Geigerzähler

Geigerzähler
18.05.2017

WARNUNG !

Die hier beschriebene Schaltung arbeitet mit 350V-Hochspannung und ist bei unsachgemäßer Handhabung und unglücklichen Begleitumständen wohlmöglich lebensgefährlich! Zumindest kann sie recht schmerzhafte Stromschläge verursachen. Diese Schaltung darf daher nur von Personen aufgebaut und in Betrieb genommen werden, die eine entsprechende Ausbildung haben und genau wissen, was sie tun. Für Schäden, gleich welcher Art, die aus der Verwendung dieser Schaltung hervorgehen, übernehme ich keine Haftung!

Eine Abfrage des Begriffs Geigerzähler führt in Wikipedia zu dem Artikel Zählrohr. Darin wird erklährt, dass der Begriff Geigerzähler fachsprachlich das Geiger-Müller-Zählrohr bezeichnet. Gemeinhin, so heißt es weiter werde aber damit das Strahlungsmessgerät gemeint. Und genau das meine ich auch! So ein Geigerzähler ist nicht allzu schwer zu bauen und dazu auch noch ein recht reizvolles Projekt.

Ein Geigerzähler besteht aus den Baugruppen Stromversorgung, Hochspannungsgenerator, der eigentlichen Messstrecke mit dem Zählrohr, dem Messverstärker, sowie der Auswerte- und Anzeigeeinheit. Der unten stehende Schaltplan gibt eine genaue Übersicht:

Stromversorgung:
Das Gerät wird aus einem 9V-NiMh Akku versorgt. In dieser Schaltung kommt ein Akku mit einer Kapazität von 250 mAh zum Einsatz, wie man ihn gelegentlich günstig bei einem Discounter bekommt. Ein Teil der Schaltung benötigt eine stabilisierte 5V-Spannung. Diese generiert ein schlichter 78L05. Er wird durch eine Diode 1N4001 vor Rückspannungen geschützt. Über einen Umschalter kann der Akku geladen werden. Der Ladewiderstand ist so dimensioniert das ein maximaler Ladestrom von 29 mA fließt. Das bedeutet zwar eine recht hohe Ladedauer von ca 15 Stunden, verhindert aber auf der anderen Seite ein Überladen des Akkus, ohne eine komplexe Ladeelektronik einsetzen zu müssen. Die beiden 100nF- Kondensatoren dienen der Unterdrückung von Eigenschwingungen des 78L05, der 10µF-Kondensator stabilisiert die Versorgungsspannung bei auftretenden Lastspitzen.

Hochspannungsgenerator:
Das Zählrohr arbeitet mit einer Spannung von ca. 350V, die aus der vorhandenen Batteriespannung von 9V generiert werden muss. Das macht man mit einem sogenannten Sperrwandler. Der Transistor MPSA42 schaltet die Induktivität 10 mH an und ab. Dies geschieht mit einer Frequenz von ca. 10kHz mit der der Mikrocontroller ATMega8 den Transistor ansteuert. In den Abschaltphasen bricht das magnetische Feld der Induktivität zusammen und erzeugt mit der entstehenden Selbstinduktion eine hohe Spannung. In der Anschaltphase baut sich dagegen relativ langsam das magnetische Feld wieder auf, es wird keine oder nur eine geringe Selbstinduktion erzeugt. Das heißt: die Energieübertragung findet nur in der Abschaltphase, sprich im gesperrten Zustand des Transistors statt. Daher der Name Sperrwandler. Eigentlich ist der Name nicht ganz richtig, denn ein Sprerrwandler hat eigentlich eine Primär- und eine Sekundärspule, die die entstandene Hochspannung zusätzlich noch hochtransformiert. Auf die Sekundärspule können wir aber in unserer Schaltung verzichten; die entstehende Spannung ist auch so hoch genug. Die Diode 1N4007 richtet die entstandenen Hochspannungsimpulse gleich und der Kondensator 100nF glättet die Hochspannung annähernd auf den Spitzenwert. Die verwendeten Bauteile in dieser Stufe sind nicht beliebig. Der Transistor muss eine genügend hohe Spannungsfestigkeit haben. Der vorgeschlagenen MPSA42 verträgt maximal 300V zwischen Collector und Emitter und ist damit eigentlich noch unterdimensioniert. Besser ist ein MPSA44. Der hat eine Collector-Emitterspannung von 400V. Als Induktivität hat sich eine mit einem Wert von 10 mH mit einer Toleranz von 5% bewährt. Nehmen Sie eine von Conrad mit der Art.-Nr.: 437527 oder von Reichelt mit der Best.-Nu: L-HBCC 10M oder einen gleichwertigen Typ. Was Sie hier einsetzen ist wirklich nicht egal, denn da spielt neben der Induktivität auch noch die magnetische Speicherfähigkeit ein Rolle. Die Diode 1N4007 hat eine Spannungsverträglichkeit von 1000V, der Kondensator hat eine Kapazität von 100 nF bei einer Spannungsfestigkeit von 630V, Als brauchbar hat sich ein Exemplar von WIMA aus der Serie MKS 4 erwiesen.

