Funktionierender Geigerzähler mit minimalen Teilen - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Hier ist meines Wissens der einfachste funktionierende Geigerzähler, den Sie bauen können. Dieser verwendet eine in Russland hergestellte SMB-20-Geiger-Röhre, die von einer Hochspannungs-Aufwärtsschaltung angetrieben wird, die einer elektronischen Fliegenklatsche gestohlen wurde. Es erkennt Betateilchen und Gammastrahlen und gibt bei jedem erkannten radioaktiven Teilchen oder Gammastrahlenausbruch ein Klicken aus. Wie Sie im obigen Video sehen können, klickt es alle paar Sekunden durch Hintergrundstrahlung, wird aber erst richtig lebendig, wenn Strahlungsquellen wie Uranglas, Thorium-Laternenmäntel oder Americium-Knöpfe von Rauchmeldern in die Nähe gebracht werden. Ich habe diesen Zähler gebaut, um radioaktive Elemente zu identifizieren, die ich zum Auffüllen meiner Elementsammlung benötige, und er funktioniert großartig! Der einzige wirkliche Nachteil dieses Zählers besteht darin, dass er nicht sehr laut ist und die Menge der erfassten Strahlung in Zählungen pro Minute nicht berechnet und anzeigt. Das bedeutet, dass Sie keine tatsächlichen Datenpunkte erhalten, sondern nur eine allgemeine Vorstellung von der Radioaktivität basierend auf der Anzahl der Klicks, die Sie hören.

Es gibt zwar verschiedene Geigerzähler-Bausätze im Internet, aber Sie können Ihre eigenen von Grund auf neu bauen, wenn Sie die richtigen Komponenten haben. Lass uns anfangen!

Schritt 1: Geigerzähler und Strahlung: So funktioniert alles

Der Geigerzähler (oder Geiger-Müller-Zähler) ist ein Strahlungsdetektor, der 1928 von Hans Geiger und Walther Müller entwickelt wurde. Heute kennt fast jeder die Klickgeräusche, die er macht, wenn er etwas erkennt, oft als das „Geräusch“von Strahlung. Das Herzstück des Gerätes ist das Geiger-Müller-Rohr, ein Metall- oder Glaszylinder, der mit inerten Gasen unter niedrigem Druck gefüllt ist. Im Inneren der Röhre befinden sich zwei Elektroden, von denen eine auf Hochspannungspotential (normalerweise 400-600 Volt) gehalten wird, während die andere mit Masse verbunden ist. Im Ruhezustand der Röhre kann kein Strom den Spalt zwischen den beiden Elektroden im Inneren der Röhre überspringen, so dass kein Strom fließt. Wenn jedoch ein radioaktives Partikel in die Röhre eindringt, beispielsweise ein Beta-Partikel, ionisiert das Partikel das Gas in der Röhre, macht es leitfähig und lässt für einen kurzen Moment Strom zwischen den Elektroden springen. Dieser kurze Stromfluss löst den Detektorteil des Stromkreises aus, der ein hörbares „Klicken“ausgibt. Mehr Klicks bedeuten mehr Strahlung. Viele Geigerzähler können auch die Anzahl der Klicks zählen und die Anzahl pro Minute oder CPM berechnen und auf einem Zifferblatt oder einer Anzeige anzeigen.

Betrachten wir die Funktionsweise des Geigerzählers anders. Das Hauptprinzip des Geigerzählerbetriebs ist die Geigerröhre und wie sie eine Hochspannung an einer Elektrode aufbaut. Diese Hochspannung ist wie ein steiler, tief verschneiter Berghang, und es braucht nur ein kleines bisschen Strahlungsenergie (ähnlich einem Skifahrer, der den Hang hinunterfährt), um eine Lawine auszulösen. Die resultierende Lawine trägt viel mehr Energie mit sich als das Teilchen selbst, genug Energie, um vom Rest der Geigerzähler-Schaltung erkannt zu werden.

