manual
Promieniotwórczość
Zjawisko promieniotwórczości odkrył znakomity francuski fizyk Henri Becquerel w 1896 roku. Jak często bywa, pomógł w tym przypadek, ponieważ uczony właściwie badał wtedy odmienne zjawisko, czyli fosforescencję. Becquerel naświetlał światłem słonecznym różnorodne minerały, a następnie zawijał je w kliszę światłoczułą w celu zbadania, czy występuje zjawisko fosforescencji zaczerniające materiał światłoczuły. Z powodu niepogody nie zdążył naświetlić próbki rudy uranowej, włożył ją więc do swojego fartucha laboratoryjnego. Klisza i próbka minerału były przechowywane w ten sposób przez kilka dni, po czym Becquerel przypomniał sobie o kliszy i ją wywołał. Okazało się, że materiał światłoczuły uległ prześwietleniu, ale tylko w miejscach, gdzie stykał się z próbką rudy. Wnioskiem było, że minerał wysyła samodzielnie - bez indukcji światłem - jakiś niewidoczny dla ludzkiego oka rodzaj promieniowania. Stało się to początkiem całej serii badań, które zostały potem podjęte przez wielu naukowców, w tym Marii Skłodowskiej-Curie i Ernesta Rutherforda.
Istnieje wiele metod detekcji promieniowania jądrowego. Jednym z pierwszych detektorów (poza światłoczułą kliszą) była zbudowana w 1900 roku rozprężeniowa komora Wilsona, nazywana też komorą mgłową.
Nowocześniejszą odmianą komory Wilsona jest komora dyfuzyjna, która umożliwia obserwacje torów cząstek w czasie rzeczywistym, a nie jedynie w krótkich momentach rozprężania czynnika roboczego:
Innym urządzeniem służącym do wykrywania i pomiaru poziomu promieniowania jądrowego jest detektor z licznikiem Geigera-Müllera. Tego typu przyrządy są jednak zwykle dosyć drogie, a ich samodzielną budowę trudno polecić początkującemu elektronikowi - choćby z powodu konieczności zasilania napięciem kilkuset woltów (zwykle ~400V). Z tego powodu chciałbym przedstawić sposób, w jaki można zbudować prosty przyrząd wykrywający promieniowanie jądrowe w oparciu o wykorzystanie półprzewodnikowych diod PIN. Dzięki temu urządzenie może być zasilanie niskim, bezpiecznym napięciem 9V. Dodatkowo przyrząd ten - w przeciwieństwie do licznika Geigera-Müllera - umożliwia także pomiar energii promieniowania. Zapraszam więc do budowy:)
Pomiar promieniowania - zestaw Zrób-To-Sam
Ważne: przed przystąpieniem do budowy układu i jego wykorzystaniem należy zapoznać się z całą instrukcją.
Po rozpakowaniu możemy zobaczyć, że w skład zestawu wchodzi pewna ilość różnorodnych elementów (Fot.1).
Dołączone do zestawu próbki są dostępnymi w normalnym handlu przedmiotami codziennego użytku wykazującymi wyższy od naturalnego, ale w dalszym ciągu całkowicie bezpieczny poziom promieniotwórczości. Pierwszą stanowi koralik z zielonego szkła uranowego, którego piękna barwa jest wynikiem obecności w materiale niewielkiej domieszki związków uranu, głównie występującego w naturze izotopu 235U. Drugą próbką jest fragment pręta spawalniczego - jest on wykonany ze stabilnego wolframu W, ale zawiera do 2% związków toru, w większości 232Th. Operowanie tymi przedmiotami i ich przechowywanie jest całkowicie bezpieczne. Dobrze jest je jednak traktować z pewną przesadną ostrożnością, np. unikając ich bezpośredniego kontaktu ze skórą. Zarówno szkło, jak i pręt wolframowy są bardzo kruche. W razie ich pęknięcia lub rozprysku trzeba koniecznie unikać sytuacji, by jakiekolwiek odłamki dostały się do naszego - lub innego - organizmu.
Wszystkie elementy zestawu powinny być zawsze przechowywane w suchym miejscu, w temperaturze pokojowej. Całe urządzenie także po złożeniu i uruchomieniu powinno pracować i być przechowywane w podobnych warunkach.
Poza wymienionymi elementami zestawu do budowy urządzenia i prowadzenia pomiarów z jego wykorzystaniem będziemy potrzebować:
- szczelnie zamykane pudełko wykonane z metalu,
- baterię o napięciu 9V,
- komputer z portem USB, wyposażonyn w system operacyjny Windows lub Linux oraz oprogramowanie Audacity.
