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Dies ist ein Projekt von Chetan Reinhard Sannyas Meditationzentrum Deutschland
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Gamma-Spektrometer selber basteln                       Seite 1
(Schaltungsbeschreibung zum YB-MINI-MCA Vielkanalzähler)

Mit einem Geigerzähler wie z.B. dem YB-Mini-Monitor kann Radioaktivität in der Umgebung gemessen und lokalisiert werden. Heutzutage im Zeitalter der Atomenergieerzeugung rechne ich inzwischen fast überall mit dem auftauchen von radioaktivem Müll. Radioaktiver Müll aus Atomkraftwerken z.B. Dieser wird angeblich in dafür vorgesehene Endlager gebracht, aber inzwischen ist bekannt geworden, das weder Atomkraftwerke noch deren offiziellen Endlager störungsfrei funktionieren.

Vor einigen Tagen habe ich Besuch erhalten. Es wurde mir eine Probe getrockneter Waldpilze mitgebracht. Eine Messung mit dem YB-Mini-Monitor ergab etwa 2800Bq/kg (+-300Bq/kg)   Aktivität  bezogen auf K40. Das ist schon ganz ordentlich. In der Regel finde ich mit dem Geigerzähler selten mehr als 20Bq/kg Aktivität in Lebensmitteln. Die Pilze wurden im Jahre 2007 im Bereich der grossen Osterseen gesammelt.

Natürlich kam die Frage auf: " Was macht denn diese Pilze radioaktiv ?" Seit dem bekannten Reaktorunglück in Russland haben viele Menschen eine Antwort schon in einer Zeitung gelesen.: "In den Pilzen haben sich radioaktive Cäsium-Isotope angereichert.  Das radioaktive Cäsium stammt aus dem Fallout des Reaktorunglücks vom 26. April 1986 in Tschernobyl Russland" ...

  Vor radioaktivem Cäsium in Waldpilzen wurde über verschiedene Massenmedien in den letzten Jahren nachdrücklich gewarnt.

Wenn ich Antworten aus Zeitungen auf meine eigenen Proben übertrage, dann mache ich es mir natürlich sehr einfach.  Dazu benötige ich kein Gamma-Spektrometer. Bekanntlich kann mittels Gamma-Spektrometrie näheres über radioaktive Inhaltsstoffe einer Stoffprobe erfahren werden.

Ein Gamma-Energiespektrum messen ! 

Geht das vielleicht mit etwas Bastellei ?

Vielleicht ist es einfacher als gedacht... wer weiss.  Also hab ich meine Augen aufgemacht und geschaut, was noch in der Bastelkiste brauchbares zu finden ist.

Da steht ein alter RAM 63 !

Der RAM 63 ist ein kleiner Scintillator älterer Bauart. Ein nettes Foto und eine ausführliche Beschreibung von dem Gerät habe ich auf der italienischen Seite  http://www.chirio.com/ram63.htm  gefunden.

RAM63 mit den Sonden Alpha und Beta/Gamma
Bild1: RAM63 mit den Sonden Alpha und Beta/Gamma 

An meinem Gerät ist es mir gelungen, die Signalspannung an der Zuleitung zum analogen Zeigerinstrument abzugreifen.

Also erst mal kukken wie dieses Signal aussieht 
Signalverlauf am Zeigerinstrument vom RAM63, sichtbar gemacht mit einem Speicheroszilloskop
Bild2: Beispiel- Signalverlauf am Zeigerinstrument von meinem RAM 63 ,
           sichtbar gemacht mit einem kleinen Speicheroszilloskop
(Oszillogramm-Raster: 50mV/D und 10ms/D)

Hier sind Sägezahnspitzen unterschiedlicher Höhe zu sehen ! Das macht auf den ersten Blick Hoffnung, das dieses Signal geeignet sein könnte um daraus ein Gamma-Energie-Spektrum abzuleiten. Leider ist wegen eines Schmitttriggers in der Signalaufbereitung der RAM63-Schaltung dieses Signal ungeeignet. Also muss ein geeignetes Signal direkt an der Röhre ausgekoppelt werden.

Es gibt heutzutage so viele komplexe integrierte Elektronik fix und fertig. Diese werden extern manchmal mit nur wenig weiteren Bauteilen beschaltet und flugs kann auf erstaunlich schnelle Weise das fertig sein, wofür noch vor kurzer Zeit Teams aus vielen Technikern und Ingenieuren viele Jahre benötigt hatten. Mein Kunstgriff in die Bastelkiste befördert ein kleines Bauteil zu Tage. Die aufgedruckten Symbole markieren einen Schaltkreis mit mehreren integrierten Operationsverstärkern...


Integrierter Schaltkreis.


Inzwischen hat sich herausgestellt, das ein geeignetes Signal nur direkt am Detektorröhre ausgekoppelt werden kann. Deshalb habe ich das Detektor-Verbindungskabel in der Mitte vorsichtig aufgeschnitten. Der Kabelmantel wird auf eine Länge von etwa 15cm entfernt, ohne das Kabel vollständig zu trennen. Unter dem Kabelmantel befindet sich eine Abschirmung aus Kupfer. Diese kann rundum aufgeschnitten und beidseitig über den Kabelmantel geschoben werden. Nun liegen die noch verbundenen und isolierten Adern frei. In der Mitte gibt es eine Ader, welche noch mal extra abgeschirmt ist. Genau diese Ader ist die Signalleitung, welche die Impulse von der Röhre in den Verstärker führt. Hier lässt sich eine Anzapfung anbringen, welche das Signal innerhalb eines Aluminiumgehäuses an eine BNC-Buchse führt. Von dieser BNC-Buchse können nun die analogen Impulse von der Röhre direkt auf einen Vielkanalzähler (Multichannel-Analysator) geleitet werden.  

INFO-BOX

Multi-channel analyser   (MCA)

Pulse amplitude analyser sorting the pulses of energy-proportional detectors according to the amplitude and thus the radiation energy and recording them in the corresponding channel. Multi-channel analysers have more than 8,000 channels


Einen ersten Schaltungsentwurf für einen simplen Vielkanalzähler zeigt das nächste Bild:

Schaltungsentwurf für Vielkanalanalyser
Bild3: Schaltungsentwurf für einen Vielkanalanalysator.

