Geigerzähler

mit PIC16F628

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etektiert
 Gamma-Strahlung
Zählrohr
 SBM-20
Anzeigebereich
 0 ... 16 mS/h
norm. Messbereich
 144 nS/h ... 1,44 mS/h
Messfehler
 5% (bei 150 uS/h)  ?
Messzeit
 4,2 s / 67 s / 18 min
Betriebsspannung
 3 V ... 5 V
Stromaufnahme
 ca. 16 mA
Immer dann, wenn mal wieder ein unterversichertes KernAtomkraftwerk demonstriert, was ein Restrisiko ist, dann steigt das Interesse an Geigerzählern. Ich glaube zwar nicht, dass man so ein Gerät dringend im Haushalt braucht, aber ein nettes Bastelprojekt ist es allemal. Eine Schaltung, die lustig vor sich hin tickt, ist schnell aufgebaut. Aber besser wäre doch ein Gerät, das das Ticken auch in einen brauchbaren Zahlenwert umrechnet. Seit Fukushima bieten sich da Millisievert oder Mikrosievert (Einheiten der Äquivalenzdosis) an.

Zählrohr (GMZ)
Schaltung - Blockschaltbild
Schaltung - Detail
Transverter-Trafo
Aufbau
Berechnung
Programm
mechanischer Aufbau
Bedienung
Ergebnis
Programmcode
Anpassung an andere GMZ
Entwicklung		 Außenansicht

Zählrohr (GMZ)

Das Herzstück eines jeden Geigerzählers ist das Geiger-Müller-Zählrohr (GMZ). Das ist ein gasgefülltes Rohr mit zwei Elektroden. Normalerweise ist eine Elektrode der Mantel des Rohres, und die zweite Elektrode befindet sich als Draht mittig im Rohr. Zwischen den beiden Elektroden wird eine Spannung von einigen hundert Volt angelegt. Dann passiert erst einmal gar nichts, da das Gas zwischen den Elektroden nicht leitfähig ist. Gelangt ein ionisierendes Teilchen in die Gasröhre, dann führt das zu einer lawinenartigen Ionisierung des Gases, und ein Strom fließt zwischen den Elektroden.

Die Zählrohrbetriebsspannung wird über einen Reihenwiderstand von mehreren Megaohm an das Zählrohr angelegt. Der plötzliche Stromfluss durch das ionisierte Gas führt nun zu einem hohen Spannungsabfall über diesen Widerstand, und die Spannung  am Zählrohr bricht zusammen. Sie unterschreitet den Spannungswert, der zur Aufrechterhaltung der Gasionisation nötig wäre, und der Stromfluss stoppt wieder.  Das Gas im Rohr ist "gelöscht". Da die Ionisation und das Löschen etwas Zeit benötigt, kann ein Rohr nur eine bestimmte Höchstzahl von Teilchen pro Zeiteinheit zählen.


Ionisierende Strahlung
Ionisierende Strahlung wird in Alpha-, Beta- und Gamma-Teilchen unterteilt. Daneben entstehen noch Neutrinos und Neutronen.

Alpha-Teilchen sind Helium-4-Atomkerne, also "Klumpen" aus jeweils zwei Neutronen und zwei Protonen. Gelangen sie durch Atmung oder Nahrungsaufnahme in den menschlichen Körper sind sie hoch gefährlich, die Strahlung kann aber schon durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden. Da der Mensch selten nackt herumläuft, und seine äußere Hülle einige Schichten abgestorbener Hautpartikel darstellen (die Alphastrahlung absorbieren) sind Alphastrahler vergleichsweise ungefährlich, solange sie nicht in den Körper gelangen. Mit einem Geigerzähler lassen sich Alphateilchen kaum messen, da sie es nicht durch die Rohrwand in das Zählrohr schaffen.

Beta-Teilchen sind Elektronen. Sie dringen tiefer in die menschliche Haut ein, und können Verbrennungen verursachen (späterer Hautkrebs nicht ausgeschlossen). Gelangen Betastrahler in den Körper (Nahrung, Atmung ....) können sie Krebs verursachen. Betastrahlung lässt sich noch recht einfach abschirmen, was aber auch Konsequenzen für Zählrohre hat. Zählrohre, die auch Beta-Teilchen detektieren sollen, haben normalerweise ein für diese Teilchen transparentes Fenster aus Glimmer oder dünnem Kunststoff.

Gamma-Strahlung ist elektromagnetische Strahlung hoher Energie (höher als Röntgenstrahlung), lässt sich schwer abschirmen und führt zu Schäden am Erbgut lebender Zellen. Die folge sind Tumore und Strahlenkrankheit. Gammastrahlung dringt leicht in ein Zählrohr ein, und lässt sich deshalb auch leicht nachweisen.

Es gibt diverse Maßeinheiten, die im Zusammenhang mit ionisierender Strahlung eine Rolle spielen. Ich beschränke mich hier auf Sievert, die Maßeinheit der Äquivalenzdosis, da diese sich gut eignet, die biologische Wirkung der Strahlung auf den menschlichen Körper einzuschätzen.


