Der Geigerzähler CARACAL - emsp.tu
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Der Geigerzähler CARACAL Von Fabian Bess und Henry Westphal Seite 3- 1 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Die Idee Mit dem Geigerzähler CARACAL wird das Zählen mit 10-wertiger Logik unter Einsatz der Zählröhre E1T demonstriert. Als Anregung und Vorbild diente der untenstehend abgebildete Einschub aus einem Geigerzähler von Frieseke&Höpfner. Einschub aus einem Geigerzähler von Friesecke und Höpfner Um den Aufwand dieses Teilprojekts zu begrenzen wurde lediglich die Funktionalität eines Ereigniszählers realisiert, auf eine Zeitbasis wie sie zur Ermittlung einer Strahlendosis notwendig wäre wurde verzichtet. Die verwendeten Schaltungsteile wurden von der Digitaluhr ONCILLA übernommen. In diesem Text sind daher nur die für den CARACAL vorgenommenen Modifikationen dieser Schaltungen beschrieben. Für die ausführliche Beschreibung des Prinzips und der Dimensionierung der Schaltungen wird auf die, voranstehende, Beschreibung der Digitaluhr ONCILLA verwiesen. Seite 3- 2 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Die Realisierung Der Geigerzähler wurde modular aufgebaut. Er besteht aus den folgenden Baugruppen: - Geiger-Müller-Zählrohr SBM-20 mit Beschaltung Pulsformer-Baugruppe 6 Zähldekaden-Baugruppen Stabilisiertes Netzteil mit Leistungstriode Die folgende Abbildung zeigt das Blockschaltbild des CARACAL. +350V R?? 4M7 Zählrohr SBM-20 R?? 15K Impulsformer Stelle 6 Stelle 5 Dekadische Zählstufe Dekadische Zählstufe Stelle 1 Dekadische Zählstufe BNC zum Test Stabilisiertes Netzteil Das Blockschaltbild des CARACAL Die vom Zählrohr kommenden Impulse gelangen zunächst auf eine Impulsformerstufe. Diese gibt dreiecksförmige Impulse ab, wie sie von der Zählröhre E1T benötigt werden. Die Realisierung einer einzelnen Zähldekade als Modul und die Kaskadierung dieser Module zu größeren Zähleinheiten war in den 1950-er und 1960-er Jahren sehr gebräuchlich. Von Philips wurden entsprechende Module in großer Stückzahl hergestellt. Sie wurden beispielsweise in Geigerzählern von Telefunken verwendet. Die Zähldekaden-Module des CARACAL entsprechen von der Schaltung her praktisch vollständig dem Philips-Modul, sind jedoch in zeitsparender Realisierung ermöglichender Leiterplattentechnik ausgeführt. Die folgenden Abbildungen geben einen Eindruck vom Aufbau der Philips-Module. Seite 3- 3 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Zähldekadenmodul von Philips Seite 3- 4 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Die folgende Abbildung zeigt den fertiggestellten Geigerzähler. Der Geigerzähler CARACAL Seite 3- 5 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Die Details Das Zählrohr und sein Anschluss Es wurde ein Zählrohr des Typs SBM-20 aus russischer Fertigung verwendet. Diese Zählrohr spricht insbesondere auf harte Betastrahlung und auf Gammastrahlung an. Das Zählrohr SBM-20 Foto: Fabian Beß Die nominelle Betriebsspannung ist 400V. Die SBM-20 ist mit einem Gasgemisch (Ne + Br2 + Ar) gefüllt. Es sind zwei Elektroden, die Anode und die Kathode in der Röhre vorhanden. Bei Abwesenheit von radioaktiver Strahlung findet kein Stromfluß zwischen den Elektroden statt. Dringt dagegen ein radioaktives Teilchen in die Röhre ein, dann ionisiert es auf seiner Flugbahn liegende Gasmoleküle. Die Ionen werden von der an der Röhre anliegenden Spannung beschleunigt, wodurch durch Aufprall auf andere Gasmoleküle weitere Sekundärionisationen entstehen, die ihrerseits wiederum beschleunigt werden und weitere Gasmoleküle ionisieren. Es baut sich ein Stromfluß durch die Röhre auf, bis der