RikamIno - Radon-Ionisationskammer Break-Out für den Arduino

[opengeiger.de]

Was ich hier vorstellen will, ist eine äußerst kostengünstige Ionisationskammer mit erstaunlicher Empfindlichkeit, mit der man im wenige Minutentakt sehr einfach Radonmessungen machen kann  . Die Idee stammt aus einem Papier aus der Zeitschrift Sensors, zur IoT-basierten Erdbeben-Früherkennung anhand des im Vorfeld freigesetzten Radon und ist an Einfachheit kaum zu überbieten. Ich habe die Idee mal als Break-Out für den Arduino implementiert und habe sie deswegen "RikamIno" getauft. Geht natürlich auch für andere vergleichbare Mikrocontroller. Im Anhang eine preliminary Aufbau-Anleitung meines Prototypen mit detaillierter Funktionsbeschreibung (als pdf, da zu lang für einen direkten Post) und einige Bilder dazu.

@silfox: Wäre sowas geeignet z.B. für das Radonorm Citizen Science Projekt? 

Weitere Kommentare? 

[DG0MG]

Ein ähnliches Messprinzip verwendet die "PicAXE Ionization Chamber" von Charles Wenzel:

• https://techlib.com/science/picaxeionchamber.htm

Sein Artikel ist vielleicht auch wegen der konstruktiven Tips zur Isolation der Mittenlektrode interessant. Als Spannungsquelle nutzt er eine Säule von in Reihe geschaltenen Knopfzellen. Allerdings wartet er nicht die komplette Zeit, bis der obere Spannungsschwellwert erreicht ist (while (volt < 3.0)), sondern misst die nach n Sekunden erreichte Spannung mit dem A/D-Wandler. Wenn der Anstieg zu schnell erfolgt, verkürzt er die Messzeit. Das ist aber nicht der bessere Weg, ist klar. Nur vielleicht der schnellere bei niedrigen Leveln.

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Ein ähnliches Messprinzip verwendet die "PicAXE Ionization Chamber" von Charles Wenzel:

Ja, ich denke vom Frontend her ist das genau derselbe Ansatz. Der PN4118A hat lediglich einen etwas höheren maximalen Sättigungsstrom gegenüber dem PN4117A bzw SMP4117A, den ich verwendet habe. Das ändert bei einem Source-Widerstand von 47k recht wenig. Laut Simulation reduziert sich der mögliche Spannungshub mit dem 4118A ein klein wenig. Für die Auswertung mit dem Mikrocontroller gibts natürlich unzählige Möglichkeiten, das ist ja nur Software  . Ich bin mir sicher, wenn man heutzutage noch etwas KI drüberstreut, dann wirds der High-Runner 

Was mich aber wirklich beeindruckt, ist die Sensitivität gegenüber dem Radon in der Luft selbst, also ganz ohne dass man nun die Luft durch einen Filter zieht, den man vor der Ionisationskammer positioniert, so wie zum Beispiel beim "Radon Detector for the student" (https://techlib.com/science/ionchamber.htm). Das hätte ich jetzt so nicht erwartet.

[silfox]

Im FTLab RadonEye RD200-Thread hat Dsl71 am 26. Februar 2024, 18:43 das Datenblatt des RD200 zu Verfügung gestellt.

Man könnte demzufolge davon ausgehen, dass RD200 und RikamIno ähnlich aufgebaut sind.

Interessant ist in dem Zusammenhang auch die Feststellung von Samarskit im RD200-Thread, dass das RD200 für Rn220 empfindlich ist.

RikamIno ist ein schönes DYI-Produkt und ich bin gespannt, wie es mit der Entwicklung weitergeht.

Vielleicht sollte man später einmal einen Vergleich zwischen RD200 und RikamIno durchführen.

In Bezug auf ein Radonorm Citizen Science Projekt bin ich etwas skeptisch.

Ich sehe mich explizit nicht als Experte für Radon-Fragen.
Meine Erfahrung ist aber, dass es die unterschiedlichsten Radon-Messgeräte gibt, direkt oder indirekt messend etc.
Und am Ende messen sie alles etwas "leicht anderes"...

