RikamIno - Radon-Ionisationskammer Break-Out für den Arduino

[Radioquant98]

Hallo Opengeiger,

das wollte ich genau wissen. Also zählst Du die Aufladezyklen pro Stunde. Die anschließende Berechnung und Anzeige bleibt erstmal außen vor.

Nun wäre es gut zu wissen in welchem Spannungsbereich sich das am Source bewegt. Ja klar, da der Widerstand am Gate fehlt ist alles nur vom Gaterestrom + Kriechstrom abhängig.

Ja DL8BCN du kannst die Gatespannung über dem Sourcewiderstand messen. Das ist ja ein Spannungsfolger und da kannst Du mit jedem Digi oder besser analogem Röhren-/Transistorvoltmeter messen - Das Digi wird aber ohne Tiefpaß arg hüpfen.
Deine FET sind bestimmt alle in Ordnung.

Aufpassen sollte man, daß man vor dem Erreichen dar max Gatespannung das Gate entlädt, sonst schlägt es durch.

Viele Grüße
Bernd

[opengeiger.de]

Kann man denn ohne den Arduino überhaupt eine sinnvolle Messung am Ausgang (Source) der Messkammer machen?

Es ist doch gar nicht so schwer, das, was der Arduino normalerweise macht, einfach manuell zu machen! Dazu musst Du doch nur parallel zum 47kOhm Source-Widerstand einen kleinen Taster anschließen. Wenn Du nun ein Multimeter das vielleicht 10MOhm Innenwiderstand im Spannungsmessbereich statt dem Arduino nimmst, dann kannst Du doch alles schön in "Zeitlupe" beobachten. Zunächst drückst Du den Taster (Schließer), damit geht die Source-Spannung auf null. Wenn Du ihn wieder loslässt, springt die Spannung auf die Startspannung, also so etwa 0.8V zum Beispiel, je nach JFET. Jetzt ist das Gate bestmöglichst entladen. Bringst Du jetzt was Aktives vor die Kammer, z.B. eine Keramik mit Uranglasur, dann siehst Du nun, wie jetzt die Spannung am Source hochläuft Richtung 2V. Das sättigt dann aber irgendwo, je nach JFET, so etwa zwischen 2.5V und 3V. Wenn Du etwas weniger Aktives als Probe nimmst, geht das langsamer. Wenn Du das Gefühl hast, der Endwert ist erreicht, dann drückst Du einfach wieder den Taster und alles beginnt von vorn. Wenn Du nun einen Überblick hast, in welchem Rahmen die Spannung sich nach dem Loslassen verändert, dann kannst Du damit einen Schwellwert definieren, der immer sicher erreicht wird. Zum Beispiel, Du startest eine Stoppuhr, wenn Du den Taster loslässt und stoppst dann die Stoppuhr sobald das Multimeter Deinen festgelegten Schwellwert (z.B. 2.5V) erreicht hat. Dann hast Du einen manuellen ,,Rika-sin-Ino", und kannst verifizieren, dass auch alles richtig funktioniert, wenn der Paketbote klingelt und den Arduino bringt.   

Beim Anschließen des Tasters am 47k sollte man aber das Kabel nicht zu lang machen und besser eine dünne Zweidrahtleitung nehmen oder was Geschirmtes (dünnes Koaxialkabel). Das gilt im Übrigen auch für den Anschluss an den Arduino.  Nicht dass man sich da wieder was einfängt  . 

PS: und Du musst natürlich  beim Messen mit dem Multimeter den Deckel Deiner JFET Abschirmdose zu haben!

[opengeiger.de]

Nun wäre es gut zu wissen in welchem Spannungsbereich sich das am Source bewegt. Ja klar, da der Widerstand am Gate fehlt ist alles nur vom Gaterestrom + Kriechstrom abhängig.