Beschreibung der Schaltung nach Bild3: 

Die von der Röhre ausgekoppelten analogen Impulse werden zunächst auf einen Spitzenspannungsspeicher und einen Schmitt-Trigger geleitet. Der Spitzenspannungsspeicher hält den Maximalwert des Impulses fest. Der Schmitt-Trigger erzeugt gleichzeitig einen Zählimpuls. Maximalwert und Zählimpuls werden auf passende Eingangsports eines C-Control-Microcomputers geleitet. Sobald am Wandler-Eingangsport des Mikrocomputers einen Zählimpuls anliegt, wandelt der A/D-Wandler den am Ausgang des Spitzenspannungsspeichers vorliegenden Spannungswert in einen Digitalwert um. 

Der C-Control-Basic-Computer besitzt einen 8-Bit A/D-Wandler. Das Spektrum kann also auf  512 Kanäle verteilt werden. Sobald  A/D-Wandlung und Impulszählung abgeschlossen sind, wird der Spitzenspannungsspeicher wieder auf Null gesetzt und wartet auf den nächsten analogen Impuls. Dieser Vorgang wiederholt sich nun nach jedem von der Röhre kommenden analogen Impuls so lange, bis ein genügend gut aufgelöstes Spektrum vorliegt. Alle Zählergebnisse werden per RS232-Schnittstelle an einen PC übertragen. Der PC dient der weiteren Datenaufbereitung und ist für eine grafische Darstellung der Messergebnisse vorgesehen.  

Es handelt sich hier um ein erstes einfaches Schaltungskonzept, welches in der praktischen Erprobung noch überbessert werden soll. Die Signalverarbeitung des Mikrocomputers ist vergleichsweise langsam. Da es jedoch darum geht bei niedrigen Impulsraten  in der Nähe der natürlichen Hintergrundstrahlung ein Spektrum zu erzeugen, dürfte die Signalverarbeitung des C-Control-Mikrocomputers für diese Anwendung genügend schnell sein.

Während der Versuche mit der Gamma/Beta-Sonde kommt leider die Ernüchterung. Die Energieauflösung und Empfindlichkeit der Sonde sieht sehr suboptimal aus. Möglicherweise enthält die Sonde einen Plastikscintillator. Ein Austausch des Scintillators erscheint mir wegen des damit verbundenen Aufwandes nicht lohnend.

Der RAM63 ist demnach zum Ausbau zu einem Gamma-Spektrometer kaum geeignet. Der weitere Ausbau des begonnenen Schaltungskonzeptes geschieht deshalb nur noch für Übungszwecke.

Das nächste Bild4 zeigt eine verbesserte Schaltung  der analogen Vorstufe. Der Ausgang OUT1 liefert die Spannung Ua für den A/D-Wandler der digitalen Einheit (z.b. C-Control-Basic Einheit). Der Ausgang Z1  liefert den Zählimpuls für den A/D-Wandler und kann alternativ auch auf einen schnellen Universalzähler gelegt werden. Mit dem Trimmpoti P1 wird die untere Schwellenspannung für die Impulsverarbeitung  justiert.

Schaltungsentwurf Signalverarbeitung für Gamma-Spektrometer Eigenbau
Bild4 :  Vorstufe eines Gamma-Spektrometers oder Scintillation-Zählers
             
YB-Mini-MCA-Schaltungsentwurf

Beschreibung der Schaltung nach Bild4 : Die analogen Impulse von der Röhre gelangen über IN auf den Eingang des ersten OpAmps.  Die beiden 3140 OpAmp bilden den Spitzenspannungsspeicher. Im Gegensatz zum Schaltungsentwurf nach Bild3 wurde der Spitzenspannungsspeicher hier für negative Impulsamplituden ausgelegt. Der 680 pF Kondensator bildet den eigentlichen Speicher, der das Signal eine kurze Zeitspanne hält.  Die Entladung geschieht innerhalb etwa  5 Millisekunden über den 5MOhm Widerstand. Es folgt ein Invertierender Verstärker, welcher mit einem LM741 aufgebaut ist. Er verstärkt das Signal und setzt es positiv um. Eine nachfolgende Siebung mit einem 100 Ohm -Widerstand und 47nF Kondensator sorgt noch mal für eine leichte Glättung. Dieses Signal wird nun auf den Ausgang OUT1 geführt und kann von einem A/D Wandler in einen Digitalwert umgewandelt werden.  Über einen weiteren Weg wird das Signal OUT1 auf einen weiteren LM741 OpAmp und über einen Schmitt-Trigger geleitet. LM741 und der Schmitt-Trigger bilden zusammen einen Komparator. Dieser sorgt für den Zählimpuls am Ausgang Z1.

Hier ist eine Besonderheit, denn die Breite des Zählimpulses an Z1 ist eine Funktion der Amplitude des Eingangssignals IN . Eine Umsetzung  dieser Impulsbreite in eine Frequenz ist am Ausgang Z2 realisiert. Der Ausgang Z2  kann ebenfalls wie Z1 direkt auf einen Universalzähler gelegt werden. Z2 liefert eine weitgehend Energieproportionale Frequenz und ist sogar kalibrierbar. Die Kalibrierung  geschieht mit P2. 

Im Unterschied zu dem ersten Schaltungsentwurf nach Bild3 befindet sich der Komparator am Ende des Signalweges. Auch wurde auf ein besonderes RESET-Signal verzichtet. Die Entladung des Speicherkondensators geschieht hier sofort mit einer Zeitkonstante von knapp fünf Millisekunden.  Das bedeutet, das ein an OUT1 nachfolgender A/D-Wandler das Signal in weniger als 1 Millisekunde in einen Digitalwert gewandelt haben sollte.

Vorstufe für Vielkanalzähler, realisierte Schaltung
Bild5:  Vorstufe für den Vielkanalzähler,  die realisierte Schaltung.

