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.
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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
//edit by NI2: Link gekürzt
:
Viel Masse (-) steuert auch noch ungemein zur Rauschunterdrückung bei.