Die Fotodiode BPW34 kann zur Messung der Radioaktivität
eingesetzt werden. Ein
Bauteil für unter einem Euro als Strahlungsdetektor, das macht
Spaß. Deshalb wollte ich das mal probieren. Das Bild zeigt
meinen ersten funktionierenden Probeaufbau. Auf der Fotodiode ist mit
Tesafilm ein kleines Stückchen eines radioaktiven Minerals
(Uran-Pechblende) befestigt. Die Signale sind sehr klein. Deshalb
musste ich den Verstärker optimieren und
alles abschirmen.
Außerdem muss der ganze Aufbau sorgfältig verdunkelt
werden.
Am Oszilloskop sieht man dann für jedes Ereignis einen
Peak.
Mit diesem Aufbau konnte auch getestet werden, dass die Strahlung eine
Alufolie durchdringen kann.
$regfile = "attiny13.dat"
$crystal = 1200000
Baud = 9600
Enable Interrupts
Config Adc = Single , Prescaler = Auto
Start Adc
Open "comb.1:9600,8,n,1,INVERTED" For Output As #1
'Open "comb.2:9600,8,n,1,INVERTED" For Input As #2
Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024
On Timer0 Tim0_isr
Enable Timer0
Dim N As Word
Dim Zeit As Word
Do
Zeit = 0
N = 0
Do
If Pinb = 0 Then
Do
Loop Until Pinb.3 = 1
N = N + 1
End If
Loop Until Zeit > 45 '10s
Print #1 , N
Loop
'*************** Timer-Prozedur mit Zeitmessung, Regelkreis, und LCD-Refresh *******
Tim0_isr:
Zeit = Zeit + 1 '4,58 Hz
Return
End
Die
Zählergebnisse werden im Terminal empfangen. Man kann sie dann
als
Text kopieren und in eine Excel-Tabelle einfügen, um sie
grafisch
auszuwerten.
Bei meinem ersten Nachbau des Verstärkers war der Elko im Emitterzweig des Ausgangstransistors defekt. Dort im roten Kreis, das ist er. Sollte eigentlich ein nagelneuer LoESR-Elko sein. Kurz vor Weihnachten geliefert bekommen von einer Firma Richtung Nordsee, am Jadebusen. Und ich dachte Schüttgut bzw. Ramsch kommt nur aus Bayern :). Das ist er. Keine Kapazität, völlig taub.
Der Elko hatte aber nur Einfluss auf die Gesamtverstärkung.
Deshalb musste ich bei den Oszillogrammen auch den Spannungsteiler auf
5mV/div einstellen, damit war der Verstärkungsverlust wieder
ausgeglichen.
Trotzdem habe ich mich noch einmal mit dem
Transistorverstärker beschäftigt. Ich habe noch einen
Emitterfolger davor gesetzt und komme so auf eine beachtliche
Empfindlichkeit. Man kann also sagen, dass der
Transistorverstärker dem OP-Amp Verstärker in nichts
nachsteht. An den Ausgang des Verstärkers wollte ich jedoch
keinen Komparator setzen, der ungeachtet der Impulshöhe nur
Knacken an einem Lautsprecher erzeugt. Ich habe deshalb eine andere Art
der "Rauschunterdrückung" gewählt. Siehe Schaltbild:
An dem 10 kOhm Trimmer kann man der Diode grade soviel Vorspannung
geben, dass das Rauschen weitgehend unterdrückt ist, also die
Diode noch nicht durchschaltet. Die Impulse werden zwar dadurch auch
etwas kleiner aber der Signal-Rauschabstand wird erheblich besser, wie
auf dem Oszillogramm zu sehen ist.
Ch.1 ist an NF2 angeschlossen, Ch.2 an NF1.
Ch.1 - 0,1V/div, Ch.2 - 0,2V/div
Zeitablenkung auf 0,2ms/div
Natürliches
Kalium ist wegen seines seltenen Isotops K-40 ein schwacher
Beta-Strahler. Ich wollte wissen, ob mein BPW34-Sensor
das nachweisen kann und habe mir ein Kilo besorgt. Hier die
Ergebnisse:
KCl
hat 16350 Bq pro Kilogramm. Mit meiner Methode messe ich nur einen
kleinen Teil der Zerfallsereignisse. Aber die Messung dürfte
zeigen, dass der Sensor für Beta empfindlich ist. Die
geringe Empfindlichkeit macht nicht so viel aus, weil man ja
länger messen kann, am besten mit einem Impulszähler.
Messung an KOH und NaCL von Alex Auchter
Ich möchte ihnen nur kurz berichten, dass ich die einfache Schaltung gemäss Ihrer Vorgabe ausprobiert habe: http://atom.univ.kiev.ua/2016/prof/yerm/prog_logic/presentations/khodnevych.pdf. Trotz anfänglicher Skepsis ließ sich mit dem Aufbau Beta-Strahlung nachweisen. Im Anhang zwei Aufzeichnung über 2h30m, einmal mit KOH-Plätzchenen (40K) und einmal mit NaCl (36Cl?).
