Kernstrahlung selbst messen (DIY-gamma-ray-measurements)

Ich habe waehrend meiner Lehrausbildung im Kernkraftwerk Lubmin bei Greifswald gearbeitet. Dort Tschernobyl erlebt. Im Jahr 1998 in Vorbereitung auf einen Urlaub in Nord-Schweden ein russisches Dosimeter (ANRI) fuer 70 DM gekauft und wegen der eingeschraenkten Funktionen (nur 20s zaehlen) spaeter im Jahr 2008 fuer 350EUR ein GammaScout. Damit wollte ich via Webkam und Zahlerkennung eine automatische Messstation aufbauen, das aber mangels Zeit wieder aus den Augen verloren. 2011 nach Fukushima habe ich mich wieder staerker mit dem Problem befasst und viele Testmessungen und Mess-Experimente gemacht. Das Display des Anri-Geraetes ist leider etwas defekt. Deshalb habe ich es so umgebaut, dass die Geraetebuchse fuer externe Messsonden das Tonsignal und die Messimpulse liefert, die ich an einen PC anschliesse.
Zusammengetragenes Wissen und Messergebnisse werde ich hier liefern. Falls jemand Interesse am Aufbau eines unabhaengigen standartisierten Messnetzwerkes hat, bitte ich um Kontaktaufnahme. Die staatlich verfuegbaren Daten sind leider untauglich fuer ein Warnsystem (keine Rohdaten, nur Grafiken, zu verzoegert, s.u. Stand 2011). Je nach Nachfrage, werde ich hier weitere Informationen und Tips einstellen.

Messwerte Magdeburg (Sachsen-Anhalt, 2011-2016,2017++)

Magdeburg DIY gamma-ray 72h Magdeburg DIY gamma-ray history 2017-2017 Magdeburg DIY gamma-ray history 2011-2016
Bild 1a-c: automatisch generierte Messwertreihe mit Messgeraet Anri und Kopplung ueber USB-serial-TTL ab 2017, ueber Soundkarte 2011-2016, logarithmische Darstellung (vorlaeufig, Aktualisierungs-Script wird noch angepasst und gelegentliche Testmessungen, alle Rohdaten im Textformat fuer 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, aktuelles Jahr mit 2.5MB/Jahr und kommentierten Ereignissen, letzte ca. 72h im Textformat, bitte mailen falls letzte Daten aelter als eine Stunde, Alarm derzeit bei 50 CPM eingestellt;
Abweichungen am 04.05.11 15:15 sind Testmessungen ohne Bleiklappe, an einer Keramik-Tasse 15:27 und 2 Tassen 15:45; bis 5.5. 10:40 Startzeit, dann Endzeit der 10min-Messung geloggt; am 6.5.11 war die 9V-Batterie mit 2.6V leer, registrierte aber weiter Impulse, wie dabei ein weiterer kurzer 2Tassen-Test zeigte, am 13.05.11 sieht man deutlich den Unterschied zwischen waagerecht und vertikal gestellter Messröhre mit 37.0(5)/min zu 34.0(5)/min, am 10.8. ab 12:00 erfolgt ein weiterer Test mit KCl-Probe mit ca. 95% beta-Strahlung, folgende Messungen sind ohne Bleischirm und zeigen Wochenend-Peaks für Betastrahlung. Am 5.9.11 folgen Experimente mit Schmuckglasperlen. In der Langzeit-Grafik lasse ich die experimentellen Kurven weg.)

DIY-Messung Gammastrahlung Magdeburg
Bild 2: Download: gnuplot-quell-file (mit Erlaeuterungen zu den Messungen, das empfindlichere ANRI liefert etwa 2.2 fache Pulsrate, im Bild skaliert)
Koordinaten Magdeburg: 52.133_N_11.617_E
Hintergrundstrahlung: 0.10 - 0.12 uSv/h (2011)
letztes Tagesmittel: 0.12 uSv/h (07.04.2011 per Hand aktualisiert)

Die Messwerte sind sehr vom Messort abhaengig. Bis April 2011 habe ich per Hand an verschiedenen Orten und Proben gemessen, um zu sehen, was man mit einem einfachen Dosimeter messen kann. Erstaunlicherweise scheint das aeltere russische Geraet empfindlicher und flexibler zu sein. Die unteren Wolken sind Werte fuer draussen (ca. 14cpm GScout, 22cpm Anri), die oberen Werte (ca. 20cpm GScout, 35cpm Anri) sind in der Wohnung gemessen. Die Waende, Keller und Badfliesen scheinen besonders aktiv zu sein (siehe Bemerkungen im Gnuplot-File).