Ja, wie schon mehrfach gesagt: Die Spannungswerte, zwischen denen die Source Spannung pendelt, streut von JFET zu JFET etwas. Sobald der Arduino (oder der Taster siehe voriger Post) den Source freigibt, wird ja durch den Anstieg der Source Spannung auf den Anfangszustand wieder Ladung auf das Gate injiziert und zwar durch die Source-Gate Kapazität. Diese Ladungsmenge wird natürlich von etlichen parasitären Effekten mitbestimmt, daher ist dieser Wert auch von JFET zu JFET etwas verschieden. Genauso die Frage, bei welcher Spannung stellt sich das Gleichgewicht zwischen Ionisationsstrom und Sperrstrom ein. Wir reden da ja über pA. Also da hat man immer eine natürliche Streuung. Für die Messung aber ist nur die Zeit entscheidend, die es braucht, bis der Schwellwert erreicht wird. Den Schwellwert kannst Du passend festlegen und als Konstante in Deinen Arduino Sketch schreiben.

Ja DL8BCN du kannst die Gatespannung über dem Sourcewiderstand messen. Das ist ja ein Spannungsfolger und da kannst Du mit jedem Digi oder besser analogem Röhren-/Transistorvoltmeter messen - Das Digi wird aber ohne Tiefpaß arg hüpfen.

Nein, da hüpft nix, wenn Du das Voltmeter ordentlich anschließt. Man sollte natürlich die Leitung zum Voltmeter nicht gerade ungeschirmt einmal ums Haus legen. Einen Tiefpass braucht man da nicht. Eine Filterung ist erst sinnvoll, wenn man kleine Änderungen in der Aktivität der Probe(n) messen möchte.

Aufpassen sollte man, daß man vor dem Erreichen dar max Gatespannung das Gate entlädt, sonst schlägt es durch.

Auch das ist leider nicht richtig. Das Gate kann in der Spannung nicht höher gehen als bis zur Drain-Spannung. Sobals es höher gehen würde, würde der pn-Übergang Gate-Drain in Vorwärtsrichtung gepolt und der Gatestrom würde zum Drain abfliessen. Deswegen stellt sich da auch von selbst ein Gleichgewicht ein. Eine Gefahr, dass das Gate sich auf zu hohe Spannungen gegenüber dem Drain auflädt, würde aber bei einem MOSFET bestehen. Da haben wir eine Isolation, die weitestgehend unabhängig von der Gate-Source oder Gate-Drain Spannung ist, weil die ja beim MOSFET durch ein sehr dünnes Gateoxid aus SiO2 erzeugt wird und nicht durch einen pn-Übergang wie beim JFET.

Aber ja, ich gebe zu, die Halbleiterei ist keine einfache Disziplin  .

[DL8BCN]

Danke für die vielen Tips.
Ich habe den Arduino sogar schon bekommen.
Auch die Software hatte ich schon raufkopiert.
Ich muss nur schauen, wie man die Daten in eine Grafik bekommt.
Wie ich schon bemerkt hatte, fange ich bei ,,0" an.
Der entscheidende Hinweis ist der periodische Kurzschluss zum entladen.
Was mich nur wundert: Bei meinen ersten Messungen hatte ich zuerst 0,0 V am Anfang und keine Startspannung von 0,7 oder 0,8 V.
Aber ich bin ja noch ganz am Anfang mit meinen Versuchen.

[DL8BCN]

Ich hab eben noch das Datalogger Shield bestellt.
Und ein Display.
Außerdem war eben mein Junior hier und hat mir kurz ein paar Grundlagen gezeigt.
Er ist Fachinformatiker für Anwendungsentwicklung
Wenn ich nicht weiterkomme, hilft er mir bei solchen Dingen

[Radioquant98]

Hallo Opengeiger,

was ist denn nun richtig?
In Beitrag 24 schreibst Du:"...und wenn man dann den Source Anschluss auf Drainpotential bringt, dann baut sich die Sperrschicht am pn-Übergang als Isolator so weit ab, dass die Gate-Ladung abfliessen kann."
Und in Beitrag 106: "Dazu musst Du doch nur parallel zum 47kOhm Source-Widerstand einen kleinen Taster anschließen."

Also den Source auf +5V oder Masse schalten ?????? Ich komme da nicht ganz mit

Viele Grüße
Bernd

[DL8BCN]

Ich habe jetzt mal den Arduino angeschlossen.
Softwaresketch ist das von "silfox".
Anbei ein paar Bilder vom Serial Plotter.
Einmal vom IDE , wo man beim Serial Monitor die ansteigende Spannung sieht, einmal ohne Quelle und einmal mit einer Uranglasur in der Nähe der Kammer.
Ist das so plausibel?

