SSL (?): an | aus

Bitte die Forenregeln und die Hinweise zu den Versuchen lesen!

Neue Antwort erstellen
Radioaktivität mit Halbleiterdioden gemessen.
IllumiNobel-Gewinner 2012

Anmeldedatum: 02.10.2010
Beiträge: 533
Artikel: 5
Wohnort: Hinterwald
Alter: 40
Einfache Halbleiterdetektoren mit Fotodioden

Ionisierende Strahlung lässt sich auf verschiedenste Arten messen und und darstellen, unter anderem mit Halbleitern.
Für Gammaspektrometer z.B. wird, abgesehen von der Szintillationsmethode ein grossflächiger Germaniumkristall verwendet.
Mehr zur Funktionsweise siehe hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Halbleiterdetektor
Ähnlich, nur mit weitaus ungenaueren Ergebnissen kann man grossflächige Fotodioden missbrauchen, die normalerweise dazu verwendet werden Licht
in kleine elektrische Spannungen zur Lichtmessung umzusetzen.
Bei meinen Basteleien wurden Si-Fotodioden des Typs BPW34 und BPX61 mit geöffneten Schutzglas verwendet,
deren Unterschied untereinander nur die Bauart des Gehäuses ist.
Durch die kleine fotoaktive Fläche der verwendeten Fotodioden und den für Strahlungsmessung verhältnismässig dünnen Siliziumchip geht sicherlich
einiges vor allem an Gamma und auch Betastrahlung durch den Chip ohne Wechselwirkung mit diesem hindurch, wodurch kein brauchbares
Signal erzeugt wird. Alphastrahlung hingegen wird vom geöffneten Chip sehr gut "absorbiert".
Die einfache Schaltung und die Fotodiode selbst einen ziemlich hohen Rauschfaktor im vergleich zu einem gekühlten Germaniumdetektor.

Beide Dioden wurden folgendermassen beschaltet (links oben die Fotodiode):

Quelle

Die Aufgebaute Schaltung mit der BPX61 (Schutzglas entfernt).

Im runden Metallgehäuse sitzt der viereckige Siliziumchip. Auf dem Chip erkennt man einige leichte Verunreinigungen, was erstmal nicht stört,
aber einen höheren Rauschpegel verursachen kann. Deshalb sollte die Diode ohne Schutzglas immer schmutzfrei gelagert werden.
Die ganze Platine muss in eine komplett abgedunkelte und gut Abgeschirmte Blechkiste um Störungen und Rauschen niedrigzuhalten.

Angeschlossen wird die Schaltung einfach am Mikrofoneingang der Soundkarte eines PC.

Die Software zur Messung gibt es hier kostenlos (vielen Dank an Marek Dolleiser):
http://www.physics.usyd.edu.au/~marek/pra/index.html
Dazu eine Software uzur genaueren Kalibrierung der Pulsform:
http://www.physics.usyd.edu.au/~marek/intune/index.html
Genauere Beschreibungen und Bedienungsanleitungen sind in den Downloads enthalten.

Auf die Sensorfläche der Fotodiode auftreffende Energie (Photonen/Strahlung/Alpateilchen) wird in Spannung umgewandelt und von der Verstärkerschaltung als Impuls ausgegeben. Da der Mikrofoneingang des PC´s diese Impulse nocheinmal Verstärkt, kann man mit einem
einfachen Soundbearbeitungsprogramm schonmal ein Tonspektrum (heisst das so?) als Tonspur darstellen (verwendet wurde das Programm Audacity) :

Die obere Tonspur stellt das Rauschen der Schaltung im Leerlauf dar. Auf der unteren Tonspur erkennt man die Peaks, hervorgerufen durch ein Stückchen Pechblende. Die Verwendete Diode war hier eine BPW34 im Kunststoffgehäuse. Zu erkennen sind Peaks unterschiedlicher Höhe. (Lautstärke)

Je nach höhe der Energie der eingehenden Anregung auf die Fotodiode, fallen die Impulse am Ausgang höher oder niedriger aus.
Von Ionisierender Strahlung erhält man die höchsten Impulse von Alphastrahlung, gefolgt von Beta und Gammastrahlung.
Mit der Diode im Kunststoffgehäuse lassen sich keine Alphzerfälle feststellen. Bei der geöffneten Diode reicht experimentell bereits
ein normales Stückchen Papier um die Alphastrahlung (Heliumkerne) abzuschirmen.
Die Diode im Kunststoffgehäuse eignet sich besser um Beta/Gammastrahlung zu messen, da am Kunststoffgehäuse möglicherweise ein Teil der Gammastrahlung
in Bremsstrahlung umgesetzt werden könnte und zudem die einfallende Strahlung vielleicht soweit abgeschwächt wird dass sie
von der dünnen Detektorschicht besser "eingefangen" werden kann. Die ist aber nur eine Vermutung.
Wird jedoch die Kunststoffschicht vor der Sensorfläche etwas abgeschliffen erhält man eine grössere Empfindlichkeit.
Hier sollte noch weiterexperimentiert werden.

