Hochspannung für Geiger-Müller-Zähler (GMZ)
Hochspannung
Geiger-Müller-Detektoren (wie auch andere Gasgefüllte Detektoren) benötigen zu ihrem Betrieb eine konstant hohe Gleichspannung, die für die bekannten GMZ-Typen meist im Bereich von U = 400 V bis U = 800 V liegt. Der genaue Sollwert ist jeweils typenspezifisch und für eine betrachtete Type nicht besonders kritisch; er darf im Prinzip irgendwo in den Bereich ihres sog. Geiger-Müller-Plateaus gelegt werden. Zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs wählt man jedoch meist die Plateaumittenspannung, und hält diese unter allen Umständen so konstant wie möglich. Variationen der Betriebsspannung innerhalb des Plateau-Bereichs hätten zwar keine totalen Aussetzer zur Folge; die Zählrate bei gleichbleibender Bestrahlungsstärke ist jedoch noch in geringem Maße abhängig von der Betriebsspannung im Bereich des Plateaus (angegeben vom Hersteller im Datenblatt als sog. Plateau-Steigung). Auch diese kleinen Abhängigkeiten will man gerne vermeiden.
Betriebsstrom
Der mittlere Betriebsstrom eines GMZ ist sehr klein.
Während der Ruhezeiten ist der momentane Stromfluss praktisch gleich Null; nur in der Zeit nach einer Strahlungswechselwirkung - also vom Auslösen des GMZ bis zum vollständigen Verlöschen der Entladung - fließt überhaupt ein messbarer Strom. Dieser wird durch einen direkt am Anodenanschluss des Zählrohrs anzuschaltenden Widerstand (je nach GMZ-Type meist im Bereich von 2,7 MΩ bis 10 MΩ) begrenzt; an diesem Widerstand fällt im Entladungsfall höchstens die Differenz zwischen Betriebsspannung und Löschspannung des Zählrohrs ab.
Im zum GMZ gehörigen Datenblatt des Zählrohr-Herstellers wird i.d.R. der Mindestwert dieses Widerstands genannt; als vorsichtiger Entwickler ist man aber an einer möglichst langen Lebensdauer des Zählrohrs interessiert und wählt selbstverständlich - soweit es das eigene Schaltungskonzept erlaubt - einen eher größeren Wert.
Der mittlere Betriebsstrom des GMZ ist also nahezu proportional zur Häufigkeit seiner Auslösevorgänge, und damit auch proportional zur Bestrahlungsstärke. Bei der Auslegung der Hochspannungsversorgung (der Ermittlung des maximal möglichen bzw. unbedingt lieferbaren Strombedarfs) geht man daher von dem theoretischen Fall eines andauernden Zustands des Ausgelöst-Seins des GMZ aus.
Diesen Strombedarf vergleicht man dann noch mit dem, wie er aus der Anschaltung eines heute üblichen Vielfach-Messinstruments (mit Innenwiderstand von 10 MΩ) an die Hochspannung folgt, denn schließlich möchte man den Betrag der Hochspannung ja beim Einjustieren richtig messen und später jederzeit korrekt überprüfen können, ohne die Hochspannungserzeugung zu überfordern.
Der Strombedarf in diesem letztgenannten Fall ist i.d.R. der größere der beiden. Daher ist die Anschaltung eines solchen heute üblichen Digitalvoltmeters meist der Härtetest mit dem höchst-denkbaren Stromverbrauch. Der Hochspannungsgenerator muss diesen erforderlichen Strom klaglos und ohne Probleme und im Dauerbetrieb gut liefern können, ohne dass sich der Betrag der gelieferten Hochspannung ändert.
Diese Forderung impliziert gleichzeitig, dass der Hochspannungsgenerator geregelt sein muss - d.h. seine Schaltung selbst muss die Höhe seiner hochgespannten Ausgangsspannung permanent messen, und die Intensität des Nachlieferns von Ladung auf seine Hochspannungsseite stets so nachregeln, dass der Betrag der Hochspannung konstant ist. Mit anderen Worten: er muss sich genau so verhalten, wie es heute jede ordentlich geregelte Spannungsversorgung tut.
Um für die Gesamtschaltung eines Strahlungsmessgerätes einen Batteriebetrieb zu ermöglichen, soll die Hochspannungsversorgung jedoch - im Normalfall ohne außergewöhnliche Belastung - eine besonders kleine Stromaufnahme besitzen. Diese soll nach Möglichkeit so klein sein, dass für ein rein batterieversorgtes Gerät noch eine Betriebsdauer von z.B. einem ganzen Jahr möglich bleibt. Dies impliziert für die Hochspannungsversorgung eine maximale Ruhestromaufnahme in der Größenordnung von 1 mA, bzw. besser noch weniger (bei Batteriespannung von z.B. 5 V).
Schaltungskonzept
Das einzig denkbare Schaltungskonzept für einen Hochspannungsgenerator, der die o.g. Kriterien erfüllen kann, ist das eines sehr sorgfältig entworfenen und dimensionierten, gepulst betriebenen, fremderregten Eintakt-Sperrwandlers.
Der Eigenstromverbrauch einer solchen optimierten GMZ-Hochspannungserzeugung setzt sich im wesentlichen zusammen aus den Funktionsteilen
- Regelung
- Hochspannungs-Teilerkette
- Referenzspannung
- OP-Verstärker (Komparator)
- HV-Erzeugung
- Oszillator
- Schalttransistor-Ansteuerung
- Übertragerverluste
- Ohmsche Wicklungsverluste
- Magnetische Streuverluste
- Verluste durch Wicklungskapazität
- Hochspannungsdiode
- Reverse recovery
- Leckstrom
Schaltungsentwurf
Mein eigener hier gezeigter Schaltungsentwurf einer entsprechend optimierten Hochspannungsversorgung für den Betrieb von Geiger-Müller-Zählrohren stammt bereits aus dem Jahr 1983. Aus dieser Zeit gibt es auch noch eine Überlegung zur grundlegendsten Auslegungsfrage, nämlich der optimalen Einschaltzeit des Sperrwandlers (in aktueller Fassung): Goedecke-2024-08-Sperrwandler-Optimierung.pdf
Die vollständige Schaltung zur stabilen, stromsparenden Hochspannungsversorgung eines Geiger-Müller-Zählers, komplett durchdiskutiert, und mit allen notwendigen Dimensionierungsüberlegungen und -angaben zum Nachbau (auf eigene Gefahr!), oder auch nur zur eigenen Inspiration gedacht, findet sich (in aktueller Fassung) hier: Goedecke-2024-08-Hochspannung-GMZ.pdf
Die damals erstellten Messköpfe für Gamma-Strahlung der Arbeitsgemeinschaft Umgebungsüberwachung von Atomanlagen (AUA) enthalten Hochspannungsversorgungen nach dieser Beschreibung.