Siehe z.B.: https://amt.copernicus.org/articles/3/723/2010/amt-3-723-2010.pdf

Aber es gibt noch eine ganze Reihe weiterer Messvergleiche.

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Im FTLab RadonEye RD200-Thread hat Dsl71 am 26. Februar 2024, 18:43 das Datenblatt des RD200 zu Verfügung gestellt.

Man könnte demzufolge davon ausgehen, dass RD200 und RikamIno ähnlich aufgebaut sind.

Interessant ist in dem Zusammenhang auch die Feststellung von Samarskit im RD200-Thread, dass das RD200 für Rn220 empfindlich ist.

RikamIno ist ein schönes DYI-Produkt und ich bin gespannt, wie es mit der Entwicklung weitergeht.

Vielleicht sollte man später einmal einen Vergleich zwischen RD200 und RikamIno durchführen.

In Bezug auf ein Radonorm Citizen Science Projekt bin ich etwas skeptisch.

Ich sehe mich explizit nicht als Experte für Radon-Fragen.
Meine Erfahrung ist aber, dass es die unterschiedlichsten Radon-Messgeräte gibt, direkt oder indirekt messend etc.
Und am Ende messen sie alles etwas "leicht anderes"...

Siehe z.B.: https://amt.copernicus.org/articles/3/723/2010/amt-3-723-2010.pdf

Aber es gibt noch eine ganze Reihe weiterer Messvergleiche.

Vielen Dank für die Einschätzung! Ja, und ich denke auch der RD200 liegt preislich auch immer noch so günstig, dass das Gerät zusammen mit der App als fertige Lösung sehr bequem ist. So ein Gerät selbst basteln wird daher nur derjenige, der auch Sapß am Basteln hat, oder der etwas was messen möchte, das er anderweitig nicht gemessen bekommt. Aber dazu gleich noch ein Post.

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"Papa, wieviel uSv/h hat eigentlich die Sonnenstrahlung?"

Diese Frage könne ein schlaues Kind stellen, das an der seltenen Krankheit ,,Xeroderma pigmentosum" erkrankt ist. Ein genetischer Defekt bewirkt bei dieser Krankheit, dass ein für die Reparatur von strahlen-induzierten DNS-Schäden unerlässliches Enzym vom Körper nicht gebildet wird. Unbehandelt sterben diese Kinder meist an Krebserkrankungen bevor sie erwachsen werden. Sie werden auch Mondscheinkinder genannt, weil man sie besser nicht an die Sonne lässt. Der UV-Anteil an der Sonnenstrahlung induziert bei diesen Kindern vor allem in der Haut relativ schnell einen Hautkrebs. Man sieht also daran, dass es auch bei normalen Menschen durch die natürliche energiereiche Strahlung laufend DNS-Schäden gibt, aber wenn die richtigen Enzyme vorhanden sind und sonst nichts die eigentlich sehr effizient laufenden Reparaturen des Immunsystems schwächt, dass dann zumindest statistisch gesehen ein hohes Lebensalter erreicht werden kann. Dabei ist es zunächst einmal egal welcher Art die energiereiche Strahlung ist, UV-, Röntgen- oder radioaktive Strahlung.

Nun gibt es im Strahlenschutz ja den Begriff des Detriments. Das "Detriment" wurde von der internationalen Strahlenschutzkommission (ICRP 103) als Maß für das strahleninduzierte Zusatzrisiko für stochastische Strahlenwirkungen definiert, siehe auch BMUV: Untersuchung und Bewertung des Detrimentbegriffs im Strahlenschutz, https://www.bmuv.de/download/untersuchung-und-bewertung-des-detrimentbegriffs-im-strahlenschutz). Damit werden dann zum Beispiel die Gewebe-Wichtungsfaktoren ermittelt. Komischerweise kümmert sich die Strahlenschutzgesetzgebung für ionisierende Strahlung aber eher selten um die Energien < 100eV (ab da beginnt die elektromagnetische Strahlung, die ganz offiziell Röntgenstrahlung heißt). Unmittelbar darunter wird die Strahlung als extreme UV (EUV) bezeichnet. Und das ist scheinbar so ungefährlich, dass man keinen gesetzlichen Strahlenschutz mehr braucht. Daher endet hier auch die Einheit Sievert ganz abrupt. Das Detriment aber kann man anhand der Krebsinzidenzen bis zu wenigen eV herunter statistisch berechnen, solange eben wie die elektromagnetische Strahlung noch ionisierend wirkt und das können wenige Elektronenvolt sein. Im Jahr 2021 starben etwa 4100 Menschen in Deutschland an Hautkrebs wohingegen man für den Radon induzierten Lungenkrebs mit 1900 Todesfällen pro Jahr rechnet. Für die rasant steigende Zahl an Hautkrebsfällen macht man unter anderem das ,,geänderte Freizeit-Verhalten" verantwortlich. Schon interessant. Aber klar, wenn man der Sonnenstrahlung eine Äquivalentdosis auf der Basis des Hautkrebs-Detriments zuordnen würde, gäbe es wohl einen Aufschrei in der Gesellschaft, die dann sicherlich eine gesetzliche Sonnenstrahlen-Schutzverordnung befürchten würde.