Das Bild5 zeigt die erste Vorstufe als fertige Experimental-Schaltung so wie ich diese auf einer Lochrasterplatte realisiert habe. Es sind noch einige wenige Extras auf der Platine, welche im Schaltplan nach Bild4 nicht dargestellt wurden. Die vielen kleinen grauen Kondensatoren z.B. sind lediglich zusätzliche Siebkondensatoren für die positive und negative Versorgungsspannung direkt an jedem OpAmp-IC-Beinchen. Auf die Darstellung solcher fast selbstverständlichen Schaltungsdetails im Schaltplan Bild4 habe ich zu Gunsten der Übersichtlichkeit verzichtet.

Zunächst habe ich die Schaltung als Vorstufe für einen Universalzähler eingesetzt. Erste Zählversuche mit verschiedenen natürlichen Gamma-Strahlenquellen und einem Universalzähler am Ausgang Z1 bzw. Z2 lassen mich keine besonderen Vorteile des Scintillationszählers  im Vergleich zu GM-Zählern erkennen. Ganz im Gegenteil reagiert ein GM-Zähler sogar sehr empfindlich auch auf  Beta-Strahlung. Dies kann unverzichtbare Vorteile haben. Auch sind GM-Zähler viel einfacher realisierbar, als ein Scintillatonszähler. Deshalb möchte ich nur noch sehr begrenzte Zeit in einen weiteren Ausbau des RAM63 zu  einem Spektrometer investieren.

CS-137-Aktivität bestimmen mit GM-Zähler statt mit Scintillator...
Zur Zeit geht es mir darum die Cs137-Aktivität in Lebensmittelproben möglichst genau und mit einfachsten Mitteln zu messen.  

Soll eine Stoffprobe untersucht werden, die nur ein einziges radioaktives Nuklid enthält, dann kann sich die Messung der Aktivität mit einem GM-Zähler durchaus sehr viel einfacher und kostengünstiger gestalten, als dies mittels Spektrometer möglich ist. Es kann dann häufig die GM-Zähler-Impulsrate durch einfache Multiplikation mit einem auf das Nuklid angepassten Kalibrierfaktor in eine Aktivität umgerechnet werden. Enthält die Probe jedoch ein Nuklidgemisch aus mehreren verschiedenen radioaktiven Substanzen, dann ist eine getrennte Messung der verschiedenen Aktivitäten nicht mehr trivial. Je mehr verschiedene radioaktive Nuklide eine Probe enthält, desto schwieriger wird eine getrennte Bestimmung der in der Probe enthaltenen radioaktiven Aktivität.
 
Soll eine Stoffprobe mit einem Nuklidgemisch untersucht werden, welches nur die zwei Nuklide K40 und Cs137 enthält, kann ein normaler GM-Zähler für den Hausgebrauch jedoch noch ausreichend genaue Ergebnisse liefern.

Deshalb möchte ich auch zeigen, auf welche Weise mittels eines ganz normalen GM-Zählers und einer kleinen Plexiglasscheibe sogar an Lebensmittelproben mit hohem natürlichem Kaliumgehalt (z.B. Waldpilze) eine Cs137-Aktivität (sofern in der Probe enthalten) näherungsweise gemessen werden kann, ohne das dazu die Probe chemisch vorbehandelt werden muss und auch ohne das dafür die Gamma-Spektrometrie zum Einsatz kommen muss.

Erste Hinweise zu  Cs137-Aktivität messen mit dem Geiger-Müller-Zähler sind im Geigerzähler Forum zu finden.

Jedoch bin ich neugierig, und deshalb hab ich nun doch schon eine C-Control/Basic Platine mit Starterboard in der Bastelkiste gefunden und diese mit ein paar Drähten mit der ersten Vorstufe verbunden.

Das Ergebnis sieht so aus:  
Kleines Gamma-Spektrometer basteln mit RAM63 und C-Control/Basic-System
Bild6: Erweiterter Experimentalaufbau für YB-Mini-MCA,
           Gamma-Spektrometer mit C-Control/Basic-System

Mit dem PC-Speicheroszilloskop ScopeDAQ sind schon sehr vielversprechende Signalverläufe darstellbar. Die nächsten Bilder zeigen Signalverläufe die ich an den verschiedenen Eingängen und Ausgängen der Schaltung gemessen habe.  

1. Oszillogramm zum Eigenbau MCA
IN
(Signal direkt von RAM63-Sonde kommend): BLAU 
OUT01
:  ROT

2. Spektrogramm zum Eigenbau MCA
OUT01 : ROT  
Z1
: BLAU

3. Oszillogramm zum Eigenbau MCA
OUT01 : ROT
Z2: BLAU
  
Die erste Vorstufe erzeugt an den Ausgängen  Z1 und Z2 Signale, die mit schnellen Universalzählern gezählt werden können. Die weitere Signalverarbeitung des Signalausgangs OUT01 und die Darstellung der Zählergebnisse soll jedoch vornehmlich nicht mit schnellen Universalzählern durchgeführt werden, sondern wie geplant mit einem C-Control/Basic-System in Verbindung mit einem PC. Deshalb ist im Anschluss an die erste Vorstufe eine zweite Vorstufe nötig, welche die Signale nun passend für den gemächlichen C-Control-Computer umsetzt.