Messstrecke mit Zählrohr:
Die 350V Gleichspannung gelangen über einen Vorwiderstand von 10 MOhm an das Zählrohr und von dort über einen Widerstand von 100 kOhm an Masse. Solange keine Teilchen das Zählrohr durchdringen leitet es so gut wie nicht. Durchdringt ein ß-Teilchen oder ein Gammastrahl das Zählrohr, so wird das darin befindliche dünne Gas ionisiert und es fließt ein Stromstoß durch das Zählrohr und damit auch durch den 100 k Widerstand, an dem ein Spannungsimpuls abfällt
Als einzige, mir zur zeit in Deutschland, bekannte Bezugsquelle kann ich Ihnen Conrad nennen. Die Artikelnummer lautet: 678782. Auf ebay werden von Zeit zu Zeit Zählrohre aus russischen Beständen angeboten, aber da finde ich zur Zeit nichts. Das kann sich natürlich jederzeit ändern. Daher sollten Sie selbst einmal recherchieren.

Messverstärker:
Das Signal wird über den 470nF Kondensator ausgekoppelt und gelangt zu einem zweistufigen Messverstärker. Dieser wird durch zwei Transistoren in Emitterschaltung realisiert. Von dort kommt das Signal zu dem Digitaleingang PD.3 des ATMega 8.

Auswerte- und Anzeigeeinheit:
Der Mikrocontroller ATMega 8 verarbeitet die eingehenden Impulse und zeigt diese dann auf dem LCD-Display an. Weiterhin misst er an dem Analogeingang ADC.5 die Batteriespannung. Um eine Überlastung des Controllers zu vermeiden wird die Batteriespannung über den Spannungsteiler 20k / 10 k auf ein Drittel ihres Wertes heruntergeteilt. Damit wird die kritische 5V-Marke, auch im ungünstigsten Fall, nie überschritten. Weiterhin gibt der ATMega 8 die eingehenden Impulse auch als akustisches Signal über den Digitalausgang PB.1, verstärkt und entkoppelt durch den Transistor BC547, an den Lautsprecher aus. Ebenfalls werden die Impulse über den Digitalausgang PD.0 durch die LED auch optisch angezeigt. Nicht zuletzt generiert der Controller noch, an dem Ausgang PD.1, eine Rechteckspannung mit einer Frequenz von ca. 10 kHz. Diese wird, wie bereits weiter oben erwähnt, zur Ansteuerung des Sperrwandlers benötigt.

LCD-Display wird eine Buchsenleiste gelötet. Das Gegenstück, eine Steckerleiste, kommt auf die Platine. Es gibt zwei Anschlussvarianten für LCD-Displays. Je nach dem welches Display Sie verwenden, sind sowohl Anschlussmöglichkeiten für oberhalb der Anzeige, als auch für unterhalb der Anzeige vorgesehen. Wenn Sie flexibel bleiben wollen bestücken Sie beide. Ansonsten realisieren Sie nur die, die zu Ihrem Display passt. Löten Sie das Zählrohr nicht direkt an seinen Kontakten an. Durch die Wärme könnte das Glas springen. Legen Sie mit etwas Silberdraht einige Schlingen um die Kontakte und löten Sie dann den Draht auf die Platine. Das Layout ist für das Zählrohr von Conrad ausgelegt. Zwar ist das Zählrohr relativ teuer, aber ich konnte zum Zeitpunkt der Konstruktion kein anderes Zählrohr bekommen und so sind sowohl das Layout, als auch die elekrischen Parameter der Schaltung auf dieses Zählror ausgelegt.

