Eigenbau mit SBT-10A und Ortsauflösung (wenn's denn funktioniert...)

[Turbo-Tom]

Hier ist er also nun, mein Selbstbau-Geigerzähler auf Basis eines SBT-10A. Zumindest vorerst mal die Hardware... 

Da dieses Zählrohr intern als zehn, parallel angeordnete einzelne "Zählkammern" aufgebaut ist, deren Anoden alle separat herausgeführt sind, dachte ich mir, man müsste damit doch mehr anstellen können, als sie einfach parallel zu schalten und so ein großes, hochempfindliches Fensterzählrohr zu erhalten.

Also habe ich etwas gerechnet und konstruiert und was heraus kam, ist ein Gerät, das die zehn Anoden kapazitiv über zehn Komparatorkanäle auswertet, miteinander "oder"-verknüpft an einen Lautsprecher sowie einen Summenzähler weiterleitet (ausgeführt in einem Microcontroller) sowie parallel über zehn Impulsdehnungsstufen und zehn Leuchtdioden eine eindimensionale Ortsauflösung bietet. So lässt ich z.B. nachweisen, ob eine Quelle (vornehmlich Alpha- oder Betastrahler) eher ausgedehnt ist oder aber sehr klein und konzentriert. Zudem dürfte sich die Suche nach "schmutzigen" Partikeln damit vereinfachen.

Das Gerät basiert neben dem genannten Zählrohr auf einem PIC18F252 (ich weiss, schon älter, aber davon liegen halt noch massenweise in der Schublade...und ich benutze die gerne), der praktisch alles macht, einem achtstelligen 7*5 LED-Display, einem ESP-07S zur Kommunikation per WiFi und einem ganzen Haufen "Gedöns" zur Stromversorgung, Akkuladung und -Überwachung usw. Versorgt werden soll das Ding über eine LiIon-Zelle. Zum Laden oder zur stationären Versorgung dient ein USB-Anschluss (keine Kommunikations-Funktionalität).

Elektrisch "lebt" soweit schon mal alles (...was ich überprüfen konnte...), jetzt geht's Schritt für Schritt ans Programmieren. Ich werde von den Fortschritten berichten. Jetzt erst mal ein PDF des Schaltplans und ein paar Fotos des "Delinquenten"...  Vielleicht bekommt ja jemand Lust, sich auch so ein Teil zu bauen!

[DG0MG]

  Wow, das sieht aber ziemlich professionell aus! 

Die Idee einer Ortsauflösung ist mal echt was Neues.
Und ganz ohne Arduino 

[Henri]

Das ist ja ein tolles Teil geworden!!!


Ich habe auch noch ein SBT10A rumliegen und wollte damit eine rudimentäre Energieauflösung erreichen. Vor das Fenster wird eine Abschirmung gesetzt, alle 2 Zähldrähte wird diese dicker. Wenn man ein homogenes Strahlenfeld hat, kann man aus der Abschwächung die durchschnittliche Energie der Betastrahlen errechnen und unter gewissen Voraussetzungen Rückschlüsse auf das Nuklid ziehen.

Ne weitere nette Spielerei wäre, das Zählrohr abzuschirmen und einen Magneten in den Strahlengang zu bringen. Die Betateilchen werden durch den Magneten in Richtung Zählrohr abgelenkt, und der Grad der Ablenkung lässt dann Rückschlüsse auf die Teilchenenergie zu.

Die dritte Spielerei wäre, mindestens zwei dieser Zählrohre um 90° verdreht in etwas Abstand übereinanderzumontieren. Dann hätte man einen Detektor mit 2-dimensionaler Ortsauflösung und könnte damit z.B. die Flugbahn kosmischer Myonen visualisieren.

Ich mag das SBT-10, auch weil es bei vergleichbarer Empfindlichkeit wie das SI8B platzsparender in Gehäuse eingebaut werden kann.

