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.
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
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...
.
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:
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.
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.
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:
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.
IN (Signal
direkt von RAM63-Sonde kommend): BLAU
OUT01 : ROT
OUT01 : ROT
Z1: BLAU
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.
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.
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.
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...
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:
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:
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.
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).
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.
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).
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)
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)
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.
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:
|
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
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(letzte Textänderung auf dieser Seite :
02.06.2011)