Zestaw umożliwia zbudowanie układu pozwalającego na wykrywanie, pomiar i porównywanie efektów promieniowania jonizującego, nazywanego często radioaktywnością. Czułość urządzenia jest na tyle duża, że nie jest problemem wykrywanie obecnego ciągle wokół nas promieniowania naturalnego, jak i promieniowania próbek różnorodnych (nawet mało aktywnych) materiałów promieniotwórczych.
Budowa układu
Aby zbudować urządzenie jest potrzebne niewielkie pudełko lub puszka wykonana z dowolnego metalu. Dobrze w tym celu nadają się blaszane pudełka na drobiazgi lub ciasteczka (Fot.2). Wymiar pudełka powinien być tak dobrany, aby płytka główna 1 zmieściła się w nim z łatwością.
Ważne: puszka pełni rolę osłony dla uruchomionego układu. Pracujący sensor wraz ze wzmacniaczem posiada tak dużą czułość, że musi być ekranowany przed falami radiowymi, polami elektrycznymi i światłem.
Puszka musi umożliwiać szczelne zamknięcie, tak by do środka nie mogło dostać się światło!
Następnie musimy w dnie puszki zaznaczyć miejsca na otwory, w których zostaną osadzone śruby mocujące płytkę główną. Najłatwiej wykonać to w sposób przedstawiony na Fot.3.
Jak widać, puszkę trzeba odwrócić do góry dnem i położyć na niej płytkę główną. W ten sposób za pomocą flamastra lub ołówka możemy zaznaczyć na powierzchni metalu miejsca, w których będzie trzeba wywiercić otwory pod śruby.
Otwory najlepiej wywiercić wiertarką przy pomocy wiertła o średnicy 4mm lub podobnej (Fot.4). W razie braku wiertarki i jeśli dno puszki nie jest wykonane ze zbyt grubego lub twardego metalu to otwory można wywiercić ręcznie przy wykorzystaniu jakiegoś ostrza.
Fot. 5 przedstawia gotowe otwory. Ich krawędzie warto wygładzić papierem ściernym lub pilnikiem, ponieważ w innym przypadku mogą być one ostre - trzeba wtedy uważać, aby się nie skaleczyć.
W otwory płytki głównej wkręcamt cztery śruby 5:
Jak widać, śruby wkręcamy od strony elementów, a nakładamy nakręcamy na nie cztery nakrętki 6 w sposób przedstawiony na Fot.6. Pozostałe cztery nakrętki pozostają do wykorzystania na dalszych etapach budowy urządzenia.
Płytkę główną wraz z śrubami oraz nakrętkami umieszczamy w wywierconych uprzednio otworach puszki (Fot.7).
Na odcinki śrub wystające od spodu puszki nakładamy podkładki sprężynowe 7 (Fot.8).
Następnie na śruby trzeba nałożyć pozostałe cztery nakrętki i mocno je dokręcić, jak można zobaczyć na Fot.9
W ten sposób płytka główna została mocno połączona z metalowym pudełkiem. Całość powinna zgadzać się ze schematem (Rys.1).
Kolejną rzeczą jaką musimy zrobić jest wywiercenie w bocznej powierzchni puszki dwóch otworów, przez które do wnętrza będą wchodzić dwa przewody: zasilający 2 i sygnałowy 3. Przykładową orientację otworów ukazuje Fot.10.
Otwory na kable nie powinny posiadać ostrych krawędzi, które by mogły uszkodzić warstwę izolacyjną przewodów. Otwory nie powinny być także zbyt duże, ponieważ pamiętajmy o tym, ze do gotowego urządzenia nie powinno docierać światło z zewnątrz. Przez odpowiednio przygotowane otwory przekładamy więc końcówki obu przewodów (Fot.11).
Odizolowane i pokryte stopem lutowniczym (głównie składającym się z cyny Sn) odcinki przewodów należy umieścić w odpowiadającym im otworach niebieskich łącz śrubowych. Końcówki przewodów posiadają etykiety oznaczone numerami, zgodnie z którymi powinny zostać umieszczone w ponumerowanych złączach (Fot.12).
Po umieszczeniu odpowiednich końców przewodów w złączach trzeba dokręcić ich śrubki za pomocą wkrętaka (Fot.13). W ten sposób przewody zostaną zaciśnięte w złączach - należy to sprawdzić po dokręceniu. Samo dokręcanie prowadzić trzeba z wyczuciem, tak by nie uszkodzić gwintu śrub ani blaszek zaciskowych.
Otwory na przewody trzeba zabezpieczyć tak, by nie mógł przez nie wniknąć nawet najsłabszy promień światła. Przydatna w tym celu może być np. czarna taśma elektroizolacyjna (Fot.14).
Uruchomienie i pomiary
Przystępując do uruchomienia układu pomiarowego musimy najpierw podłączyć i skonfigurować zewnętrzną kartę dźwiękową 4, która komunikuje się z komputerem za pomocą łącza USB. Po uruchomieniu systemu Windows musimy podłączyć kartę do dostępnego portu USB (Fot.15).