[Turbo-Tom]

Vielen Dank für Eure anerkennenden Worte! Da zu meinen (u.a. auch gewerblichen) Beschäftigungen auch die Entwicklung von industrieller Elektronik sowie Mess- und Regeltechnik gehört(e), bin ich natürlich nicht ganz "unbeleckt" an die Sache herangegangen. Die letzten paar Tage habe ich dann reichlich Zeit mit Programmieren verbracht, muss nun aber leider mit einer Enttäuschung aufwarten:

Es sieht so aus, als ob der SBT-10A (zumindest mein Exemplar, vielleicht verhält sich das bei anderen besser...) immer vollständig durchzündet, d.h., egal, wo das ionisierende Teilchen auftrifft, zünden in Folge alle GM-Segmente fast gleichzeitig (innerhalb etwa 1µs). Das ist auch bei Dunkelheit durch das Glimmerfenster an der diffusen, auf die ganze Fläche verteilten Leuchterscheinung zu erkennen. Es handelt sich also (leider) nicht um ein "Übersprechen" zwischen meinen Komparatoren.

Bei meinen ursprünglichen Tests mit einer schwachen 241Am Quelle (aus einem Rauchmelder) hatte ich nur jeweils eine Anode "bestromt", und dann war eine deutliche Konzentration der Leuchterscheinung auf die Umgebung der Quelle zu erkennen. Vielleicht experimentiere ich mal demnächst mit dem Erden jeder zweiten Anode, sozusagen als Abschirmung zwischen den aktiven Elementen. Dieses Verhalten der Röhre würde aber auch erklären, warum sie in den Original-Anwendungen immer mehr oder weniger mit parallel geschalteten Anoden betrieben wurde.

Ansonsten funktioniert die Schaltung recht gut. Ein paar kleine Optimierungen sind natürlich immer "drin", und die Programmierung steht auch noch ganz am Anfang. Mir ging es erst mal darum, die grundlegenden Funktionen zu implementieren und zu testen, so da wären der Spannungswandler mit dem Microcontroller als Regelkreis (macht super-stabile 400V, sehr schön...), das HCMS-2912 LED-Display (...ich musste ja unbedingt so eins haben...), das "pixelweise" angesteuert werden muss, und für das ich erst einen Character Generator schreiben musste (okay, das Web hat das für mich etwas vereinfacht), und das ESP-7S WiFi-Modul, über das ich den Bootloader für den PIC bis heute nicht zum Laufen bekommen habe, obwohl die "einfache" Kommunikation darüber einwandfrei tut -- vorerst muss dafür nun das ICSP-Interface herhalten...

Es gibt also noch jede Menge Arbeit an der Kiste, aber dass die Ortsauflösung nicht funktioniert, demotiviert natürlich schon ein bisschen.

Diese Info ist vielleicht auch für Henri interessant, denn das betrifft ja nicht nur mein Konzept. Im Zweifelsfall sind daher wohl Arrays von individuellen GMZs die bessere (d.h. funktionierende...) Wahl, insbesondere wenn es um die Bestimmung von Trajektorien der Myonen geht (eine bzw. zwei Matrizen von je achtzehn SI22G Zählrohren wären super...).

Aber ich werde dennoch Stück für Stück an meinem Gerät weiterarbeiten, trotz allem wird das ein schöner, wirklich Empfindlicher universal-GMZ werden.

[Henri]

Wahrscheinlich ne ganz blöde Frage, da du sicherlich dran gedacht hast, aber... wo hast Du denn Deine Anodenwiderstände positioniert und wie groß sind die?
Jeder Zähldraht braucht ja seinen eigenen Anodenwiderstand. Bei mir sind es jeweils 6,2M direkt an jedem Anschlusspin, damit bin ich bei 75µs Totzeit (bei größerem Widerstand steigt die sehr deutlich an). Und Du hast nicht zufällig bei der Hochspannung (+) und (-) vertauscht? Oder eine zu hohe Betriebsspannung (sind ja nur 380V)?

