Rob's web

Home - Techniek - Electronica - Electronicabladen - Elektuur / Elektor - Geiger-Müller-teller

Geiger-Müller-teller

Iedereen heeft wel eens van geigertellers gehoord. Een geheimzinnig kastje dat tikkend en knetterend op allerlei gevaren wijst. Normaliter zal het zo'n vaart niet lopen, maar voor wie er de kosten en moeite voor over heeft is zo'n kastje eenvoudig te bouwen, zoals uit het volgende artikel blijkt.

Hoe werkt een gm-teller?

Een geiger-müller-teller is in zekere zin te vergelijken met een belichtingsmeter, namelijk een apparaat voor het meten van straling. In het geval van de belichtingsmeter gaat het om straling die we als "licht" kunnen waarnemen, dus "zien". De gm-teller daarentegen reageert op een uit energierijke deeltjes bestaande onzichtbare straling. De bedoelde onzichtbare straling, die zeer schadelijke eigenschappen kan hebben, wordt op grond van zijn eigenschappen ioniserende straling genoemd. Tot deze straling rekent men de ten gevolge van radio-aktiviteit optredende alfa-, bèta- en gammastralen, en de met de laatste soort verwante röntgenstralen. Meer informatie over "straling" is te vinden in het gelijknamige artikel in dit nummer.

Foto 1. Inwendige van een mantel-telbuis. De binnenste elektrode is de anode, de metalen mantel is de katode. (foto PhilipsNalvo).

De eigenschappen van de ioniserende straling leiden tot een andere meetmetode dan voor licht. De gm-teller is een uitvinding van de Duitse natuurkundigen H. Geiger en W. Müller. In een met een bepaald gas gevulde metalen cilinder bevindt zich een geisoleerd opgestelde dunne metaaldraad. Tussen cilinder (katode) en metaaldraad (anode) wordt een spanning aangelegd, welke zo hoog is dat nog net geen vonkoverslag optreedt. Figuur 1a toont de opbouw van de telbuis, terwijl figuur 1b aangeeft hoe de schakeling er in principe uitziet.

Figuur 1a. Principiele opbouw van een geigermüller-telbuis, bestaande uit een metalen cilinder met in het centrum een metalen draad. De cilinder is gevuld met een mengsel van edelgassen.

Figuur 1b. Schematische aanduiding van de schakeling van een gm-telbuis.

Komen energierijke, geladen deeltjes (bijv. elektronen of ionen) van buitenaf in de buis, dan wordt de gasvulling geioniseerd en dus geleidend, zodat er een stroomdoorgang van anode naar katode kan plaatsvinden. De gasvulling bestaat in het algemeen uit een mengsel van enkele edelgassen en een stof die zorgt voor het "blussen" of "doven". De laatstgenoemde stof zorgt er voor dat de ionisatie eindigt als de oorzaak van die ionisatie is verdwenen. De spanningsval over de voorgeschakelde weerstand is voldoende om de ontlading te doen stoppen. Elke ontlading is een bewijs voor het in de telbuis "binnenvliegen" van een energierijk deeltje en veroorzaakt een stroomimpuls door de ampèremeter, respektievelijk een spanningsimpuls over een weerstand op de plaats van de ampèremeter. De maat voor de intensiteit van een straling is het aantal deeltjes (impulsen) per tijdseenheid, bijv. per sekonde of per minuut. Voor een kwantitatieve aanwijzing heeft men dus een telinrichting nodig die deze "impulssnelheid" aangeeft.

Bij sommige telbuizen is de katode nog door glas omgeven. Buizen met een gesloten metaalcilinder worden mantel-telbuizen genoemd; bevindt zich in de cilinder een met een mica plaatje afgesloten opening, dan spreekt men van venster-telbuizen. De stralingsdeeltjes worden door de metaalmantel al naar wanddikte en materiaal meer of minder afgeremd. Gevoelige mantel-telbuizen zijn zeer dunwandig en moeten in overeenstemming daarmee dan ook zeer voorzichtig worden behandeld.

Bij venster-telbuizen laat het mica-venster nagenoeg zonder enige tegenstand invallen van de deeltjes toe en dat heeft dus een grote gevoeligheid tot gevolg. Het micavenster is ook al zeer dun en aanraken moet daarom worden vermeden. Met mantel-telbuizen kunnen al naar de konstruktie gamma-stralen, of bèta- en gammastralen worden gemeten; venster-telbuizen zijn in principe geschikt voor het meten van alfa-, bèta en gamma-stralen.