Messung von Radon-Folgeprodukten
Aus
dem Erdboden tritt immer etwas Radon aus. Dieses radioaktive Gas
zerfällt mit einer gewissen Habwertszeit und erzeugt dabei weitere
Radionuklide. Und diese kann man leicht einsammeln. Man nehme
einen dünnen (0,2 mm), lackisolierten Kupferdraht und spanne ihn
isoliert in der Wohnung aus. An den Draht lege man eine negative
Spannung zwischen -5 kV und -10 kV. Nach zehn Minuten (und nach
Abschalten der Hochspannung!) wische man den Draht mit einem Streifen
Papier ab. Auf dem Papier findet man dann eine dunkle Spur, etwas
Staub, der vom geladenen Draht angezogen wurde. Und darin befinden sich
besonders viele der radioaktiven Radon-Zerfallsprodukte. Der Grund ist
einleuchtend: Beim Zerfall erhalten die neuen Kerne eine hohe
Geschwindigkeit. Sie streifen dabei einen Teil ihrer
Elektronenhülle ab und laden sich positiv auf. Deshalb werden sie
vom negativ geladenen Draht angezogen.
Spannungsquelle mit -10 kV
Wenn man nun dieses „schmutzige“ Papier an den Zähler legt, ist eine hohe Aktivität zu messen. Man kann untersuchen, welche Räume wie stark mit Radon belastet sind. Im Keller ist es deutlich mehr, denn das Radon kommt ja von unten.
Verwendung eines Fernsehers, von Peter Kranl
Das
Einsammeln von Radon-Folgeprodukten geht auch noch viel einfacher. Man
falte ein Stück eines Küchentuches zu einem ca. 1 cm breiten
Streifen ,tränke ihn mit Spiritus und wische damit Streifen
für Streifen das Glas des (Röhren-) Fernsehers ab. Die
Aktivität kann bis zu 700 cpm gehen. ( Zählrohr baugleich mit
Valvo 18504. Mit VB 6 lässt sich das Abklingen der Strahlung sehr
schön erfassen:
Hinweis: Die Oberfläche der Bildröhre lädt sich nach dem Abschalten für kurze Zeit auf eine hohe negative Spannung auf. Vermutlich erhält man daher die besten Ergebnisse kurz nach dem Ausschalten. Siehe auch: Messung mit dem Elektrometer
Mylar-Folie, weitere Hinweise von Frank Hagemann
Ich wollte noch mitteilen, dass ich einen kleinen Erfolg bei den Experimenten mit der offenen BPW21 und hauchdünnen lichtdichten Alufolien und Mylarfolien aus einem Wickelkondensator 100 nF / 63 V gewinnen konnte.- Kondensatordrähte kappen, mit einem Teppichmesser den Kondensator längstschneiden und dann abwickeln Die Kondensatorfolie (Mylar? auch ein Forumthema für ca. 50$/ 1 dm^3 ) und Alufolie sind meines Erachtens Alphastrahlen-durchlässig und schwächen gemeinsam den Pegel um 30-50 % . Bei dem Stichwort Mylar kam mir die Idee mit dem Wickelkondensator.
Bei
den BPW34 habe ich im Mikroskop eine Grenzschicht entdeckt, vielleicht kann
man diese Dioden ohne Abdeckfenster erwerben. Ich habe versucht, eine Diode
aus meinem Array quer mit einem feinen Seitenschneider an der Grenzlinie zu
kappen hab sie dabei leider zerstört.
Endlich
habe ich mal eine BPX61 bestellt und Messungen an beiden Dioden
gemacht. Die ursprüngliche Vermutung, dass sie ähnlich sind,
hat sich nicht bestätigt. Eine geöffnete BPW21 brachte keine
größeren Signale als eine BPW34 mit ihrer
Plastikumhüllung. Dagegen zeigte eine aufgeschliffene BPX61
deutlich stärkere Impulse, die offensichtlich auf Alpha-Teilchen
zurückgehen, da man sie leicht abschirmen kann. Die Dioden
unterscheiden sich auch schon im Aussehen. Die BPW21 hat einen
bräunlichen Kristall, was vielleicht an einer besonderen
Beschichtung liegt. Die BPX61 dagegen sieht bläulich aus. Hier
liegt das Silizium wohl tatsächlich offen.