Da es wahrscheinlich schon eine Weile her ist, dass viele von uns in einem Klassenzimmer gesessen und etwas über Strahlung gelernt haben, hier eine kurze Auffrischung.

Materie und die Struktur des Atoms

Alle Materie besteht aus winzigen Teilchen, die Atome genannt werden. Atome selbst bestehen aus noch kleineren Teilchen, nämlich Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen und Neutronen sind im Zentrum des Atoms verklumpt - dieser Teil wird Kern genannt. Elektronen umkreisen den Kern.

Protonen sind positiv geladene Teilchen, Elektronen sind negativ geladen und Neutronen tragen keine Ladung und sind daher neutral, daher ihr Name. Im neutralen Zustand enthält jedes Atom gleich viele Protonen und Elektronen. Da Protonen und Elektronen gleiche, aber entgegengesetzte Ladungen tragen, verleiht dies dem Atom eine neutrale Nettoladung. Wenn jedoch die Anzahl der Protonen und Elektronen in einem Atom nicht gleich ist, wird das Atom zu einem geladenen Teilchen, das als Ion bezeichnet wird. Geigerzähler können ionisierende Strahlung erkennen, eine Strahlungsform, die neutrale Atome in Ionen umwandeln kann. Die drei verschiedenen Arten von ionisierender Strahlung sind Alpha-Teilchen, Beta-Teilchen und Gammastrahlen.

Alpha-Teilchen

Ein Alphateilchen besteht aus zwei miteinander verbundenen Neutronen und zwei Protonen und entspricht dem Kern eines Heliumatoms. Das Teilchen entsteht, wenn es einfach von einem Atomkern abbricht und fliegt. Da es keine negativ geladenen Elektronen hat, um die positive Ladung der beiden Protonen aufzuheben, ist ein Alpha-Teilchen ein positiv geladenes Teilchen, das als Ion bezeichnet wird. Alpha-Teilchen sind eine Form ionisierender Strahlung, weil sie die Fähigkeit besitzen, Elektronen aus ihrer Umgebung zu stehlen und dabei die Atome, denen sie entwendet haben, selbst in Ionen umzuwandeln. In hohen Dosen kann dies zu Zellschäden führen. Alphateilchen, die durch radioaktiven Zerfall erzeugt werden, bewegen sich langsam, sind relativ groß und können aufgrund ihrer Ladung andere Dinge nicht leicht passieren. Das Teilchen nimmt schließlich einige Elektronen aus der Umgebung auf und wird so zu einem legitimen Heliumatom. Auf diese Weise wird fast das gesamte Helium der Erde produziert.

Beta-Partikel

Ein Betateilchen ist entweder ein Elektron oder ein Positron. Ein Positron ist wie ein Elektron, aber es trägt eine positive Ladung. Beta-Minus-Teilchen (Elektronen) werden emittiert, wenn ein Neutron in ein Proton zerfällt, und Beta-Plus-Teilchen (Positronen) werden emittiert, wenn ein Proton in ein Neutron zerfällt.

Gamma Strahlen

Gammastrahlen sind hochenergetische Photonen. Gammastrahlen befinden sich im elektromagnetischen Spektrum, jenseits von sichtbarem Licht und ultraviolettem Licht. Sie haben eine hohe Durchschlagskraft und ihre Fähigkeit zur Ionisierung kommt daher, dass sie Elektronen von einem Atom abschlagen können.