In figuur 2 is het blokschema getekend van een geiger-müller-teller. Dit apparaat bestaat in wezen uit drie delen: een hoogspanningsgenerator voor de voeding van de telbuis, de telbuis zelf en een indikatorschakeling voor het aangeven van de impulssnelheid (= stralingsintensiteit).

Figuur 2. Blokschema van een gm-teller. Figuur 2a toont de hoogspanningsgenerator met telbuis en luidspreker, figuur 2b geeft de integrator met de meter-indikator, figuur 2c een digitale teller die op de impulsuitgang kan worden aangesloten.

De schakeling

Het principeschema van de totale schakeling is in figuur 3 gegeven. Een groot deel van deze schakeling dient voor de opwekking van de voor de telbuis benodigde "hoogspanning". De ingang van de regelschakeling ligt aan de aftakking van een spanningsdeler bestaande uit de weerstanden R1 en R2a t/m R2f en potmeter P1. Met P1 kan de hoogspanning worden ingesteld tussen 300 en 1000 volt. Zolang de hoogspanning lager is dan de met P1 ingestelde waarde, is T1 gesperd. De basisspanning (dat is de door de spanningsdeler opgedeelde hoogspanning) is dan kleiner dan 0,7 V, zodat er geen basisstroom en dus ook geen kollektorstroom loopt. Als gevolg daarvan is de kollektorspanning "hoog" (dus logisch 1), waardoor de met NAND-schmitttrigger N1 gebouwde schakeling kan oscilleren. Met het oscillator-signaal wordt, via N2 als buffertrap en T2 en T3 als stuurtrap, de transformator gevoed. Wegens de lage oscillatorfrekwentie kan voor de transformator een normale nettrafo worden gebruikt. Aan de sekundaire kant van de trafo (de 220 V-wikkeling!) staat dan een blokspanning van ongeveer 250 V, welke door een spanningsvermenigvuldiger-schakeling, bestaande uit de diodes D4 t/m D11 en de kondensatoren C4 t/m C11 wordt opgebouwd tot een gelijkspanning aan de uitgang.

Figuur 3. Principeschema van de komplete geiger-müller-teller.

Zolang de oscillator werkt, blijft de uitgangsspanning stijgen. Als de met P1 ingestelde waarde wordt bereikt, krijgt de basis van T1 een spanning van 0,7 V, waardoor de transistor gaat geleiden. De kollektorspanning wordt dan logisch 0 en de oscillator stopt, waardoor de hoogspanning niet verder oploopt. Daalt de hoogspanning door ontlading van de kondensatoren in de kaskade onder de ingestelde waarde, dan neemt de oscillator ingevolge sperren van T1 zijn taak weer op. De kaskade wordt dus impulsvormig bijgeladen. De hoogspanning wordt door de regelschakeling binnen ± 2% van de ingestelde waarde konstant gehouden, wat voor de beoogde toepassing ruim voldoende is. Diode D1 in de massaleiding van IC1 brengt het nul-nivo van het IC op 0,7 V en zorgt zodoende er voor dat de oscillator onder alle omstandigheden vrij van T1 kan worden geschakeld. De voedingsspanning voor IC1 en de indikator wordt door middel van de schakeling met T8, R4 en D2 gestabiliseerd op 5,6 V.

De telbuis krijgt zijn spanning via de weerstand R19. Als een geladen deeltje de buis binnenkomt wordt de buis kortstondig geleidend. Over weerstand R8 ontstaat dan een spanningsimpuls, welke wordt gebruikt voor het open-sturen van de kombinatie T4/T5. Het resultaat is dan een duidelijke "tik" uit de luidspreker. Van de kollektor van T5 kan een impulsspanning worden afgenomen om de visuele indikatie te sturen.