Bei meinem SBT10A sehe ich es auch nur dort im Dunklen glimmen, wo sich der Strahler befindet. Da zündet nicht alles komplett durch. Allerdings sind die Röhren ja nun auch schon etwas älter und vielleicht hast Du ein "schlechtes" Exemplar erwischt.

Kann natürlich sein, dass sehr kleine Impulse auch an den anderen Drähten entstehen, wenn sich dorthin ein paar Ionen verirren. Aber das sollte sich ja elektronisch mit der Diskriminatorschwelle beheben lassen.

Ich bin jedenfalls sehr gespnnt, wie es bei Deinem Projekt weitergeht.

[Henri]

Mmmh hätte noch mal genauer schauen und lesen sollen, bevor ich hier ein Posting raushaue. Du hast ja an Deiner schicken Sockelplatine pro Anode je 5,6M verbaut. Und die 400V hast Du ja auch (sicherlich mit einem sehr hochohmigen Spannungsteiler) gemessen.

Na ja, ist ja halt auch ein Zählrohr nach Geiger-Müller-Prinzip, kein Proportionalzählrohr. Ich war eigentlich davon ausgegangen, dass die Kathoden"halbschalen" die Stoßionisation räumlich begrenzen. Aber vielleicht ist das gar nicht so. Die vielen Anodendrähte gibt es sicherlich, damit das Fenster an allen Stellen die gleiche Empfindlichkeit aufweist, es handelt sich ja um einen Kontaminationsmonitor.

Was mache ich jetzt bloß mit meinem schönen SBT10A? Das wirft ein paar Pläne durcheinander...

[Turbo-Tom]

Danke, Henri, für die Anregungen und Überlegungen. Ich habe mir heute auch so einige Gedanken gemacht, und es scheint sich nun eine Lösung abzuzeichnen:

Zum Aufbau: Ich habe mich am Datenblatt zu dem Zählrohr orientiert, und wie Du schon sagtest, je Anode einen Widerstand von 5,6M praktisch direkt am Pin verbaut. Die Auskopplung erfolgt kapazitiv über Kondensatoren, die durch gegenüberliegende "Kreispads" auf der Platine ausgeführt sind. Die Kapazität liegt bei rund 2pF, also nicht der Rede wert. Die Spannung liegt ziemlich genau bei 400V (vor den Widerständen) und zeigt sich reichlich unbeeindruckt von Belastungsänderungen.

Zuerst fiel mir auf, dass eine der Zellen ganz am Rand sich tatsächlich auch alleine triggern lässt. Da diese Zelle auch elektrisch (in meinem Layout) etwas größere Abstände zu den anderen hat, bin ich zunächst von einer kapazitiven Kopplung der Anoden ausgegangen. Also habe ich den ganzen "Quatsch" im Sockelbereich mit Schrumpfschlauch und Kupferfolie voneinander abgeschirmt. Ohne Erfolg.

Dann habe ich mit meiner Alpha-Quelle heute Abend bei Dunkelheit die ganze Sache nochmal "beguckt" -- gut, dass man die Entladungen durch das Fenster beobachten kann -- und dabei einige interessante Beobachtungen machen können. Leider kann ich das aufgrund der geringen Lichtintensität nicht vernünftig fotografieren oder filmen, aber ich versuch's mal zu beschreiben: Wenn ich die Quelle etwa in der Mitte (in Längsrichtung der Zellen) annähere, dann sieht man primär eine Entladung direkt dort, wo man sie erwarten würde. Aber bei allen anderen Zellen findet eine "diffuse" Entladung im Bereich der beiden Glimmerplatten statt, die die Anodenstäbe fixieren. Verschiebe ich nun die Quelle in Längsrichtung, so verstärkt sich auch die diffuse Entladung der nicht "bestrahlten" Zellen zu der Glimmerplatte hin, die näher an meiner Quelle ist. Das geht so weit, dass keinerlei Enladung an der entfernteren Glimmerplatte mehr zu beobachten ist. Das kann ich mir nur damit erklären, dass die Anodenstäbe nicht aus Metall sind, sondern aus irgendeinem hochohmigen Material bestehen.