Sättigungsstrom erreicht ist. Da die Röhre über einen hochohmigen Widerstand mit der Versorgungsspannung verbunden ist, bricht die Spannung über der Röhre zusammen, womit dann die Entladung abbricht und die Gasmoleküle rekombinieren und die Röhre wieder sperrt. Der Einfall eines radioaktiven Teilchens führt also zu einem Stromimpuls durch die Röhre, bei der SBM-20 ist der Spitzenwert des Stroms ungefähr 70uA. Aufgrund der zuvor beschriebenen Kettenreaktion bei der Ionisierung steigt die Stromamplitude, unabhängig von der Energie des eingefallenen Teilchens, stets auf den Sättigungswert an. Es liegt zunächst nahe, die Impulse an der Anode des Zählrohres abzugreifen, da sie dort mit hoher Amplitude anstehen. Der Eingangswiderstand der Impulsformerstufe sowie die Streukapazität der Anschlußleitung stellen jedoch eine viel zu hohe Belastung dieses Knotens dar. +350V R?? 4M7 Zählrohr SBM-20 Ausgang R?? 15K Beschaltung des Zählrohrs SBM-20 Seite 3- 6 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Bessere Ergebnisse erhält man, wenn man die Impulse, mit einer immer noch ausreichenden Amplitude von ungefähr 1V, an einem niederohmigen Widerstand im Kathodenkreis abgreift. In der vorliegenden Schaltung wird das Zählrohr aus praktischen Gründen mit einer reduzierten Betriebsspannung von 350V betrieben. Das es hier lediglich um die Demonstration eines Prinzips und nicht um eine präzise, quantitative Messung geht, ist dies ohne Nachteil möglich. Seite 3- 7 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Die Impulsformerschaltung Die folgende Abbildung zeigt die vollständige Impulsformerschaltung. Mit einem Umschalter kann zwischen den vom Zählrohr kommenden Impulsen und über die BNC-Buchse eingespeiste Signale gewählt werden. Die vom Zählrohr kommenden Impulse werden, aufgrund ihrer geringen, aber stets gleichen, Amplitude bei bereits hinreichend steilen Flanken direkt in die Impulsformerstufe eingespeist. Die von der BNC-Buchse kommenden Signale durchlaufen einen Schmittrigger, so daß über diesen Eingang Impulse beliebiger Kurveform erfaßt werden können. Die notwendige Impulsamplitude beträgt hierbei ungefähr 20Vpp. Seite 3- 8 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS Zählrohr CARACAL +300V +300V R2004 39K 2W +350V C2004 39pF R2005 3K3 Zählrohr SBM-20 EingangsUmschalter C?? 1nF 2 1 R?? 4M7 V2001A E92CC V2001B E92CC R2001 5K6 6 5 R?? 15K R2009 100K 7 7 R2002 560K R2006 4K7 1W C2003 82pF +156V R2007 2K7 R2010 15K Dreieck R2008 1K zu E1T C2005 6.8nF Schmittrigger +300V R1003 56K 1W R1004 56K 1W Pulsformer Rechteck => Nadel + R1005 8K2 C1007 22uF 350V R1006 8K2 V1001A E92CC V1001B E92CC R1007 56K C1008 100pF D1005 1N4007 R1009 56K 6 C1010 220pF R1012 56K 2 1 C1009 220pF 5 7 R1010 56K 7 R1008 56K BNC-Eingang C1006 0.47uF BNC R1011 12K 2 1 R1017 270k Seite 3- 9 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Die Schaltung entspricht exakt der Schaltung des Eingangsteils der Zeitbasis der ONCILLA-Uhr, daher in Bezug auf die Wirkungsweise und die Dimensionierung auf die Beschreibung der vorliegenden Schaltung auf die ONCILLA-Beschreibung verwiesen. Mit dem im Folgenden dargestellten Schaltungsteil wird der Resetpuls und die Bezugsspannung für die ausgehenden Dreiecksimpulse erzeugt. +300V R1013 68K 1W +156V Bezugsspannung für Dreiecksimpuls Resettaster R1014 68K 1W +11,9V COUNT Resetpuls zu E1T R1015 5K6 RESET C1011 0.47uF -56V Erzeugung des Resetpulses und der Bezugsspannung für die Dreiecksimpulse Seite 3- 10 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Die Zählstufe Die folgende Abbildung zeigt die vollständige Schaltung einer Zähldekade. Auch diese Schaltung