[Elektroniknerd]

Also den Source auf +5V oder Masse schalten ?????? Ich komme da nicht ganz mit

Überlegen wie der FET arbeitet:
Das ist ein N-Kanal-Fet.
Das Gate ist also P-Dotiert.
Damit die Gate-Source und die Gate-Drain Diode sperren, muss die Gate-Spannung kleiner(negativer) sein, als die Source-Spannung und die Drain-Spannung. (Und ja, diese Dinger sind tatsächlich geometrisch symmetrisch und Source und Drain sind vertauschbar. Darf also jeder Hersteller nach seinem Gusto an die Pins dran schreiben)
"Von alleine" leitet(!) so ein FET zwischen Source und Drain, erst eine negative Gate Spannung schnürt durch das Feld im Kanal den Stromfluss ab.


1. Normalbetreib (ansteigende Rampe):
Der FET ist hier als Source-Folger geschaltet, die Source-Spannung folgt der Gate-Spannung, mit etwas Versatz (nach unten=ins negative). Die Spannung an der Source ist also immer etwas höher als die am Gate und damit sperrt die Gate-Source-Diode. Die Spannung am Drain ist die Versorgung, also "viel" höher und diese Diode sperrt auch. 

Das Gate sind also zwei Dioden in Sperrrichtung, mit so gut wie keinem Leckstrom. Damit wird das Gate, zusammen mit dem Draht und dem Beinchen, jetzt effektiv zu einem Kondensator: die Schaltung sammelt also Ladung = die zählt Elektronen. Je mehr Elektronen auf dem Kondensator gesammelt werden und je kleiner(!) seine Kapazität ist, desto höher ist die Spannung, die über das Feld im Feldeffekttransistor dann die Ausgangsspannung steuert. 

1a)
Ganz lange Ladung sammeln: wird die Spannung am Gate höher als die Drain-Spannung (+5V Versorgung), dann leitet die Gate-Drain-Diode und die Ladung fließt über das Drain ab. "Das Ding übersteuert" oder "die Schaltung clippt". 

1b) wenn man negative Ladung bekommen würde (passiert wegen der positiven Kammervorspannung nicht), dann könnte man den FET tatsächlich killen, denn da gibt es nichts, was das absinken der Gate-Spannung unter die zulässigen -40V unter das Source potential (da ist bei 0V(=Masse der Schaltung=kein Stromfluss mehr durch den Drain-Source-Kanal) Schluss nach unten), verhindert.


2. Reset:
Drain (bis eben noch die 5V Versorgung) geht auf 0V (macht der µC): Ist die Gate-Spannung mehr als ca. 0,5V(*) über der Drainspannung, leitet die Drain-Gate-Diode!
Mit Drain auf 0V fließt also die Ladung aus dem Gate über die Gate-Drain Diode ab.
Geht Drain jetzt wieder auf 5V, dann bleibt das Gate entladen und muss sich erst wieder über den Kammerstrom aufladen: der Zyklus beginnt von vorne. 


=> In der Schaltung mit dem µC wird Drain, also die 5V Versorgung auf Null Volt gebracht, um das Gate zu entladen.


Aber da der FET ja symmetrisch ist, kann man eben so gut die Source auf Masse ziehen. Die wird dann negativer als das Gate, die Gate-Source Diode leitet und das Gate entlädt sich darüber.
Also kann man auch einen Taster über den 47kOhm legen, um das Gate zu entladen.


Source auf +5V bringen ist dagegen witzlos, da geht die Spannung am Ausgang so lange man die Taste gedrückt hält auf 5V, und wenn man ihn los lässt wieder auf den alten Wert.





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(*) für Silizium wird als "Diodenschwellspannung" ja gerne 0,7V angegeben, das stimmt für ein paar mA bei einer Diode auch. Hier ist aber auch noch ein extrem kleiner Strom wirksam (weil der Kondensator den wir entladen so winzig ist), dann ist das auch viel weniger "Schwellspannung", k.A. was da raus kommt, aber das wird hier ziemlich dicht an 0 ran gehen.

