Allgemeines
Für die Funktionsfähigkeit des Gerätes kann ich keine Garantie übernehmen. Für die Einhaltung aller relevanten Sicherheitsvorschriften sowie für die Nutzung der Messergebnisse ist der Nutzer verantwortlich. Es sind meine Hinweise auf der Seite „Zielstellung“, zu beachten.
Vorbemerkung:
Im Netz sind verschiedene Vorschläge zum Bau von Strahlungsmessgeräten für Bastler auch unter Verwendung eines Arduino beschrieben. Meine Bauanleitung soll eine Anpassung von bereits beschriebenen elektronischen Schaltungen an die spezielle Messaufgabe, der Messung von Radonfolgeprodukten, sein. Manches habe ich evtl. zu detailliert beschrieben. Ich wollte aber meine Erfahrungen erst ein Mal aufschreiben und so eine Grundversion des Aufbaus zur Verfügung stellen. Es kann natürlich jeder seine eigenen Erfahrungen anwenden und evtl. bessere und schnellere Lösungen finden. Wichtig war mir die messtechnische Seite, insbesondere das Luftansaugsystem inklusive Durchsatzmessung sowie Auswertung der Messungen ausführlich zu beschreiben.
Das gesamte Messsystem kann man in 3 Module einteilen, die auch getrennt aufgebaut werden:
- Detektor/Messverstärker (Vorverstärker und Verstärker),
- Impulsmessung, Messwertverarbeitung mit Datenspeicherung und
- Luftansaugsystem mit Luftförderpumpe und Messfilter.
Schema des Messsystems
Detektor-Verstärkerbaugruppe
Elektronik/Schaltung
In kommerziellen Messgeräten verwendete Detektoren sind sehr teuer und für Bastler praktisch unerschwinglich. In der Literatur oder im Internet habe ich jedoch interessante und gut funktionierende Bastellösungen gefunden, die sich auch für ein Messgerät für Radon-Thoronfolgeprodukte gut eignen. Praktisch realisiert habe ich zwei Varianten:
- Variante 1: in der Zeitschrift Elektor 06-2011, Autor: Burkhard Kainka, veröffentlicht und
- Variante 2 :im Netz verfügbare Lösung.
Beide Varianten verwenden als Strahlungsdetektor die Foto-PIN-Diode BPX 61 von der jedoch das Glas entfernt werden muss, um die Alphastrahlung nicht vor der Diode abzuschirmen. Das wiederum ist nicht ganz „ungefährlich“. Hin und wieder wird dabei auch mal eine zerstört werden, was natürlich ärgerlich ist, da die Diode noch das teuerste Bauelement darstellt; ca. 4-6 € pro Stück.
Ich habe die Diode dazu brutal (mit dem Glas nach unten) in einen Schraubstock gespannt und vorsichtig und ganz ganz langsam gequetscht bis der erste Sprung im Glas war; dann mit einem spitzen Werkzeug wieder sehr vorsichtig versucht den Sprung zu erweitern und im Idealfall „herauszupolken“; evtl. noch ein Mal vorsichtig quetschen. Dabei halte ich die Diode immer so, dass keine Glassplitter auf die Si-Scheibe fallen können.
Variante 1 verwendet einen zweistufigen Verstärker mit Bipolartransistoren wogegen Variante 2 mit OP-Verstärker arbeitet. Bei beiden Varianten fungiert die erste Stufe als ladungsabhängiger Vorverstärker und in der 2. Stufe wird ein verwertbarer Spannungsimpuls erzeugt.
Schaltungen:
Variante 1: Verstärker mit Bipolartransistoren
Variante 2 : Verstärker mit OPV
Anmerkung:
Der TLC 272 beinhaltet 2 OPV.
Ich habe beide Varianten nachgebaut und mit beiden funktionsfähige Verstärker erhalten. Bei der Variante 1 mit den bipolaren Transistoren erhielt ich Impulse von ca. 2V während ich bei der Variante 2 mit OPV Signale mit einer Amplitude von ca. 500 mV erhalten habe. Der Signal-Rauschabstand war bei beiden Varianten ausreichend gut um eine sichere Rauschdiskriminierung durchzuführen.
Die Betriebsspannung Ub kann zwischen 9V und 12 V betragen, sollte jedoch auf +/- 1 V konstant sein, um keine signifikanten Änderungen in der Impulshöhe zu erhalten.
Die Baugruppe Detektor-Verstärker ist der sensibelste Teil. Die Signale von der Diode sind so klein, dass EMV-Einstreuungen unbedingt verhindert werden müssen. Deshalb wird die Baugruppe vollständig in ein Alu-Gehäuse eingebaut.