Die Software "PRA" simuliert einen Vielkanalanalysator, bei dem die Pulse je nach Stärke sortiert werden.
Je energiereicher ein eintreffendes Ereignis auf den Halbleiterkristall, desto stärker (also lauter) der Impuls. Die Impulse werden
von links nach rechts in schwache bis starke Impulse sortiert. Da Alphateilchen eine höhere Energie an den Detektor abgeben,
werden Alphaimpulse nach rechts und Beta/Gammapulse nach links ins Diagramm sortiert.
Beachtet werden muss, dass wenn bei normalen Luftdruck gemessen wird, vor allem die Alphateilchen stark gebremst werden und somit hinsichtlich der Darstellung im Diagramm Energieärmer angezeigt werden.
Beta und Gammastrahlung werden wegen möglicherweise wegen ihrer geringeren Energie nicht messbar voneinander Aufgelöst. In Experimenten mit verschiedenen Abschirmungen (z.B. Kunststoff/Aluminium)liess sich jedenfalls bis jetzt kein Unterschied feststellen.
Beta und Gammapulse heben sich jedoch deutlich vom Grundrauschen ab.

Hier ein Beispiel einer Messung an Pechblende mit der BPX61 (ohne Glasfenster) :


Gemessen wurde nur qualitativ ohne jegliche Eichung. Die Skala am unteren Rand ist nur eine Aussage über die Peakhöhe.
Bis 14,4 geht etwa das Grundrauschen der Schaltung im Lerlauf. Bei einer Leerlaufmessung kommt man (ohne Störungen) kaum über 14,4.
Zwischen ~14,4 bis 30 werden Beta und Gammaereignisse einsortiert. Der rechte Hügel bei ~38 sind die Alpapulse.
Wird ein Stückchen Papier vor die Diode gehalten, lassen sich keine Pulse mehr über den Wert 30 feststellen.
Das so dargestellte Balkendiagramm kann man als Glockenkurve betrachten, woraus der Mittelwert festgestelt werden kann.
Bei längerer Messdauer kann man mit diesem Setup auch schwächere Alphastrahler feststellen.

------------------------------------------------------------------

Einfacher Geigerzähler mit Halbleiterdioden statt Zählrohr:

Hier noch eine kleine Bastelei die aus der Geschichte entstanden ist:

Im Metallgehäuse befindet sich obige Schaltung, jedoch mit Verstärker, Justierung und optischer, sowie akustischer Ausgabe
in Form einer blinkenden LED und eines knackenden Lautsprechers.

Statt einer einzelnen Fotodiode wurden drei Dioden zu einem kleinen Array zusammengeschaltet:


Das komplette Messgerät:

Die Platine mit den Dioden wurde nochmal extra eingepackt. Im Stahlgehäuse wurde eine Öffnung genau bei den Fotodioden gelassen, welche mit Isolierband und Alufolie gegen Licht und Elektromagnetische Störungen "abgedichtet" wurde.
Dummerweise werden gerade Aluminium und Kunststoff verwendet um Betastrahlung abzuschirmen. Die Kiste ist aber dennoch empfindlich genug.
Als "Extragimmik" kann man den "Zähler" an eine Solarzelle hängen (nicht im Bild). Die interne Elektronik sorgt dafür dass die Kiste tagsüber geladen wird und sich Abends von selbst einschaltet. Netter Nebeneffekt dabei ist, dass amsonsten nutzlos herumliegende Akkus etwas zu tun bekommen
und sowieso vorhandene Sonnenenergie nicht einfach vergeudet wird.
Die Sonnenstrahlung stellt hier die Energie zur Messung von ionisierender Strahlung zur Verfügung Very Happy


//edit by NI2: Link gekürzt

_________________
Hopfen und Malz-Gott erhalt´s
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von bahmtec anzeigenPrivate Nachricht senden
Illumina-Moderator

Anmeldedatum: 10.08.2009
Beiträge: 4981
Artikel: 4
Wohnort: Bad Spenza
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 42
Geniale Sache Very Happy

_________________

"...wie ein Sprecher betont,hat für die Bevölkerung zu keinem Zeitpunkt Gefahr bestanden."
http://www.youtube.com/watch?v=bn0PgN0HpRY
"...mittlerweile rostet das Miststück..." E.v. Däniken
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von Newclears anzeigenPrivate Nachricht senden
NI2
Illumina-Moderator

Anmeldedatum: 19.08.2008
Beiträge: 5253
Artikel: 84
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Genial! Wie verhalten sich denn die Materialkosten und die Arbeitszeit??