Und hier ist auch noch das Schaltbild der zweiten Vorstufe.
Schaltbild der zweiten Vortufe für den Selbstbau MCA
Bild7: Zweite Vorstufe von meinem Selbstbau-MCA

Die Zweite Vorstufe zu dem Eigenbau-MCA ist wieder sehr simpel realisiert. Der analoge Spannungsausgang OUT01 von der ersten Vorstufe gelangt zunächst auf einen Spitzenspannungsspeicher (zwei 741). Auch der von Z1 kommende Zählimpuls wird auf diese zweite Vorstufe geleitet und um etwa 20ms verzögert. Nach dieser Zeit  wird der Spitzenpannungsspeicher aktiv entladen. Die Entladung geschieht über den 470 Ohm Widerstand und Transistor. Während dieser 20 mS hat der nachgeschaltete C-Control-Computer den am Ausgang OUT02 bereitgehaltenen Spannungswert digitalisiert und diesen digitalisierten Spannungsmesswert an einen PC übertragen. Nachdem dann auch der Spitzenspannungsspeicher aktiv entladen wird, kann sich der Vorgang sofort wiederholen. Jedoch wegen dieser 20ms Verzögerung , beträgt die Grenzfrequenz der zweiten Vorstufe etwa 25 Herz. Soll die Grenzfrequenz erhöht werden, ist über einen weiteren Signalweg vom C-Control-System kommend  eine vorgezogene Entladungsmöglichkeit für den Fall vorgesehen, das der Computer schneller als in 20 mS mit Wandlung und Übertragung der Daten fertig wird. Für die Erzeugung eines Gamma-Energie-Spektrums in natürlicher Umwelt, an Lebensmitteln und auch für Messungen an stärker radioaktiven Gesteinsproben (z.b. Pechblende) ist die Grenzfrequenz des Systems zwar knapp bemessen aber ausreichend um mir, in Verbindung mit einer geeigneten Sonde, sehr genaue Messergebnisse zu ermöglichen.

Das letzte Oszillogramm zeigt in der blauen Kurve die Zeitdauer, welche das C-Control-System benötigt, um vier A/D-Wandlungen nacheinander  und die Übertragung des Digitalmesswertes über die RS232-Schnittstelle an den PC durchzuführen. Recht genau 20 Millisekunden nach dem von der Röhre kommenden analogen Impuls ist das System mit der gesamten Impulsverarbeitung fertig und wartet auf den nächsten Impuls.

4. Oszillogramm zum Eigenbau MCA
OUT01:  ROT  
Von C-Control LED-Ausgang: BLAU


Und hier ist auch das kleine Basic-Programm "VIELKA01.BAS", für die C-Control-Unit.
'**************************************
'
' C-Control/BASIC       VIELKA01.BAS 
'
' Aufgabe:
'
' - Vielkanalzähler für Gamma-Spektrometrie
' - ein analoger Eingang
' - ein digitaler Trigger-Eingang
' - kontinuierliche RS232 Datenübertragung an den PC
' - ein digitaler Kontroll-Ausgang (LED)
'**************************************
' --- Definitionen --------------------

define AD1 AD[1]  'A/D-Wander-Eingang kommt an OUT02 (zweite Vorstufe)
define A Word
define B Word
define C Word
define D Word
define ERG Word
define RELAIS1 port[1]
define RELAIS2 port[2]
define TRIGGER port[11] 'TRIGGEREINGANG vom Ausgang Z1 (erste Vorstufe) kommend'
define LED01   port[3]  'Kontroll-LED-Messvorgang'

' --- Programmoperationen -------------

'Übertragungsgeschwindigkeit der RS232 Schnittstelle einstellen

BAUD R9600

'für den Fall das sich auf dem Starterboard zwei Relais befinden, werden diese 'zunächst stromlos geschaltet
 
RELAIS1=0
RELAIS2=0
 
'nun beginnt das kleine Programm

#Anfang
if TRIGGER=0 then goto Anfang

LED01=1 'Kontroll-Ausgang High sobald Messvorgang startet'
A=AD1 'nun drei A/D-Wandlungen nacheinander
'LED01=0
'LED01=1
B=AD1
'LED01=0
'LED01=1
C=AD1
'LED01=0
'LED01=1
D=AD1
ERG=A
if B>ERG then ERG=B
if C>ERG then ERG=C
if D>ERG then ERG=D
print ERG 'Datenübertragung MAXIMUM von vier Digitalmesswerten an PC'
LED01=0  'Kontrollausgang LOW sobald Messvorgang beendet'
#lbl1
if TRIGGER=1 then goto lbl1
goto Anfang

Damit ist die technische Beschreibung von meinem ersten Eigenbau MCA beendet. Die beschriebenen Schaltungen sind soweit vollständig Jedenfalls hoffe ich , das ich nichts vergessen habe. Verbesserungen sind natürlich immer auch möglich. Z.b. könnte für die Spitzenspannungsspeicher eine verbesserte Schaltung eingesetzt werden (siehe z.b. Halbleiter-Schaltungstechnik Tieze-Schenk). Jedoch ist die beschriebene Schaltung nun erprobt und läuft sehr gut. Hiermit ist sehr übersichtlich ein funktionierendes Prinzip für einen Eigenbau-MCA gezeigt. Sogar nach längerer Zeit Mess-Erfahrung mit diesem Gerät bin ich sehr zufrieden.

Sollen außer Lebensmittel auch stärkere Strahlenquellen gemessen werden, dann  macht sich der recht langsame C-Control-Basic Computer allerdings schon störend bemerkbar. Eine Impulsrate bis maximal 25 CPS ist nicht sehr konfortabel. Verschiedene Sonden liefern dies allein als Nullrate. Ohne Schirmung ist deshalb häufig nur an schwach strahlenden Quellen ein brauchbares Messergebnis möglich.  Für Lehrzwecke und Messungen an Lebensmitteln , welche möglichst unbelastet sein sollten, reicht die Verarbeitungsgeschwindigkeit eines C-Control-Basic für diesen Zweck  grade noch aus. Inzwischen gibt es auch schon weiter entwickelte Versionen des C-Control-Systems, welche in Verbindung mit dem hier gezeigten MCA-Schaltungsvorschlag bezüglich Verarbeitungsgeschwindigkeit, komfortablere Messungen ermöglichen.

Hier gibt es nun mein erstes spektrale Messergebnis, welches ich mit meinem Selbstbau MCA in Verderbindung mit der RAM63-Gamma/Beta-Sonde an 250 Gramm KCl aufgenommen habe.

