Dokumentation Geigerzähler - Elektronik i

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INHALTSVERZEICHNIS
Einleitung ......................................................................................................................................................................3
Funktionsweise ...........................................................................................................................................................3
Schaltplan ......................................................................................................................................................................4
Layout ..................................................................................................................................................................................6
Flussdiagramm Software....................................................................................................................................7
Probleme und Änderungen.................................................................................................................................7
Kosten ..................................................................................................................................................................................8
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EINLEITUNG
Als ich zum ersten Mal von einem Geigerzähler hörte, konnte ich mir noch nicht viel darunter
vorstellen. Erst nachdem ich mehrere Beschreibungen in Chemiebüchern und im Internet
gelesen habe, hatte ich eine Vorstellung davon, wie radioaktive Strahlung gemessen werden
kann. Als ich dann noch eine Bauanleitung in der Zeitschrift „Nuova Elettronica“ fand, war für
mich klar, dass ich einen Geigerzähler als Projekt bauen werde.
FUNKTIONSWEISE
Der wichtigste Baustein im Geigerzähler ist das Zählrohr. Ich habe meines im Internet (bei ebay)
bestellt (CBM-20, russische Herstellung). Das Zählrohr ist mit einem Edelgas (Argon) gefüllt.
Wenn radioaktive Gamma-Strahlen auf das Zählrohr treffen, ionisieren sie das Gas und trennen
die Elektronen von ihren Atomkernen. Die negativen Elektronen werden zur positiven Anode
gezogen und verursachen einen Stromfluss.
Ans Zählrohr muss eine Hochspannung von 400V angelegt werden um den geringen Strom
messen zu können.
Durch einen hochohmigen Widerstand wird der Strom in eine Spannung umgewandelt, die
proportional ist zur radioaktiven Strahlung.
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SCHALTPLAN
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Die Hochspannung wird mittels zweier Spulen auf - einem runden Ferrit Kern gewickelt –
erzeugt.
Die Diode D3 wird als Zener-Diode gebraucht (für ca. 190V). Durch einen einfachen
Spannungsteiler werden 400V ans Zählrohr (J2) angelegt. Der TLC 555 steuert den Mosfet so an,
dass er die Spannung an der Spule regeln kann.
Die entstehenden Impulse werden durch U2A, B und C verstärkt und dann mit dem
Microcontroller 16F877 ausgewertet.
Die Spannungsreferenz D7 kann dazu dienen, eine schwächer werdende Batterie zu erkennen.
Durch den ICSP (In Circuit Seriall Programming) Anschluss lässt sich eine Änderung des
Programms bequem vornehmen, ohne den Microcontroller aus der Fassung zu nehmen.
Der Transistor BC327 dient dazu die Hintergrundbeleuchtung über RC3 ein oder auszuschalten.
Weiters habe ich noch zwei Taster vorgesehen, J4 als Reset Taste und J6 um einen gespeicherten
Maximalwert abzurufen.
Der Schalter J5 sollte dazu dienen umzuschalten zwischen Digitalanzeige und dem „Beep
Modus“, über einen Piezo-Summer (J3).
Die Schaltung kann mit 4 AA- Batterien zu 1,5 V versorgt werden. Die Stromaufnahme mit
Hintergrundbeleuchtung des Displays liegt bei ca. 60 mA.
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LAYOUT
Größe der Platine: 110x100 mm
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FLUSSDIAGRAMM SOFTWARE
Tm0 - Interrupt alle 256 µs
Zählvariable
inkrementieren
„Geigerzähler“
Initialisierung
Display beschreiben
Positive Flanke
an RC0
N
J
Zählvariable sichern
und Zähler löschen
PROBLEME UND ÄNDERUNGEN
Das Zählrohr liefert sehr unregelmäßige Impulse. Das hat zur Folge, dass sich der Messwert
innerhalb einer Sekunde sehr stark ändert. Deshalb macht eine genaue Messung nur Sinn, wenn
man den Mittelwert aus mehreren Messungen bildet. Dabei gibt es aber auch Probleme, da man
dann sehr lange warten muss, bis man einen genauen Wert ablesen kann. Zuerst habe ich aus 4
Werten den Durchschnitt gebildet, was zwar nicht lange dauern würde, aber fast keine
Verbesserung brachte. Weiters habe ich zwei andere mögliche Lösungswege ausprobiert: Eine
Mittelwertbildung nach 32 Impulsen und eine Mittelwertbildung nach (256µs x 32) ca. 8
Sekunden. Wenn man auf 32 Impulse warten muss braucht es eine sehr lange Zeit bei geringer
Aktivität. Ansonsten sind die Messwerte aber stabil. Bei der Durchschnittsbildung nach 8
Sekunden muss man auch etwas Geduld haben um einen Messwert ablesen zu können.
Einen Kompromiss gibt es leider nicht. Wenn man eine stabile Anzeige will muss man
Mittelwertbildung vornehmen.
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Zuerst war für die Spulen L1 und L2 eine Drosselspule vorgesehen. Jedoch konnte diese Spule
nicht genügend Energie speichern um das Zählrohr zu versorgen. Erst eine selbst gewickelte
Spule auf einem Ringkern, der auch Energie speichern kann brachte Abhilfe.
KOSTEN
Ein handelsüblicher Geigerzähler kostet mindestens 300 €. Mein Ziel war auch, eine billige
Variante zu bauen, mit den gleichen Qualitätskriterien wie ein normaler Geigerzähler.
Mit Zählrohr (20€), Display (10€) und restliche Bauteile (ohne Platine und Arbeit) kommt man
auf einen Preis von ca. 45-50 €.
QUELLE BILDER
http://mineralium.com/bunte-steine/wie-funktioniert-ein-geigerzahler (abgerufen am
26.05.08)
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