Die SMB-20-Röhre, die wir für diesen Build verwenden werden, ist eine gängige in Russland hergestellte Röhre. Es hat eine dünne Metallhaut, die als negative Elektrode fungiert, während ein längs durch die Mitte des Rohres verlaufender Metalldraht als positive Elektrode dient. Damit die Röhre einen radioaktiven Partikel oder Gammastrahl erkennen kann, muss dieser Partikel oder Strahl zuerst die dünne Metallhaut der Röhre durchdringen. Alpha-Teilchen sind dazu in der Regel nicht in der Lage, da sie meist von den Rohrwänden aufgehalten werden. Andere Geiger-Röhren, die diese Partikel nachweisen sollen, haben oft ein spezielles Fenster, das sogenannte Alpha-Fenster, das es diesen Partikeln ermöglicht, in die Röhre einzudringen. Das Fenster besteht normalerweise aus einer sehr dünnen Glimmerschicht, und die Geigerröhre muss sehr nahe an der Alpha-Quelle sein, um die Partikel aufzunehmen, bevor sie von der umgebenden Luft absorbiert werden. *seufz* Das ist genug über Strahlung, lass uns das Ding bauen.

Schritt 2: Sammeln Sie Ihre Werkzeuge und Materialien

Vorräte werden gebraucht:

• SMB-20 Geiger Tube (erhältlich für ca. 20 USD bei eBay)
• Hochspannungs-DC-Aufwärtsschaltung, einer billigen elektronischen Fliegenklatsche geraubt. Dies ist das spezifische Modell, das ich verwendet habe:
• Zener-Dioden mit einem kombinierten Gesamtwert von etwa 400 V (vier 100 V wären ideal)
• Widerstände mit einem kombinierten Gesamtwert von 5 Megaohm (ich habe fünf 1 Megaohm verwendet)
• Transistor - NPN-Typ, ich habe 2SC975. verwendet
• Piezo-Lautsprecherelement (aus einer Mikrowelle oder einem lauten elektronischen Spielzeug gestohlen)
• 1 x AA-Batterie
• AA-Batteriehalter
• Ein-/Ausschalter (ich habe den SPST-Kurzschalter aus der elektronischen Fliegenklatsche verwendet)
• Schrott von Elektrokabeln
• Stück Altholz, Kunststoff oder anderes nichtleitendes Material, das als Substrat zum Aufbau der Schaltung verwendet wird

Werkzeuge, die ich verwendet habe:

• Lötkolben "Bleistift"
• Kolophoniumkernlot mit kleinem Durchmesser für elektrische Zwecke
• Heißklebepistole mit passenden Klebestiften
• Kabelschneider
• Abisolierzangen
• Schraubendreher (zum Zerlegen der elektronischen Fliegenklatsche)

Während diese Schaltung um eine SMB-20-Röhre herum aufgebaut ist, die Betateilchen und Gammastrahlen erkennen kann, kann sie leicht an eine Vielzahl von Röhren angepasst werden. Überprüfen Sie einfach den jeweiligen Betriebsspannungsbereich und andere Spezifikationen Ihrer jeweiligen Röhre und passen Sie die Werte der Komponenten entsprechend an. Größere Röhren sind empfindlicher als kleinere, einfach weil sie größere Angriffsziele für die Partikel darstellen.

Geigerröhren benötigen hohe Spannungen, um zu funktionieren, daher verwenden wir die DC-Aufwärtsschaltung einer elektronischen Fliegenklatsche, um die 1,5 Volt von der Batterie auf etwa 600 Volt zu erhöhen (ursprünglich lief die Fliegenklatsche 3 Volt ab und gab etwa 1200 V aus) um Fliegen zu zappen. Betreibe es mit höheren Spannungen und du hättest einen Taser). Der SMB-20 wird gerne mit 400 V betrieben, daher verwenden wir Zenerdioden, um die Spannung auf diesen Wert zu regulieren. Ich verwende dreizehn 33-V-Zener, aber andere Kombinationen würden genauso gut funktionieren, wie 4 x 100-V-Zener, solange die Summe der Werte der Zener der Zielspannung entspricht, in diesem Fall 400.

Die Widerstände werden verwendet, um den Strom zur Röhre zu begrenzen. Der SMB-20 mag einen Anodenwiderstand (positive Seite) von etwa 5 M Ohm, daher verwende ich fünf 1 M Ohm-Widerstände. Jede Kombination von Widerständen kann verwendet werden, solange ihre Werte sich auf etwa 5 M Ohm summieren.