_________________
I OC

There is no sadder sight in the world than to see a beautiful theory killed by a brutal fact. [T. Huxley]

But just because we live does not mean that we’re alive. [E. Autumn]

The pursuit of knowledge is hopeless and eternal. Hooray! [Prof. H. J. Farnsworth]
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von NI2 anzeigenPrivate Nachricht senden
Illumina-Moderator

Anmeldedatum: 10.08.2009
Beiträge: 4981
Artikel: 4
Wohnort: Bad Spenza
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 42
Interessant wäre es u.U. mal Sensoren aus optischen Bewegungsmeldern zu testen.

_________________

"...wie ein Sprecher betont,hat für die Bevölkerung zu keinem Zeitpunkt Gefahr bestanden."
http://www.youtube.com/watch?v=bn0PgN0HpRY
"...mittlerweile rostet das Miststück..." E.v. Däniken
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von Newclears anzeigenPrivate Nachricht senden
IllumiNobel-Gewinner 2012

Anmeldedatum: 02.10.2010
Beiträge: 533
Artikel: 5
Wohnort: Hinterwald
Alter: 40
Danke!
Materialkosten.. Die teurere Diode, welche zur Alphamessung geeignet ist kostet um die 12Euro, die billigere im Kunststoffgehäuse ca1Euro.
Das Hühnerfutter (Elektronik drumrum) kostet pro Bauteil einige Cent bis zu 1 Euro. Die Action hab ich grossteils aus vorhandenen Altbastelmaterial gezimmert. Gekauft würde alles um die 20Euro kosten wenn man sich dumm anstellt. Very Happy
Besonderer Dank geht an Marek Dolleiser, der die genialen Programme kostenlos zur Verfügung stellt
und Burkhard Kainka für die geniale Schaltung.

Arbeitszeit das Ding zu löten ist einige Minuten bis eine halbe Stunde.

Eigentlich ist alles ziemlich simpel, nur das reinarbeiten hat einige Zeit gedauert. Wenn man das ganze mal am laufen hat ist alles nicht so schlimm.
Momentan bekomm ich noch ziemliche Abweichungen, je nach verwendeten Bauteilen u.s.w. Da kann noch einiges optimiert werden.

Entwicklungsmässig steckt doch einiges an verbrauchten Nerven drin, vor allem für den Ticker Wink :


-edit: Sensoren und viele andere Sachen (u.A. Kalibrierpräparate) wurden getestet,
dabei kamen viele gute Referenzwerte raus!

_________________
Hopfen und Malz-Gott erhalt´s
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von bahmtec anzeigenPrivate Nachricht senden
Illumina-Mitglied

Anmeldedatum: 24.07.2008
Beiträge: 916
Artikel: 5
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Schicke Sache!

Ist der Schaltplan ganz oben auf Zewa gemalt? Very Happy
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von Timmopheus anzeigenPrivate Nachricht senden
NI2
Illumina-Moderator

Anmeldedatum: 19.08.2008
Beiträge: 5253
Artikel: 84
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Nein, ein gefaltetes Blatt Papier^^

_________________
I OC

There is no sadder sight in the world than to see a beautiful theory killed by a brutal fact. [T. Huxley]

But just because we live does not mean that we’re alive. [E. Autumn]

The pursuit of knowledge is hopeless and eternal. Hooray! [Prof. H. J. Farnsworth]
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von NI2 anzeigenPrivate Nachricht senden
IllumiNobel-Gewinner 2012

Anmeldedatum: 06.01.2012
Beiträge: 2892
Artikel: 54
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 53
Das gefällt mir! Leider bin ich im Basteln von Elektronik nicht geübt und noch weniger ausgestattet.

Mir fällt da ein Basisexperiment zur Radiochemie ein, das ich schon immer mal machen wollte, aber mangels Zählrohr nie machen konnte. Nicht ganz neue Thoriumpräparate verdanken einen guten Teil ihrer Aktivität dem beim Zerfall entstehenden Radium-228 (früher Mesothorium 1). Dasselbe kann man aus der Lösung durch Zugabe von Bariumchlorid und Schwefelsäure mit dem Beriumsulfat ausfällen. Es wäre interessant zu vergelichen, wie die Aktivität des restlichen Thoriums sich zu der des ausgefällten Radiums verhält.

