1. Einleitung
Ein einfaches Strahlungsmessgerät (landläufig Geigerzähler genannt) selbst aufzubauen ist weder sonderlich schwer noch mit großen Kosten verbunden.
Im folgenden Artikel dokumentiere ich den Bau einiger einfacher wie fortgeschrittener Prototypen ohne jedoch sehr ins Detail zu gehen.
Viele Details sowie eine Bauteilliste gibt es auf meiner hackaday.io-Projektseite (in Englisch). Dort besteht auch die Möglichkeit Kommentare abzugeben.
2. Projekt Geigerzähler
2.1 Schaltungskonzept
Das Steuersignal zur Generierung der Zählrohrspannung bildet beim gewählten Schaltungskonzept (ein an sich wenig origineller Aufwärtswandler oder boost converter) eine sog. Pulsweitenmodulation (PWM) mit Frequenzen im Bereich von 1-10 Kilohertz.
Diese PWM steuert einen hochvoltverträglichen Bipolartransistor (T2 im Schaltplan) mit ebenjenen Frequenzen in schneller Folge auf/zu.
Für die schiere PWM-Generierung wäre ein schlichter IC wie der NE555 sicher ausreichend. Da ich den Geigerzähler jedoch nach und nach mit Funktionalität erweitern will verwendete ich von Anfang ein komplettes Mikrocontroller Board (Raspberry Pi Pico mit RP2040).
Die Spule L1 ist das eigentlich hochspannungserzeugende Bauteil. Aufgrund rascher Stromänderungen – bedingt durch das Aufsteuern/Schließen des Transistors – entsteht eine hohe Selbstinduktionsspannung (hier >400V) die mit unterschiedlichen Induktivitätswerten in gewissen Grenzen beeinflussbar ist.
Kondensator C1 sorgt in Kombination mit Diode D1 für die Energiespeicherung. Bipolartransistor T1 ist Bestandteil der Zähllogik, FET Q1 mit Zener-Dioden D2-D5 Teil der Spannungsregelung.
Experimentelle Codebeispiele in C und zugehörige kompilierte Programme mit empirischen Werten für die beiden PWM-Parameter Frequenz und Tastgrad liegen in meinem RasPi Github-Repository ab (wird fortlaufend erweitert).
2.2 Zählrohre
Ich nutz(t)e während der Entwicklung zwei verschiedene Zählrohre die sich in ihren geometrischen Dimensionen, der Empfindlichkeit und dem Preis unterscheiden.
Ganz okay und gut verfügbar für erste Tests ist ein Z1A Zählrohr vom Elektronikversand, welches Stand April ’22 fünfzehn Euro kostete.
Wesentlich besser sind SBM-201 Zählrohre aus alten UdSSR-Beständen, welche ich bei Händlern aus Osteuropa für ca. dreißig Euro (Versand inklusive) erstehen konnte.
1 ich erhielt den Hinweis dass es sich bei dem abgebildeten Zählrohr nicht um ein SBM-20, sondern um das Vorgängermodell STS-5 mit sehr ähnlicher Spezifikation handelt; die aufgedruckten kyrillischen Buchstaben verraten in der Tat das Zählrohrmodell (“CTC-5”)
2.3 Philosophie für den Prototypenbau
Frühe Prototypen sind auf kleinen, billigen Lochrasterplatinen mit aus Elektroschrott ausgeschlachteten Bauelementen aufgebaut.
Rascher Wechsel auf ein Printed Circuit Board (PCB) inklusive Gehäuse ist ratsam, da das EMV-Verhalten bei windigen Bastelaufbauten nicht sonderlich gut sowie ein Berührschutz angeraten ist (die Hochspannung auf der Platine ist nicht gefährlich, es ist aber unangenehm wenn z. B. ein Kondensatorbeinchen versehentlich angefasst wird).
Auch sind bei solider Geometrie und Verdrahtung Ergebnisse leichter reproduzierbar. Ohnehin sollte sich Anodenwiderstand R2 nah am Zählrohr befinden (Streukapazitäten) und so groß wie möglich gewählt werden (mindestens so groß wie das Datenblatt vorschreibt).
Aus persönlicher Neigung bevorzuge ich beim Prototypenbau wenn möglich “Durchsteck-” (das heißt bedrahtete) Bauelemente zu SMD-Komponenten, insbesondere da Abmessungen, Gewicht und auch Ästhetik hier (noch) keine entscheidende Rolle spielen.
Als Strahler verwende ich frei im Handel erhältliches Uranglas. Aus naheliegenden Gründen strahlt dieser Stoff nicht sehr stark; zum Testen von Prototypen ist er jedoch ausreichend.
Ein elektrischer Kurzschluss der Rohranschlüsse mit z. B. Klemmprüfspitzen kann darüber hinausgehend eine starke Strahlungsquelle emulieren und stellt einen Robustheitstest dar.
3. Entwicklungshistorie und Produktive Tests
Im folgenden eine kurze Historie der Geigerzähler-Prototypen in den unterschiedlichen Entwicklungsständen.
3.1 Visualisierung mit einzelner LED
Stand April ’22
Der allererste einigermaßen funktionierende Versuchsaufbau. Ergebnis ist erwartungsgemäß noch wenig beeindruckend.
Der BC337 Kollektor-Emitter “Lastkreis” besitzt eine LED incl. Vorwiderstand und ist an USB +5V angeschlossen. Neben dieser simplen optischen Anzeige gibt es keine Zählung oder Auswertung von Impulsen.