Die Wirkung der ionisierenden Strahlung ist von ihrer Stärke und der Dauer ihrer Einwirkung abhängig. Die normale Umgebungsstrahlung ist sehr ortsabhängig und beträgt etwa 0,1 ... 0,2 Mikro-Sievert pro Stunde (uS/h). Das akkumuliert sich im Verlaufe eines Jahres auf etwa bis zu 1750 Mikro-Sievert oder 1,7 Milli-Sievert (0,2 x 24 Stunden x 365 Tage = 1752).

Diese Strahlung stammt aus radioaktivem Zerfall in der Erdkruste und kosmischer Strahlung. Die Stärke der kosmischen Strahlung ist höhenabhängig und beträgt in Deutschland zwischen 0,043 uS/h an der Küste und 0,055 uS/h im Gebirge. Die Strahlung aus der Erdkruste ist natürlich auch sehr ortsabhängig. So beträgt sie z.B. in Neuendorf am See gerade einmal 0,003 uS/h, wären die in 98559 Gehlberg einen Wert von 0,127 uS/h erreicht. (siehe http://odlinfo.bfs.de)

Der Mensch hat sich im Laufe der Evolution an dieses Strahlungsniveau angepasst, die Reparaturverfahren für Gendefekte in den menschlichen Zellen können die durch dieses Strahlungsniveau hervorgerufenen Gendefekte reparieren. Für stärkere Strahlung ist das Modell Mensch aber nicht ausgelegt.


SBM-20
Aus Gründen der Kosten und Beschaffbarkeit  verwende ich ein russischen Zählrohr vom Typ SBM-20, welches mir Gerd zur Verfügung gestellt hat. Es eignet sich gut für Gammastrahlung und eingeschränkt für Beta-Strahlung (da es kein "Fenster" hat detektiert es nur recht "harte" Betateilchen). Es wird über einen 4,7 Megaohm-Widerstand mit 400V gespeist und erzeugt beim Detektieren eines Teilchens Spannungsimpulse von mindestens 50V an seiner Anode. Dabei fließen kurzfristig ca. 60 Mikroampere durch das GMZ. Sein Arbeitsbereich ist 0,004 ... 40  Mikro-Rem pro Sekunde, was 0,144 ... 1444 Mikro-Sievert pro Stunde entspricht.
Bei 144 Mikro-Sievert pro Stunde liefert es etwa 420 Impulse pro Sekunde. Bei unserer normalen Umgebungsstrahlung (0,2 Mikro-Sievert) kommen da etwa 0,6 Impulse pro Sekunde zustande.


Schaltung - Blockschaltbild

Die Schaltung besteht aus
  • einer 4V Stromversorgung
  • einem PWM-gesteuerten 1,2V-Spannungsregler
  • dem 400V-Transverter
  • dem Zählrohr (GMZ)
  • dem Pulsverstärker
  • dem Controller-PIC
  • und dem LCD-Display
 Blockschaltbild

4V-Stromversorgung
Die Schaltung kann mit einer Spannung im Bereich von 3V bis 5V betrieben werden. Als passende Spannungsquelle sind zwei bis drei 1,5V-AA- oder AAA-Zellen vorgesehen. Sollten Akkus mit 1,2V-Sollspannung verwendet werden, so sind davon drei einzusetzen, um im Arbeitsbereich des PICs und (vor allem) des Displays zu bleiben

Spannungsregler
Der Spannungsregler ist ein Buck-Konverter, der aus den 4V-Eingangsspannung etwa 1,2V erzeugt. Die genaue Ausgangsspannung wird vom PIC mit Hilfe einer PWM (Rechteckschwingung mit einstellbarem Tastverhältnis) eingestellt.

400V-Transverter
Der Transverter muss 400V mit maximal 60 Mikroampere bereitstellen. Eine Spannungsänderung um ±50V (Plateaubereich des Zählrohrs) führt am Zählrohr zu einem tolerablen Messfehler von ±5%. Spannungsänderungen darüber hinaus sind nicht zulässig. Da das gesamte Gerät mit Batterien betrieben werden soll, eignet sich ein kleiner Transverter.
Der Controller misst die Transverter-Ausgangsspannung über einen Spannungsteiler, und ändert das Tastverhältnis der PWM, um die Ausgangsspannung auf 400V einzustellen.

Zählrohr
Das Zählrohr (GMZ) wird mit den 400V des Transverters über einen 4,7 Megaohm-Widerstand gespeist. Zählpulse kann man prinzipiell sowohl an der Anode wie auch an der Kathode des GMZ abnehmen.
An seiner Anode können die Zählpulse mit großer Amplitude über eine spannungsfesten Kondensator und einem Reihenwiderstand abgenommen. Dieser Signalausgang ist sehr hochohmig, was aber bei einem Handgerät mit integriertem Zählrohr kein Problem darstellt.
Sollte dagegen das Zählrohr über ein längeres Kabel mit der Auswerteelektronik verbunden werden. ist ein Widerstand in der Kathodenleitung wohl die bessere Lösung. Während das Gas ionisiert ist, fließen 60 Mikroampere durch das GMZ und den Widerstand. Das bewirkt einen Spannungsabfall am Widerstand.