In meinem alten Schulbuch steht auch ein Demoversuch zur Halbwertszeit bei dem einfach Luft aus einer Vorratsflasche, die ein Thoriumsalz enthält, in eine Ionisationskammer geblasen und der Abfall des Ionisationsstroms über die Zeit gemessen wird. Mit der Luft gelangt Radon-220 in die Kammer, es hat eine Halbwetszeit von 55 Sekunden.

Ob man solche Versuche mit selbstgebastelten Messgeräten machen kann?

_________________
"Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden. Aber nicht einfacher."(A. Einstein 1871-1955)

"Wer nur Chemie versteht, versteht auch die nicht recht!" (G.C. Lichtenberg, 1742 - 1799)

"Die gefährlichste Weltanschauung ist die Weltanschauung der Leute, die die Welt nie gesehen haben." (Alexander v. Humboldt, 1769 - 1859)
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von lemmi anzeigenPrivate Nachricht senden
Illumina-Mitglied

Anmeldedatum: 08.08.2010
Beiträge: 1016
Artikel: 4
Wohnort: Berlin-Pankow
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 58
Mir gefallen solche geniale Basteleien; auch wenn ich sie mangels Geschicklichkeit sowie fehlendem Detailwissen nicht "nachbauen" kann. Wink

_________________
"Der einfachste Versuch, den man selbst gemacht hat, ist besser als der schönste, den man nur sieht." (Michael Faraday 1791-1867)

Alles ist Chemie, sofern man es nur "probiret". (Johann Wolfgang von Goethe 1749-1832)

„Dosis sola facit venenum.“ (Theophrastus Bombastus von Hohenheim, genannt Paracelsus 1493-1541)

"Wenn man es nur versucht, so geht´s; das heißt mitunter, doch nicht stets." (Wilhelm Busch 1832 -1908)
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von Uranylacetat anzeigenPrivate Nachricht senden
Illumina-Moderator

Anmeldedatum: 10.08.2009
Beiträge: 4981
Artikel: 4
Wohnort: Bad Spenza
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 42
@ Andi
Nimm doch einfach Rettungsdecke oder Blattgold. Andere Idee wäre ein "Galliumschmierfilm" auf den Dioden. Allerdings musst Du dann natürlich im Dunkeln messen um das Rauschen niedrig zu halten.

_________________

"...wie ein Sprecher betont,hat für die Bevölkerung zu keinem Zeitpunkt Gefahr bestanden."
http://www.youtube.com/watch?v=bn0PgN0HpRY
"...mittlerweile rostet das Miststück..." E.v. Däniken
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von Newclears anzeigenPrivate Nachricht senden
IllumiNobel-Gewinner 2012

Anmeldedatum: 02.10.2010
Beiträge: 533
Artikel: 5
Wohnort: Hinterwald
Alter: 40
Aus alten "Radiumleuchtziffern" die in einem luftdichten Gefäss gelagert wurden von dem nachher die Luft abgesaugt wird,
kann man wunderbar das Radon in der Abgesaugten Luft feststellen indem man die abgesaugte Luft in die Diodenmesskammer einbläst.

@Lars: Die Messungen müssen grundsätzlich ohne Lichteinfall stattfinden, da die Dioden selbst kleinste Lichtmengen mit grossen Ausschlägen quittieren.
-edit achso! : Rettungsdecka hab ich schon versucht, ist zu lichtdurchlässig. Blattgold ist wahrscheinlich auch grünstichig.
-zudem als Schwermetall bestimmt schon wieder zu "schirmig". Wink
Russbedampfung heisst wohl das Zauberwort, habs aber noch nicht probiert.

@Timmopheus: Das Zewa links im Bild steht immer zum Notfall bereit, ausserdem mache ich sämtliche Experimente über "Zewaunterlagen" um mögliches Geklecker schnell im Griff zu haben. Der Schaltplanquatsch ist hauptsächlich auf Druckerpapier gezeichnet Very Happy

Thorium gibt es reichlich in Thorierten Wolframelektroden:
LINK

-ziemlich krass wenn man bedenkt dasss die Action beim schweissen verdampft und damit auch inhaliert wierd.. Twisted Evil

-edit: zieht euch unbedingt mal die Videos vom Professor Poliakoff rein. Speziell die aus Sellafield (meine tiefste Verneigung) :
http://www.youtube.com/watch?v=NrIzWWmlboE

_________________
Hopfen und Malz-Gott erhalt´s
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von bahmtec anzeigenPrivate Nachricht senden
Illumina-Admin

Anmeldedatum: 07.05.2006
Beiträge: 6260
Artikel: 267
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 27
Zitat:
-ziemlich krass wenn man bedenkt dasss die Action beim schweissen verdampft und damit auch inhaliert wierd..


