DIY or die: Radioaktivitäts-Messgerät selbst bauen
Einfache Zutaten, Anfängertauglich, nicht ganz so einfache Funktionsweise: Beim Umbau einer Erdnussdose in ein Messgerät für Radioaktivität lernt man nebenbei was es mit Ionisierender Strahlung, Transistoren und physikalischer Stromrichtung auf sich hat.
Im Dezember 2012 fand in Berlin zum ersten Mal das Exceptionally Hard and Soft Meeting (EHSM) statt. Im Rahmen dieser Veranstaltung, die ein Forum für fortgeschrittene DIY-Projekte bietet, gab es einen Workshop mit dem Titel 'How to hack a peanut can into a radiation detector'. Gehalten hat ihn die Selfmade-Kernphysikerin Bionerd23. Die 29-jährige ist durch ihren Youtube-Channel mit über 12.000 Abonnenten und mehr als 6 Millionen Views international bekannt. Ihren realen Namen verwendet sie nicht. Ihr Wissen auf dem Gebiet der Kernphysik hat sie sich ursprünglich mit dem Motiv erarbeitet, sich selbst ein Bild über die Gefährlichkeit von Radioaktivität machen zu können. Daher richtet sie sich mit ihren Workshops und Videos an Menschen, die sich dem Themenbereich ebenfalls faktenorientiert annähern wollen.
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Auch ihr Vortrag und der Workshop auf dem EHSM diente dazu, den Teilnehmenden durch den Selbstbau eines Messgeräts für Radioaktivität - genauer, einer Ionisationskammer - grundlegendes Wissen über Radioaktivität zu vermitteln. Die Vorlage für den Erdnussdosen-Hack bildet ein Projekt des Betreibers der Website techlib.com, Charles Wenzel. Die hier vorgestellte Bauweise führt zu einem weniger hübschen und weniger exakten Messgerät. Letzteres bedeutet, dass mit dieser Ionisationskammer nur gemessen werden kann, dass radioaktive Strahlung vorhanden ist. Es sind keine qualitativen Messungen der verschiedenen Arten von radioaktiver Strahlung möglich. Sie ist aber sehr kostengünstig und einfach zu realisieren und bietet damit einen niedrigschwelligen Einstieg für Laien.
Radioaktivität ist der Zerfall von Atomkernen. Sie lässt sich anhand der Energie, die bei diesem Prozess freigesetzt wird, messen. Die freiwerdende Energie geben die Atomkerne in Form von Teilchen ab. Um an dieser Stelle den Einstieg durch komplizierte theoretische Ausführungen nicht gleich wieder zu erschweren, stellen wir uns diese Teilchen im Weiteren als ionisierende Strahlung vor. Diese Form der Strahlung ist in der Lage, Elektronen (negativ geladene Teilchen) aus Atomen herauszulösen. Eine Ionisationskammer funktioniert folgender Maßen: Die ionisierende Strahlung des radioaktiven Materials löst Elektronen aus einem Zählgas heraus. Diese wandern dann zu einem mittig in die Dose ragenden positiv geladenen Draht (Anode). Ein außen an der Kammer angebrachter und mit der Anode verbundener Zähler zählt die Ionisationsvorgänge.
Ganz simples Schema einer Ionisationskammer: links die Kathode, rechts die Anode
(Bild: Michael Schoenitzer)
Handelsübliche Radioaktivitäts-Detektoren bestehen aus einer Kammer aus elektronisch leitfähigem Material, die an eine Spannungsquelle mit mindestens 100 Volt angeschlossen ist. Von außen ragt in sie ein freischwebender Metalldraht hinein. Die Kammer ist an den Minus-Pol der Energiequelle angeschlossen. Sie bildet somit die Kathode. Die Anode bzw. der in die Kammer ragende Draht bezieht seine positive Ladung vom Plus-Pol der Energiequelle. An der Außenseite der Kammer ist die Anode mit einem Zähler und einem Widerstand verbunden. Die Kammer ist mit einem Zählgas gefüllt und hat an der unteren Seite ein durchlässiges Fenster. Die radioaktive Quelle befindet sich unter diesem Fenster. Ionisationskammern ohne ein durchlässiges Fenster messen von den drei vorhandenen Strahlungsarten nur eine, nämlich die Gammastrahlung. Mit ihnen lässt sich meistens nur die grundsätzliche Anwesenheit von radioaktiver Strahlung feststellen. Schon das Umrechnen der gemessenen Werte in die allgemein gültige Einheit Sievert ist aufwändig und gilt jeweils nur für ein Modell. Für die Erklärung von grundlegenden physikalischen Vorgängen aber, ist die vorliegende Ionisationskammer sehr geeignet. Eine Einführung in die verschiedenen Formen von radioaktiver Strahlung und deren Messung finden Sie im Kompendium 'Radioaktivität' in der Hardware Hacks 02/2012.
