RikamIno - Radon-Ionisationskammer Break-Out für den Arduino

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haben noch > 1400 St.

Hersteller:Fairchild? Die sind 20Jahre alt?  Hmmm...

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Jetzt kann ich noch einen weiteren Datenpunkt für die Ionisationskammer bieten. Ich habe ein Stückchen Trinitit auf die Kammer gelegt. Da reagiert sie relativ deutlich drauf. Ohne Probe braucht die Kammer ca. 1200 Sekunden bis der Nulleffekt das Gate auf 3Volt aufgeladen hat und mit dem Trinitit-Steinchen nur 220 Sekunden. Mit dem Gammscout LND-712 Endfensterzählrohr sieht man selbst mit ganz offenem Blendenschalter an dem Steinchen nichts. Auch der RC-101 zeigt keine Erhöhung der ODL, wenn das Steinchen direkt davor liegt. ich müsste damit wohl in die Bleiburg gehen und über lange Zeit ein Spektrum messen. Lediglich der Inspector mit seinem LND7317 Pancake zeigt eine recht deutliche Reaktion. Ich vermute mal, das Trinitit Stückchen enthält einen Soft-Beta Emitter auf den das LND-712 nicht mehr reagiert. Vielleicht ist es auch eine niederenergetische Alphastrahlung? Oder was meint ihr, was der Grund für das unterschiedliche Verhalten der Instrumente sein könnte?

Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.

[madexp]

Very interesting project! Thank you for sharing. 

[Radioquant98]

haben noch > 1400 St.

Hersteller:Fairchild? Die sind 20Jahre alt?  Hmmm...

Zu denen hätte ich aber noch mehr Vertrauen als zu eventuellen Fälschungen.

Warum kein MOSFET? - geht es doch hier nicht um Impulse, sondern im Endeffekt um Gleichspannungsladung.

Viele Grüße
Bernd

[Peter-1]

Eine Frage zur Polarität.
Welchen Einfluß hat die Polarität einer Kammer auf das zu erwartende Signal?
Bisher kenne ich nur Kammern mit negativer Polarität der Hülle. Im WWW konnte ich keine Beiträge dazu finden.

Peter

[NoLi]

...
Ich vermute mal, das Trinitit Stückchen enthält einen Soft-Beta Emitter auf den das LND-712 nicht mehr reagiert. Vielleicht ist es auch eine niederenergetische Alphastrahlung?
...

Trinitit enthält neben Cs-137 und Am-241 auch den niederenergtischen (20 keV ß-max.) Betastrahler Pu-241. Aus diesem Plutonium wächst das Am-241 als Tochternuklid nach. In den ersten Kernwaffen gab es kein "lupenreines" Pu-239, es war immer mehr oder weniger mit anderen Plutoniumisotopen verunreinigt.

Norbert

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Zu denen hätte ich aber noch mehr Vertrauen als zu eventuellen Fälschungen.

Warum kein MOSFET? - geht es doch hier nicht um Impulse, sondern im Endeffekt um Gleichspannungsladung.

Wenn die Fairchild JFETs echt sind, denke ich kann man die gut verwenden. Silizium altert unbenutzt so gut wie nicht und das Plastik wird so schnell nicht spröde. Ich denke wenn von Ebay Angeboten Gefahr droht, dann durch Fälschungen bzw. Umetikettierungen. Da gibts tolle Beispiele von Fake Devices,so ähnlich wie bei den Geigerzählern, wo am Ende nur Glühlampen drin sind. Nur ist der Nachweis bei den Halbleitern schwieriger, vor allem wenn es um pA Sperrstrom geht.

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Eine Frage zur Polarität.
Welchen Einfluß hat die Polarität einer Kammer auf das zu erwartende Signal?
Bisher kenne ich nur Kammern mit negativer Polarität der Hülle. Im WWW konnte ich keine Beiträge dazu finden.