[Radioquant98]

Danke Elektroniknerd, für deine Erklärung. Manchmal hat man einen Knoten im Hirn noch dazu im beitrag 6 nicht die Polarität der Kammerspannung hervorgeht.

So wie Du das beschreibst, ist das logisch.

Zur Ergänzung. Der FET hat natürlich nur eine Sperrschicht vom Gate zum steuerbaren Widerstand Source/Drain.Aber für deine Beschreibung ist das mit zwei Diodenstrecken schon angebracht.

Viele Grüße
Bernd

[opengeiger.de]

Ist das so plausibel?

Super!    Ja, das ist plausibel. Von welchem Transistortyp war das nun? PN4117A von Fairchild oder der 2N4117 im Metallgehäuse oder von einem SMP4117A ?

Nur noch eines: Im Sketch von Silfox steht noch sein Schwellwert von 15V drin. Der optimale Schwellwert könnte bei Dir anders liegen. Im Vergleich zu meinem Sketch muss man auch noch sehen, dass Silfox dadurch, dass er durch 102.3 dividiert, das Ergebnis nicht die Spannung V in Volt angezeigt bekommt, sondern in Vielfachen von 100mV. d.h. sein Schwellwert ist in Wirklichkeit nicht 15V sondern 15*100mV = 1.5V Warum bei ihm der Schwellwert so niedrig ist, weiß ich nicht, aber es ist auf jeden Fall ein sehr sicherer Ansatz, denn der Wert wird ganz sicher erreicht und die while Schleife wird sicher beendet. Was Du aber testhalber mal machen kannst ist, dass Du den Wert von 15 auf 50 änderst (also 5V). Dann siehst Du genau wo Deine Kammer sättigt. Das solltest Du aber möglichst ohne Probe machen und das könnte dann auch eine halbe Stunde und mehr dauern. Der Wert T für dt wird dann auch nie ausgegeben, sondern nur die Werte T für dt, weil die while Schleife mit 5V als Schwellwert nicht enden kann. Aber so siehst Du dann nach einer halben Stunde den maximal möglichen Wert für V und der ändert sich dann auch nicht mehr, wenn er gesättigt ist und stellt somit den oberen Grenzwert dar, höher darf der Schwellwert nicht sein. Mal angenommen das wäre 25.58 (also 2.558V, der Wert ist nur als Beispiel von mir frei erfunden), dann wüsstest Du jetzt, höher kann die Spannung am Source nie gehen und du könntest dann den Schwellwert für Deine eigene Kammer auf 24 setzen (also 2.4V), so dass dann bei Dir im Sketch while (volt < 24) stehen würde. Dieser Schwellwert würde auch sicher erreicht und Du nutzt dann einen etwas größeren Spannungshub als mit dem Wert 15 (1.5V) von silfoxes Kammer.

Als kleinsten Wert sehe ich bei Dir in der zweiten Zeile des Logs "V 8.21", das sind also 0.821Volt. Den kleinsten Wert Deiner eigenen Kammer kennst Du also schon. Und der Wert sieht völlig normal aus.

[opengeiger.de]

Überlegen wie der FET arbeitet:
Das ist ein N-Kanal-Fet.
Das Gate ist also P-Dotiert.

Sehr gut erklärt!

Zur Symmetrie der FETs (aber jetzt nur für Nerds!): Auch bei JFETs hat man gelegentlich am Drain ein Problem mit Heißen Elektronen (Hot Electrons). Unter anderem erzeugt der Hot Electron Effekt mehr Rauschen, das will man nicht. Man implantiert deswegen auch wie bei den MOSFETs drainseitig am Ende des Kanals vor den eigentlichen Drainanschluß eine zusätliche LDD-Pocket (Lightly Doped Drain), welche hohe Feldstärken abfedern soll. Das sieht dann in der Planar-Technologie so aus (hier an einem GaAs JFET):

Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.

(Aus: High-frequency operation of 0.3 {mu}m GaAs JFETs for low-power electronic, https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc686211/)

Deswegen sind auch JFETs manchmal nicht ganz symmetrisch. Man sollte also besser den Drain und Source doch nicht einfach vertauschen.