Pulsverstärker
Der Pulsverstärker wandelt den Zählimpuls in einen normgerechten "digitalen" Puls für den PIC um und erzeugt Pulse für einen kleinen Lautsprecher. Der Verstärker hat vor allem die Aufgabe eines Impedanzwandlers (da der Impuls am Eingang sehr hochohmig ist) und eines Monoflops (um den sehr kurzen Puls des GMZ auf ein "hörbares" Maß zu verlängern).

PIC mit Display
Der PIC misst die Pulsdichte, und ermittelt daraus den Strahlungswert in Nanosievert. Dieser wird am Display 9-stellig angezeigt. Da kaum mehr als 5000 Pulse pro Sekunde zu erwarten sind, kann der16-bittige Timer1 des PIC zum Zählen der Impulse verwendet werden.
Ein RS232-Ausgang lässt sich leicht mit nahezu jedem PIC realisieren.

Als Anzeige kommt nur eine stromsparende LCD-Anzeige in Frage. Ich bevorzuge LCD-Dotmatrix-Displays. Es muss ein für 3,3V geeigneter Typ verwendet werden, wenn man mit einer 3V-Betriebsspannung arbeiten will.


Schaltung - Detail

An JP2 wird zur Stromversorgung eine Spannung zwischen 3..5V angeschlossen. Diese wird mit C3 gesiebt und dient direkt der Speisung des PIC-Controllers (PIC16F628). Eine Verpolung und ein versehentliches Überschreiten von 7V ist deshalb unbedingt zu vermeiden. Diese Spannung speist auch das LCD-Dotmatrix-Display.

C6, Q4, R7, D5, L1 und C7 bilden einen Buck-Konverter, der ca. 1,2V für den nachfolgenden Transverter erzeugt. Für Q4 und D6 verwende ich Standardtypen mit recht hohen Spannungsabfällen, da die Spannung ja ohnehin vermindert werden soll. Der Buck-Konverter wird mit einem PWM-Rechtecksignal aus dem Pin RB3/CCP1 des PIC angesteuert.
Für L1 habe ich einen 680uH-Typ (Reichelt  "09P 680u") eingesetzt, aber das lässt sich sicher noch optimieren.

R11, C5, TR1, D2, Q3 bilden einen frei schwingenden Transverter (25..30 kHz), der mit dem nachgeschalteten Spannungsverdoppler (C8, D5, D1, C1) eine Spannung von 400V erzeugt. Die genaue Ausgangsspannung hängt von der (ca. 1,2V großen) Eingangsspannung ab, und wird also letztendlich vom PWM des PIC bestimmt. R11 ist ungewöhnlich groß, dass dient aber der Verminderung der Stromaufnahme des Transverters. D2 und Q3 sind Typen mit geringen Spannungsabfällen, um eine effiziente Arbeit bei 1,2V Eingangsspannung zu garantieren. Der Trafo stammt aus der Blitz-Elko-Ladeschaltung eines Wegwerffotoapparates, ihn umzuwickeln wäre zu aufwendig. Seine Ausgangsspannung wäre normalerweise zu klein, weshalb ein Spannungsverdoppler am Ausgang notwendig ist, um 400V zu erzeugen. C1, C8, D1 und D5 müssen in der Lage sein die hohe Ausgangsspannung zu vertragen.
Es erscheint unsinnig, die 3V erst aufwendig zu verringern, wenn dann die Ausgangsspannung so klein wird, dass man wiederum einen nachgeschalteten Spannungsverdoppler braucht. Aber ohne Spannungsverdoppler wäre tatsächlich eine Eingangsspannung von ca. 3,8V nötig (und nicht nur das doppelte von 1,2V). Außerdem würde sich die Stromaufnahme des Transverters vervielfachen, was einem Batteriebetrieb nicht gut bekommen würde.

Die 400V-Spannung wird über den Spannungsteiler R3, R4, R5 auf 1,235V vermindert und dem Comparatoreingang RA2/AN2 des PICs zugeführt. am anderen Eingang des Komparators (RA1/AN1) liegt eine 1,235V-Referenzspannung an, die ein AD589 erzeugt. Der PIC vergleicht alle 4,2 Sekunden die beiden Spannungen und vergrößert oder vermindert je nach Vergleichsergebnis das Tastverhältnis einer 6,6kHz-Rechteckschwingung  am Pin RB3/CCP1. Dadurch wird die Transverterausgangsspannung auf 400V eingeregelt.
Auch diese Art der Spannungsregelung erscheint sehr aufwendig. Schließlich könnte man auch z.B. über eine 400V-Z-Diode  vom Transverterausgang aus auf den Transistor Q3 regelnd einwirken. Das würde man aber mit einem extrem hohen Stromverbrauch des
Transverters bezahlen. Eine Stromverzehnfachung ist hier durchaus im Rahmen des Möglichen. Das wollte ich vermeiden.
Der AD589 wird verwendet, da er (im Gegensatz zu Z-Dioden) nur einen geringen Strom benötigt. Er arbeitet ab 50uA. Mit einem R12 von 15kOhm stellt sich bei Vdd=3V ein Strom von 120 uA ein, was sicher im Arbeitsbereich liegt.
Der Spannungsteiler R3, R4, R5 belastet den Transverter mit 43uA recht stark. Damit ist er der mit Abstand größte Leistungsverbraucher (17 mW) im gesamten GMZ. Wer möchte kann hier größere Widerstandswerte verwenden, solange das Widerstandsverhältnis identisch bleibt. Ich hatte leider gerade keine größeren Widerstände zur Hand.