Hier ein Vorschlag für den Aufbau des Gehäuses:
An das Gehäuse wird auch eine Halterung für ein Messingrohr befestigt, über das die Luftansaugung über das Filter realisiert werden soll (siehe „Luftansaugsystem“ wird später veröffentlicht).
Mechanik
Für die Detektor-Verstärkereinheit (DVE) wurde ein Alu-Gehäuse 70 mm x 55 mm x 30 mm verwendet, das mechanisch noch angepasst werden muss.
Bild 1 Gehäuse Einzelteile
Dazu sind folgenden Umbauten notwendig:
- Öffnung im Gehäuse für die PIN-Diode (Fenster zur Messung der Alphastrahlung);
- Halterung für die Ansaugvorrichtung mit Filter;
- Kabeldurchführung für die Spannungsversorgung der DVE und Signalauskopplung sowie
- BNC-Buchse zum einfachen Anschluss eines Oszillografen.
Der mechanische Aufbau soll im Folgenden stichpunktartig und anhand von Bildern erläutert werden:
1. Öffnung für PIN-Diode
PIN-Diode in eine nicht leitfähige Platte einpassen; Dicke D der Platte 1,5 mm<=D<3 mm.
Ich habe dafür eine Acrylplatte Dicke 1,5 mm verwendet, die in die Breite des Gehäuseunterteils passte und damit schon eine gewisse Stabilität aufwies). Diese Platte wurde provisorisch auf eine Seite des Unterteils fixiert und dann mittig in diese Seite eine Vorbohrung, mit Bohrer 2-3 mm vorgenommen. Das Gehäuse und die Acrylplatte wurden dann getrennt aufgebohrt; das Gehäuse auf Durchmesser 10 mm und die Platte auf Durchmesser 8 mm. Dadurch erhielt die Diode einen festen Sitz in der Platte und es war gewährleistet, dass der leicht überstehende Rand des Diodengehäuses nicht in leitenden Kontakt mit dem Gehäuse kommen kann. Nach dem Aufbohren kann die Platte auf dem Gehäuse so fixiert werden, dass die Bohrungen zentrisch übereinander zu liegen kommen.
Bild 2a und 2b: auf Gehäuse fixierte Acrylplatte mit Diode (defektes Exemplar als Dummy)
2. Halterung für die Ansaugvorrichtung
Auf der Gehäuserückseite wird eine Halterung zum reproduzierbaren Befestigen der Ansaug-Filter-Vorrichtung installiert. Die Ansaugung erfolgt über ein Messingrohr Durchmesser 6 mm (Beschreibung s.u. Ansaugvorrichtung).
Zur Aufnahme des Messingrohres dienen 2 gleiche Alu-Blöcke, Dicke > 6 mm, mit Bohrung 6 mm Durchmesser (Gleicher Durchmesser wie Ansaugrohr), wie auf dem Bild 3 ersichtlich (Breite < Gehäusebreite).
Bild 3: Alu-Block mit Bohrung
In diesen Block werden 2 durchgehende Bohrungen 2,5 mm eingebracht (siehe Bild 4).
Bild 4: Alu-Block mit senkrechten 2,5 mm-Bohrungen
Die Blöcke werden, nachdem die Bohrungen eingebracht wurden, längs in der Mitte aufgetrennt.
Bild 5 aufgetrennter Alu-Block
Ein Teil wird mit 2 weiteren Bohrungen 2,5 mm (symmetrisch und in ausreichendem Abstand zu den vorhandenen Bohrungen) versehen. Dieses Teil mit den jetzt 4 Bohrungen dient als Unterteil der Halterung das auf dem Gehäuse befestigt werden muss). In alle 4 Löcher wird jetzt Gewinde M3 geschnitten. Das andere Teil mit den 2 Bohrungen wird auf 3,2 mm Durchmesser (geht auch noch mit 3,5 mm) aufgebohrt. (Die gleiche Prozedur für den 2. Block).