[DL8BCN]

Das ist der Transistor PN4117 im Plastikgehäuse von BG- Electronics.
Den ich zuerst verdächtigt hatte.
Ich bekomme nun ja auch noch die SMP4117N.
Wird interessant die zu vergleichen.

[DL8BCN]

Hallo noch mal!
Die Spannung in meiner Ionisationskammer läuft nun von 0,80V bis 3,12V.
Ich habe das entsprechen im Sketch angepasst.
Eine Frage noch: Wie kann man die X-Achse vom Serial Plotter skalieren?
Bei mir zählt das im Sekundentakt hoch und ich möchte ja einen längeren Zeitraum angezeigt haben.
Zum Beispiel 500 Sekunden.
Da diese Art der Visualisierung aber nur sehr einfach aufgebaut ist, muss ich wohl warten, bis ich den Datalogger Shield habe und eine bessere Auswertung machen kann.
Aktuell wird der Wert "T" bei mir mit ca. "230" ausgegeben (ohne Uran)
Das sind wohl Sekunden.
Mit einer Uranglasvase neben der Kammer habe ich T 12.
Tastächlich scheint alles zu funktionieren
Die Herausforderung ist dann ja, aus den Ladezyklen einen Radonwert in Bq/m³ abzuleiten.
Für Dosisleistungsmessungen wird diese Art der Ionisationskammer ja sicherlich nicht geeignet sein.

[opengeiger.de]

Tastächlich scheint alles zu funktionieren

Dann darf ich wohl gratulieren!

Also der Serial Plotter ist nur so was für die Schnelle. Ich denke nicht, dass man die x-Achse skalieren kann. Ich würde die Daten mit einem Terminal Programm (z.B. HTerm, o.ä.) loggen, exportieren und dann mit Excel einlesen und die Auswertung und Grafik dort machen.

Und ja richtig, um aus diesem "Detektor" ein Messgerät zu machen, muss man es geeignet kalibrieren. Dazu braucht man ein Referenzgerät mit dem man eine Parallel-Messung machen kann (Du sagtest doch, das Hobby ist teuer     ). Zu diesem Zweck und für den Anwendungsfall Radon habe ich nun einen RadonEye RD200 zusammen mit dem RikamIno in den Eimer gestellt.

Ich habe aber nochmals einen Brocken Flossi rausgenommen, denn der RadonEye hat ja ne Obergrenze von etwa 3000Bq/m^3. Das war gaub ganz gut so, denn nach grob einem Tag zeigt er schon 400Bq/m^3 an. Und man sieht auch beim RadonEye einen schönen Anstieg. Vergleicht man das grob mit dem RikamIno, dann müsste ein Kalibrierwert von etwa 70Bq/m^3 pro Zyklus/h an Empfindlichkeit für den RikamIno rauskommen. Und wie gesagt, T wird bei dem RikamIno-Sketch in Sekunden angezeigt und die Zyklen/h bekommt man indem man 1/T*3600 berechnet. Dann müssten die Zyklen/h so grob proportional zu der Rn-Aktivitätskonzentration in Bq/m^3 sein (konstanter Gleichgewichtsfaktor F angenommen). Ich will jetzt aber noch etwas warten, bis ich ne größere Auswertung mache.

[DL8BCN]

Ich habe ja ein RadonEye RD200 schon einige Zeit im Keller laufen.
Den Messwerten vertraue ich auch.
Nur wegen der Radonmessung hätte ich also kein zweites Messgerät benötigt.
Ich wollte nur immer schon mal eine Ionisationskammer bauen und dein Bauvorschlag ist ja wirklich einfach umzusetzen.
Das Dataloggershield bekomme ich wohl heute schon.
Amazon wird immer schneller👍
Ich habe gesehen, das die bei Mouser bestellten Transistoren aus Texas mit FedEx verschickt werden.
Das wird dann wohl etwas länger dauern.
Tatsächlich war ich mal wieder zu schnell beim bestellen.
Die SMP4117A hätte ich ja nun wohl gar nicht mehr benötigt.
Schadet aber auch nicht ein paar Bauteile in der Bastelkiste zu haben.