Kalium-Salz-Probe vs. Abstand 640x480 2011
Bild 3: 100g KNO3 enth. 39g Kalium in 5x5cm Plasteflasche vor senkrecht stehendem Anri-Dosimeter, Reichweite in Luft ca. 10cm, Kalium mit natuerlichem Anteil von 0.012% K-40 (Beta-Strahler, 1.311 MeV (89%) oder 1.505 MeV (11%), 31.2 Bq/g, KCl = 16.35 Bq/g Kalibrierstandard fuer Betastrahlung), s. http://de.wikipedia.org/wiki/Kalium Download: daten-file
Bananen enthalten mit ca. 3.8mg/g nur ein hundertstel Kalium im Vergleich zum KNO3 mit 390mgK/g und duerften damit mit dem Anri nicht als radioaktiv nachweisbar sein (ca. 0.12 Bq/g Banane). Fleisch aus dem suedbayrischen Wald mit bis 65 Bq/g (1998) oder Pilze (frische Maronen, 90% Wasseranteil) mit bis zu 5.4 Bq/g (2001) sollte gut und getrocknet noch besser nachweisbar sein.
Vielleicht kann mir jemand eine Trockenpilzprobe aus Bayern schicken?

Das Umweltinstitut Muenchen e.V. kann 29Bq/kg (Bodenprobe aus Muenchen 2011) und damit Tschernobyl-Relikte (Cs-137) gut nachweisen (PDF). Da kann ich (noch) nicht mithalten (Faktor ca. 100 fehlt).

Vielend Dank an Florian Klitsch, der Ende 2011 zwei der Messgeraete mit nach Japan genommen und waehrend des Fluges und vor Ort einige Messungen mit dem russischen Master-1 (ohne Schirmfolie) vorgenommen hat (siehe history_fukushima).

Messgeraete

  ANRI-01-02 1998 70DM  (ca. 36EUR) hergestellt 1991 in BY
   - 2 Zaehlroehren, gamma=0.06-1.25MeV beta=0.5-3MeV, LCD teilw. ausgelaufen
   - Stromverbrauch: 9V ca. 3mA, sollte bei 170mAh(?) 60h halten
     misst nach ca. 60h noch mit 4.8V, nach ca. 80h 2.7V etwa halbe Pulsrate
   - April 2011 umgebaut (PC-Soundkarten-Adapter)
     und Versorgung ueber USB 5V
   - der im Internet gefundene Schaltplan bildet eine aehnliche Version ab.
     Mein Anri fehlt ein Chip und der externe Ausgang ist entgegen dem
     Schaltplan einfach parallel zur zweiten Roehre geschaltet (Schaltplan).
     Platinen: PB-1.40.001 ISM.13 und PB-130.001 ISM.11 (Baujahr 1992)
   - nach Fukushima Gebrauchtgeraete 100 - 150 EUR (defekt aber nutzbar 50 - 70 EUR)
   - ab 2017-01 Anschluss Anri.VT1 via ca.50k-Spannungsteiler
     an USB-serial-3V3-TTL-Wandler (5EUR) und einlesen der ca.2bit-Impulse
     als serielle Zeichen 0xfe mittels 
     busybox dd if=/dev/ttyUSB0 bs=1 count=100 
     und Zeitmessung in 10ms Genauigkeit via /proc/uptime,
     (init: stty -F /dev/ttyUSB0 raw 115200 cs8 time 80 clocal -echo)
  