Aber um die zu Beginn gestellte Frage wenigstens grob qualitativ beantworten zu können, habe ich nun mal einen Test mit meiner ,,RikamIno"-Ionisationskammer gemacht, und zwar in der Form eines Vergleichs einer UVC-LED gegen Uranglas-Murmel (siehe Fotos). Um das Ergebnis vorwegzunehmen: Die UVC LED mit 30mW Strahlungsleistung und einer Peakwellenlänge von 275nm (4.5eV) hat klar gewonnen.  Oder in anderen Worten, strahlt man mit der UVC-LED in die Ionisationskammer, dann erzeugt man offensichtlich doch etwas mehr Ionenpaare pro Zeiteinheit als mit einer Murmel aus Uranglas. So gesehen ist die von der UVC-LED erzeugte Ionendosisleistung offensichtlich höher. Die zugehörige Energiedosisleistung lässt sich mit der Strahlungsenergie sicher leicht berechnen und wir dürfen unterstellen, dass bei der UV-LED nur Photonen im Spiel sind, das heißt man könnte nach der alten Denkweise einen Strahlungswichtungs-Faktor von 1 annehmen. Das bedeutet auch, man könnte die Energiedosisleistung des UVC-Lichts genauso gut als Äquivalentdosisleistung in uSv/h angeben. Sinnvoll wäre das aber vermutlich nur bis etwa 10eV (124nm), denn bei niedrigeren Energien ist dann eigentlich keine Photoionisation mehr möglich, weder bei Atomen noch bei Molekülen.

Wie dem auch sei, wovon ich dennoch völlig fasziniert bin, ist die untere Energiegrenze bis zu der man mit so einer Ionisationskammer eine ionisierende Strahlung noch nachweisen kann. Wenn ich den Test mit einer 365nm UV-Diode mache, passiert gar nichts und wenn ich den Test mit einer alten Höhensonne mit Quarz-Hg-Lampe mache, dann dauert eine Sägezahn-Periode nur wenige Sekunden. So gesehen scheint die UVC-LED wirklich auch Ionen zu generieren. Allerdings, durch welchen Prozess des UVC-Lichts mit etwa 4.5eV tatsächlich Ionen erzeugt werden, ist mir noch nicht ganz klar.  Aber hier das Ergebnis der Messung:

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Edited, 2.5.24 16:17h

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Meine Begeisterung über die Tatsache, dass man mit einfachsten Mitteln zu vernachlässigbaren Kosten und ohne Hochspannung einen Strahlungsdetektor bauen kann, der alle Arten von Strahlung bis runter zu einigen eV mit beachtlicher Empfindlichkeit nachweisen kann, will einfach nicht nachlassen  .

Daher habe ich mir doch die Mühe gemacht und habe noch ein paar Skizzen angefertigt und ein Foto meines mit äußerst pragmatischem Aufwand hergestellten JFET basierten Ladungs-Spannungs-Wandlers in der Pulmoll-Dose gemacht, um auch anderen diese Freude zu gönnen. Der Nachbau müsste mit der ursprünglichen Anleitung (pdf, siehe erste Post zu dem Thema) und dieser Bebilderung eigentlich wirklich keine Rocket-Science mehr sein, oder? 