Ergebnis-KCl-Spektrum gemessen mit einem Plastik-Scintillator ( RAM63 Gamma-Sonde)
Bild8: Das erste Ergebnis ist ein KCl-Gamma-Spektrum, gemessen mit Ram63-Gamma/Beta-Sonde an 250g KCl

Der C-Control/Basic-Computer hat leider nur einen 8-Bit A/D-Wandler, so kann das Spektrum mit einer einzigen A/D-Wandlung auf nur 256 Kanalnummern aufgelöst werden. Um ein Spektrum mit 1024 Kanalnummern, wie im Bild8 dargestellt wurde,  zu erzeugen wurden vier A/D-Wandlungen nacheinander durchgeführt und die Summe der vier Digitalwerte an den PC übertragen. Auf diese Weise entstand das Bild8-Spektrum mit 1024 Kanalnummern.  Ich denke jedoch, das die Grenzen der eingesetzten Technik sich auch in den Ergebnissen deutlich wiederspiegeln dürfen, so das ich im Folgenden mit dem C-Control-Computer auch nur ein auf 256 Kanalnummern aufgelöstes Spektrum erzeugen werde. Die vier A/D-Wandlungen werden jedoch beibehalten. Allerdings wird ab jetzt nicht die Summe aus vier Messungen an den PC übertragen, sondern das MAXIMUM aus den vier Wandler-Ergebnissen wird an den PC übertragen. Auf diese Weise entstand das Spektrum meiner  Waldpilzprobe...

Spektrum einer Waldpilzprobe mit der RAM63 Gamma/Beta-Sonde gemessen 
Bild9: Gamma-Energie-Spektrogramm einer Waldpilzprobe gemessen mit meinem Eigenbau-MCA in Verbindung mit meiner RAM63-Gamma/Beta-Sonde

Die beiden roten Linien markieren auf der x-Achse die Positionen wo ich theoretisch die Gamma-Spektrallinie von CS137 (hier auf Kanalnummer 65) und die Spektrallinie von K40 (hier auf Kanalnummer 144)  erwarte. Wohl zufällig hatte ich die Verstärkung am 1MOhm Poti  (siehe das unbezeichnete Poti rechts neben dem 47nF Kondensator im Schaltungsentwurf Bild4) so justiert, das die Ziffernfolge der Kanalnummer fast exakt den Wert der Gamma-Quantenenergie des eingefangenen Teilchens wiedergibt. Sehr schön und deutlich ist bei Kanalnummer ca. 144 ein Kalium-Peak erkennbar, welcher sich deutlich vom Backgr. abhebt.

Mit meinen ersten Ergebnissen bin ich ganz zufrieden, denn es zeigt mir, das es mir technisch möglich ist, mit dem so umgebauten Gerät nun ein Gamma-Energie-Spektrum zu messen. Eine Überraschung für mich ist, das eine Aktivität von Cs137 in dem Waldpilz-Spektrum (Bild9) nicht in Erscheinung tritt. Das vorhanden sein einer Cs137-Aktivität in der gemessenen Pilzprobe kann ich an diesem Messergebnis nicht ablesen. 

Cäsium-137 zerfällt nach Angaben die ich in der Literatur gefunden habe, mit einer Wahrscheinlichkeit von 94,6% über den Ba137m Zerfallskanal und mit einer Halbwertszeit von etwa 30 Jahren. Es entsteht das instabile Nuklid Ba137m. Dieses zerfällt mit einer Wahrscheinlichkeit von 85% und mit einer Halbwertszeit von knapp 3 Minuten unter aussenden eines Gamma-Quantes mit der Energie 662KeV zu Ba137. Eine grafische Darstellung der Zerfallswege von Cs137 zeigt das nächste Bild:

Dieses Bild wird momentan wegen eines FEhlers nicht angezeigt
Bild9a: Zerfallswege von Cs137

 
Pilze enthalten einen sehr hohen Anteil an natürlichem Kalium. Natürliches Kalium wiederum enthält geringe Mengen radioaktives K40. Radioaktives K40 ist in geringen Konzentrationen praktisch überall auf der Erdoberfläche verbreitet. Die natürliche K40-Aktivität darf also in den Pilzen enthalten sein und dessen Anteil soll hier nicht näher untersucht werden. Diese muss deshalb vom Messergebnis der Gesamtaktivität abgezogen werden. Die natürliche K40-Aktivität dieser getrockneten Pilzprobe (20 Gramm getrocknete Pfifferlinge) lässt sich anhand des natürlichen Kaliumgehaltes von dieser Pilzsorte recht exakt angeben und kommt auf 1600 Bq/Kg. Der Messwert für die Gesamtaktivität der Pilzprobe, gemessen mit dem YB-Mini-Monitor, ist jedoch mit etwa 2800Bq/Kg weit grösser.

Offensichtlich enthält die Probe einen Überschuss an Radioaktivität über dem was natürlich zu erwarten ist. Der Überschuss rechnet sich zu 2800-1600 =1200 Bq/Kg bezogen auf Kalium. Soll der Überschuss auf  Cs137 bezogen werden , so rechnet sich dies  zu 1200 Bq/Kg *1,5 =  1800 Bq/Kg  Aktivität bezogen auf Cs137.

Ein solch hoher Wert Cs137 Aktivität zusätzlich neben der natürlichen K40 Aktivität wird sich in einem Gamma-Energie-Spektrum deutlich bemerkbar machen. In meinem spektralen Ergebnis von der Pilzprobe ist davon jedoch nichts erkennbar.  So das ich zu dem Schluss kommen muss, das diese Pilzprobe kein Cs137 enthält bzw. eine evtl. doch vorhandene Cs137 - Aktivität in dieser Probe unterhalb der Nachweisgrenze meines Messgerätes liegt.

Der Anteil von K40 verschiedener Aktivitäten in dieser Pilzprobe ist deshalb unbestimmt.  

Wegen dem sehr hohen Überschuss an Radioaktivität in dieser Pilzprobe über jener des  natürlichen Kaliums , hatte ich eine deutlich ablesbare Cs137 Aktivität im Spektrum der Pilzprobe erwartet, welche aus Rückständen des Tschernobyl-Reaktor-Unfalls im Jahr 1986 stammen sollten. Natürlich ist es eher angenehm, wenn solche Rückstände in Pilzen, welche im Jahr 2007  gesammelt wurden, nicht  mehr nachweisbar sind.