anri_front anri_roehren anri_innen1

   
  GammaScout w/ALERT FW=5.38 2008-07 350EUR
   - 0.01uSv/h...1000uSv/h, Nullrate=10cpm bei Abschirmung mit 3mmAl+50mmPb
   - 1 Zaehlrohr D=9.1mm, L=38.1mm 450V 6us, Cs-137 662keV 142/min = 1.0 uSv/h
     Totzeiten 90us (LND 712 oder Centronic ZP 1401 lt. Hersteller)
     Blenden: 0.1mm Alu (-100% Alpha, 3mm Alu -7% Gamma)
     alpha ab 4 MeV, beta ab 0.2 MeV, gamma ab 30 keV
   - Stromverbrauch: 10uA, Lithium-Thionylchlorid (2.7-3.7V) 
     haelt mind. 3 Jahre, typ. 10 Jahre (nach Herstellerangaben, gemessen: 2011 3.55V, 2013 3.52V)
     ca. 2.2-2.6Ah=0.010mA*25a=0.025mA*10a 
   - nach Fukushima im Mai 2011 mind. 3 Monate ausverkauft!
     im August 2011 fuer 4 Monate ausverkauft!
     Gebrauchtpreise 500 - 1500 EUR
     Firm/Software ist absoluter Mist! (Softw.WinOnly, unintuitive Bedienung, undok. Protokoll)
     Nachtrag: inzwischen gibt es von der Firma Infos fuer Entwickler (2013-12)
       http://www.gamma-scout.com/Download/Entwickler-Info-developer-info.pdf
   - ab 2013-11 keine Counts (3.52V, Zaehlrohr defekt? in ca. 30 Tagen bis 0 gesunken)
   - per USB ausgelesen (GammaScoutUtil-0.04.tar.gz, http://johannes-bauer.com/linux/gammascout/)
     danach 3.50V, schoen zu sehen, dass meine Wohnung 60% mehr Counts hat und
     wie das Zaehlrohr in 30 Tagen taub wird (Spaetfolge Sturz auf Geruempelecke?)
   - ein versuchsweise parallelgeschaltetes Billigzaehlrohr liefert wieder Pulse
   - vielleicht werde ich Hochspannung und Masse rausfuehren, um Zaehlrohr und
     Soundkarte fuer Dauermessung anzuschliessen
   - 2014-01 Reparatur beauftragt,  Roehre + Bat getauscht (3.54V)
GammaScout Innenleben
Dosimeter Master-1 2011 gebraucht 
 - 75g, 1 Zaehlrohr SBM-20 t_dead=190us 400V 0.05-1.5MeV, Impulse/36s/100=uSv/h 
 - Stromverbrauch 4*(LR43/AG12 1.5V*(55..120)mAh) = 6V * 0.6mA * (92..200)h
   Messung: mit RC(1000uF)-Glied gepuffert, Vo(10M)=370V (max 2uA 0.8mW),
   braucht kurz ueber 4.5V zum hochfahren (sonst max. 4.1V*12mA),
   dann 0.5mA * 5V = 2.5mW bis runter zu 0.17mA * 3.6V = 0.7mW,
   bei 2.81V*0.1mA stop counting, aber Impulse (v=11600-12100=50%) messbar
 - ungeregelter 400V-Generator mit VT2,C3=100nF,R3=100k,T1(2*0.5Ohm zu 13Ohm)
   arbeitet nur bei gedruecktem Reset (VT1=on, bei Reset keine Zaehlung)
   oder waehrend der 36s-Zaehlung mit 140kHz
 - PC-Dauermess-Modifikation: VT1.CE ueberbruecken,
