Ehemalige Uranmine in Příbram, Tschechien

Geigerzähler mit dem Raspberry Pi Pico

1. Einleitung

Ein einfaches Strahlungsmessgerät (landläufig Geigerzähler genannt) aufzubauen ist nicht sonderlich schwer.

Im folgenden Artikel illustriere 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 zu diskutieren und zu kommentieren.

2. Projekt Geigerzähler

Ausgangspunkt für die Generierung der mehrere hundert Volt betragenden Zählrohrspannung ist bei dem von mir gewählten Schaltungskonzept (Aufwärtswandler oder boost converter) eine Pulsweitenmodulation (PWM) welche einen hochvoltverträglichen NPN-Transistor aufsteuert.

Hierfür verwende ich ein Raspberry Pi Pico Mikrocontroller Board (µC), wenn auch für diese Aufgabe allein ein schlichter IC wie der NE555 zunächst ausreichen würde.

Experimentelle und produktive Codebeispiele in C sowie kompilierte Programme mit empirischen Werten für PWM Tastgrad und Frequenz liegen in meinem RasPi Github-Repository (wird fortlaufend erweitert).

2.1 Zählrohre

Ich nutz(t)e während der Entwicklung zwei unterschiedliche Zählrohre die sich in ihren geometrischen Dimensionen, der Empfindlichkeit und dem Preis unterscheiden.

Ganz okay und leicht verfügbar für erste Tests ist ein Z1A Zählrohr vom Elektronikversandhändler Pollin, welches Stand April ’22 fünfzehn Euro kostete.

Wesentlich besser ist ein SBM-201 Zählrohr aus alten UdSSR-Beständen, das ich bei einem bulgarischen Händler für dreißig Euro inklusive Versand erstehen konnte.

Geiger-Müller-Zählrohre Z1A (rechts) und SBM-20; ganz links ein Stück Uranglas
Geiger-Müller-Zählrohre Z1A (rechts) und SBM-20; ganz links ein Stück Uranglas

1 Anmerkung: Ich erhielt den Hinweis dass es sich bei dem abgebildeten Zählrohr nicht um ein SBM-20, sondern um das Vorgängermodell STS-5 handelt. Die Entzifferung der aufgedruckten kyrillischen Buchstaben verrät in der Tat das Zählrohrmodell (“CTC-5”)

2.2 Versuchsaufbauten

Frühe Prototypen sind auf kleinen, billigen Lochrasterplatinen mit recycelten Bauelementen aufgebaut.

Umgesetztes Geigerzähler-Schaltungskonzept (Aufwärtswandler mit einfachem Regelkreis)
Umgesetztes Geigerzähler-Schaltungskonzept (Aufwärtswandler mit einfachem Regelkreis)

Rascher Wechsel auf ein PCB-Design inklusive Gehäuse ist ratsam, da das EMV-Verhalten bei solch windigen Aufbauten nicht besonders gut sowie ein Berührschutz angeraten ist.

Auch sind bei solider Geometrie und Verdrahtung Ergebnisse leichter reproduzierbar.

Allererste Prototypen auf Lochrasterplatinen für ad-hoc Versuche
Allererste Prototypen auf Lochrasterplatinen für ad-hoc Versuche

Aus persönlicher Neigung bevorzuge ich beim Prototypenbau “Durchsteck-” (das heißt bedrahtete) Bauelemente zu SMD-Komponenten, insbesondere da Abmessungen und Gewicht hier auch keine entscheidende Rolle spielen.

Als Strahler verwende ich frei im Handel erhältliches Uranglas. Aus offensichtlichen Gründen strahlt dieser Stoff nicht sehr stark. Zum Testen von Prototypen ist er jedoch ausreichend.

Der Aufbau der Hochspannung durch Selbstinduktion (Simulationsergebnisse)
Der Aufbau der Hochspannung durch Selbstinduktion (Simulationsergebnisse)

3. Produktiver Test

In den folgenden kurzen Videos nun Geigerzähler-Prototypen in einem frühen und in ausgereifteren Entwicklungsständen in Aktion.

3.1 Visualisierung mit einzelner LED

Der allererste einigermaßen funktionierende Versuchsaufbau. Ergebnis ist insgesamt noch wenig beeindruckend.

Der BC337 “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.

Alternativ zum SBM-20 kann das Z1A Zählrohr Zerfälle detektieren, die Krokolemmen bieten gewisse Flexibilität für unterschiedliche Rohrgeometrien.

3.2 Anschluss von Flüssigkristallanzeige und Tonerzeuger

Mit einem nur noch für das SBM-20/STS-5 Rohr geeigneten vorläufigem PCB-Design und einer etwa zehn Euro teuren 16×2 Flüssigkristallanzeige (LCD), sowie einem Buzzer.

Hinweis: Einheitentechnisch entspräche der auf dem Display angezeigte Wert CPM der Maßeinheit Becquerel, wenn man diesen durch 60 dividiert. Man muss jedoch beachten, dass “Counts Per Minute” nur ein (unbereinigter) Messwert ist welcher sich vom tatsächlichen Zerfall (geringfügig?) unterschiedet.

3.3 Einfacher Regelkreis für die Zählrohrspannung

Der Aufbau ist nun ausgestattet mit einer experimentellen Zweipunktregelung (siehe Schaltplan in Abschnitt 2.2), womit auch die SW wesentliche Änderungen erfahren hat.

Überschreitet die Hochspannung einen bestimmten Schwellwert wird die PWM abgeschaltet (dies geschieht aufgrund der Regelung zyklisch), was sich im Mobilbetrieb vorteilhaft auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt (der Prototyp kann aber nach wie vor über USB versorgt werden).

4. Erweiterungen und Ausblick

Eine ausführlichere Projektbeschreibung findet sich wie erwähnt auf meiner hackaday.io-Projektseite.

Die IoT-Fähigkeit ist ein unter Umständen nützliches Feature welches den hier gezeigten Prototypen abgeht (extra Hardware für IoT-Fähigkeit beim “klassischen” Pico erforderlich).

Messdaten können aber auf einer SD-Karte am SPI Bus gespeichert werden.

Eine quantitative Erfassung der Zählrohrspannung ist nicht vorhanden, genauso wie ein zur Regelung passendes PCB-Design. Mankos die zukünftige Entwicklungen adressieren sollten.

5. Weiterführende Informationen

5.1 Literatur

1. Elektronik Tabellen: Betriebs- und Automatisierungstechnik – Michael Dzieia, Westermann; ISBN 978-3142350165 (4. Auflage)

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