Um mir mehr Klarheit über die Leistung meines Gamma-Spektrometers zu verschaffen  möchte ich im Folgenden einige Beispielspektren verschiedener Materialien mit diesem Gerät aufnehmen und mit Spektren vergleichen, wie diese uns aus dem Physikunterricht bekannt sind. Eine schöne Lehrseite mit verschiedenen  Gamma-Spektren habe ich auf einer Seite    g-Spektroskopie  gefunden.

Auf dieser Seite wird u.a. auch ein Gamma-Spektrum von Uranerz  dargestellt:

Diese Grafik kann momentan nicht angezeigt werden
Um dieses Beispiel mit einem eigenen Messergebnis zu vergleichen,  habe ich ein kleines Stück 0,5 Gramm Erzprobe unter die Sonde meines RAM63-Spektrometers gelegt und das Spektrum dieser Erzprobe mit dem beschriebenen Messgerät ermittelt.  
Foto wird wegen eines Fehlers momentan nicht angezeigt
Eine kleine 0,5 Gramm Erz-Probe (auch "Mausauge" genannt) in einer Plastikbox

Das nächste Bild zeigt das an dieser Probe mit meinem Spektrometer gemessene Ergebnis. Das Ergebnis (roter Kurvenzug) berechnet sich aus dem Probe+Backgr-Spektrum. (schwarzer Kurvenzug) abzüglich Backgr.-Spektrum (grüner Kurvenzug) und abzüglich der näherungsweise berechneten Streuereignisse (Compton-Spektrum , grauer Kurvenzug).
Diese Grafik wird momentan wegen eines Fehlers nicht angezeigt
Bild10: Messergebniss (Spektrogramm) einer Erzprobe; gemessen mit RAM63-Gamma Sonde 

Nun habe ich noch vier verschiedene radioaktive Materialproben mit meinem Spektrometer ausgemessen und die Ergebnisse in der folgenden Grafik (Bild11) zusammengefasst. Das Bild11 zeigt Zählergebnisse nach eliminieren des Background und ausserhalb des Compton-Kontinuums zu vier verschiedenen radioaktiven Materialproben.
Das Bild wird wegen eines Fehlers momentan nicht angezeigt
Bild11: Ereignisse ausserhalb Compton-Kontinuum gemessen an vier unterschiedlichen radioaktiven Strahlenquellen mit der original RAM63 Gamma-Sonde.

In der Zwischenzeit habe ich nun zusätzlich als Test-Material eine Probe mit 27 Gramm  Kaliumchlorid mit der RAM63 Gamma-Sonde ausgemessen. Dieser Versuch dient vornehmlich studienzwecken. Ich möchte das Messergebnis für weitere Vergleichsmöglichkeiten dokumentieren.


Das folgende Bild gibt eine grafische Zusammenfassung der Ergebnisse von einer 27 Gramm Probe Kaliumchlorid (Test-Material).
Diese Grafik wird momentan wegen eines techischen Fehleres nicht angezeigt
 Bild12: Gamma-Spektrogramm von 27 Gramm Kaliumchlorid mit der original RAM63 Gamma/Beta-Sonde gemessen
           

Sehr schön hebt sich zwischen Kanalnummer 140 und Kanalnummer 150  (1,46MeV) der erwartete Kalium-Peak ab.  Im Energiebereich oberhalb 200 KeV kann ich bis auf diesen erwarteten Kalium-Peak keine weiteren Auffälligkeiten erkennen. Unterhalb 200 KeV sind jedoch besonders in den Backgr. Spektren sehr deutliche Peaks zu sehen. Diese auffälligen Messergebnisse unterhalb Kanalnummer 20 (200 KeV) scheinen auf  Verunreinigungen mit unbestimmten Nukliden hinzudeuten. Der Vergleich mit dem Spektrum einer Uranerzprobe (vergleiche Bild10) lässt mich vermuten, das Rückstände radioaktiver Erze, so wie diese im Erdinneren gefunden werden, in verschiedenen Materialien enthalten sein könnten.

Daraufhin habe ich alle an der Messung beteiligten Gegenstände mit dem Spektrometer einzeln untersucht. Es stellte sich heraus, das ein kleiner Probenbehälter aus Plastik, welcher das Test-Material enthielt, offenbar deutliche Strahlung im Energiebereich unterhalb 200 KeV abgab. Dies war mir bei Messungen mit einem handelsüblichen GM-Zähler vorher nicht aufgefallen.

Diese Erfahrung hat mich gelehrt, das es entscheidend für brauchbare Ergebnisse sein kann, auch den verwendeten Probenbehälter, sowie alles Schirmmaterial mit dem Spektrometer genau auf  Strahleneigenschaften zu untersuchen.
Nur so kann Hintergrundstrahlung weitgehend sicher eliminiert werden.

Der rote Kurvenzug im Bild12 zeigt nun das vom radioaktiven Hintergrund so weit wie möglich freie Spektrum von 27 Gramm Kaliumchlorid. Gemessen mit der original RAM63 Gamma/Beta-Sonde und mit geschlossenem Beta-Fenster. Die Darstellung Bild12 dokumentiert auch einzelne Rechenschritte. 

Die blaue Kurve zeigt das Messergebnis (Rohdaten) so wie es an der Probe entstanden ist. Das Spektrum vom Gamma-Hintergrund ist hier noch nicht eliminiert. In den nächsten Rechenschritten habe ich das Spektrum vom Gamma-Hintergrund und  näherungsweise berechnete Streuereignisse subtrahiert.
Das Ergebnis ist die rote Kurve. Wegen des geringfügig strahlenden Test-Materials sind Streuereignisse hier weitgehend vernachlässigbar und treten in den Kurvenzügen Bild12 nicht in Erscheinung. Deshalb ist hier das näherungsweise berechnete Compton-Spektrum über den gesamten dargestellten Energiebereich in der Nähe von Null.  