                              Pulseout via C=10nF+R an SoundCard.Mic1
Dosimeter Master-1 Innenleben
 RadRate basic (2011-08 149EUR)
 - basierend auf Halbleiterdetektor(?)
 - Versorgung: 9.0V 5.74mA (clicks=6.3mA off=0.0uA)
 - 17cpm = 1uSv/h (LED-Blitz + Knacksen), Nullrate: 8-17counts/9min20s (2013)
 - schaltet nach ca. 10min ab (sehr schlecht fuer Langzeitmessungen)
 - kein Impulszaehler, vermutlich RC-Pulse-Integrator mit Spannungsmessung
 - Fazit: waere mit einfachen Pulszaehler und Messzeitwahl ohne Autooff
   deutlich besser zu gebrauchen, Stromverbrauch bei Messung zu hoch
 - ToDo: Modifikationen?
 - Wuensche an den Hersteller: abschaltbares AutoOff
 Pollin Bausatz (2013-12 30EUR)
 - Versorgung: 9-12V ca. 110mA (+Mods: 5V, 11mA)
 - Zaehlrohr SI39G 360-440V, Nullrate 5-7cpm, U-Glasperle: 14.7cpm
 Dosimeter SMG2 von Haak Elektronik (2014-02 200EUR)
 - Versorgung: 3.7V 620mAh? 19g-Li-Akku = 1.38mA * 450h (450h lt. Hersteller)
     mit Display               15-17mA * 36-41h (lowD), 43mA (dfltD), 56mA (brightD) 
     mit USB 16.2mA (off), 17.7mA (sleep), 35mA (lowD), 62mA (dfltD), 82mA (brightD)
   und/oder 5V * 21mA aus USB (mit Akku voll, Display on. 16mA mit Display off)
 - Zaehlrohr SBM20-1 (BJ: 2013-04), Background 0.12uSv/h (ca. 20cpm)
 - speichert 732 Tage je 24h stuendliche Durchschnittswerte als 32bit in 10nSv/h
 - nicht PC-dauermessgeeignet, da nach 10min Sparmodus auch an USB = kein Datentransfer moeglich
 - gut geeignet fuer unterwegs zur Hotspotsuche (sehr handlich, bewaehrtes Zaehlrohr)
 - Langzeitmessung 1h-18d an Proben moeglich (z.B. mit Radonquelle im Einweckglas)
 - per Linux auslesbar (usb-rs232 wandler cp2101), 732 Datensaetze mit 24 4Byte Werten in 10nSv/h
   DEV=/dev/ttyUSB0
   RN=0    # set to day 0..731
   stty -F $DEV raw 115200 cs8 time 80 -crtscts -ignpar -cstopb
   (dd if=$DEV bs=4 count=28 | hexdump -v -e \"\ %4u\\n\"\
| awk '{if(NR==3){a=sprintf("%02d.%02d.%04d",$1%256,and($1/256,255),2000+and($1/256/256,255));}}\
{if(NR>3 && NR<28)print a,sprintf("%02d:00",NR-4),$1}') &
   echo $RN|awk '{printf "\x81\x15%c%c%c",$1,int($1/256),($1+int($1/256)+150)%256}' >$DEV
   wait
 - alternativ mit wine nutzbar (ln -s /dev/ttyUSB0 ~/.wine/dosdevices/com2;newgrp uucp)
   export an excell, clipboard oder als bmp
 - Wuensche an den Hersteller: abschaltbares AutoOff oder USB auch im Standby, freie Firmware

