Multimeter zur Strahlungsmessung

ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

PASSAU

Jugend forscht 2014

Martin Emlinger

Schule:

Landgraf-Leuchtenberg-Realschule OsterhofenSeewiesen 1094486 Osterhofen

MULTIMETERMULTIMETER ZURZUR SSTRAHLUNGSMESSUNGTRAHLUNGSMESSUNG

Jugend forscht 2014

Ein Projekt von Martin Emlinger

E-mail: emlinger.martinguitar@web.de

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Hardware

a. Der Mikrocontroller

b. Der Schaltplan

c. Entwicklung der Platine

3. Software

4. Gehäuse

5. Schlusswort

Einleitung

Leider hat uns die Katastrophe in Japan Anfang 2011 wieder sehr drastisch

bewusst gemacht, dass die Nutzung von Kernkraft mit einem ganz realen

Risiko verbunden ist, welches verheerende Auswirkungen auf unser Leben

haben kann. Bei uns in Europa dürften die Auswirkungen glücklicherweise

kaum messbar sein, doch prinzipiell könnte ein ähnlicher Unfall auch bei

uns geschehen, mit unabsehbaren Konsequenzen für unsere Gesellschaft.

Die Überwachung der Umwelt auf Radioaktivität ist dabei ein wichtiger

Aspekt dieser Thematik. Der Mensch hat kein biologisches Sinnesorgan zur

Wahrnehmung von Radioaktivität, also muss man mit physikalischen

Methoden eine entsprechende Vorrichtung bauen, welche die Strahlung

erfassen kann. Bei der Reaktorkatastrophe 1986 in Tschernobyl wurde

eine erhebliche Menge an radioaktiven Materialien frei. Die radioaktive

Wolke, die durch die atomare Katastrophe am 26. April 1986 in Tschernobyl

freigesetzt worden war, kontaminierte in Deutschland die bayerischen

Böden am stärksten, vor allem im Bayerischen Wald, im Münchner

Umland, in den Alpen und im Pfälzer Wald. Etwa 30 verschiedene

radioaktive Substanzen wurden damals freigesetzt. Direkt nach einem

solchen Super-GAU stellen Cäsium-137 und Jod-131 die größte Gefahr dar.

Sie gelangen besonders leicht in die Atmosphäre und verteilen sich

großräumig. Während aber Jod-131 oder Cäsium-134 eine verhältnismäßig

kurze Halbwertszeit aufweisen, strahlen Cäsium-137 und Strontium-90

noch heute. Vor allem Cäsium-137 findet im Freistaat immer noch Wege in

die Nahrungskette. Teilweise hoch belastet sind nach wie vor bestimmte

Pilzarten. Sie wachsen vor allem auf Waldhumus, der wesentlich mehr

Cäsium-137 an Pflanzenwurzeln und Pilzmyzele abgibt als etwa tonhaltige

Äcker und Böden. Daher sind Getreide, Obst und Gemüse in Bayern kaum

noch belastet. Waldbeeren wie Heidel- oder Preiselbeeren sind dagegen

zum Teil noch kontaminiert. Zu gerne würde man als

Otto-Normal-Verbraucher seine selbst gesammelten Pilze oder Beeren vor

dem Verzehr auf eine Kontaminierung prüfen. Doch leider sind

Geiger-Müller-Zählrohre teuer und wenig aussagekräftig. Das

Geiger-Müller-Zählrohr zeigt nämlich nur die Zerfälle pro Sekunde an.

Dabei spielt die Strahlendosis eine wichtige Rolle. Ob ein 50 Kilogramm

schwerer Körper mit zehn Becquerel verstrahlt wird oder ob der Körper

zehn Kilogramm wiegt macht einen großen Unterschied.

So kam ich auf die Idee ein Gerät zu entwickeln, das ein

Geiger-Müller-Zählrohr und eine Waage vereint, die Zerfälle digital

auswertet und auf einem LCD Display in der aussagekräftigeren Einheit

Gray angibt. Des Weiteren habe ich mir zur Aufgabe gemacht das Gerät

möglichst preiswert zu halten um es auch dem Normalbürger ermöglichen

zu können seine Lebensmittel schnell und effektiv zu testen.

Hardware

a) Controller

Zuerst musste ich mich für einen Mikrocontroller zur Verarbeitung der

gesammelten Daten entscheiden. Ich habe mich für einen Mittelklasse

Prozessor der Firma Atmel entschieden, den ATmega16

Blockschaltbild ATmega16

Der ATmega16 besitzt 16 kB Speicher eine Taktfrequenz von bis zu 16 Mhz

und 1 kB Arbeitsspeicher was für ein solches Projekt völlig ausreichend

sein sollte. Es stehen 32 Digitale Ein- bzw. Ausgänge zur Verfügung somit

ist immer noch ein wenig zusätzlicher Platz für mögliche Erweiterungen.

Die Auswertung der Waage und der Zählröhre verwendet einen internen

10-bit Analog-Digital-Wandler.

b) Der Schaltplan

In den ersten Schaltungsvarianten wollte ich die Radioaktivität mit Hilfe

der Photodiode BPW34 messen, was sehr preiswert gewesen wäre. Nach

etlichen Versuchen hat sich leider herausgestellt das die Photodiode zu

ungenau ist. Des Weiteren muss eine Messung mit einer Photodiode bei

völliger Dunkelheit erfolgen und man müsste die Verstärkerschaltung die

nötig wäre extem gut gegen Störeinflüsse von außen abschirmen.