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Nach den Messungen mit UV-Licht ist mir jetzt auch klar geworden, dass die ,,RikamIno" getaufte Ionisationskammer-BreakOut absolut universell einsatzbar ist, nicht nur für Radon, was ursprünglich mal mein Ziel war. Mit einer Quarzglas-Quecksilberdampflampe (254nm und 185nm) in einer alten Höhensonne (Marke ,,Original Hanau") kann man selbst aus zwei Meter Entfernung ähnlich gut einen Ionenstrom erzeugen, wie mit einem Stückchen pechblendenhaltigen Bärhaldegranit aus Menzenschwand. Während eine 275nm UVC-LED  (4.5eV) direkt vor der Kammer auch noch einen nachweisbaren Ionenstrom zu erzeugen vermag (wie auch immer bei dieser Energie) kann eine 3Watt 365nm UV-LED (3.4eV) das dann nicht mehr, da ist dann offensichtlich ziemlich abrupt Schluss. Das erscheint also doch auch plausibel.   

Nachdem die Kammer relativ sensibel auf Radon-haltige Raumluft reagiert und selbst auf schwache Beta/Gamma-Quellen anspricht (Pottasche), nährt das doch die Annahme, dass man damit einen äußerst universell einsetzbaren Detektor vorliegen hat, der selbst für so kritische Gase wie C14 (49keV) und Tritium (5keV) eine brauchbare und äußerst kostengünstige Nachweismöglichkeit bietet.

Während sich Atomkraftgegner früher stets darüber geärgert haben, dass Kraftwerksbetreiber bei den Revisionen immer GBq an Tritium, C14 und Kr85 ablassen konnten, ohne dass man das mit den finanziellen Mitteln einer Bürgerinitiative hätte nachweisen können, erscheint das nun mit einem JFET für 3Euro und einem Arduino in greifbare Nähe zu rücken. Ich habe mich nun auch in dieser Richtung etwas belesen und bin eigentlich der Meinung, wenn man solche Gase einigermaßen konzentriert einfangen könnte, sollte der Nachweis eigentlich kein Problem mehr sein. Zudem müsste die Ionisationskammer eigentlich auch ganz grundlegend eine Alternative für den Luftsammler bei aerosolgetragener Radioaktivität sein (falls doch mal was passiert in Saporischschja. Strom braucht dieser Detektor so gut wie keinen (und für den Arduino gibt es auch eine low-power Bibliothek), so dass man das Messgerät völlig autonom von einem Solarpanel her mit Strom versorgen könnte. Wenn man also als Prepper punkten will, sollte man sich unbedingt so eine Ionisationskammer bauen und ins Regal des Luftschutzkellers legen !

Hat hier schon jemand etwas Erfahrung mit dem Messen von Tritium-Aktivitäten in der Luft sammeln können?

[DG0MG]

eigentlich wirklich keine Rocket-Science mehr sein

Gibts noch andere (hobbymäßigere) Quellen für den SMP4117A als mouser?

[opengeiger.de]

Man bekommt ihn noch von Digikey, aber da ist mir Mouser.de sympathischer, die liefern aus Brno in Tschechien aus der EU in wenigen Tagen. Im Gegesatz zu RS und Farnell liefern sie auch an Privatpersonen. Hobbymässiger ist sonst ja nur Reichelt, aber der hat ihn nicht.

[DG0MG]

Evtl. geht auch der PN4118 or PN4119, die Charles Wenzel vorschlägt?

• https://www.ebay.de/itm/124934935241
• https://www.ebay.de/itm/275169397674

Ein größeres Gehäuse (TO92) sollte ja der Isolation nicht abträglich sein.

[opengeiger.de]

Wenn er die vorschlägt, könnte man das versuchen. Der 4117, 4118 und 4119 sind aus der gleichen Serie und sie unterscheiden sich nur durch den Sättigungsstrom bei Vg=0V. Da wir aber den 47k am Source haben, sollte das nicht viel ändern, ich würde aber gefühlsmässig eher den 4118 nehmen. Was aber einen Unterschied machen könnte, ist das A am Ende. Das bedeutet dass der Gate-Kanal Sperrstrom max. 1pA ist. Ich könnte mir allerdings denken, dass die A Variante durch Selektion gewonnen wird und dann eben auch so gespect werden kann. Von daher könnte man die normale Variante auch einfach mal probieren und hat den höheren Sperrstrom nur wenn man Pech hat. Das 2N vorne vs. PN vs SMP das bezeichnet das Package.