Das Piezo-Lautsprecherelement und der Transistor bilden den Detektorteil der Schaltung. Das Piezo-Lautsprecherelement gibt die Klickgeräusche ab und die langen Drähte daran ermöglichen es Ihnen, es näher an Ihrem Ohr zu halten. Ich hatte Glück, sie vor Dingen wie Mikrowellen, Weckern und anderen Dingen zu retten, die nervige Piepgeräusche machen. Der, den ich gefunden habe, hat ein schönes Plastikgehäuse, das hilft, den von ihm kommenden Klang zu verstärken.

Der Transistor verstärkt die Lautstärke der Klicks. Sie können die Schaltung ohne Transistor aufbauen, aber die Klicks, die die Schaltung erzeugt, sind nicht so laut (damit meine ich kaum hörbar). Ich habe einen 2SC975-Transistor (NPN-Typ) verwendet, aber viele andere Transistoren würden wahrscheinlich funktionieren. Der 2SC975 war buchstäblich nur der erste Transistor, den ich aus meinem Stapel geborgener Komponenten gezogen habe.

Im nächsten Schritt machen wir einen Tear-Down an der elektrischen Fliegenklatsche. Keine Sorge, es ist einfach.

Schritt 3: Zerlegen Sie die Fliegenklatsche

Elektronische Fliegenklatschen können sich in der Konstruktion geringfügig unterscheiden, aber da wir nur nach der Elektronik im Inneren suchen, reißen Sie sie einfach auseinander und ziehen Sie die Eingeweide heraus, lol. Die Klatsche in den obigen Bildern unterscheidet sich tatsächlich etwas von der, die ich in die Theke eingebaut habe, da der Hersteller das Design anscheinend geändert hat.

Beginnen Sie damit, alle sichtbaren Schrauben oder andere Befestigungselemente zu entfernen, die es zusammenhalten, und halten Sie Ausschau nach Aufklebern oder Dingen wie der Batterieabdeckung, die zusätzliche Befestigungselemente verbergen könnten. Wenn sich das Ding immer noch nicht öffnet, kann es erforderlich sein, mit einem Schraubendreher entlang der Nähte im Kunststoffkörper der Klatsche zu hebeln.

Sobald Sie es geöffnet haben, müssen Sie einen Drahtschneider verwenden, um die Drähte am Maschengitter des Fliegenzappers abzuschneiden. Zwei schwarze Drähte (manchmal auch andere Farben) stammen von derselben Stelle auf der Platine, die jeweils zu einem der äußeren Gitter führen. Dies sind die negativen oder "Masse" -Drähte für den Hochspannungsausgang. Da diese Drähte von der gleichen Stelle auf der Platine kommen und wir nur einen brauchen, schneiden Sie einen an der Platine ab und legen Sie den Schrottdraht für die spätere Verwendung beiseite.

Es sollte ein rotes Kabel zum inneren Gitter führen, und dies ist der positive Hochspannungsausgang.

Die anderen Drähte, die von der Platine kommen, gehen zum Batteriekasten, und der mit der Feder am Ende ist der negative Anschluss. Ziemlich einfach.

Wenn Sie den Kopf der Klatsche zerlegen, vielleicht um die Einzelteile zum Recycling zu trennen, achten Sie auf mögliche scharfe Kanten am Metallgitter.

Schritt 4: Konstruieren Sie die Schaltung und verwenden Sie sie

Sobald Sie Ihre Komponenten haben, müssen Sie sie zusammenlöten, um die im Diagramm gezeigte Schaltung zu bilden. Ich klebte alles auf ein Stück durchsichtigen Kunststoff, den ich herumgelegt hatte. Dies sorgt für eine robuste und zuverlässige Schaltung und sieht auch ziemlich gut aus. Es besteht eine kleine Chance, dass Sie sich durch das Berühren von Teilen dieses Stromkreises, während er eingeschaltet ist, wie der Anschluss am Piezo-Lautsprecher, einen kleinen Schlag geben könnten, aber Sie können die Anschlüsse einfach mit Heißkleber abdecken, wenn ein Problem auftritt.