Transistor T6 dient als pulsvormer- en stuurtrap. De kollektorweerstand is uitgevoerd als spanningsdeler; op de aftakking tussen R13 en R14 zijn dan TTL-kompatibele impulsen voorhanden, welke kunnen worden gebruikt voor het sturen van een digitale frekwentiemeter. De door R15 en D13 lopende gelijkstroom zorgt voor een spanning van 0,7 V aan de basis van T7. Door deze voorspanning wordt het werkpunt van T7 buiten de knik in de karakteristiek ingesteld. Kondensator C13 integreert de van de kollektor van T6 komende impulsen, waarbij diode D12 zorgt dat C13 zich niet via R18, R13 en R14 kan ontladen, zodat de tijdkonstante alleen door de kondensator en P2 wordt bepaald. P2 maakt aanpassing aan de gevoeligheid van het gebruikte meetinstrument mogelijk. De emittervolger T7 dient om de belasting op C13/P2 klein te houden en levert na filtering door de kombinatie R16/C14 de stroom voor de wijzeruitslag van de meter.

Omdat de voeding van de indikatorschakeling gestabiliseerd is, blijft de meteraanwijzing onafhankelijk van de batterijspanning. De aanwijzing is evenredig met de impulssnelheid (impulsfrekwentie) en dus met de stralingsintensiteit, en kan worden afgeregeld met potmeter P2.

Door de schakelende regeling van de hoogspanning is de stroomopname door de gehele schakeling zeer laag en bedraagt slechts ca. 10 mA. Wanneer het apparaat steeds kortstondig gebruikt wordt, is een 9 V-blokbatterij voldoende voor ongeveer tien bedrijfsuren. Bij intensiever gebruik wordt aanbevolen twee vlakke 4,5 V batterijen of nikkelcadmiumakku's te gebruiken.

Keuze van de telbuis

Foto 2. Verschillende geiger-müller-telbuizen. Links: mantel-telbuis 18503 (ZP 1200), daarnaast dezelfde buis maar nu als venster-telbuis uitgevoerd (type 18504/ZP 1400) en verder nog twee andere, gevoelige vensterbuizen. (foto Philips/Valvo).

Foto 3. De miniatuur mantel-telbuis 18509 (ZP 1310) vergeleken met een lucifer. (foto Philips/Valvo).

De keus van de telbuis wordt bepaald door het toepassingsgebied en de kosten. Een eenvoudige mantel-telbuis als bijvoorbeeld het type ZP1310 meet gamma- en sterke bèta-straling. Het type ZP 1430, een venster-telbuis, kost 3 à 4-maal zoveel, maar is bruikbaar voor het meten van zwakke alfa-, bèta-en gamma-stralen. De ZP1400 is voor de goedkopere typen een redelijk alternatief. Deze venster-telbuis kost ongeveer de helft van een ZP1430, is beduidend gevoeliger dan een ZP1310 en meet toch bèta- en gammastralen, In tabel I zijn de belangrijkste technische gegevens van deze 3 typen vermeld. Daarom volgen hier enkele begripsverklaringen.

Bedrijfsspanning U_B is de spanning waarmee de telbuis moet worden gevoed.

Plateau is het voedingsspanningsgebied waarbinnen de gemeten impulssnelheid in grote mate onafhankelijk is van de voedingsspanning.

Nuleffekt (of achtergrond) is de aangegeven impulssnelheid bij afwezigheid van straling, bijvoorbeeld door kosmische straling of straling uit het buismateriaal.

Dode tijd is de tijd die de telbuis nodig heeft om na ionisatie uit zichzelf te "doven" (blussen). Gedurende deze tijd reageert de buis niet op verdere invallende straling.

Grenswaarden: deze waarden mogen onder geen enkele omstandigheid worden overschreden.

De karakteristiek in figuur 4a toont de samenhang tussen de impulssnelheid (de anodestroom) en de doseringssneli held (in röntgen per uur) voor een buis van het type ZP1310. Figuur 4b geeft deze karakteristiek voor het veel gevoeligere type ZP1400. Bij een gelijke doseringssnelheid van 1 mR (milliröntgen) geeft de vensterbuis van figuur 4b reeds ca. 20 impulsen per sekonde en de mantelbuis van figuur 4a slechts 2 impulsen per sekonde.

Figuur 4. Karakteristieken van de samenhang tussen aantallen impulsen per sekonde en stralingsdosis.
Figuur 4a geldt voor een telbuis van het type ZP1310, figuur 4b voor type ZP1400.

De bouw

De opbouw van de schakeling op de in figuur 5 weergegeven printplaat hoeft weinig moeilijkheden op te leveren. In verband met de optredende hoge spanning dient echter, vooral bij de kaskadeschakeling, speciale aandacht te worden geschonken aan goed solderen (geen te grote soldeerplaatsen, geen punten aan het soldeer) en zorgvuldig reinigen van de soldeerplaatsen, teneinde overslag en kruipwegen te vermijden.