System operacyjny powinien w tym momencie automatycznie wykryć kartę i przełączyć się na jej wykorzystanie. Warto jednak to skontrolować. Po kliknięciu prawym przyciskiem myszy w ikonę głośnika na dolnym pasku systemowym (regulacja głośności) należy z menu wybrać opcję "Otwórz ustawienia dźwięku" po czym w odpowiednich polach ustawić:
| Wyjście: | Głośniki (2-USB Audio Device) |
| Wejście: | Mikrofon (2-USB Audio Device) |
Wykryta przez system nazwa urządzenia - tutaj 2-USB Audio Device - może się nieco różnić od podanej. W każdym razie jako urządzenia wejścia i wyjścia zawsze należy wskazać zewnętrzną kartę dźwiękową USB.
W razie potrzeby istnieje możliwość ustawienia wzmocnienia sygnału w systemie, ale zwykle nie są konieczne manipulacje przy tym parametrze.
Potem trzeba uruchomić program Audacity i skonfigurować, wybierając na górnym pasku programu Edit→Preferences→Devices, a następnie:
| Recording device: | Mikrofon (2-USB Audio Device) |
| Channels: | Channels: 1 (Mono) |
Zmiany zatwierdzić trzeba przyciskiem OK. Konfiguracja zostaje w ten sposób zakończona, a komputer jest gotowy do współpracy ze zbudowanym przez nas urządzeniem.
Na tym etapie warto zapoznać się z budową przewodu zasilającego (Fot.16)
Przewód kończy się zaciskiem a, do którego podłącza się baterię o napięciu 9V. W obudowie - specjalnie zaprojektowanej i wydrukowanej w technice 3D - znajduje się główny włącznik urządzenia b (0 - wyłączone, 1 - włączone), a także dioda LED sygnalizująca działanie c. Podczas pracy czujnika migota ona na zmianę światłem o barwach zielonej i niebieskiej :)
Zauważmy, że drugi przełącznik znajduje się bezpośrednio na płytce głównej urządzenia. Służy on do zmiany czułości urządzenia. Dzieje się to za sprawą zmiany liczby aktywnych elementów pomiarowych (Fot.17).
Kiedy przełącznik zostanie ustawiony w pozycji 0, to pomiar będzie wykonywany tylko przy wykorzystaniu jednego czujnika z pięciu (Fot.17A). Ustawienie to cechuje się mniejszą czułością, niższą wrażliwością na naturalną promieniotwórczość środowiska i promieniowanie kosmiczne, jest też bardziej odpowiednie dla niewielkich próbek.
Ustawienie 1 pozwala na wykorzystaniu wszystkich pięciu czujników (Fot.17B). Dzięki temu zwiększa się czułość układu pomiarowego. Pociąga to za sobą także zwiększenie wrażliwości na naturalne tło radioaktywne. To ustawienie może być przydatne także do pomiaru próbek o większych wymiarach.
Urządzenia nigdy nie wolno uruchamiać, jeśli istnieje możliwość oświetlenia czujników światłem słonecznym lub sztucznym, ponieważ pociąga to za sobą ryzyko zniszczenia układu! Pokrywa metalowego pudełka podczas pracy czujników zawsze musi być zamknięta i można ją otworzyć dopiero po wyłączeniu zasilania głównym włącznikiem. Właśnie z tego powodu został zastosowany zwracający uwagę migoczący sygnalizator działania urządzenia - pokrywę można otworzyć tylko w czasie, kiedy dioda LED nie świeci!
Sekwencja czynności wykonywanych przy pomiarze jest następująca:
- Upewnienie się, czy główny włącznik zasilania (Fot.16b) jest wyłączony, tzn. na pozycji 0 (dioda LED nie świeci)
- Otwarcie pokrywy
- Umieszczenie badanej próbki na polu czujników (przełącznik na płytce: 1 - dla małych próbek, 2 - dla większych)
- Zamknięcie pokrywy
- Podłączenie baterii do zacisku (Fot.16a), jeśli nie została podłączona wcześniej
- Podłączenie wtyczki przewodu sygnałowego do wejścia mikrofonowego karty dźwiękowej (Fot.18)
- Włączenie urządzenia - główny przełącznik zasilania na pozycję 1 (dioda LED powinna zacząć migotać)
- Uruchomienie i skonfigurowanie (jeśli nie został włączony wcześniej) programu Audacity
- Rozpoczęcie nagrywania przyciskiem Record. Długość czasu akwizycji danych zależy od uzytkownika
- Zakończenie nagrywania. Dane najlepiej jest wyeksportować (File→export as wav) do pliku dźwiękowego o formacie *.wav
- Wyłączenie urządzenia - główny przełącznik zasilania na pozycję 0 (dioda LED powinna zgasnąć)
- Pokrywę można otworzyć i wyjąć badaną próbkę
W czasie trwania pomiaru w pobliżu pracującego urządzenia nie może znajdować się włączony telefon komórkowy!