Bei einer Ionisierung entsteht ja immer ein Ionenpaar. Ohne es genau zu wissen würde ich sagen, zunächst einmal ist es egal ob man dan Anion oder das Kation mit einem Draht in der Kammer sammelt und auswertet. Mit der hier vorgestellten Schaltungstechnik ist es aber nur möglich mit Kationen das Gate des N-Kanal JFET positiver zu machen und zu erreichen, dass ein zunehmender Drain-Source Strom entsteht, wenn der Kanal zuvor gesperrt war. Daher ist es in dem Fall nur möglich die Konservendose auf eine positive Spannung gegenüber Ground oder gegenüber dem JFET Drain zu legen. Der Draht ist also umgekehrt gesehen dann negativ gegenüber dem Gehäuse und zieht die Kationen (positiv geladenen Ionen) an. Möglicherweise kann man mit einem P-Kanal JFET Design die Polarität umdrehen. Aber ich denke, es wird schwieriger sein einen geeigneten P-Kanal JFET mit sehr kleinem Gate-Kanal Sperrstrom zu bekommen. N-Kanal JFETs sind deutlich mehr verbreitet. 

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Trinitit enthält neben Cs-137 und Am-241 auch den niederenergtischen (20 keV ß-max.) Betastrahler Pu-241. Aus diesem Plutonium wächst das Am-241 als Tochternuklid nach. In den ersten Kernwaffen gab es kein "lupenreines" Pu-239, es war immer mehr oder weniger mit anderen Plutoniumisotopen verunreinigt.

Norbert

@NoLi: Danke für die Einschätzung!

Ich habe mittlerweile noch mal den Thread im Forum zum Trinit ausgiebigst durchgelesen (https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php/topic,171.msg22173.html#msg22173) und auch nochmal die einschlägige Literatur dazu. Besonders eine neuere sehr interessante Veröffentlichung dazu (man muss sich auch mal die Absicht dahinter vergegenwärtigen):
A. J. Fahey et. al.; Postdetonation nuclear debris for attribution; Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS)  November 23, 2010  vol. 107  no. 47; https://www.pnas.org/doi/pdf/10.1073/pnas.1010631107                               

Das bringt mit nun zu folgendem Eindruck:
Im Prinzip wäre ja nur das Pu241 eine Soft-Beta Quelle, mit der das LND712 Fensterzählrohr des Gammascout so seine Probleme haben könnte. Da beim "Gadget-Device" im Trinity-Test offensichtlich nur super-grade Pu aus Hanford verwendet wurde, war da im Fuel nur sehr wenig Pu241 drin und bei der Explosion ist davon im Vergleich nicht allzuviel entstanden. Mit einer HWZ von 14.3 Jahren ist das dann auch längst fast vollständig zu Am241 zerfallen. Ansonsten könnte noch das Spaltprodukt Sr90 als Beta-Emitter mit nenneswerter Aktivität drin sein, aber das müsste das LND712 eigentlich sehen (195keV) das ist kein "Soft-Beta" mehr. 

Also gehe ich nun davon aus, dass es hauptsächlich Alpha-Strahlung ist, welche das Stückchen Trinitit noch sehr deutlich abgibt und womit halt das LND712 des Gammascout offensichtlich mehr Probleme hat, als das LND7317 des Ranger bzw. Inspector oder eine Ionisiationskammer. Dazu werde ich aber noch ein paar Versuche machen, sobald mir die Freizeit das erlaubt.

Dazu entnehme ich der Literatur, dass die Alphastrahlung heute (das oben genannte Paper ist von 2010) hauptsächlich vom unverbrannten Pu239 stammt, also vom Fuel selbst, das mit der HWZ von 24110 Jahren noch nicht groß zerfallen ist. Auch Pu240 hat es im super-grade Pu wenig, und bei der Explosion ist auch nicht viel davon entstanden. Auch Np, U, und Th (Taper und Aktivierungsprodukte) kann man heute mit einfachen Mitteln nicht mehr nennenswert nachweisen. Was im Gammaspektrum in der Bleiburg hobbymäßig noch gut nachweisbar ist, ist das Cs137 und die 59keV des Am241. Aber für das LND712 Zählrohr ist auch das offensichtlich zu wenig.