Naja, bei 2% ThO2-Gehalt der Elektroden, einer doch relativ geringen Verdampfung und vor allem auch Einatmung und nicht zuletzt der doch vergleichsweise ziemlich geringen Aktivität des Thoriums würde ich mir da keine allzu großen Gedanken machen. Smile

Auch hier: Gefällt mir sehr! Mal sehen ob sich das nicht doch auch in die Physik verschieben lässt. Wink

_________________
"It is arguably true that the tetrapyrrole system is Nature's most remarkable creation."
- Claude Rimington
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von Cyanwasserstoff anzeigenPrivate Nachricht sendenWebsite dieses Benutzers besuchen
IllumiNobel-Gewinner 2012

Anmeldedatum: 02.10.2010
Beiträge: 533
Artikel: 5
Wohnort: Hinterwald
Alter: 40
Danke!
Zitat:
Naja, bei 2% ThO2-Gehalt der Elektroden, einer doch relativ geringen Verdampfung und vor allem auch Einatmung und nicht zuletzt der doch vergleichsweise ziemlich geringen Aktivität des Thoriums würde ich mir da keine allzu großen Gedanken machen. Smile

Im Härtefall täglich 8h schweissen, 6 Tage die Woche kommt auf Dauer selbst bei 2% was zusammen. Twisted Evil
Wobei wir ohne Kalium im Körper auch nicht (über)leben würden. (Stichwort >Kalium40)

_________________
Hopfen und Malz-Gott erhalt´s
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von bahmtec anzeigenPrivate Nachricht senden
Illumina-Mitglied

Anmeldedatum: 30.04.2009
Beiträge: 414
Artikel: 0
Hi,
gefällt mir! Ein Kollege hatte auch mal sowas mit der BPW34 gemacht.

Wie sieht es mit einem Transimpedanzverstärker für die Photodiode aus? Hast du damit schon versuche gemacht?
Meines wissens werden Halbleiterdetektoren auch vorgespannt mit relativ hohen Spannungen um die Sperrschichtkapazität zu reduzieren.

Gruß
Torsten
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von wirehead anzeigenPrivate Nachricht sendenICQ-Nummer
IllumiNobel-Gewinner 2012

Anmeldedatum: 02.10.2010
Beiträge: 533
Artikel: 5
Wohnort: Hinterwald
Alter: 40
Ehrlich gesagt höre ich das mit dem Transimpendanzverstärker zum ersten mal.
Nein hab ich noch nicht probiert, klingt interessant, ich lese mich gerade etwas da rein.
Ich habe mal einen anderen Op-Amp (LM358) probiert, aber der Tlc272 scheint soweit doch der rauschärmste zu sein.
Statt mit Op-Amps hab ich das ganze auch nur als Transistorschaltung aufgebaut, hat sich aber auch nicht viel genommen.
Generell gilt, dass man die Bauteile, vor allem Transistoren vorher auf Rauschen testen sollte.
Selbst ein Baugleicher Tlc272 macht Unterschiede. Hier ist auch schon die zweite BPX61 verbaut, die erste war irgendwann nur noch für
Alphamessung geeignet. Nachdem ich den Chip mit Alkohol gewaschen hab gings wieder etwas besser.
..naja, die Glasabdeckung hat schon ihren Sinn.. Confused Viel Masse (-) steuert auch noch ungemein zur Rauschunterdrückung bei.

_________________
Hopfen und Malz-Gott erhalt´s
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von bahmtec anzeigenPrivate Nachricht senden
Radioaktivität mit Halbleiterdioden gemessen.
Du kannst keine Beiträge in dieses Forum schreiben.
Du kannst auf Beiträge in diesem Forum nicht antworten.
Du kannst deine Beiträge in diesem Forum nicht bearbeiten.
Du kannst deine Beiträge in diesem Forum nicht löschen.
Du kannst an Umfragen in diesem Forum nicht mitmachen.
Alle Zeiten sind GMT + 1 Stunde  
Seite 1 von 3  



Vorheriges Thema anzeigen :: Nächstes Thema anzeigen  
  
   
  Neue Antwort erstellen