Ehemalige Uranmine in Příbram, Tschechien

Geigerzähler-Aufbau mit dem RasPi Pico

1. Einleitung

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

Im folgenden Artikel illustriere ich den Bau mehrerer Prototypen ohne jedoch sehr ins Detail zu gehen.

Den kompletten Entwicklungsprozess kann man auf meiner hackaday.io-Projektseite einsehen (auf englisch). Auf dieser ist unter Anderem auch ein ggf. aktualisierter Schaltplan und eine Bauteilliste (sowie Errata) zu finden.

2. Projekt Geigerzähler

Ausgangspunkt für die Generierung der Zählrohrspannung (die mehrere hundert Volt beträgt) ist bei meinem Schaltungskonzept eine Pulsweitenmodulation (PWM) welche einen hochvoltverträglichen NPN-Transistor aufsteuert.

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

Simple MicroPython und C-Codebeispiele mit empirischen Werten für die PWM liegen in meinem RasPi Github-Repository (wird fortlaufend erweitert).

2.1 Zählrohre

Ich nutze zwei unterschiedliche Zählrohre die sich in ihren geometrischen Dimensionen, ihrer Empfindlichkeit und dem Preis unterscheiden:

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

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 (links) und SBM-20; rechts der µC mit aufgelöteter Stiftleiste
Geiger-Müller-Zählrohre Z1A (links) und SBM-20; rechts der µC mit aufgelöteter Stiftleiste

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. Bei genauer Betrachtung erkennt man anhand der kyrillischen Buchstaben das Zählrohrmodell

2.2 Versuchsaufbau

Wie immer startete ich mit einem Versuchsaufbau auf einer kleinen Lochrasterplatine.

Umgesetztes Geigerzähler-Schaltungskonzept
Umgesetztes Geigerzähler-Schaltungskonzept

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

Auch sind bei einer soliden Geometrie und Verdrahtung Ergebnisse leichter reproduzierbar.

Geigerzähler Versuchsaufbauten auf Lochrasterplatinen
Geigerzähler Versuchsaufbauten auf Lochrasterplatinen

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 aber ausreichend.

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

3. Produktiver Test

In den folgenden Videos nun Geigerzähler-Prototypen in verschiedenen Entwicklungsständen in Aktion.

Für die ersten Versuche ist eine LED nicht so verkehrt (Abschnitt 3.1). Etwas schicker ist allerdings ein Lautsprecher (Abschnitt 3.2) oder Buzzer.

Will man es wirklich clever machen speist man die Messdaten wieder an den µC zurück, stellt sie auf einem Display dar (Abschnitt 3.3) oder überträgt sie via MQTT oder einem Webserver im Heimnetzwerk (extra Hardware für IoT-Fähigkeit beim Pico erforderlich).

3.1 Visualisierung mit einzelner LED

Der allererste einigermaßen funktionierende Versuchsaufbau. Ergebnis ist insgesamt noch nicht so beeindruckend.

3.2 Anschluss eines Lautsprechers

Mit einem vorläufigen PCB-Design und etwas überdimensioniertem NF-Verstärker im Batteriebetrieb (ein separates Projekt).

Der “Lastkreis” ist nun statt einer LED (inkl. Vorwiderstand) mit einem 10 kOhm Widerstand bestückt (es sind allerdings zusätzlich zwei LEDs verbaut die jetzt aber anders angesteuert werden).

Der Wert der Induktivität beträgt bei diesem Prototypen 15 mH.

3.3 Anschluss einer Flüssigkristallanzeige

Mit einem verbesserten PCB-Design und einer etwa zehn Euro teuren 16×2 Flüssigkristallanzeige (LCD).

Die Bestückung ist davon abgesehen analog zum Vorgänger-Prototypen.

4. Erweiterungen und Ausblick

Eine ausführliche Projektbeschreibung findet sich auf der eingangs erwähnten hackaday.io-Seite.

Die IoT-Fähigkeit ist ein wichtiges Feature welches den hier gezeigten Prototypen (und generell dem Pico µC) noch abgeht.

Eine Design-Schwäche ist die fehlende Spannungsregelung für das Zählrohr (obgleich der Minimalismus des Schaltungskonzepts einen gewissen Charme hat), ein Manko welches zukünftige Entwicklungen wenn möglich 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)

5.2 Online Ressourcen

hackaday.io Projekte des Autors (englisch)

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