Die Krokolemmen bieten Flexibilität für die zwei verschiedenen Rohrgeometrien. Man muss jedoch in jedem Fall darauf achten dass man die Zählrohre nicht verpolt.
3.2 Anschluss einer Flüssigkristallanzeige
Stand Mai ’22
Mit einem für das SBM-20/STS-5 Rohr zugeschnittenen vorläufigem PCB-Design und einer etwa zehn Euro teuren 16×2 Flüssigkristallanzeige (LCD), sowie zwei extra LEDs.
Die Anzeige ist an den I2C-Bus angeschlossen (gewählt I2C0 Controller mit Pins GP4 – SDA, GP5 – SCL). Zur Sicherstellung der Funktion des I2C sind zwei interne Pull-Up-Widerstände des Mikrocontrollers via SW aktiviert.
Für den dauerhaften Batteriebetrieb sind Flüssigkristallanzeigen aufgrund des vergleichsweise hohen Energiebedarfs eher nicht geeignet. Bei dem abgebildeten Modell ist aber die Hintergrundbeleuchtung über einen Jumper deaktivierbar (auf Kosten der Lesbarkeit versteht sich).
Die Zählrohrspannung ist bei diesem Design ungeregelt.
3.3 Zählrohrspannungsregelung und OLED-Anzeige
Stand Januar ’23
Die mit einem wesentlich verbesserten PCB aufgebauten Prototypen sind nun mit einer Zweipunktregelung versehen (siehe Schaltplan in Absatz 2.2), womit auch die SW grundlegende Änderungen erfahren hat.
Überschreitet die Hochspannung einen bestimmten Schwellwert wird die PWM abgeschaltet (dies geschieht aufgrund der Regelung zyklisch). Dies hat mehrere Vorteile, aber der entscheidende Vorteil ist wohl die insgesamt größere Stabilität der elektrischen Kenngrößen.
Einheitentechnisch entspräche der auf dem Display angezeigte Wert CPM der Maßeinheit Becquerel, wenn man diesen durch 60 dividiert. Es ist jedoch zu beachten, dass “Counts Per Minute” nur ein (unbereinigter, hier extrapolierter) Messwert ist welcher sich vom tatsächlichen Zerfall (geringfügig?) unterschiedet.
Anstelle der Flüssigkristallanzeige ist nun eine OLED-Anzeige mit dem I2C-Bus verbunden.
Das abgebildete Modul (0.96” OLED SSD1306) ist nicht nur hinsichtlich der geringen Stromaufnahme und dem sehr weiten Temperaturbereich interessant, sondern hat auch seine eigenen Pull-Up-Widerstände auf der Platinenrückseite verbaut.
Die internen Widerstände2 des RP2040 Mikrocontrollers sind aufgrund ihre Größe (50k-80k lt. Datenblatt) anfällig für Rauschen und Einstrahlungen, was sehr wahrscheinlich der Grund für den gelegentlich zu beobachtenden Ausfall der Flüssigkristallanzeige ist (keine Pull-Up-Widerstände auf der LCD-Platine).
Da man bei OLEDs einzelne Pixel ansteuern kann sind auch kleine Grafiken darstellbar.
2 die eigentlich FETs sind die das Verhalten von Widerständen emulieren, was u. A. die große Bandbreite an Werten erklärt
3.4 IoT-Fähigkeit
Stand Februar ’23
Die IoT-Fähigkeit (Internet of Things) ist ein wertvolles Feature welches bei keinem Mikrocontroller gesteuerten Gerät mehr fehlen sollte.
Dieses Feature ist auf verschiedene Arten implementierbar, beispielsweise mit einem WiFi- (ESP8266) oder BLE- (Bluetooth Low Energy) Modul.
Im Video wird die Verwendung des RN4870 BLE IC von Microchip demonstriert.
Oder man nutzt gleich den Raspberry Pi Pico W der seit Februar ’23 neben WiFi- auch Bluetooth fähig ist.
4. Technische Erweiterungen und Ausblick
Ergänzend zur IoT-Fähigkeit könnte eine größere Menge Messdaten auf einer SD-Karte am SPI-Bus gespeichert werden.
Die Versorgung über Linearregler wie dem LP2950, oder mehr noch dem L7805CV ist ineffizient, und kann unter der Prämisse der Stromersparnis anders gestaltet sein (Abwärtswandler).
Einige Vorgaben für robustes Design sind bei meinen PCBs verletzt, etwa mit der Positionierung des Anodenwiderstandes nicht wirklich nah am Zählrohr oder durch Masseflächen im Bereich der Hochspannung (Gefahr von Kriechströmen die den Leiterplatten-Kunststoff schädigen).
Nützlich neben elektrischen Modifikationen und Verbesserungen in der SW wäre außerdem ein Gehäuse aus dem 3D-Drucker, und generell Anbauten für eine gute Handhabbarkeit und den Berührschutz.
5. Weiterführende Informationen
5.1 Literatur
1. Programming the Raspberry Pi Pico in C – Harry Fairhead, I/O Press; ISBN 9781871962680 (First Edition)
2. Physik für Ingenieure – Hering, Martin, Stohrer, Springer Lehrbuch; ISBN 978-3-540-71855-0 (10. Auflage)
3. The Art of Electronics – Paul Horowitz/Winfield Hill, Cambridge University Press; ISBN 978-0-521-80926-9 (Third Edition)
5.2 Online Ressourcen
hackaday.io Projekte des Autors (englisch)
Featured image: ehemalige Uranmine in Příbram, Tschechien