Als ich endlich alle Komponenten hatte, die ich zum Bau der Schaltung brauchte, warf ich sie an einem Nachmittag zusammen. Abhängig von den Werten der Komponenten, die Sie haben, können Sie am Ende weniger Komponenten verwenden als ich. Sie könnten auch ein kleineres Geigerrohr verwenden und den Zähler sehr kompakt machen. Geigerzähler-Armbanduhr, irgendjemand?

Jetzt fragen Sie sich vielleicht, wozu brauche ich einen Geigerzähler, wenn ich nichts Radioaktives habe, auf das ich ihn richten könnte? Der Zähler klickt alle paar Sekunden nur aufgrund der Hintergrundstrahlung, die aus kosmischer Strahlung und dergleichen besteht. Es gibt jedoch einige Strahlungsquellen, die Sie finden können, um Ihren Zähler zu verwenden:

Americium aus Rauchmeldern

Americium ist ein künstlich hergestelltes (nicht natürlich vorkommendes) Element und wird in Rauchmeldern vom Ionisationstyp verwendet. Diese Rauchmelder sind sehr verbreitet und Sie haben wahrscheinlich einige in Ihrem Haus. Es ist eigentlich ganz einfach zu sagen, ob Sie das tun, denn sie alle haben die Worte enthält die radioaktive Substanz Am 241 in den Kunststoff eingegossen. Das Americium in Form von Americiumdioxid ist auf einem kleinen Metallknopf im Inneren plattiert, der in einem kleinen Gehäuse, der sogenannten Ionisationskammer, montiert ist. Das Americium wird normalerweise mit einer dünnen Schicht aus Gold oder einem anderen korrosionsbeständigen Metall überzogen. Sie können den Rauchmelder öffnen und den kleinen Knopf herausnehmen – es ist normalerweise nicht sehr schwer.

Warum Strahlung in einem Rauchmelder?

In der Ionisationskammer des Detektors sitzen sich zwei Metallplatten gegenüber. An einer davon ist der Americium-Knopf angebracht, der einen konstanten Strom von Alphateilchen aussendet, die einen kleinen Luftspalt durchqueren und dann von der anderen Platte absorbiert werden. Die Luft zwischen den beiden Platten wird ionisiert und ist daher etwas leitfähig. Dadurch kann ein kleiner Strom zwischen den Platten fließen, und dieser Strom kann von der Schaltung des Rauchmelders erfasst werden. Wenn Rauchpartikel in die Kammer eindringen, absorbieren sie die Alpha-Partikel und unterbrechen den Stromkreis, wodurch der Alarm ausgelöst wird.

Ja, aber ist es gefährlich?

Die emittierte Strahlung ist relativ harmlos, aber zur Sicherheit empfehle ich Folgendes:

• Bewahren Sie den Americium-Button an einem sicheren Ort außerhalb der Reichweite von Kindern auf, vorzugsweise in einem kindersicheren Behälter
• Berühren Sie niemals die Vorderseite des Knopfes, auf dem das Americium plattiert ist. Wenn Sie versehentlich die Vorderseite der Taste berühren, waschen Sie Ihre Hände

Uranglas

Uran wurde in Oxidform als Zusatz zu Glas verwendet. Die typischste Farbe von Uranglas ist ein kränkliches blasses Gelbgrün, was in den 1920er Jahren zu dem Spitznamen „Vaseline-Glas“führte (basierend auf einer wahrgenommenen Ähnlichkeit mit dem Aussehen von Vaseline, wie es damals formuliert und kommerziell verkauft wurde). Sie werden es auf Flohmärkten und Antiquitätenläden als "Vaseline-Glas" sehen, und Sie können normalerweise nach diesem Namen fragen. Der Urangehalt im Glas variiert von Spuren bis zu etwa 2 Gew.-%, obwohl einige Stücke des 20. Jahrhunderts mit bis zu 25 % Uran hergestellt wurden! Das meiste Uranglas ist nur sehr schwach radioaktiv, und ich halte es für nicht gefährlich, es zu handhaben.