An JP1 wird das Zählrohr SBM-20 angeschlossen. Dabei ist auf die richtige Polarität zu achten (am GMZ ist der Pluspol mit + markiert). Die 400V werden dem GMZ über R6 zugeführt. Ionisiert ein Teilchen das Gas  im GMZ, dann fließt für etwa eine Mikrosekunde ein Strom von ca. 60uA durch das GMZ und durch den Widerstand R2. Die dabei an R2 abfallende hochohmige Spannungsspitze wird mit Q1, Q2 an niederohmige "Verbraucher" angepasst und dabei mit C4 verlängert. Der gestreckte Puls wird über einen kleinen Lautsprecher an JP3 als Klicken hörbar gemacht.Ich verwende einen 8-Ohm Lautsprecher aus einem alten ELSA-Modem. Der Wert von C4 ist kritisch. Deutlich weniger als 10nF führen zu einem sehr kurzen Puls, den der Lautsprecher kaum noch reproduzieren kann. Deutlich mehr als 10nF kann Q1 in der kurzen Zeit des GMZ-Pulses (ca. 1 us) nicht mehr laden. Vielleicht kann man hier mit einer Variation von R10 und C4 noch etwas optimieren. Um die Lautstärke des Pulses am Lautsprecher zu erhöhen könnte man auch in die Basisleitung von Q2 einen Widerstand einzuschleifen, um den Puls zu noch stärker zu strecken. Das wäre dann erst bei sehr hohen Pulsraten problematisch, da nah aufeinanderfolgende Pulse zu einem Puls zusammenlaufen würden. Eine Folge wäre ein zu kleines Messergebnis.
Der Puls  wird nicht nur hörbar gemacht, sondern auch an RB6 des PIC angelegt. Das ist der Zähleingang des PIC.

Stromlaufplan

Als Display verwende ich ein Dotmatrix-Display mit 2 Zeilen a 16 Zeichen. Es ist an den PIC mit einem 4-Bit-Parallelbus angeschlossen. mit R9 wird der Kontrast des Displays eingestellt. Je niedriger die Betriebsspannung ist, desto niedriger muss auch die Kontrastspannung sein. Wer will kann ein Display mit Hintergrundbeleuchtung wählen. Die Beleuchtung sollte aber mit einem Schalter abschaltbar sein, um Strom zu sparen.

Der Schalter S1 dient der Umschaltung zwischen zwei Betriebsarten des Zählers. Ist der Schalter geschlossen zeigt das Gerät die Äquivalenzdosis an, die in den letzten 4,2 Sekunden gemessen wurde. Bei hohen Strahlungswerten garantiert das eine schnell reagierende Anzeige. Bei der eher typischen geringen Umgebungsstrahlung schwankt so eine Anzeige aber zu sehr. Da ist es besser einen Wert anzuzeigen, der über einen längeren Zeitraum gemittelt wurde. Bei offenem Schalter wird deshalb die mittlere Äquivalenzdosis der letzten Minute (genau genommen der letzten 67 Sekunden) angezeigt. Da das in der ersten Minute nach dem Einschalten des Gerätes unmöglich ist, wird in dieser Zeit behelfsmäßig ein vereinfachter Mittelwert angezeigt.

Das Display zeigt in der oberen Zeile die Äquivalenzdosis in Mikrosievert mit drei Nachkommastellen und 5 Stellen vor dem Komma an (also 8-stellig   12 345.678 uS). Danach folgt ein Symbol für die Betriebsart::
Falls die Spannungsregelung nicht in der Lage sein sollte, die 400V einzustellen (warum auch immer), dann folgt noch ein zweites Zeichen:
Die zweite Displayzeile zeigt die in den letzten 4,2 Sekunden gezählten GMZ-Impulse an und dient damit eher der Unterhaltung oder der Fehlersuche.

R13, R14, Q5 und JP4 stellen einen RS232-Ausgang dar. Dieser gibt alle 4,2 Sekunden die Äquivalentdosis als Textstring (12 345.678 uS) mit 19200 Baud aus. Die Signalpegel entsprechen nicht der RS232-Norm, aber zumindest bei 5V-Betriebsspannung werden sie von modernen Computern so akzeptiert. Ob das bei 3V-Betriebsspannung auch noch gilt, muss man probieren.


Transverter-Trafo
Das wirklich Lästige beim Bau eines Geigerzählers ist in der Regel das Wickeln eines geeigneten kleinen Trafos. Wer wickelt schon gern 1000 Windungen eines haarfeinen Drahtes auf einen fipseligen Spulenkörper?
Im Internet (bei Steffen Barth) stieß ich auf die Idee den Trafo aus einem Wegwerffotoapparat für den Transverter zu verwenden. Das spart einen Haufen Wickelarbeit, bringt aber zwei Probleme mit sich:
Der von mir verwendete Trafo hat die Außenmaße 8mm x 9mm und folgendes Anschlussschema, bezogen auf den obigen Stromlaufplan. Anscheinend haben nur Kameras mit Blitz-Lade-Kontroll-LED einen Trafo mit Anzapfung, so wie ich ihn hier verwende.
Trafo

Wer einen anderen Trafo einsetzt, wird etwas "Forschungsarbeit" leisten müssen.