Daraufhin entschied ich mich auf das gute alte Geiger-Müller-Zählrohr

zurückzugreifen. Für den Betrieb eines Geiger-Müller-Zählrohres wird eine

hohe Spannung benötigt und da die Entwicklung einer

Hochspannungskaskade zu viel Zeit beanspruchen würde, kaufte ich einen

Bausatz und baute diesen für meine Zwecke um. Für die Bestimmung der

Masse des zu prüfenden Materials habe ich eine alte Küchenwaage so

verändert, dass ich den aktuellen Wert über den Analog–Digital-Wandler in

den Mikrocontroller einlesen kann. Darauf hin habe ich eine Prototypen für

die Auswerteelektronik gebaut und diesen immer wieder abgeändert. Für

die endgültige Schaltungsvariante habe ich dann einen Schaltplan

gezeichnet und eine Platine hergestellt.

c) Entwicklung Herstellung der Platine

Zuerst wurde aus dem Schaltplan, mit Hilfe der Software EaglePCB ein

doppelseitiges Platinenlayout erstellt.

Das Layout wurde mit Hilfe einem selbstgebauten UV-Platinebelichter auf

eine Photopositiv beschichtete Kupferplatine übertragen. Nach dem

Übertragen wurde die Platine mit Natriumpersulfat geätzt.

Danach wurde die Platine gebohrt, bestückt, getestet und programmiert.

Software

Die Software würde in der Programmiersprache Bascom programmiert.

Als erstes im Programm wird das LCD-Display, der Analog Digital

Converter und Timer0 konfiguriert.

Wird über das Menü die Messung gestarten wird zuerst der ADC

ausgelesen und daraufhin die genaue Masse Ermittelt

'____________________________________________________________________LCDConfig Lcdpin = Pin , Db4 = Portd.0 , Db5 = Portd.1 , Db6 = Portd.2 , _ Db7 = Portd.3 , E = Portd.5 , Rs = Portd.4

Config Lcd = 16 * 2Cursor OffCls

'___________________________________________________________________ADC Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = InternalStart Adc

'___________________________________________________Konfiguriere Timer0

Config Timer0 = Timer , Prescale = 8 On Timer0 Isr_von_timer0 Enable InterruptsTimer0 = 131

'____________________________________________________________________LCDConfig Lcdpin = Pin , Db4 = Portd.0 , Db5 = Portd.1 , Db6 = Portd.2 , _ Db7 = Portd.3 , E = Portd.5 , Rs = Portd.4

Config Lcd = 16 * 2Cursor OffCls

'___________________________________________________________________ADC Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = InternalStart Adc

'___________________________________________________Konfiguriere Timer0

Config Timer0 = Timer , Prescale = 8 On Timer0 Isr_von_timer0 Enable InterruptsTimer0 = 131

Wird die Messung gestartet

so wird als erstes die Spannung

der vier Wägezellen über den

ADC eingelesen und der

Mittelwert gebildet. Daraus

lässt sich dann die Masse des

Strahlers errechnen.

Solange die Messung läuft wird

jeder Zerfall den das

Geiger-Müller-Zählrohr detektiert

erfasst und gezählt.

Ist die Messzeit abgelaufen wird

automatisch die relative radioaktive

Belastung ermittelt und die beim

Einschalten gemessene

Hintergrundstrahlung abgezogen.

Je nach Belastung wird auf dem

LCD Display die Bedenklichkeitsstufe

nach den EU-Richtlinen angegeben.

Desweiteren wurde noch ein umfangreiches Steuermenü, eine

Kalibrierfunktion, und eine akkustische Rückmeldung für die Bedienung

erstellt. Insgesamt umfasst die Software 7,6kB somit ist der Microkontroller

zu 47,5% ausgelastet und lässt noch Spielraum für mögliche Updates zu.

If Secunden = Messzeit Then Disable Timer0 A = Zerfaelle / Messzeit Deltaa = A - Ahintergund Spezifischea = Deltaa / Masse

If Spezifischea < 0.3 Then Locate 1 , 1 Lcd " unbedenklich" End If

If Spezifischea > 0.3 Then Locate 1 , 1 Lcd " bedenklich" End If

If Spezifischea > 0.6 Then Locate 1 , 1 Lcd " ungenießbar" End If

If Secunden = Messzeit Then Disable Timer0 A = Zerfaelle / Messzeit Deltaa = A - Ahintergund Spezifischea = Deltaa / Masse

If Spezifischea < 0.3 Then Locate 1 , 1 Lcd " unbedenklich" End If

If Spezifischea > 0.3 Then Locate 1 , 1 Lcd " bedenklich" End If

If Spezifischea > 0.6 Then Locate 1 , 1 Lcd " ungenießbar" End If

Messung:Messergebnis = Getadc(0)Messergebnis = Messergebnis + Getadc(1)Messergebnis = Messergebnis + Getadc(2)Messergebnis = Messergebnis + Getadc(3)Masse = Messergebnis / 4Masse = Messergebnis - 35

Messung:Messergebnis = Getadc(0)Messergebnis = Messergebnis + Getadc(1)Messergebnis = Messergebnis + Getadc(2)Messergebnis = Messergebnis + Getadc(3)Masse = Messergebnis / 4Masse = Messergebnis - 35

If Pinc.6 = 1 Then Zerfaelle = Zerfaelle + 1 Waitms 5 End If

If Pinc.6 = 1 Then Zerfaelle = Zerfaelle + 1 Waitms 5 End If

Gehäuse

Das Gehäuse wurde bis auf den Boden aus Aluminium gefertigt. Damit die

Messung nicht von Fremdstrahlung durch z.B Granitarbeitsplatten

beeinflusst wird ist der Boden aus massiven Edelstahl.

Schlusswort

Sollte sich ein Hersteller finden lassen, der mein Gerät produziert, wäre

dies für alle Gemeinden eine schnelle Lösung um die Strahlenbelastung

von Beeren, Pilzen, Wildschweinen etc. schnell und präzise zu bestimmen.