und der Ausgang LED wird zurückgesetzt. Also blinkt die LED bei jedem eingenden Impuls max. eine Sekunde lang. Dies ist eine Impulsverlängerung. Sie wird benötigt weil die eingehenden Impulse so kurz sind, das sie weder hör- noch sichbar sind. Die Zeitvariablen Zeit60 und Zeit10 werden erhöht und das Flag1 wird wieder zurückgesetzt.
Im weitern Verlauf des Proramms erfolgt eine Abfrage des Wertes von Zeit60. Ist dieser größer als 59, ist also eine Minute verstrichen, so wird Zeit60 auf Null gesetzt, CpM60 errechnet und LCnt60 auf den Wert von CpM60 gesetzt. CpM60 steht für Counts per minute und zwar über die volle Minute gezählt und Lcnt60 steht für Last Count per minute, also für die letzte Zählung pro Minute. Die Berechnung von CpM60 erfolgt indem Lcnt60 von dem Wert von Gesamtzaehler abgezogen wird. Anschließend wird Lcnt60 der Wert von CpM60 zugewiesen, die Batteriespannung gemessen und in Volt umgerechnet.
Es folgt ein Vergleich der Variablen Zeit10 auf den Wert 9. Ist Zeit10 größer als 9, sind also 10 Sekunden verstrichen, so wird Zeit10 wieder auf Null gesetzt und eine neues CpM10 errechnet. Die Berechnung ist ähnlich der von CpM60, doch werden hier die Impulse der letzten 10 Sekunden auf eine Minute interpoliert, indem deren Wert mit sechs multipliziert wird. Lcnt10 steht hier für Last count per minute, auf der Basis von 10 Sekunden Messzeit und wird genauso behandelt wie Lcnt60 im oberen Teil des Programms.
Im weitern Durchlauf werden die gemessenen Werte ausgegeben. Zunächst auf dem LCD-Display, dann akustisch. Dabei wird nicht in jedem, sondern nur in jedem einhundertsten Durchlauf der Ton, der ja eingangs auf 1 gesetzt wurde, wieder abgeschaltet. Durch diese Impulsverlängerung werden auch kurze Impulse hörbar. Damit ist ein Durchlauf beendet und der Vorgang beginnt von neuem.

Fuses:
Damit das Programm einwandfrei funktionieren kann, müssen die Fuses richtig gesetzt sein. Die korrekten Werte sind:
HIGH: 0xD9
LOW: 0xE4

Gehäuse:
Als Gehäuse kommt eine 1-Fach Sortimentbox von Conrad zum Einsatz (Art.-Nr.:800000) . Die Platine wird passend zugeschnitten und mittels vier Schrauben M3x10 in dem Gehäuse befestigt. Dabei kommt zwischen dem Gehäuseboden und der Platine noch eine Unterlegscheibe und eine Mutter M3, so dass ein Abstand zwischen dem Gehäuseboden und der Platinenunterseite entsteht. Das Bohren der Löcher ist nicht ganz unkritisch, da das Gehäuse aus einem Thermoplast besteht. Wird mit zu hoher Drehzahl gebohrt, schmilzt das PVC in Folge der dabei entstehenden Wärme und setzt sich an dem Bohrer ab. Am Besten verwendet man, wenn man hat, eine Handbohrmaschine (ohne Elektroantrieb) oder benutzt zum bohren Bohrer, die nur zu diesem Zweck verwendet werden.(Ich habe den anhaftenden Kunststoff von dem Bohrer abbekommen, indem ich den Bohrer auf eine ebene feste Unterlage gelegt- und vorsichtig mit dem Hammer darauf geklopft habe. Der Kunststoff zebröselt dann und kann vom Bohrer entfernt werden. Freilich ist die Gefahr den Bohrer dabei zu verbiegen nicht von der Hand zu weisen.) Die Anordnung der Komponenten ist dem oberen Foto gut zu erkennen.