Weil der in der Sonde enthaltene Szintillator aus einem mir nicht näher bestimmbaren Material besteht, können alle hier dargestellten Ergebnisse nur Anregungen geben und Hilfestellung für einen Selbstbau sein. 


Baseline-Restorer
Im Geigerzähler Forum  habe ich einen weiteren Hinweis gefunden:
Zu einem Multichannel gehört unbedingt ein Baseline Restorer.
Irgendwo muß ich nämlich eine Koppel C reintun um den DC Offset
wegzukriegen. Der Koppel C sammelt aber Elektronen und je mehr Impulse
kommen, desto höher steigen sie.
Das führt dazu daß bei höherer Impulsrate das Spektrum nach links wandert und
dort niedrigenergetische Strahlung vortäuscht.
(Helmut Wabing )

Dieser Hinweis von Helmut Wabing ist sehr hilfreich. Denn im Bild12 ist schon deutlich zu erkennen, das sich die blaue Kurve leicht nach links gegenüber der grünen Backgr.Kurve verschoben hat. Selbst bei recht geringen Impulsraten in der Nähe der natürlichen Hintergrundstrahlung kann auf einen sog. Baseline-Restorer offensichtlich kaum verzichtet werden. Einen Schaltungsvorschlag von Helmut Wabing zum Baseline-Restorer gibt es im Geigerzaehler2 - Forum unter Dateien.

Der Koppel C ist der 47nF Kondensator zwischen dem OPAmp CA3140 und dem 1MOhm Trimmpoti (zu sehen im Schaltungsentwurf Bild4). Die unerwünschten Verschiebungen in den Spektren zeigen, das dieses Schaltungsdetail suboptimal dimensioniert ist. Der Koppel C soll die nach jedem Impuls angesammelten Elektronen möglichst schnell wieder abgeben.  Eine kleine Änderung  kann schon eine Verbesserung schaffen. Ich habe den Koppel-C nun durch einen 1µF Kondensator ersetzt und die Stufe mit 1KOhm abgeschlossen.(siehe Bild13)

Dises Bild wird wegen eines Fehlers momentan nicht angezeigt
Bild13: verändertes Schaltungsdetail
              (für die Vorstufe zum Selbstbau-MCA)  


Auch sollte für einen MCA unbedingt die Versorgungsspannungen des Detektors gut stabilisiert sein. Leider ist die entsprechende Elektronik im RAM63 wie bei dieser Art militärischer Geräte offenbar üblich, sehr suboptimal ausgelegt. 
Schaltungsbeschreibungen des RAM63 gibt es auf der Seite  http://www.chirio.com/ram63.htm zu sehen. Der Detektor benötigt neben einer Hochspannung zusätzlich eine Niederspannung von etwa -3V. Diese liegt am Detektor-Verbindungsstecker auf  Pin6. Bei steigenden Impulsraten ändert sich diese Spannung geringfügig. Dies kann die Qualität des vom MCA erzeugten Spektrums deutlich beinträchtigen. Die Röhrenversorgungsspannung muss unbedingt stabilisiert werden.  In der Eingangsstufe des RAM63 gibt es einen 20µF Kondensator C17. Ich habe extern eine Konstantspannungsquelle eingesetzt und zusätzlich einen 1000µF Kondensator. (siehe Bild14)
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Bild14: Schaltungsdetail zur Stabilisierung einer Niederspannung für die RAM63-Sonde

Die Ergebnisse erscheinen nun in einer deutlich besseren Qualität. Verschiebungen zwischen den Spektren sind nicht mehr zu erkennen. Bei Bedarf gibt es auch weitere Spektrogramme zu sehen.

Im nächsten Bild5 habe ich mal Sonden des RAM63 geöffnet dargestellt. Es sind die geöffneten Sonden von zwei Ram63 Geräten abgebildet. Hier wird klar, das diese älteren militärischen Geräte gleicher Bauart  ein sehr unterschiedliches Innenleben haben können, obwohl solche Unterschiede äusserlich nicht erkennbar sind.

Gamma/Beta-Szintillatoren aus dem RAM63
Bild5: Innenleben zweier Ram63 - Gamma/Beta Sonden
           mit RFT-Szintillator

Oben im Bild5 sowie Mitte rechts und Unten rechts ist die Sonde abgebildet, mit welcher die hier dargestellten Spektrogramme entstanden sind.

Nun komme ich  zurück auf die Waldpilzprobe, welche mir eine Freundin zu Anfang gebracht hatte.
Überhöhte Energiewerte einer radioaktiven Strahlung, welche auf den Inhalt von radioaktivem Cäsium bzw. dessen Tochternuklid Ba137 in der Pilzprobe deutet,  kann ich mit meinem Selbstbau- Spektrometer beim besten Willen in dieser Pilzprobe nicht vorfinden. Allerdings enthält die Pilzprobe Aktivitäten, welche mit dem natürlichen Kaliumgehalt von Pilzen nicht erklärbar sind. Anhand meiner spektralen Ergebnisse sieht es so aus, das die Pilze kaum bzw. kein Cäsium-137 enthalten, sondern vielmehr ganz andere radioaktive Substanzen enthalten könnten.

Vergleiche mit dem Spektrum einer Erzprobe, lässt mich vermuten das es sich um solche radioaktive Stoffe handeln könnte, so wie diese im Erdinnern vorgefunden werden. In Waldpilzen ist dies natürlicherweise nicht zu erwarten.

