Raspberry Pi Geigerzähler bauen – Open-Hardware Strahlungssensor Tutorial

Inhaltsverzeichnis

• Manifest
• Das Board
• Das Geiger-Müller-Röhrchen
• Strahlungsarten
• Unterstützte Geiger-Röhrchen
• Testquellen
• Aktuatoren
• Von CPM zu Sievert
• Quellcode
• Schaltplan
• Mitmachen
• Kaufen
• Links und Dokumentation

HINWEIS: Alle Codebeispiele in diesem Tutorial nutzen die arduPi Library. Dokumentation und Download im Repository.

Manifest

Zweck des Radiation Sensor Board für Raspberry Pi ist es, Einzelpersonen in Japan – und weltweit – zu ermöglichen, Umgebungsstrahlungswerte unabhängig zu messen, nach dem Fukushima-Nuklearunfall im März 2011. Durch Kopplung eines erschwinglichen, benutzerfreundlichen Raspberry Pi mit einem Open-Hardware-Sensorboard erhalten Nutzer Echtzeit-Messwerte von spezifischen Orten, statt sich ausschließlich auf externe Ratschläge zu verlassen. Die erste Charge wurde kostenlos an den Tokyo Hackerspace und andere lokale Gruppen geliefert, um Community-Bemühungen zu unterstützen.

Sowohl das Hardware-Design des Boards als auch seine Firmware stehen unter GPL, was unser Engagement für Open-Source-Prinzipien und wissenschaftliche Transparenz widerspiegelt.

— Das Libelium Team, April 2011

Das Board

Das Board unterteilt sich in zwei funktionale Sektionen: eine Hochspannungsversorgung (400–1000 V) für das Geiger-Müller-Röhrchen und eine Signalaufbereitungsschaltung, die die elektrischen Impulse des Röhrchens in ein für Mikrocontroller geeignetes Format wandelt.

Einmal mit Strom versorgt, emittiert das Röhrchen einen kurzen Stromimpuls für jedes detektierte ionisierende Ereignis. Der Mikrocontroller zählt diese Impulse; 10 Sekunden zählen und mit 6 multiplizieren ergibt Counts per Minute (CPM). Laut Röhrchen-Datenblatt wird CPM dann durch den Umrechnungsfaktor (360 für Standard-Röhrchen) geteilt, um eine Dosisleistung in Mikrosievert pro Stunde (µSv/h) zu erhalten.

Je nach speziellem Röhrchen müssen Sie den Umrechnungsfaktor eventuell anpassen. Verschiedene Werte testen und berichten, welche Kalibrierung die genauesten Ergebnisse liefert.

Die Board-Elektronik lässt sich in fünf Komponenten zerlegen:

1. Hochspannungsversorgung

   Dieses Modul nutzt einen oszillatorgetriebenen Spannungsmultiplikator aus Dioden, Transistoren, Widerständen und Kondensatoren (siehe Schaltplan). Er generiert 500 V für das Röhrchen, mit optionalen Zener-Dioden in Reihe, um die Ausgangsspannung bei Bedarf zu erhöhen.

2. Signalaufbereitung

   Ein NPN-Transistor wandelt den Geiger-Röhrchen-Impuls in ein sauberes Logiksignal um, das einen Mikrocontroller-Interrupt triggert. Derselbe Transistor treibt auch Piezo-Summer und LED-Indikator für akustisches und visuelles Feedback an.

3. Piezo-Summer und LED-Indikator

   An die Aufbereitungsschaltung angeschlossen; jeder detektierte Impuls lässt die LED blinken und den Summer klicken.

4. LCD-Display

   Das 16×2 LCD wird über einen 4-Bit-Parallebus (RS, EN, RW und vier Datenleitungen) angebunden. Es zeigt Echtzeit-CPM und Dosisleistung an.

5. LED-Leiste

   Eine Leiste aus fünf LEDs (drei grün, zwei rot) bietet schnellen visuellen Eindruck der Strahlungsintensität. Jede LED wird über einen Digitalpin mit Vorwiderstand angesteuert.

Radiation Board an Raspberry Pi anschließen

Das Board verbindet sich mit dem Raspberry Pi über ein Standard-Arduino-Shield-Interface. Stromversorgung kommt vom 5 V Pin des Pi, Impulszählung erfolgt am GPIO Pin 2 des Pi, konfiguriert als Interrupt-Input.

Das Geiger-Müller-Röhrchen

Ein Geiger-Müller-Röhrchen enthält ein Niederdruckgas (≈0,1 atm) – üblicherweise Neon – mit dünnem organischem oder Halogen-Dampf. Die Kathode ist die metallische Wand, die Anode ein dünner Draht entlang der Mitte. Ein hohes Potential (~500 V) wird zwischen diesen Elektroden angelegt, was ein starkes elektrisches Feld erzeugt.

Tritt ionisierende Strahlung in das Röhrchen ein, ionisiert sie das Gas, erzeugt freie Elektronen und positive Ionen. Die Elektronen werden zur Anode beschleunigt, initiieren eine Lawine weiterer Ionisationen. Diese Kaskade produziert einen kurzen, hochstromigen Impuls, der von der Ausgangsschaltung detektiert wird.

Strahlungsarten

• Alpha

  Alphateilchen (Heliumkerne, +2 Ladung) sind dicht und dringen nicht mehr als wenige Millimeter Luft oder ein Blatt Papier ein. Sie bergen minimales externes Risiko, können aber bei Inkorporation gefährlich sein, da sie Gewebe von innen schädigen. Viele Geigerzähler detektieren Alphastrahlung nur durch dünne Mica-Fenster.

• Beta

  Betateilchen (Elektronen, –1 Ladung) sind leichter und dringen wenige Millimeter Aluminium ein. Bei Inkorporation gefährlich, werden von vielen Geiger-Röhrchen detektiert, abhängig von Wanddicke und Fenster-Vorhandensein.

• Gamma

  Gammastrahlung sind hochenergetische Photonen, die praktisch jedes Material durchdringen. Effektiv abgeschirmt nur durch hochatomare Substanzen wie Blei. Gammastrahlung ist in kosmischen Quellen allgegenwärtig und wird von virtually allen Geigerzählern detektiert.

Für weitere technische Details siehe Geiger Counter – Radiation Sensor Board for Raspberry Pi Tutorial.

Links und Dokumentation

• arduPi Library auf GitHub – Quellcode und Dokumentation
• Board Schaltplan PDF – Detaillierte elektrische Zeichnungen
• Projekt README – Installationsanweisungen und Kalibrierungstipps