, kann
die Diode auch durch einen hochohmigen Widerstand ab 10 MΩ bis
ca. 50 MΩ ersetzt werden.
Mit diesem Sensor und der PC-Soundkarte konnte auch eine einfache Gamma-Spektroskopie mit dem PRA (pulse recorder analyzer)
von Marek Dolleiser.durchgeführt werden. Wichtig ist dabei, dass
die Betriebsspannung stabilisiert wird, denn die Verstärkung der
NPN-Stufen hängt stark von der Spannung ab.
Der Gammadetektor II