Nachdem dies also alles relativ erfolglos war, habe ich mal die Hochspannung extern versorgt (so dass ich sie über einen weiteren Bereich einstellen konnte). Und siehe da, es gibt einen (leider relativ engen) Spannungsbreeich, in dem das SBT-10A nicht mehr "durchzündet". Wahrscheinlich arbeitet das Zählrohr hier noch nahe am proportionalen Bereich. So zwischen 310 und 320V scheint das System so zu arbeiten, wie ich es mir vorstelle. Meine Komparatoren sind mehr als empfindlich genug, um die Impulse noch detektieren zu können. Zudem kann ich die Referenz der Komparatoren per Programm konfigurieren. Die Gesamtempfindlichkeit scheint auf jeden Fall nicht nennenswert unter der verringerten Spannung zu leiden (so weit ich das bis jetzt beurteilen konnte).

Also werde ich mir als nächstes einen Satz Z-Dioden besorgen, um einen möglichst großen Spannungsbereich abdecken zu können. Dann ist wieder Experimentieren und programmieren angesagt... 

Ich bin wieder zuversichtlich und halte Euch auf dem laufenden.

[DG0MG]

Die Spannung liegt ziemlich genau bei 400V (vor den Widerständen) und zeigt sich reichlich unbeeindruckt von Belastungsänderungen.

Das ist wahrscheinlich zuviel. Datenblatt des SBT-10A:

• https://www.gstube.com/data/4001/

Gleich der erste Parameter:

напржение начала счета, в      |  не менее 260V       |  не более 320V
Spannung beginne zu zählen, V  |  nicht kleiner 260V  |  nicht größer 320V

Damit dürfte die Plateaumitte bei 290 Volt liegen.

[Turbo-Tom]

Danke für den Hinweis. Die Spannungsangabe bezieht sich allerdings auf den Beginn des Plateaus. Andere Datenblätter zur SBT-10 / SBT-10A, die ich (teilweise als Foto) im Web gefunden habe, nennen einen Betriebsspannungsbereich (диапазо́н рабочих напряжений) von 320 ~ 450 V, so dass ich hier eigentlich mit meinen knapp 400V "goldrichtig" liegen müsste. Aber wenn das Zählrohr, am Anfang des Plateaus betrieben, so funktioniert, wie ich es mir wünsche, soll es mir Recht sein... 

[DG0MG]

ja, Du hast recht. In Deinem Datenblatt gibts zusätzlich noch die Angabe

диапазон рабочих напряжений | Betriebsspannungsbereich 320 -- 390 -- 450 V

Das steht in dem Scan auf GSTUBE gar nicht drin.

[Turbo-Tom]

Nach einigem Kampf mit dem Bootloader, der über das ESP8266-Modul per WiFi nutzbar sein sollte, ein paar kleinen Hardware-Modifikationen und einigen guten und teilweise auch weniger guten Ideen  , bin ich nun an einem Punkt angelangt, dass ich sagen kann, dass die Kiste weitgehend so funzt, wie ich mir das gewünscht habe. Die Programmierung, Menüführung, und auch das Computerinterface über das WiFi-Modul werden noch eine respektable Fleißaufgabe sein, aber da wird es keine unüberwindlichen Hindernisse mehr geben.

Ich habe Euch ein kurzes Video von der Funktion soweit hochgeladen.

[NoLi]

Super Idee!
So was habe ich bei kommerziellen Kontaminationsmessgeräten noch nicht gesehen. Das müsste eigentlich auch mit Proportionaldetektoren funktionieren, wenn der Detektoraufbau (Zähdrahtverspannung) analog dem SBT-10A angeglichen wird.
Hast Du dir dieser Verfahren schützen lassen?