Umgekehrt reagiert eine Ionisationskammer sehr heftig auf Alphastrahlung (wie beim  Radon ja auch zu sehen ist), offensichtlich auch wenn darin nur ein JFET für 3Euro verbaut ist und man eine einfache Konservenbüchse als Gehäuse verwendet. So gesehen ist so eine ultra-low-cost Kammer doch ein geniales und hochempfindliches Nachweisinstrument, das einfacher zu bauen ist, als ein Geigerzähler, sofern man ordentlich aufpasst, dass sich keine zusätzlichen Leckströme einschleichen. Aber mit dem beschriebenen Teflonband als Isolator, kann man leicht sicherstellen, dass kein Leckstrom vom Draht wegfließt. Und dann muss man halt das Gate noch so festlöten, dass da auch nichts passiert. Also das Gate nicht auf eine Leiterplatte löten sondern den Draht direkt an den Gate-Pin und das Flussmittel vorher gut an der Lötspitze abrauchen lassen, bevor man den Lot an Draht und Gate bringt. Das ist schon alles.         

[opengeiger.de]

Warum kein MOSFET? - geht es doch hier nicht um Impulse, sondern im Endeffekt um Gleichspannungsladung.

Diese Frage wollte ich aus meiner Sicht noch beantworten: Prinzipiell könnte man mit einem MOSFET Ladungen noch besser messen, da ja das Gateoxid wirklich ein Isolator ist und kein Sperrstrom vom Gate zum Kanal entstehen kann. Allerdings ist es ja so, dass man die Ladung dadurch auch schlecht wieder runterbekommt, wenn so ein "freischwebendes" (floating)  Gate mal geladen ist. Genau das aber wurde beim EPROM zur Datenspeicherung genutzt. Die ältere Generation erinnert sich daran vielleicht noch, das waren die Speicherbausteine für Mikrocontroller, die ein Quarz-Glasfenster im Gehäuse hatten und deswegen recht teuer waren. Und damit sind wir wieder bei der ionisierenden UV-Strahlung. Man konnte die gespeicherte Info auf den floating Gate MOSFETs eines EPROMs mit einer geeigneten UV-Lampe wieder löschen. Dazu hat man dann eine kleine Quecksilberdampf-Lampe benutzt, die eine deutliche 254nm Linie (4.9eV) hat. Das hat für eine ausreichenden Photoionisation des Gates gereicht um die Ladung wieder wegzubringen. Später konnte man die Oxide, in welche das Gate eingebettet war noch dünner machen und hat damit EEPROMs und Flash Speicher hergestellt, wo man dann das Löschen der Ladung dann mit Tunnelströmen hinbekommt. Aber in der Anwendung der Ionisationskammer wäre es schwierig, den einmal geladenen Draht, der am Gate eines MOSFETs angeschlossen wäre, wieder entladen zu bekommen. Der Trick mit dem JFET in der vorgestellten Schaltung für die Ionisationskammer besteht nämlich darin, dass das Gate sich nur bis 5V laden kann 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.

Was ich mir aber denken könnte, was zusammen mit einem MOSFET vielleicht geht, ist die Verwendung einer "ESD-Schutzdiode" mit sehr geringem Leckstrom, die man zum Messen in Sperrichtung vorpolt und zum Entladen dann umpolt. Aber im Grunde denommen hat man das im JFET ja inherent schon eingebaut, und es würde beim MOSFET unnötigen Schaltungsaufwand erzeugen. Bei CMOS ICs verwendet man solche ESD-Schutzdioden, die fest gegen Vss und Vdd gelegt sind, insbesondere um die Eingänge gegen zu hohe Spannungen zu schützen. Allerdings werden OPs mit CMOS Eingängen für Elektrometer Anwendungen nicht so gern benutzt, weil sie deutlich mehr rauschen als JFETs am Eingang.