Do podstawowej obsługi programu Audacity wykorzystujemy przyciski Record (rozpoczyna rejestrację sygnału), Stop (kończy rejestrację sygnału) i Play (odtwarza uprzednio zarejestrowany sygnał). Lokalizację opisanych przycisków ukazuje Fot.19.
Warte wspomnienia są także przyciski ukazane na Fot.20. Przycisk a pozwala na powiększenie zaznaczonego fragmentu sygnału, natomiast b na wyświetlenie całego sygnału jednocześnie.
Przeprowadzenie opisanej procedury, w tym działanie układu i zapis danych przedstawia poniższy film. Jako badana próbka posłużył okaz cyrkonu - minerału z gromady krzemianów wyspowych.
Po dokonaniu pomiarów zapisane pliki można pozostawić do dalszych analiz. Pliki w formacie wav są plikami muzycznymi, a więc po ich otwarciu w dowolnym odtwarzaczy dźwięku będziemy mogli usłyszeć dźwiękową intepretację zapisu - szum, na który będą nałożone bardzo krótkie (często trudne do usłyszenia) trzaski sygnalizujące detekcję promieniowania jonizującego. Aby zobaczyć wykres sygnału, pliki należy otworzyć za pomocą programu Audacity. Plik z zapisem sygnału dla cyrkonu zarejestrowany podczas kręcenia filmu jest dostępny tutaj.
Wynik
Wstępna analiza pozwala na zaobserwowanie faktu, że rejestrowany sygnał posiada dwie składowe. Możemy w nim wyróżnić składową szumu, wynikającą z istnienia efektów kwantowych i drgań termicznych zachodzących w sieci krystalicznej półprzewodnika, z którego zbudowano sensory oraz elementy wzmacniacza. Na szum są nałożone dużo silniejsze i bardzo krótkie sygnały użyteczne (piki), będące efektem oddziaływania promieniowania jonizującego wytwarzanego przez substancje radioaktywne na sensory (Fot.21).
Zmiana podstawy czasu (zaznaczyć fragment sygnału z pikiem i wcisnąć przycisk powiększenia vide Fot.20a) pozwala na zaobserwowanie, że każdy sygnał użyteczny ma postać bardzo szybko narastającego impulsu ujemnego, a następnie nieco wolniejszego dodatniego echa (Fot.22).
Wielkość impulsu ujemnego świadczy bezpośrednio o energii czynnika jonizującego - im większa energia tym większy pik. Sensory są czułe głównie na promieniowanie beta β (zarówno β-, jak i β+) oraz gamma γ. Promieniowanie alfa α z pewnością wywołałoby silną reakcję układu oddziałując z siecią krystaliczną sensorów, ale jego mała przenikliwość powoduje, że zwykle nie może ono spenetrować do wnętrza czujników.
Z opisanych powodów przedstawiony przyrząd mimo swojej prostoty pozwala na porównywanie zarówno aktywności promieniotwórczej próbki (ilości impulsów), jak i energii powstającego przy tym promieniowania β lub γ. W razie posiadania przyrządu wzorcowego i przy zachowaniu pewnych rygorów (np. identycznego wzmocnienia sygnału przy każdym pomiarze - tak od strony sprzętowej, jak i programowej) byłoby możliwe wyskalowanie przyrządu w jednostkach energii.
Wydłużając czas rejestracji zwiększamy dokładność pomiaru. Możemy wykonać zapis trwający np. 0,5h i podzielić ilość zapisanych pików przez 30 uzyskując wynik wyrażony w impulsach na minutę. Dokonując dłuższych pomiarów warto wziąć pod uwagę promieniotwórczość tła. Jeśli czas zapisu jest odpowiednio dłuższy, to nie umieszczając na polu czujników żadnych próbek udaje się zwykle zarejestrować promieniotwórczość naturalną (np. promieniowanie kosmiczne) jako pojedyncze piki w średnim odstępie rzędu kilku minut. Dlatego warto przed właściwym pomiarem wykonać dodatkowy pomiar promieniowania tła i uwzględnić uzyskaną wartość.
Do zestawu są dołączone dwie próbki: zielonego szkła 8 i odłamek wolframowego pręta spawalniczego 9. Obie mogą posłużyć do pierwszych doświadczeń z opisanym przyrządem. Ich poziom promieniowania jest jedynie minimalnie większy od naturalnego, więc konieczny jest dłuższy czas pomiaru - korzystne jest także wykonanie pomiaru kontrolnego, tzn. promieniowania tła.
Marek Ples