Probleme (Messgeräte)

 - Hochspannungsmessung: DVM bis 1000V mit Ri=10MOhm,
   z.B. U=447V bei Ri=10MOhm I=45uA, 20mW Belastung durch Messgeraet,
   d.h. direkte Messung nur bei genuegend Hochspannungsleistung korrekt,
   ggf. muessen je nach Messpunkt vorhandene Vorwiderstaende (z.B. 4M7)
   beachtet werden,
 - 10MOhm-DVM mit 9 mal 10MOhm in Reihe belastet mit 4.5uA bzw. 2mW (1:10),
   aber 1GOhm waere erst in der gewuenschten Lastklasse 100uW (schwierig)
 - Glimmlampenstrecke ca. 6 Lampen + 6*700kOhm + C blitzt ca. 2ms/40ms 
   mit ca. 30V/600kOhm=50uA (20mW, 1:20 = 1mW)
   aber ca. 6*(120-60)V Regelbereich zu ungenau


Was fehlt noch?

 - DIY-Geigerzaehler mit unter 1mW Verbrauch fuer Soundcard (SBM20 braucht 350nW bei 1/s)
   uC-Forum 5mW Bsp.
   oder 2mW-Solar-Aussenstation mit ATtiny + 433MHz Funkanbindung + LCD   
 - lokale Wetterinformationen: Windrichtung/Staerke, Bewoelkung, Niederschlag
   reales Regenwolken-Beispiel mit verteilten Messdaten (vom ODLinfo.bfs.de?)
 - mehr Roehren in anderer Ausrichtung und Position (Koinzidenzmessungen)
   Temperaturverhalten (Vergleich)
 - Sicherung des Messsystems gegen Stromausfall (bei GAU ist Stromausfall wahrscheinlich)
   d.h. Solar+Akku+Notebook und Notfall-Alarmierung via GSM + 27MHz-CB-Funk,
   EMAIL-Alarmierung schon implementiert (bitte an mich wenden)
 - Mirroring anderer Messstationen (DE und angrenzende Laender, EU)
 - Liste von Zeiten fuer Szenarien (Wind, Erdrotation),
  (Durchzug Wolken/Windmassen in 1-7km Hoehe 20-100km/h(?) = 4 bis 20h)
   Vergleich mit Vorwarnzeiten durch Webseiten des Bundes
   http://odlinfo.bfs.de/ 24h Mittelwert nach ca. 12-14h (teilweise 32h),
   2h Mittelwert nach 2-4h (ab Apr2011, nur grafisch),
 - Auswertung Vorwarnmoeglichkeit und natuerliche Quellen aus TEPCO-Unfall
 - Liste von Quellen und Grenzwerten und Nachweismoeglichkeiten
 - Teilnahme an Ringmessungen (Vergleich von Proben mit anderen Messstationen)
 - abstandsabhaengige
   Messungen zur Teilchenart-Analyse (mit vergleichenden log-Diagrammen)
 - (DIY-)Entwicklung strahlungsfester Elektronik (Amateur-Raumfahrt)
 

Software

Achtung, fuer beste Ergebnisse interpolierte Sampleraten meiden! Bei Uebersteuerung muessen die Peaks Maximalauschlag (100%) erreichen, sonst ist Interpolation im Spiel, welche die Werte runterrechnet und die Peakbestimmung funktioniert auch bei guter Aussteuerung schlechter als bei nativen Sampleraten. Das funktionierte bei mir mit HDA Intel - Realtek ALC887 unter Linux zunaechst nur bei 48kHz (spaeter 96kHz oder 192kHz mit speziellen Optionen). Impulse in 10min-wav-Aufnahme
Ich habe dann (ab Feb2012) mit 48kHz mono 16bit und CaptureGain=3 (spaeter Gain=0) aufgenommen, bei der die Impulshoehen von 15%-24% reichen und das Rauschen bis max. 0.2%. Die unterschiedlichen Hoehen der hohen Impulse sind vermutlich auf die Zeit-Diskretisierung zurueckzufuehren. Alle etwas weniger hohe Impulse sind dafuer etwas breiter (2-3 statt 1-2 samples). Die Summe der Samplequadrate eines Impulses ist dann ein besseres Kriterium als die reine Impulshoehe bzw. der maximale Anstieg, den ich im Programm als Impulstrigger verwende.
Doppelroehren-Impulshoehenhistogramm
Im mit Gnuplot und AWK aus den Impulsdaten erzeugten Peakhoehenhistogramm erkennt man 2 Hauptmaximas und einen separierten Bereich mit etwa 3% besonders hoher Peaks. Meine Vermutung ist, dass die Maximas von jeweils eine der parallel geschalteten Zaehlroehren und die hohen Impulse aus Doppelausloesungen stammen. Packt man eine aktive Probe erst nahe der ersten Roehre und dann nahe der zweiten Roehre sieht man nach 10min Messung entsprechende hoehere Histogrammmaximas bei hoeheren oder niederen Impulshoehen. Der Bereich der Doppelausloesung bleibt unbeeinflusst. Die beiden Roehren des Anri-Dosimeters liefern also spezifische Impulshoehen. Ob sich aus den Koinzidenzimpulsen der Anteil hochenergetischer Hoehenstrahlung ermitteln laesst, muss ich erst noch testen.

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Author: Joerg Schulenburg, Kontakt-Infos, EMail etc.

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