Der Trafo besitzt zwei getrennte Wicklungen. Eine davon hat eine Anzapfung und ist aus dünnerem Draht (Pins 1, 2, 3). Mit einem Ohmmeter lassen sich die einzelnen Wicklungen den Pins zuordnen. Für meinen Trafo ergab sich obiges Bild, bezogen auf die Pinnummern im Stromlaufplan. Die Pins 4 und 6 kann man leicht verwechseln. hier hilft nur ausprobieren.

Hier ist noch ein Anschlussschema eines anderen Trafos aus einer anderen Kamera:
Trafo


Meine Hardware sowie auch die Spannungsregelungssoftware sind auf den Transformator zugeschnitten, den ich in meiner Wegwerfkamera gefunden habe. Es kann sein, dass mit anderen Trafos die 400V-Erzeugung nicht oder nur nach größeren Änderungen and Hardware oder Software funktioniert. Wenn jemand die 400V auf andere Weise erzeugt, kann er auf meine Kombination aus dem PWM-gesteuerten 1,2V-Spannungsregler und dem 400V-Transverter zugunsten seiner eigenen Lösung verzichten. Dann entfallen auch D3, R12, R3, R4, R5.


Aufbau

Analogteil
Zuerst sollte man den Transverter mit dem Spannungsverdoppler aufbauen, da dort die meisten unangenehmen Überraschungen zu erwarten sind:
Über C7 ist dann eine Spannung von 1,2 V anzulegen. Stellen sich dann über C1 etwa 400 V ein (mit einem Digitalvoltmeter messen!), dann ist alles in Ordnung. Falls die Spannung im Bereich von 300V bis 600V abweicht, dann ist die Eingangsspannung so zu verändern, dass 400V erzeugt werden. Beim Aufbau ist darauf zu achten, dass im "Hochspannungsteil" Kriechströme (z.B. durch Verunreinigungen auf der Platine) vermieden werden. Jegliche Last am Ausgang wirkt sich negativ aus. Deshalb darf auch nur mit einem Digitalvoltmeter (10 MOhm Eingangswiderstand) gemessen werden.

Nun kann R5, R2 das GMZ (Polung beachten) sowie der gesamte Pulsverstärker mit dem Lautsprecher aufgebaut werden Dabei sind R4 und R5 noch nicht zu bestücken.
Das Voltmeter bleibt an C1 angeschlossen, und es wird wieder 1,2 V (oder die ermittelte richtige Spannung) an C7 angelegt. Nun sollte ein gelegentliches Klicken im Lautsprecher hörbar sein. Das Messgerät funktioniert schon mal prinzipiell als Gamma-Detektor.

Digitalteil
Anstelle von U1 ist ein 18-poliger IC-Sockel einzubauen.
C3, R12, D3, R1, R8, R9, R1 S1 bestücken und das Display anschließen.
4V an JP2 anschließen.
R9 so einstellen, dass am Display einige schwarze Vierecke sichtbar werden. (Die obere Zeile sollte mit 16 schwarzen Vierecken gefüllt sein.)
Die Spannung über D3 prüfen, sie sollte etwa 1,235V betragen.
4V trennen.

Den programmierten PIC16F628 in den Sockel stecken.
Den Widerstand R3 bestücken.
4V wieder anschließen. Am Display muss nun für ca. 1 Sekunde "Gamma-Detektor" angezeigt werden. Eventuell sollte man an R9 den Kontrast noch einmal nachregeln.
Danach erscheinen Zahlenwerte, die erst mal noch keinen Sinn ergeben müssen.
In der 15. Stelle der ersten Displayzeile muss das Symbol einer leeren Batterie erscheinen.
4V trennen.

Pin 1 des PIC mit Vdd (Pin 14) verbinden. 4V wieder anschließen. Am Display muss nun für ca. 1 Sekunde "Gamma-Detektor" angezeigt werden. Danach erscheinen Zahlenwerte, die erst mal noch keinen Sinn ergeben müssen.
In der 15. Stelle der ersten Displayzeile muss ein "B" erscheinen.
4V trennen.
Die Verbindung zwischen Vdd und Pin 1 entfernen.


und nun alle zusammen
Bestücken von C6, Q4, R7, D6, L2, sowie von R4, R5.
4V anschließen und die Spannung über C1 beobachten. Sollte die Spannung eine Sekunde nach dem Einschalten unter 300V oder über 450V liegen, dann 4V sofort trennen und den Fehler suchen.
Stimmt die 400V einigermaßen, dann ist das Gerät einsatzbereit.
Bei Bedarf kann noch R13, R14, Q5 bestückt werden.