Soviel meine 5 Cent zu dem Thema.   

[Peter-1]

Gibt es eine grobe Vorstellung um welche Ströme ( pA , fA ) es sich handelt?

[Radioquant98]

Der Trick mit dem JFET in der vorgestellten Schaltung für die Ionisationskammer besteht nämlich darin, dass das Gate sich nur bis 5V laden kann 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.

Was ich mir aber denken könnte, was zusammen mit einem MOSFET vielleicht geht, ist die Verwendung einer "ESD-Schutzdiode" mit sehr geringem Leckstrom, die man zum Messen in Sperrichtung vorpolt und zum Entladen dann umpolt. Aber im Grunde denommen hat man das im JFET ja inherent schon eingebaut, und es würde beim MOSFET unnötigen Schaltungsaufwand erzeugen. Bei CMOS ICs verwendet man solche ESD-Schutzdioden, die fest gegen Vss und Vdd gelegt sind, insbesondere um die Eingänge gegen zu hohe Spannungen zu schützen. Allerdings werden OPs mit CMOS Eingängen für Elektrometer Anwendungen nicht so gern benutzt, weil sie deutlich mehr rauschen als JFETs am Eingang.

Soviel meine 5 Cent zu dem Thema. 

Nun, daß in deiner Schaltung der Source igendwann auf +5V gezogen wird, kann ich nicht erkennen. Der Source geht ja nur auf einen Prozessoreingang. Selbst wenn Du den Eingang als Ausgang programmieren kannst wird an der Gatesperrschichtdiode nichts umgepolt. Die D/S Strecke ist ein steuerbarer Widerstand.
Du hast dann nur den Gateleckstrom zum entladen, was üblicherweise per Höchstohmwiderstände erfolgt, welcher beim SFET undeffiniert ist.

In den Schaltungen von industriell hergestellten Meßgeräten wird üblicherweise eim MOSFET oder eine Elektrometerröhre verwendet. Und die Ladungsableitung geschieht über Höchstohmwiderstände, die gleichzeitig die Meßbeiche ergeben.

Viele Grüße
Bernd

[silfox]

Da es mich interessiert hat, habe ich den Rikamino nachgebaut - und es funktioniert auf Anhieb!

Allerdings hatte ich noch eine 2mm starke Teflonplatte vorrätig.
Sie dient als Träger für einen Kupferdraht mit Querschnitt 2.5mm2 von einem 230V Stromkabel.
Der Draht ist starr genug, um freistehend montiert zu werden.
Den 2N4117A hatte ich bei Mouser bestellt, kostet allerdings 18 Euro, geliefert in 5 Tagen!
Verwendet habe ich einen 2uF Tantal-Kondensator.
Einen Arduino Uno R3 hatte ich schon seit vielen Jahren unbenutzt im Schrank liegen.
Programmierung und Betrieb ist sehr einfach.

Interessiert bin ich am Vergleich zwischen Rikamino und Radoneye.               
Die erste Untergrundmessung hat knapp eine Stunde gedauert.

Vielen Dank für das interessante Projekt.

[DG0MG]

Mich würde noch interessieren, welchen Einfluss die Kammerspannung hat. Mir erscheinen 20 Volt etwas wenig. Ich meine, in den kommerziellen Geräten mit Ionisationskammer ist ein Transverter drin, der eine erheblich höhere Spannung erzeugt?

[Peter-1]

Ich kenne auch nur größere Spannungen > 100 V. Mein kleiner Eigenbau hat 120 V bei einer Kammer mit 120 ccm. 10µSv/h erzeugen ~ 10fA. Ich hatte den ICL 8500A genommen und einen Hochohmwiderstand mit 10-11 Ohm, aber das ist schon viele Jahre her. Heute geht es besser. Allerdings funktioniert das Gerät noch wie es soll.