Eine Ortsauflösung bei Kontaminationsmessungen müsste auch bei gaslosen Detektoren funktionieren, wenn man einen "Teppich" aus Photodioden verwenden würde. Zumindest für Beta-/Gamma-Strahlung.

Gruß
Norbert

[Turbo-Tom]

Durch die größere Reichweite und Durchdringungsfähigkeit der Gammastrahlen wird hier eine klare Lokalisierung der Quellen schwieriger sein. Ich habe mit einer orangenen WIG-Elektrode (4% Thorium) mit meiner "Messkiste" gespielt, und hier war so gut wie kein ortsabhängiges Ansprechen der Zählersegmente festzustellen. Wahrscheinlich ist dafür die Ausdehnung des Sensors einfach zu klein. Ein Array größerer GMZ-Rohre oder anderer Detektoren dürfte hier besser funktionieren. Aber für Alpha- und wahrscheinlich auch Betastrahler funktioniert die Lokalisierung mit der SBT-10A (wie gezeigt) ziemlich gut.

Ich habe mir zu dem Konzept nichts schützen lassen, das ist bei solchen relativ trivialen Ideen meiner Meinung nach vergeudete Zeit und auch Geld. Und selbst dann, wenn man wirklich ein interessantes Konzept erarbeitet hat, das möglicherweise geschützt werden und auch für andere nützlich sein könnte, hat man, wenn es tatsächlich zu einem Rechtsstreit käme, gegenüber größeren Firmen, einfach aufgrund der finanziellen Möglichkeiten und der involvierten Rechtsabteilungen (...), kaum eine Chance. Daher veröffentliche ich sowas lieber, dann kann es auch kein anderer mehr schützen ("prior art")...   

Viele Grüße,
Thomas

[Henri]

Genial!! Dass es geklappt hat mit der Ortsauflösung, und auch Dein Algorithmus!

Ich habe mein selbstgebautes SBT10A-Gerät so programmiert, dass es jeweils nach 100 gezählten Impulsen seinen Anzeigewert aktualisiert. Das ist super, wenn die Strahlung plötzlich ansteigt, aber wenn sie wieder abfällt, wird natürlich viel zu lange der zu hohe Wert angezeigt. Dann einfach noch mal einen Kurzzeitwert getrennt zu betrachten und ggf. mit dem Zählen neu anzufangen ist ne tolle Lösung.

Und ich mag Dein Display! Hatte mal einen Taschenrechner, bei dem hat es grün gefunkelt. Ich ärger mich immer noch, dass ich den irgendwann mal entsorgt habe.

Viele Grüße!

Henri

[Turbo-Tom]

Mein Algorithmus funktioniert folgendermaßen:

Ich summiere immer über eine Sekunde und bilde zwei gleitende Mittelwerte, einen über eine Minute (der dann ziemlich genau ist und wenig fluktuiert, aber eben auch nur recht träge reagiert) und einen weiteren über sechs Sekunden. Beim Start nutze ich den sechs-Sekunden-Mittelwert, sobald er sechs Ergebnisse aufsummiert hat, multipliziert mit zehn, um den 60-Sekunden-Mittelwert zu "seeden", so dass dieser eben nach den sechs Sekunden schon ziemlich stabil ist. Während der Messung bilde ich kontinuierlich den Quotienten aus dem 60 s und 6 s - Mittelwert. Wenn dieser Quotient nicht zwischen 5 und 20 liegt (was einer Verdopplung oder Halbierung des Messergebnisses entspricht -- logisch  ), wird der sechs-Sekunden Mittelwert neu gestartet und dann nach sechs Sekunden wie beim "Kaltstart" der 60-Sekunden Mittelwert neu "geseeded". Bis dahin läuft letzterer aber normal weiter, so dass sich, falls es sich nur um eine kurzzeitige Fluktuation handelt, keine wirkliche Unstetigkeit ergibt. Das Egebnis hatte ich ja demonstriert. Ich war selbst erstaunt, wie gut das funktioniert.