Berechnung

Umwandlung in Nano-Sievert
Die Strahlung in Nano-Sievert erhält man, wenn man die pro Sekunde gezählten Pulse mit 345 multipliziert. Bei niedrigen Pulsraten sollten die Pulsraten dabei über mehrere Sekunden gemittelt werden.

Totzeitkorrektur
Nach dem Einfall eines Teilchens und der damit verbundenen Ionisation des Gases im Zählrohr ist das Zählrohr für etwa 100 us taub für weitere Teilchen. Mit steigender Pulsdichte steigt auch die Wahrscheinlichkeit dafür, dass genau in dieser Totzeit weitere Teilchen eintreffen, die das Zählrohr nicht erfassen kann. Deshalb kann man die gemessenen Teilchenzahl mathematisch korrigieren. Das ist aber erst bei hohen Strahlungsdosen sinnvoll.


Programm

Die Software arbeitet in einem Grundzyklus mit 4,2 Sekunden Länge. Dieser wird durch den Timer0 erzeugt, der alle 65,5 ms einen Interrupt auslöst. Die Interruptbehandlungsroutine zählt die Interrupts mit, und wird nur bei jedem 64-sten Interrupt fleißig. So entsteht der 4,2 Sekunden Zyklus (65,5ms x 64 = 4,2 s).
Der Timer1 dient als GMZ-Impulszähler, wozu sein Eingang mit dem GMZ-Impulsen gefüttert wird. Alle 4,2 Sekunden wird die Menge der gezählten Impulse ausgelesen und in einen ersten Ringpuffer mit 16 Speicherstellen geschrieben (SaveTicks). Dieser Ringpuffer enthält also die Messungen der jeweils letzten 16 Zyklen (16 x 4.2 s = 67 s). Außerdem wird der Zählwert in der zweiten LCD-Display-Zeile als Dezimalzahl angezeigt (ShowTicks).

Immer nachdem der erste Ringpuffer einmal komplett neu beschrieben wurde, wird die Summe aller Werte dieses Ringpuffers in eine Speicherzelle eines zweiten Ringpuffers geschrieben. Dieser zweite Ringpuffer hat ebenfalls 16 Speicherzellen, und  enthält somit die Messungen der letzten 18 Minuten (4.2s x 16 x 16 = 18 min).

Ist der Schalter AVG geschlossen, dann wird der aktuelle Zählwert aus dem Timer1 mit 82 multipliziert. Das ergibt dann den aktuellen Strahlungswert in Nanosievert (Ticks2Sievert).
Ist der Schalter AVG offen, dann wird ein Mittelwert der Strahlung über einen längeren Zeitraum ermittelt.
In der ersten Minute nach dem Einschalten des Gerätes wird dazu eion vereinfachtes Verfahren verwendet. Ab der 67. Sekunde nach dem Einschalten werden immer alle 16 Werte aus dem ersten Ringpuffer addiert und die Summe mit 5 multipliziert. Das Ergebnis ist der durchschnittliche Strahlungswert der letzten Minute in Nanosievert (MinutenMittelwert).
Ab 18 Minuten nach dem Einschalten werden immer alle 16 Werte aus dem zweiten Ringpuffer addiert und die Summe mit 5 multipliziert und das Ergebnis durch 16 dividiert. Das Ergebnis ist der durchschnittliche Strahlungswert der letzten 18 Minuten in Nanosievert (M15Mittelwert).

Das Rechenergebnis wird in eine 8-stellige Dezimalzahl umgerechnet und am Display mit einem Dezimalpunkt an geeigneter Stelle so angezeigt, dass der Zahlenwert der Einheit Mikrosievert entspricht (ShowSiev). Der gleiche Wert  wird als Textstring via RS232 ausgegeben (RS232Siev).

Zum Abschluss des Arbeitszykluses wird die 400V-Spannung nachgeregelt. Dazu wird der Ausgang des Komparators ausgewertet und je nach Wert das Tastverhältnis am PWM-Ausgang um eine Stufe erhöht oder verringert (PwmAdjust).


mechanischer Aufbau

Als Gehäuse benutze ich ein Bopla BOS801, das einen passenden Displayausschnitt und ein Batteriefach enthält.
Mit ca. 11cm x 4cm x 20cm ist es nicht besonders klein, aber irgendwo muss man ja das GMZ unterbringen.

Das Batteriefach ist für 4 AA-Zellen ausgelegt. Ich verwende nur 3 AA-Akkus, die im Normalfall zusammen ausreichende 3,7 V liefern.
 Aussenansicht
Neben der Elektronik muss müssen auch Batterien, Display und das etwas sperrige Zählrohr in ein handliches Gehäuse. Idealerweise wird dabei das Zählrohr an der Gehäuserückwand platziert, so dass man das Gerät auf die zu untersuchenden Objekte auflegen kann, und dabei die Strahlung das Zählrohr optimal erreichen kann. Mir ist das nicht gelungen. Bei mir befindet sich das GMZ an der Geräteoberseite. Von unten eintreffende Strahlung wird durch Akkus und Platine abgeschwächt. Für die Gammastrahlung ist das eigentlich egal, aber selbst harte Betastrahlung ist nun wohl nicht mehr zu messen.

