Bauplan Schaltplan Quellcode Radioaktivität messen mit BPW34

Die Messkammer mit einer BPW34
Leider hat uns die Katastrophe in Japan Anfang 2011 wieder sehr drastisch bewußt gemacht, das die Nutzung von Kernkraft mit einem ganz realen Risiko verbunden ist, welches verheerende Auswirkungen auf unser Leben haben kann. Bei uns in Europa dürften die Auswirkungen glücklicherweise kaum messbar sein, doch prinzipiell könnte ein ähnlicher Unfall auch bei uns geschehen, mit unabsehbaren Konsequenzen für unsere Gesellschaft.

Die Überwachung der Umwelt auf Radioaktivität ist dabei ein wichtiger Aspekt dieser Thematik. Der Mensch hat keinen biologischen Sinn zur Wahrnehmung von Radioaktivität, also muss man mit physikalischen Methoden eine entsprechende Vorrichtung bauen, welche die Strahlung erfassen kann. Hierbei gibt es verschiedene Möglichkeiten, jede mit ihren spezifischen Vor und Nachteilen.

Zum Beispiel kann man Radioaktivität mit einem Zählrohr detektieren, oder aber in einer Nebelkammer optisch sichtbar machen.

Eine sehr preiswerte und einfache Möglichkeit ist es, eine Photodiode geeignet zu beschalten, so dass sie radioaktive Strahlung erfassen kann.

Jedes radioaktive Teilchen, welches von der Diode absorbiert wird, erzeugt eine winzige Ladungsmenge, die man messen und Auswerten kann. Auf diesem Prinzip basiert die Folgende Schaltung.

Die Anregung für diese Schaltung stammt von B. Kainkas Homepage, dort finden sich auch viele zusätzliche Informationen.

Eine Photodiode BPW34 wird in Sperr-Richtung zwischen Pad 1 und Pad 2 angeschlossen. Die Schaltung muss dann in absoluter Dunkelheit in einem abgeschirmten Gehäuse betrieben werden. Jedes Teilchen, das von der Fotodiode detektiert wird, erzeugt ein Signal am Ausgang. Dabei ist die Impulshöhe am Ausgang proportional zur Energie des Ereignisses, was es sogar ermöglicht, ein Spektrum der Radioaktiven Strahlung aufzunehmen.

Der TLC272 ist ein sehr hochohmiger Operationsverstärker mit FET Eingang, welcher die geringen Ströme der in Sperrichtung betriebenen Fotodiode BPW34 gut verstärken kann. Ich habe die Schaltung mit einer 9V Batterie betrieben, die Stromaufnahme liegt bei 1.3mA


Der Schaltplan.

Ich habe diese kleine Platine für die Schaltung entwickelt, um einen stabilen Aufbau zu bekommen.


Die Platine.
Layout auf Anfrage.

Die Schaltung wurde aufgebaut und in ein kleines schwarzes Kunststoffgehäuse eingesetzt. Ohne radioaktives Material liefert die Schaltung lediglich ein konstantes Rauschen von ca 20mV. Als radioaktives Testobjekt wurde dieser thoriumhaltige Glühstrumpf verwendet, Dazu wurde der Glühstrumpf gefaltet und mit in das Gehäuse eingelegt. Das Gehäuse wurde verschlossen und zusätzlich noch in eine Lage Alufolie (auf Masse gelegt) zur Abschirmung eingewickelt.


Das Testobjekt, ein Glühstrumpf welcher Thorium enthält.

mit der radioaktiven Probe zeigt sich ganz deutlich eine Aktivität. Jeder vertikale Strich entspricht dabei einem registrierten Partikel, die Impulshöhe ist proportional zur Energie des Partikels.


Die Impulse einer ganzen Minute.

So sieht ein registrierter Impuls im Detail aus.


Ein einzelner Impuls im Detail

Mit meinem Testobjekt konnte ich Impulse bis 200mV detektieren. Hier ein solcher Impuls im Bild festgehalten. Die Mehrzahl der Impulse ist aber deutlich schwächer. Es dürfte sich dabei um Beta und Gamma Strahlung handeln.


Impulse bis zu 200mV konnten beobachtet werden.

Ich habe noch einige Tests mit einigen anderen Proben gemacht, zum Beispiel Strassenstaub, eine Tonscherbe sowie verschiedene Steine. Bei keinem der Objekte konnte ich eine Aktivität feststellen, nur der Glühstrumpf zeigt deutliche Aktivität.

Diese Schaltung ist natürlich nur der erste Teil einer Auswerteschaltung, man kann zum Beispiel einen Komparator hinterherschalten, welcher bei jedem Impuls ein akustisches Knack-Signal erzeugt. Damit hat man ein Gerät, welches einem klassischen Geigerzähler entspricht. Eine mögliche Schaltungsvariante mit einem Tiny13 Controller findet sich hier.

Eine weitere interessante Möglichkeit ist es, die Impulshöhe zu messen und daraus dann praktisch einen Fingerabdruck des Messobjekts zu generieren.

Die Schaltung ist auf alle Fälle sehr interessant, mit geringstem Aufwand kann ein funktionierender Strahlungsdetektor gebaut werden, der zudem noch ohne lästige Hochspannung auskommt. Die Bauteilkosten liegen deutlich unter 10 Euro.

Ich habe die Schaltung auch noch mit einer recht teueren BPX61 Diode ausprobiert, damit konnten aber nicht soviele Impulse detektiert werden wie mit der BPW34. Allerdings soll es möglich sein, das Glasfenster der BPX61 zu entfernen, um damit sogar Alpha Strahlen zu erkennen. Auch müsste es möglich sein, zum Beispiel einen 2N3055 Transistor zu öffnen und mit dem offenen Kristall Strahlung zu detektieren. Eine weitere mögliche Modifikation wäre es, zwei Fotodioden parallel zu schalten, damit bekommt man die doppelte aktive Detektorfläche.

Interessanterweise weist die Schaltung eine ganz deutliche Mikrofonie auf, leichtes Klopfen auf das Gehäuse ist deutlich im Ausgangssignal zu erkennen. Ich habe aber noch nicht herausgefunden, welches Bauteil hierfür verantwortlich ist.

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