Der Darlington Transistor schematisch dargestellt. Links ist der kleine Transistor. Rechts unten der große.
(Bild: Anika Kehrer)
Das besondere an der hier beschriebenen Ionisationskammer ist, dass sie ohne spezielle Zählgase und ohne hohe Spannung auskommt. Die Ionisation in dieser Kammer setzt nur wenige Elektronen frei. Damit die Ionisationsvorgänge überhaupt gemessen werden können, muss für den Bau ein Verstärker verwendet werden, der eine hohe Empfindlichkeit hat. Der hier verwendete Darlington-Transistor funktioniert nach dem 2-in-1 Prinzip. In seinem Gehäuse befinden sich zwei Transistoren, ein großer und ein kleiner. Der kleine Transistor steuert dabei den Stromfluss des großen an. Das führt dazu, dass die Verstärkungsleistung des Transistors multipliziert wird, er aber nicht mehr Strom benötigt.
Die Materialien:
eine Erdnussdose (ohne Erdnüsse und Deckel), gereinigt und an der Innenseite leitfähig, also nicht beschichtet
eine 9V-Batterie mit Batterieclip
etwa 30 cm Schaltdraht
ein axial bedrahteter Widerstand mit mehr als 1KΩ
ein NPN-Darlington-Transistor vom Typ BC 517
Das Werkzeug:
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Korkenzieher, Nagelbohrer oder Holzschraube (läuft spitz zu) mit Schraubenzieher
Zange
Sekundenkleber
Lötkolben und Lötzinn
Wer noch nicht gelötet hat: Bitte einmal üben bevor die Verlängerungen an den Transistor gelötet werden. Einmal üben reicht aber auch komplett aus.
(Bild: Anika Kehrer)
Zuerst wird der Transistor vorbereitet. Er besteht aus einem kleinen Silikonkörper, aus dem an der Unterseite drei Metallbeinchen ragen. Diese drei Beinchen müssen wir für den Bau unserer Ionisationskammer verlängern. Dazu werden drei Stücke Schaltdraht verwendet. Bei einem der drei Drähte muss man die komplette Isolationsumhüllung entfernen. Bei den beiden anderen ist nur die Entfernung von ca. 1,5 cm Isolationshülle notwendig. Der Schaltdraht ohne Hülle wird an den mittleren Anschluss bzw. die Basis gelötet. Die beiden anderen Stücke dienen zur Verlängerung der äußeren Anschlüsse, die Emitter und Kollektor genannt werden.
So soll er aussehen der Transistor, wenn wir ihn zurecht gebogen haben.
(Bild: Anika Kehrer)
Achtung: Die Lötvorgänge dürfen nicht zu lange dauern, da Transistoren hitzeempfindlich sind. Daher ist es sinnvoll, die Beinchen vor dem Löten auseinander zu biegen. Bei einem frisch gekauften BC 517 ragen alle drei Beinchen gerade aus dem Silikon-Körperchen heraus. Der Transistor soll letztendlich mittig auf der Erdnussdose angebracht werden und das mittlere Beinchen durch ein Loch im Dosenboden in die Dose ragen. Die beiden äußeren Anschlüsse müssen, wenn man auf die flache, beschriftete Seite des Transistors blickt, seitlich nach außen und etwas nach hinten gebogen werden. Sie sollten auf der vertikalen Achse um etwa 45º nach außen und auf der horizontalen Achse um etwa 20º nach hinten verbogen werden. Der mittlere Anschluss wird kurz unter dem Körper des Transistors so gebogen, dass er direkt nach vorne ragt.
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