Das Datenblatt gibts hier:
https://www.mouser.de/Search/DownloadDatasheet?url=https%3A%2F%2Fwww.mouser.de%2Fdatasheet%2F2%2F676%2Fjfet_2n4117_2n4118_2n4119a_interfet-2888010.pdf

Aber wie gesagt bestellen bei mouser.de ist auch überhaupt kein Problem für Hobbyisten. Man muss halt nur ein paar grosse USB Sticks mitbestellen, damit der Versand kostenlos ist.

[DG0MG]

strahlt man mit der UVC-LED in die Ionisationskammer, dann erzeugt man offensichtlich doch etwas mehr Ionenpaare pro Zeiteinheit

Ohne, dass ich bisher jemals mit einer Ionisationskammer rumprobiert habe, hätte ich hierbei den Verdacht, dass es sich dabei um einen ungewollten fotoelektrischen Effekt an Deinem Kupfergitter, dem Zinn der Blechbüchse oder dem Draht handelt. Woraus ist der eigentlich?

Ändert sich der Strom auch, wenn man mit einer hellen LED-Taschenlampe (nicht UV) reinleuchtet?

[DL3HRT]

Genau diesen Effekt habe ich hier beschrieben:
https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php/topic,1631.msg19997.html#msg19997

Nachdem alles aus Edelstahl war, gab es keine Reaktion mehr auf UV-Strahlung und sonstige Beleuchtung. Woher auch bei der geringen Energie von wenigen eV.

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Also die Reaktion auf das UVC Licht der LED kommt mir schon auch etwas spooky vor. Bei der Quecksilberdampflampe könnte man sich denken, dass die auch noch Linien unter den 185nm (6.7eV) hat und es gibt ja auch organische Moleküle, die man mit weniger als 10eV ionisieren kann. Und da riecht man auch das Ozon ganz deutlich, das gebildet wird. Jedenfalls reagiert die Kammer sehr heftig drauf und man muss gewaltig Abstand nehmen, damit normale Messwerte entstehen. Gut, mit der UVC-LED hab ich auch schon gezeigt, dass man sich nen ordentlichen Sonnenbrand damit holen kann. Aber ich denke eine klassische Ionisation ist da weniger im Spiel es sind mehr die Radikale, die da durch Photolyse gebildet werden, die schädigend wirken und die haben zwar ungepaarte Elektronen sind aber vermutlich nicht geladen. Beim klassischen photoelektrischen Effekt werden auch von niedrigenergetischen Licht Elektronen herausgeschlagen, so wie beim Photomultiplier, aber diese Röhren haben alle ein Vakuum. Das hab ich nicht. Und wie gesagt, ich habe auch ne 365nm UV-LED getestet, da seh ich gar nichts. Und bei meiner LED-Lenser Taschenlampe seh ich auch nichts. Aber der Photoelektrische Effekt braucht auch eine Minimum-Energie für die Austrittsarbeit. Die Konservendose ist innen kunststoffbeschichtet, da kann man nichts erwarten, der Draht ist Kupfer, verzinnt, und die Gaze ist reines Kupfer. Aber DL3HRT hat ja auch was ähnliches beobachtet und meinte dass Salz oder Oxidbildung eine Rolle spielen könnte und einen Photoeffekt erzeugen könnte. Aber ehrlich gesagt, ich weiss nicht wirklich, auf welche Weise bei UVC-Licht Ionen entstehen könnten, aber dass sich Photoelektronen bei normalem Luftdruck bis zum Kammerdraht bewegen könnten, kann ich mir auch nicht recht vorstellen. 

[Radiohörer]

Gibts noch andere (hobbymäßigere) Quellen für den SMP4117A als mouser?

jo: https://bg-electronics.de/shop/advanced_search_result.php?keywords=PN4117A&search_in_description=1
E: 1,70 + MWSt; haben noch > 1400 St.