Der Lautsprecher ist daneben mit Heißkleber an der Vorderseite angeklebt.

Doie RS232-Schnittstelle ist auf der Platine zwar vorhanden, aber hier noch nicht nach außen geführt.
 Innenaufbau
Die beiden Schalter zur Bedienung (ein/aus und Durchschnitt/Moment) befinden sich an der Oberkante des Gehäuses.

Drei AA-Akkus liefern 3,7 V Betriebsspannung, wobei die Stromaufnahme bei 16 mA liegt. Mit den von mir verwendeten 2700-mAh-Akkus lässt sich damit recht genau 1 Woche Dauerbetrieb erreichen.

Der Mindestwert für die Betriebsspannung wird bei mir durch das verwendete Display bestimmt. Unterhalb von 3 V ist auf diesem nichts mehr zu erkennen. Die Schaltung arbeitet bei 3 V noch mit 19 mA Stromaufnahme, ohne das die Unterspannungsanzeige ausgelöst wird.
Die maximale Betriebsspannung liegt bei meinem Gerät bei 4,7 V (14 mA Stromaufnahme). Bei höheren Werten können die 400 V für das GMZ nicht mehr sauber eingeregelt werden, und die Überspannungsanzeige wird aktiviert. Durch Änderung der PWM-Grenzwerte in der Routine PwmAdjust ließe sich der Betrieb mit 5 V noch ermöglichen, aber dafür gibt es bei meinem batteriebetriebenen Gerät keine Notwendigkeit.

Da die Transverterspannung sehr von den verwendeten Bauteilen (insbesondere vom Trafo) abhängt, sind diese Werte nicht auf beliebige Nachbauten übertragbar.
 Oberseite

Bedienung

Nach dem Einschalten erscheint "Gamma-Detektor" und die Softwareversion im Display. Gleichzeitig regelt das Gerät die GMZ-Betriebsspannung ein. Danach erscheint  immer in der ersten Displayzeile der Strahlungsmesswert in Mikrosievert mit drei Nachkommastellen (also eigentlich Nanosievert), wärend die untere LCD-Zeile die gezählten Impulse der letzten 4,2 Sekunden anzeigt.

Ist der AVG-Schalter geschlossen, dann entspricht der Messwert immer der Strahlung im letzten 4,2 Sekunden-Messfenster. Diese Einstellung ist anzuwenden, wenn man Quellen hoher Strahlung suchen oder analysieren will. Hinter dem Messwert erscheint das Symbol "=".

Für geringe Strahlung eignet sich dagegen die offene Stellung des Schalters. Das Gerät mittelt dann die Strahlung über einen längeren Zeitraum, den es im Betrieb selbststätig verlängert.
Ab der 67. Sekunde nach dem Einschalten wird die mittlere Strahlung der jeweils letzten 67 Sekunden (sliding window) angezeigt, und dieser Wert alle 4,2 Sekunden aktualisiert (Symbol "*").
Ab der 18. Minute nach dem Einschalten wird die mittlere Strahlung der jeweils letzten 18 Minuten angezeigt, und dieser Wert nur noch alle 67 Sekunden aktualisiert (Symbol "ø"). Dann eignet sich das Gerät zur Messung geringer Umgebungsstrahlung. Will man wieder zur 67-Sekunden-Messzeit zurück, dann muss man das Gerät aus- und einschalten (und dann noch 67 Sekunden warten).

Symbol
 Zeit nach dem Einschalten
 Messzeit
 Aktualisierung
 AVG-Schalter
 geeignet für
oberstes Limit
=
 immer möglich
 4,2 Sekunden
 alle 4,2 Sekunden
 zu
 starke Strahlungsquellen (>> 1uS)
 16 mS
.
 1. ... 67. Sekunde
 0 .. 66 Sekunden
 alle 4,2 Sekunden auf
 -
 16 mS
*
 68. Sekunde ... 17. Minute
 67 Sekunden
 alle 4,2 Sekunden auf
 geringe Strahlung (~1 uS)
 16 mS
ø
 ab 18. Minute
 18 Minuten
 alle 67 Sekunden auf
 normale Umgebungsstrahlung (<< 1 uS)
 1 mS


Ergebnis

Das Spannendste am Bau des Geigerzählers ist seine Entwicklung und der Aufbau, besonders wenn man einige Probleme scheinbar umständlich löst.

In der Praxis tickt der Zähler vor sich hin und zeigt Werte um 0,1 Mikrosievert. In den letzten Jahrzehnten wurden durch geeignete gesetzliche Vorschriften alle nennenswerten technisch hergestellten Gammastrahler aus unserer normalen Lebensumgebung verbannt - und das ist ja an und für sich sehr erfreulich.
Es ist schon ein Problem, für Testzwecke etwas Material zu finden, das eine höhere Strahlung abgibt. Wer in gebirgigen Gegenden lebt, hat eine bessere Chance, mal einen geeigneten Stein zu finden.