Figuur 5. Print-layout en komponentenopstelling voor de gm-teller van fig. 3.

Dat slechts met eerste-klasse komponenten op een betrouwbare werking mag worden gerekend, behoeft hopelijk geen betoog. Moeilijkheden kunnen dus eigenlijk alleen ontstaan in verband met de verkrijgbaarheid van de onderdelen. Zo is een kondensator van 1 pF/1000 V (C15) niet bepaald een overal verkrijgbaar onderdeel. Er is echter een grote troost: deze kondensator is niet beslist noodzakelijk voor normaal gebruik. Hij kan dus eventueel ook worden weggelaten! Voor de trafo is gerekend op een betrekkelijk goed verkrijgbaar ingegoten type van 220 V op 9 V (1,6 VA) met afmetingen van ongeveer 33 mm × 27 mm × 27 mm. Trafo's van een groter vermogen zijn niet bruikbaar in verband met te groot wordende kollektorstroom van T3.

In plaats van het type 74LS13 kan voor ICI ook een type 7413 worden gebruikt. Men moet er echter wel rekening mee houden dat dan de totale stroomopname stijgt van 10 mA tot meer dan 20 mA.

Telbuis, anodeweerstand R19 (en indien aanwezig C15) zijn niet op de print-plaat gemonteerd. R19 en C15 worden zo dicht mogelijk bij de anode van de buis aangebracht om de kapaciteit tussen weerstand en anode zo klein mogelijk te houden. De aansluiting aan de anodepen vindt plaats met de bij de buis geleverde speciale klem. Deze mag pas op de pen worden geschoven nadat de anodeweerstand aan de soldeerlip is gesoldeerd. De anodepen van de telbuis mag noch verhit, noch mechanisch belast worden.

Foto 4. Kompleet gemonteerde printplaat van de gm-teller.

Foto 5. Zo ziet het Elektuur-model eruit. De telbuis is in een aparte "telbuis-sonde" gemonteerd en via een kabel met coax-steker verbonden met het apparaat.

Ingebruikneming en afregeling

Als het apparaat voor de eerste maal wordt ingeschakeld, mag de telbuis nog niet zijn aangesloten. Potmeter P1 wordt naar "minimum-spanning" gedraaid, de loper ligt dan aan de kant van R1. Na het inschakelen duurt het enkele sekonden tot de kaskade is opgeladen. Daarna wordt de oscillator telkens slechts kortstondig ingeschakeld voor het bijladen van de kaskade. Dit kan worden gekontroleerd door meting van de opgenomen stroom; deze bedraagt in het inschakelstadium ongeveer 120 mA en daalt daarna tot minder dan 10 mA. Vervolgens sluit men een multimeter (meetbereik 1 kV) aan op de kaskade-uitgang en stelt met P1 de hoogspanning in op de voor de buis gewenste bedrijfsspanning (U_B typ.), waarbij geldt:

Voorzichtig met hoogspanning! Bij het meten goed-geisoleerde meetpennen of meetklemmen gebruiken. Aanraking van hoogspanningvoerende delen absoluut vermijden. Pas op: de hoogspanning blijft ook na het uitschakelen nog enige tijd staan.

Voor versneld ontladen mag de kaskade nooit worden kortgesloten, maar moet over een weerstand van enkele kiloohms worden ontladen.

Voor de afregeling heeft men een impulsgenerator nodig, bijvoorbeeld een funktiegenerator met blokspanningsuitgang, welke impulsen met minstens 5 V amplitude in een frekwentiegebied van 5 Hz tot ongeveer 20 Hz kan leveren. De waarde voor de volle uitslag van de meter kan men zelf kiezen. De indikatorschakeling is zodanig gedimensioneerd dat bij maximale gevoeligheid (loper van P2 aan de pluspool van C13) een 50 µA-meter volle uitslag heeft bij ca. 7 impulsen per sekonde. Een 100 µA-meter geeft volle uitslag bij ongeveer 15 imp./s. Bij gebruik van een telbuis type ZP1310 krijgt men (met een 50 µA-meter) dan een gevoeligste meetbereik van ca. 4 mR/h, bij het type ZP 1400 is de maximale gevoeligheid een faktor 10 groter, dus ca. 0,4 mR/h. Bij de afregeling gaat men het doelmatigste als volgt te werk:

1. Op het datablad van de telbuis de impulssnelheid voor het gewenste aanwijzingsgebied van de doseringssnelheid opzoeken (bijv. 20 imp./s voor een doseringssnelheid van 1 mR/h bij de telbuis ZP 1400, zie ook figuur 4b).
2. De "frekwentie" (in ons voorbeeld dus 20 Hz) op de impulsgenerator instellen en deze op de ingang van de tel-schakeling, dus parallel aan R8, aansluiten.
3. Potmeter P2 afregelen op volle uitslag van de draaispoelmeter (M1).

Ter kontrole van de ingestelde impulsfrekwentie kan op punt D een frekwentieteller worden aangesloten. De gm-teller is nu afgeregeld en bedrijfsklaar zodra de telbuis is aangesloten.

Hoe kan men echter kontroleren of het zaakje als geheel wel werkt? Wel: in de eerste plaats geeft het nuleffekt al uitsluitsel over het al of niet werken van de teller. De luidspreker laat zo nu en dan een "tik" horen. Een hogere impulssnelheid kan worden verkregen van een radio-aktieve stof die men tamelijk goedkoop in een zaak voor huishoudelijke artikelen, een metaal-warenzaak of een zaak voor kampeerartikelen kan kopen. We bedoelen hier een gloeikous voor gasverlichting. Deze door de Oostenrijkse uitvinder Auer von Welsbach uitgevonden gloeikous is namelijk zwak radio-aktief door het gebruikte thorium-oxyde. Deze radio-aktiviteit is met de gm-teller duidelijk aantoonbaar en levert al naar gelang de gebruikte telbuis tot ongeveer 50 impulsen per sekonde. Een andere testmogelijkheid vindt men in elk willekeurig kaliumzout (kalium-carbonaat, -chloraat, -chloride, enz.) dat men bij een apotheek of een drogisterij kan kopen.

Foto 6. Radioaktief preparaat voor het testen van de gm-teller; niets meer of minder dan een gloeikousje van de kampeerverlichting.

Praktische aanwijzingen

De stroomlevering wordt, zoals reeds eerder vermeld, verzorgd door batterijen of NiCd-akku's (bijv. 6 stuks mignon-NC 450 mAh). In het laatste geval verdient het aanbeveling in de plusleiding een snelle 1 A-zekering op te nemen om schade bij eventuele kortsluiting te voorkomen.

Wordt voor de inbouw van de schakeling een kunstof kastje gebruikt, dan kan de telbuis ingebouwd worden. Voor alfa-en bèta-stralen gevoelige telbuizen moeten dan met het micavenster naar buiten steken of in een eigen beschermhuisje worden ondergebracht en met een coaxmeetkabel met het apparaat worden verbonden (zie foto 5). Als het apparaat niet wordt gebruikt dient het venster met een afdekkapje te worden beveiligd tegen beschadiging. Ook kan worden aangeraden om dunwandige telbuizen in het apparaat met watten of schuimplastic te "bekleden" om schokken en trillingen op te vangen. In verband met de afschermende werking kunnen telbuizen niet in een metalen kast worden ingebouwd.

Als de geluidssterkte van de akoestische indikatie door de zeer smalle telimpulsen niet voldoende is, kan weerstand R11 zonder risiko voor transistor T5 worden verkleind tot 10 Ω en tegelijk R7 gewijzigd in 560 Ω. Voor andere doeleinden dan proeven, demonstraties en instruktie heeft men in het algemeen wel genoeg aan een meetbereik van ongeveer 1 tot 5 mR/h. Meerdere verschillende meetbereiken kunnen worden gerealiseerd door gebruik van extra potmeters P2 en de daartoe nodige omschakelaar.

Bij metingen thuis en in de vrije natuur zal men in het algemeen geen boven het nu leffekt uitkomende radio-aktiviteit kunnen vaststellen. Ook de vaak beschuldigde kleurentelevisie-apparaten blijken bij meting als stralingsbron volkomen onschuldig te zijn. Toch blijft de gm-teller een apparaat waarmee men allerlei interessante proeven kan doen zonder daarbij direkt aan alarmerende toestanden te hoeven denken.

In samenwerking met J.P. Haas.