Siehe auch bei Rapp Instruments: Halbleiterzähler mit BPX61
Einsatz als Alpha-Zähler: Messungen an der Uni Namur
Messung mit der BPX61, von Walter Koch
Inzwischen ist der Sensor mit einer PIN-Diode BPX 61
mit intaktem Glasfenster (für Gamma-Messung) aufgebaut. Mit dem Messverstärker mit 2xBC549C erhalte ich sehr gute
Impulse auf dem Oszi UTD2102CEL. In der beigefügten Abbildung habe ich die
Impulse über einen angemessenen Zeitraum integriert. Zusätzlich
baute ich auch einen Komparator mit dem LM 311 auf, mit dem ich eine
verbesserte Darstellung erreichen konnte. Natürlich ist der Aufbau mit
einer PIN-Diode nicht so empfindlich wie ein Geiger-Müller-Zähler, liefert
aber sehr interessante Erkenntnisse. Den Aufbau habe ich in der
FSU-Jena, Physik erfolgreich vorgeführt.
Radon-Zerfall und Halbwertszeit, von Benedikt Zimmermann
Material: Hochspannungsnetzgerät, Kabel, Isolatoren, 10 m Draht, Strahlungsmessgerät, Computer, Taschentuch, Spiritus
Aufbau und Vorgehen:
In einem schlecht durchlüfteten Raum mit Stein/Ziegel/Beton-Wand werden
zwei Drähte im Abstand von 10 cm aufgespannt und an Isolatoren
befestigt. Der eine Draht wird an den positiven Pol eines
Hochspannungsnetzgeräts angeschlossen und geerdet. Der andere Draht
wird an den negativen Pol des Netzgeräts angeschlossen und die Spannung
langsam auf 6 kV erhöht. Den Versuchsbau mehrere Stunden stehen lassen.
Danach Gerät ausschalten und negativen Pol erden. Ein Taschentuch in
Spiritus tränken und den Draht, der auf dem negativen Pol lag, einmal
abreiben.
Quelle: http://www.physik-box.de/radon/radonseite.html
Beobachtung: Es findet sich eine schwarze Staub-Spur auf dem Papiertaschentuch. Diese hat bei Messungen mit einem Geigerzähler eine Aktivität von ca. 12 µS/h. Danach wird das Taschentuch in eine Messkammer gelegt und für mehrere Stunden der radioaktive Zerfall gemessen. Dabei ergibt sich eine exponentiell abnehmen Kurve, die sich nach ca. 3 h in der Hintergrundstrahlung verlieren.
Interpretation und weitere Verarbeitung der Messreihe: Nach 180 Minuten ist die Tangente einer linearen Ausgleichsfunktion waagrecht. Von hier an kann davon ausgegangen werden, dass nur noch die Hintergrundstrahlung auf das Messgerät wirkt. Diese beträgt im Mittel ca. 3,6 CpM. Zunächst zieht man diesen Wert von der übrigen Messreihe ab. Um sich mit einer Ausgleichsfunktion in Form einer exponentiellen Funktion zu nähren, beschränkt man sich auf den Zeitraum bis 150 Minuten, danach treten zum ersten Mal Werte < 1 auf. Die vorhandenen Werte werden zu einer Ausgleichsfunktion verrechnet, aus welcher die Halbwertszeit errechnet wird:
Ausgangsform: N(t)=N(0)*e^ax
Regression ergibt: y=110*e^-0,025x
Berechnung der Halbwertszeit:
0,5 *N(0)=110*e^-0,025x |/N(0)
0,5=e^-0,025x |ln!
ln(0,5)=-0,025x |/-0,025
ln(0,5)/-0,025=x=27,73
Halbwertszeit: 27,73 Minuten
Erklärung:
Der schwarze Staub sind Folgeprodukte des Radons, das als natürliches
Element der Uran-Radium-Zerfallsreihe in Form von Gas aus dem Mauerwerk
austritt. Bei Zerfall streift das Radon einen Teil seiner
Elektronenhülle ab, lädt sich so positiv auf und wird von der negativen
Anode angezogen und sammelt sich hier.
Die gemessene
Halbwertszeit kommt der des Radons 223 mit 23,4 Minuten sehr nahe. Die
Abweichung ergibt sich neben Messungenauigkeiten vor allem daraus, dass
sich nicht nur Radon 223 sondern auch Radon 222 an der Anode sammelt,
welches eine Halbwertszeit von drei Tagen hat. Außerdem zerfällt das
Radon 223 in Fr 223 nach ca. 21 Minuten und so weiter. Unter diesem
Aspekt ist die Messung erstaunlich genau.
Dazu eine sprachliche Richtigstellung, von Bernhard Schnurr
Die
"Aktivität" wird in Bequerel angegeben. Ein Messwert der die Dimension
µSv/h trägt kann nur eine Dosisleistung sein. Diese ist jedoch zwingend
mit einer Ortsinformation verknüpft und ohne Ortsinformation praktisch
wertlos.
Im konkreten Fall kann man natürlich die Ortsinformation
erraten. Zum Beispiel: Präparat im Kontakt mit dem Gehäuse des
Messgerätes oder der Zählrohroberfläche.