An meinem Wohnort liegt die mittlere Äquivalentdosis bei etwa 90 nS. Die in den ersten 18 Minuten verwendete Messzeit von 67 Sekunden ist aber noch zu kurz, um eine ruhige Anzeige zu erhalten, die Strahlung schwankt einfach zu stark. Die ab der 19. Minute verwendete Messzeit von 18 Minuten erlaubt aber auch recht stabile Messungen der minimalen Umgebungsstrahlung.
Interessant wäre deshalb die zusätzliche Möglichkeit einen Stunden- oder Zwei-Stunden-Mittelwert zu ermitteln.

Es fehlt noch eine Prüfung auf den Überlauf interner Berechnungen, der bei Überschreitung des Messbereichslimits (>16 mS  bzw.  >1 mS) auftreten kann. Aber wer solche Strahlungen analysieren will, benutzt dafür bestimmt ein Profigerät.


Programmcode

Der Code enthält noch eine überflüssige Passagen, die in einem späteren Schritt entfernt werden..


Anpassung an andere GMZ

Die Software ist für das Zählrohr SBM-20 ausgelegt. Das liefert bei einer Strahlung von 1 uS/h eine Pulsrate von 2,917 Pulse pro Sekunde.
Wenn man aber ein ander Zählrohr verwendet, dann wird dieses empfindlicher oder unempfindlicher sein. folglich muss man dann die Software modifizieren. Dafür gibt es prinzipiell zwei Stellen im Code.

Grobanpassung:
Die Anzeige der Mikrosievert wird immer durch die Routine ShowSiev erledigt. Ihr wird der anzuzeigende Wert in Nanosievert übergeben. Es handelt sich um einen ganzzahligen 24-Bit-Wert, der in den Speicherzellen SievU, SievH, SievL abgelegt ist. Wird der Wert in diesen Speicherzellen am Beginn der Routine ShowSiev verändert, dann wird ein entsprechend höherer oder kleinerer Zahlenwert angezeigt. Ist das eingesetzte GMZ z.B. 4 mal so empfindlich wie das SBM-20 , dann sollte man den Wert hier durch 4 dividieren.

ShowSiev
    call    LcdZeile1

    movfw    SievL
    movwf    f0
    movfw    SievH
    movwf    f1
    movfw    SievU
    movwf    f2

    ; division durch 4
    bcf      STATUS, C
    rrf      f2,f
    rrf      f1,f
    rrf      f0,f
    bcf      STATUS, C
    rrf      f2,f
    rrf      f1,f
    rrf      f0,f

    call    Hex2Dez24    ; Dezimal-Wandlung
        .............

Eine ganzzahlige Division oder ganzzahlige Multiplikation lässt sich hier leicht realisieren. In der Regel wird aber noch eine Feinabstimmung nötig sein, weil das verwendete GMZ leider weder 4-mal noch 5-mal, sondern z.B. 4,3-mal so empfindlich ist, wie das SBM-20.

Feinanpassung
Zur Feinabstimmung modifiziert man am Besten die Messperiode des Gerätes. Diese Beträgt normalerweise 4,2 Sekunden, und wird durch Interrupts des den Timer0 realisiert. Eine Verkürzungder Messperiode macht das Gerät unempfindlicher und eine Verlängerung empfindlicher. Eingestellt wird die Messperiode am einfachsten in der Interruptbehandlungsroutine, kurz hinter der Marke int_t042.Dort wird normalerweise die Speicherzelle siTimer zunächst incrementiert, und dann geprüft, ob sie den Wert 64 erreicht hat. (btfss    siTimer,6). Nachdem dieser Interrupt 64 mal aufgerufen wurde, sind 4,2 Sekunden vorbei, und die gezählten Pulse werden ausgewertet.

    ........
int_t042
    ; nach 64 int sind 4,2 Sekunden vorbei --> timer 1 auslesen
    incf    siTimer,f
    btfss    siTimer,6    ; >=64
    goto    Int_end
    .............

Um die Zeit zu verkürzen oder zu verlängern, muss man siTimer auf einen niedrigeren oder höheren Wert als 64 testen. Im folgenden Beispiel teste ich auf den Wert 59, der einer Messperiode von 3,9 Sekunden entspricht, und den angezeigten Sievert-Wert auf ~93% verringert.

    ........
int_t042
    ; nach 59 int sind 3,9 Sekunden vorbei --> timer 1 auslesen
    incf    siTimer,f
    movlw   D'59'
    xorwf   siTimer, w
    btfss   STATUS,Z     ; =59
    goto    Int_end
    .............


Beispiel:
Das eingesetzte Zählrohr ist 4,3 mal so empfindlich wie das SBM-20.
4,3 = 4 x 1,075 = 4 / 0,93

Wenn man das Ergebnis in ShowSiev durch 4 dividiert und dann die Messperiode auf 93% verkürzt, dann ist das Gerät um den Faktor 4,3 unempfindlicher, was die erhöhte Empfindlichkeit des GMZ genau kompensiert. Genau das habe ich in den beiden oben gezeigten Beispielen getan.

Entwicklung

29.04.2011 Version 1.0
- Urversion

25.08.2011 Version 1.1
- ab der 18. Minute Messzeit auf 18 Minuten verlängert
- Symbole für Durchschnitt, mikro und leere Batterie eingeführt


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Autor: sprut
erstellt: 29.04.2011
letzte Änderung: 21.09.2011