Sie können den Urangehalt des Glases mit Schwarzlicht (ultraviolettes Licht) überprüfen, da alle Urangläser unabhängig von der Farbe des Glases unter normalem Licht (die stark variieren kann) hellgrün fluoresziert. Je heller ein Stück unter ultraviolettem Licht leuchtet, desto mehr Uran enthält es. Während Uranglasstücke unter ultraviolettem Licht leuchten, geben sie auch unter jeder Lichtquelle, die ultraviolettes Licht enthält (wie Sonnenlicht), eigenes Licht ab. Die hochenergetischen ultravioletten Wellenlängen des Lichts treffen auf die Uranatome und drücken ihre Elektronen auf ein höheres Energieniveau. Wenn die Uranatome zu ihrem normalen Energieniveau zurückkehren, emittieren sie Licht im sichtbaren Spektrum.

Warum Uran?

Die Entdeckung und Isolierung von Radium in Uranerz (Pitchblende) durch Marie Curie löste die Entwicklung des Uranbergbaus zur Gewinnung des Radiums aus, das zur Herstellung von im Dunkeln leuchtenden Farben für Uhren- und Flugzeugzifferblätter verwendet wurde. Dabei blieb eine ungeheure Menge Uran als Abfallprodukt zurück, denn für die Gewinnung von einem Gramm Radium werden drei Tonnen Uran benötigt.

Thorium Campinglaternenmäntel

Thorium wird in Form von Thoriumdioxid in Campinglaternenmänteln verwendet. Beim ersten Erhitzen verbrennt der Polyesterteil des Mantels, während das Thoriumdioxid (zusammen mit anderen Inhaltsstoffen) die Form des Mantels behält, aber beim Erhitzen zu einer Art Keramik wird, die glüht. Thorium wird für diese Anwendung nicht mehr verwendet, wurde Mitte der 90er Jahre von den meisten Unternehmen eingestellt und durch andere nicht radioaktive Elemente ersetzt. Thorium wurde verwendet, weil es Mäntel sehr hell leuchten lässt und diese Helligkeit nicht ganz von den neueren, nicht radioaktiven Mänteln erreicht wird. Woher wissen Sie, ob der Mantel, den Sie haben, wirklich radioaktiv ist? Hier kommt der Geigerzähler ins Spiel. Die Mäntel, auf die ich gestoßen bin, machen den Geigerzähler verrückt, viel mehr als Uranglas oder Americiumknöpfe. Es ist nicht so sehr, dass Thorium radioaktiver ist als Uran oder Americium, aber es gibt viel mehr radioaktives Material in einem Laternenmantel als in diesen anderen Quellen. Deshalb ist es wirklich seltsam, in einem Konsumprodukt auf so viel Strahlung zu stoßen. Die gleichen Sicherheitsvorkehrungen, die für die Americium-Knöpfe gelten, gelten auch für die Laternenmäntel.

Vielen Dank fürs Lesen, jeder! Wenn Sie dieses instructable mögen, nehme ich es in den Wettbewerb "ein Werkzeug bauen" ein und würde Ihre Stimme wirklich schätzen! Ich würde mich auch freuen, von Ihnen zu hören, wenn Sie Kommentare oder Fragen haben (oder sogar Tipps/Anregungen/konstruktive Kritik), also haben Sie keine Angst, diese unten zu hinterlassen.

Besonderer Dank geht an meine Freundin Lucca Rodriguez für die Erstellung des schönen Schaltplans für dieses anweisbare.