Mit den so fertiggestellten Halterungen kann ein Rohr (Musterstück von ausreichender Länge) mit jeweils 2 M3-Schrauben fixiert und auf der Gehäuserückseite provisorisch ausgerichtet werden. Dabei sollte die Rohrachse möglichst so aus gerichtet werden, dass sie senkrecht über der vorhanden Öffnung für die PIN-Diode liegt. Nicht exakte Arbeitsweise, führte bei meinem Musterexemplar dazu, dass die beiden Halterungen nicht ganz parallel ausgerichtet erscheinen. Das ist jedoch nur ein „Schönheitsmakel“. Wichtig ist, dass das Rohr schön parallel über das Gehäuse verläuft und mittig über der Öffnung sitzt. Die so ausgerichtete Vorrichtung kann auf dem Gehäuse mittels Sekundenkleber fixiert werden. Nach dem Festwerden kann das Rohr entfernt werden und über die Bohrungen, die für die Verschraubung des Unterteils auf dem Gehäuse vorgesehen sind, eine Markierung auf dem Gehäuse erfolgen. Jetzt kann die (nicht sehr feste Fixierung durch den Sekundenkleber wieder gelöst werden und jeweils eine Bohrung mit 3,5 mm vorgenommen werden. Damit können die Unterteile der Halterung sicher auf dem Gehäuse verschraubt werden. Dazu sollten Senkkopfschrauben (M3) verwendet werden.
Bild 6: Fixierte Halterung auf der Rückseite des Gehäuses
3. Bohrungen für die Kabeldurchführung und BNC-Buchse
Beide Bohrungen werden auf der Seite gegenüber der PIN-Diode angebracht. Um die Bohrung für die BNC-Buchse muss die (nichtleitende) Eloxalschicht auf der Oberfläche mit Sandpapier entfernt werden damit das Gehäuse auf Masse gelegt werden kann.
Bild 7: Kabeldurchführung und BNC-Buchse auf dem Unterteil des Gehäuses
Aufbau und Inbetriebnahme
Den Verstärker habe ich auf eine Universalplatine aufgebaut. Bild 8a und 8b zeigen den in das Gehäuse eingesetzten Verstärker (hier die Variante2 mit OPV) mit Anschlusskabel. Über das Anschlusskabel erfolgt die Spannungsversorgung sowie die Impulsübertragung vom Verstärker zur Messwertverarbeitung. Die Impulse werden zusätzlich auf eine BNC-Buchse gelegt, um über ein Oszilloskop (am besten Speicheroszilloskop) die Impulse beobachten zu können. Das ist auch für die Qualitätssicherung, wie später beschrieben, wichtig.
Bild 8 Verstärker im Gehäuse
Wenn der Verstärker und die (funktionsfähige) Diode in das Gehäuse eingebaut sind, sollte die Diodenöffnung im Gehäuse mit möglichst dünner Alufolie lichtdicht abgeklebt werden. Ich habe handelsübliche Haushaltsfolie getestet. Diese bewirkt, dass die Signalamplitude wegen der Abbremsung der Alphateilchen ungefähr halbiert wird. Bei dem zu erwartenden günstigen Signal- Rauschabstand ist das unproblematisch. Die genaue Position des Mittelpunkts der Diodenöffnung sollte markiert werden, damit das Messfilter möglichst zentrisch über der Diode positioniert werden kann.
Vor dem Einbau sollte die einwandfreie Funktion der Diode über die Messung des Dunkelstroms der Diode getestet werden.
Die Betriebsspannung wird über das Kabel eingespeist; in der fertigen Version über das Verbindungskabel zwischen DVE und der Baugruppe „Impulsmessung, Messwertverarbeitung, Datenspeicherung mitArduino nano“ . Dazu habe ich einen SUB-D9-Stecker verwendet. Ebenso werden über das Kabel die Impulse aus dem Verstärkerausgang ausgekoppelt. Gleichzeitig wird der Verstärkerausgang auf die BNC-Buchse gelegt. Das Gehäuse wird auf Masse gelegt; die Diode darf jedoch keinen Massekontakt haben.
Die fertige DVE kann getestet werden, indem man das Messfilter, so wie im Punkt „Inbetriebnahme“ beschrieben, mit Radonzerfallsprodukten beaufschlagt (oder man verfügt über ein Material, das Alphastrahlung aussendet) und sich über ein Oszilloskop die erzeugten Impulse ansieht; .
Bild 9 Impuls nach dem Verstärker, hier nach Variante 1 mit Bipolartransistoren
Die Skalierung der Ordinate ist 1 V und der Abszisse 100 μs.
Anmerkung: Die DVE kann u.U. einen sog. Mikrofonieeffekt zeigen, d.h., dass Erschütterungen ebenfalls Impulse erzeugen können, die das Messergebnis verfälschen. Dieser Effekt muss praktisch getestet und bei der Messung berücksichtigt werden; deshalb:
- DVE nicht auf vibrierende Bauteile stellen und
- während der Messung möglichst nicht die Position der DVE ändern.
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