In verschiedenen Medien wird von Rückständen aus der Erdöl- und Erdgasindustrie berichtet, welche seit den 70er Jahren aus dem Erdinnern an die  Erdoberfläche gebracht und hier vorbei am Bewusstsein der Bevölkerung in großen Mengen verteilt wird. Mir selbst ist aufgrund Beobachtung der radioaktiven Strahlung in meiner Umgebung seit dem Jahre 2003 aufgefallen, das sich eine radioaktive Staubschicht in der Erdatmosphäre anreichern könnte und diese sich vermutlich Jahr für Jahr verdichtet. Auch ist mir aus verschiedenen Berichten bekannt geworden, das Atommülllager undicht werden können. Solche Berichte in Verbindung mit meinen eigenen Messergebnissen legt mir die Vermutung nahe, das außer Cäsium aus dem Tschernobyl-Unfall vielmehr radioaktiver Abfall aus verschiedenen Bereichen der heimischen Wirtschaft und Industrie in diese Waldpilze gelangt sein könnten. Berichten zufolge produziert die Öl- und Gasindustrie vor allem Abfälle mit dem hochgiftigen Radium 226 (Ra-226) . Dieses Nuklid gibt bei der spontanen Umwandlung zu Radon 222 (Rn-222) Gammaquanten mit der Energie 186KeV ab. Überhöhungen grade in diesem Energiebereich erscheinen mir in meinen Messergebnissen zu der Waldpilzprobe jedoch besonders auffällig. Das in dieser Pilzprobe enthaltene radioaktive Nuklid ist jedoch nach wie vor unbestimmt. 

Aufgrund dieser Ergebnisse und alarmierenden Berichte erhöhe ich den Multiplikationsfaktor, welchen ich zur Umrechnung für Meine Geigerzähler Messergebnisse verschiedener radioaktiv auffälliger Lebensmittel  in eine Mindestaktivität einsetze, von Multiplikationsfaktor g=1.5 (Nuklid 137Cs) auf den Multiplikationsfaktor g=5 (Nuklid unbestimmt). Auf diese Weise wird die Aktivität nicht zu niedrig eingeschätzt und ich liege bei der Einschätzung der Aktivität auf der sicheren Seite.

Diese Vorgehensweise erscheint mir angemessen in Anbetracht, das ich auffällige Gamma-Energieen um 662KeV , welche auf radioaktives Cäsium deutet, in der Waldpilzprobe nicht nachweisen konnte. Stattdessen deuten meine Messergebnisse vielmehr auf überhöhte Gamma-Strahlung im unteren Energiebereich in der Nähe von 186 keV . 

Fazit:

Die von der natürlichen Kalium-Aktivität verschiedene Mindestaktivität
dieser untersuchten getrockneten Pilzprobe schätze ich auf ca. :    
6300 Bq/Kg.

Nach meinen Erkenntnissen beinhaltet die Probe eine Mischung aus verschiedenen radioaktiven Substanzen, deren separate Bestimmung nicht trivial ist.

Cäsium-137 bzw. Ba137m ähnliche radioaktive Strahlungen konnte ich mit dem RFT-Szintillator nicht nachwiesen. Es sieht so aus, das diese Pfifferlinge  praktisch nicht vom Tschernobyl-Fallout belastet sind. Jedenfalls liegt die Belastung durch Cs-137 unterhalb der Nachweisgrenze meines Messgerätes. Da der Tschernobyl-Unfall nun schon 30 Jahre zurückliegt und mir keine weiteren solcher Unfälle innerhalb der letzten 30 Jahre bekannt geworden sind, erscheint mir dieses Ergebnis plausibel.

Die alarmiernd hohe von Kalium verschiedene Aktivität, welche ich anhand Messungen mit dem Geiger-Müller Zähler und dem Spektrometer  in dieser Pilzprobe vorgefunden habe, könnte demnach von radioaktiven Substanzen stammen, welche entweder auch im Tschernobyl-Fallout  enthalten waren oder auf anderem Wege auf den Waldboden gelangt sind und wurden dort von den Pilzen aufgenommen. 

Um welche radioaktiven Substanzen es sich hierbei genau handelt, kann ich meinen Messergebnissen nicht entnehmen. Aufgrund der Energieverteilung, welche ich aus Spektrometer-Messergebnissen ablese, vermute ich in dieser Pilzprobe u.a. solche radioaktiven Stoffe, welche beim spontanen Zerfall Gamma-Quanten mit Quantenenergien um 100 KeV bis 400 KeV abgeben. Hierzu sind mir bekannt : Radium, Uran , Thorium.   Auch weitere unbestimmte radioaktive Inhaltsstoffe sind möglich, welche zwar von den Messgeräten registriert werden, jedoch Strahlung ausserhalb des  erwarteten Spektralbereichs abgeben.  Mein Eindruck ist, das betreffend Radioaktivität in dieser Pilzprobe mit einem einfachen Hinweis auf radioaktives Cäsium aus dem Tschernobyl Unglück die volle Wahrheit nicht benannt werden kann.  

Bitte haben Sie Verständnis dafür, das ich nicht die optimalste Lösung präsentieren kann. Es freut mich jedoch wenn Sie Spaß am Eigenbau haben und hier Anregungen dazu finden konnten und die eine oder andere Idee umsetzen möchten.  In der nächsten Zeit werde ich mich weiter mit dieser Thematik befassen.

Für Fragen, Anmerkungen und Verbesserungsvorschläge bin ich jederzeit dankbar und erbitte diese an  meine e-mail

Weitere Informationen zu Umweltmesstechnik und Umweltradioaktivität ,
Literaturverweise:

Strahlende Ölquellen (Strahlende Quellen)
Radioaktive Rückstände (NORM-Stoffe) aus Erdgas- und Erdölindustrie. Ein Artikel in drei Teilen von Jürgen Dröscher , erschienen am 17.12.2009 im WDR5
Der Artikel in drei Teilen:                          Dieses Bild wird momentan wegen eines Fehlers nicht angezeigt

Gamma-Spektroskopie
Gamma-Spektroskopie von Raumluft-Proben
Strahlende Quellen
Radioaktive Abfälle aus der Erdöl- und Erdgasförderung
Schweigen über den radioaktiven Abfall
Strahlende Quellen
Themen Wirtschaft und Radioaktivität

Informationen zu Radionukliden
Gamma-Spektroskopie und Statistik
Freigrenzen für Radionuklide in typischen Schulpräparaten

Wohin mit dem Atommüll ?             

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(letzte Textänderung auf dieser Seite : 02.06.2011)