entspricht exakt der Schaltung der Teilerstufen in der Zeitbasis der ONCILLA-Uhr, auf deren Beschreibung an dieser Stelle verwiesen wird. +300V Zählstufe R2011 39K Impulsformer C1006 220pF +300V +300V +300V R2019 39K 2W R2020 3K3 R2015 10K +300V TP2001 a2 8 a1 g4 5 9 +300V 10 D D' g2 V2003B E92CC 6 +300V 6 5 47K 4 R2024 150K C2007 6800pF 2 R2018 560K 7 g1 C2009 68pF R2017 5K6 R2013 Eingang V2003A E92CC k, g3, g5 R2014 330K 7 E1T 2 R2016 1M l V2002A 1 7 1 D2001 1N4007 R2021 4K7 3 C2016 0.47uF R2012 15K +156V C2008 68pF Nur in erster Zählstufe bestückt R2025 15K R2022 2K7 Resetpuls Übertrag zur nächsten Stufe R2023 1K C2010 680pF Eine Zähldekade des CARACAL Seite 3- 11 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Das Netzteil Das Netzteil gibt eine stabilisierte Anodenversorgungsspannung von +300V und eine ebenfalls stabilisierte Hilfsspannung von –56V zur Erzeugung des Resetpulses sowie eine unstabilisierte Spannung von +350V zur Versorgung des Zählrohres ab. Die Stabilisierungsschaltung für +300V entspricht exakt der bei der ONCILLA-Uhr verwendeten Schaltung, daher ist sie hier nicht noch einmal beschrieben. Da der hier entnommene Strom deutlich geringer als bei der ONCILLA-Uhr ist, kann die Schaltung auch mit einer reduzierten Eingangsspannung von 250V eff noch sicher betrieben werden. Seite 3- 12 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS 1 C5101 1n 2kV D5102 1N5408 2 D5101 1N5408 C5103 1n 2kV R5101 10R J?? MF2 2 1 2 2 1 1 Eingang 250V eff CARACAL + C5105 250uF/450V R5102 100K / 2W 1 C5104 1n 2kV 2 C5102 1n 2kV +350V Versorgung für Zählrohr D5103 1N5408 D5104 1N5408 V5101B 6080 4 R5107 1K R5106 68R 5 6 F5101 250mAT +300V V5101A 6080 + + R5117 470K R5105 68R 2 3 DS5101 LAMP NEON 1 C5108 C5109 C5110 R5118 100uF 400V 100uF 400V 1uF 400V 100K / 2W R5103 1M5 R5104 1K V5102A EF80 7 R5108 18K R5109 68K 9 C5107 0,22uF R5110 68K 2W R5111 100K 8 P5101 2 3386P 10K 1 R5112 39K 1 V5103 85A2 C5106 10nF 2 Die Netzteilschaltung für +300V und für +350V. Seite 3- 13 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Eine weitere Schaltung erzeugt die negative Ausgangsspannung –56V. Die Ausgangsspannung wird mit einer Zenerdiode stabilisiert. Die Spannung über dem Ladekondensator beträgt 54V * 1,41 = 75V. Bei unbelastetem Ausgang, also bei nicht gedrücktem Resettaster, fließt dann ein Strom von (75V – 56V) / 3,9kOhm = 5mA durch die Zenerdiode. An dieser entsteht damit eine Verlustleistung von 0,3W, was unbedenklich ist. D?? B80C1500 R?? 3K9 - + -56V Eingang 54V eff C?? 50uF D?? Z56V + Die Netzteilschaltung für –56V Seite 3- 14 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Die Ergebnisse Die Inbetriebnahme des CARACAL erwies sich als unkompliziert. Der Zähler funktionierte innerhalb weniger Stunden einwandfrei. Erster Test des noch nicht endmontierten CARACAL Als Strahlenquelle dienten Granit-Pflastersteine, wie sie als Pflastermaterial von Gehwegen in Berlin in großen Mengen zu finden sind. Es wurden hierbei mit dem CARACAL, je nach Anzahl und Lage der Pflastersteine, eine Größenordnung von 1 bis 5 Zerfällen pro Sekunde beobachtet. Das Verhalten des Zählers bei höheren Zählfrequenzen wurde jedoch, auf nicht gesundheitsgefährdende Weise, durch die Einspeisung von mit einem Funktionsgenerator erzeugten Pulsen getestet. Es ergab sich eine maximale Zählfrequenz von ungefähr 50 kHz, womit die in Datenblättern und Applikationsberichten bezüglich der E1T zu findende Angabe einer minimalen Zählfrequenz von 30kHz bestätigt bzw. übertroffen wurde. Seite 3- 15 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS CARACAL Granit-Pflasterstein als Strahlenquelle Seite 3- 16
