poniedziałek, 20 marca 2017

Bieg własny detektora

Jednym z bardziej istotnych parametrów detektorów promieniowania (liczników Geigera-Mullera, komór jonizacyjnych, detektorów scyntylacyjnych) jest tzw. bieg własny, czyli impulsy niepochodzące od mierzonego preparatu. Na bieg własny składa się wiele czynników, przede wszystkim tło naturalne, czyli promieniowanie kosmiczne i  promieniowanie pochodzące z Ziemi, jak również promieniowanie elementów detektora i jego osłon. W tym celu przy pomiarach szczególnie niskich aktywności buduje się grube osłony z betonu zagłębione w gruncie, aby odciąć promieniowanie kosmiczne. Z kolei zwiększanie grubości osłon detektora zwiększa wpływ promieniowania naturalnych i sztucznych domieszek zawartych w ołowiu i żelazie. Dlatego też na właściwe osłony, tzw. domki pomiarowe, wykorzystuje się często takie materiały, jak sezonowany ołów i stal - pierwszy pochodzi z ołowianych sztab, służących za balast rzymskich okrętów, drugi np.z pancerzy okrętów wojennych zatopionych przed XX wiekiem. Oczywiście pojawia się tu konflikt z interesami archeologów, przeciwnych niszczeniu zabytków szkutnictwa Antyku. Trudno się jednak dziwić zakusom fizyków, skoro ołów wytopiony 2000 lat temu nie zawiera tylu domieszek, co wytapiany współcześnie (skażenie atmosfery i gruntu produktami prób nuklearnych i awarii reaktorów), a ewentualne krótkożyciowe domieszki zdążyły dawno ulec rozpadowi.
Innym sposobem na eliminowanie tła promieniowania jest stosowanie układów antykoincydencyjnych - próbka i miernik otoczone są innymi detektorami zliczającymi impulsy pochodzące z zewnątrz, a układ antykoincydencyjny liczy tylko te impulsy, które nie pojawiły się jednocześnie w głównym liczniku i którymkolwiek z liczników zewnętrznych.
Innymi czynnikami składającymi się na bieg własny detektora mogą być zakłócenia elektromagnetyczne, zmiany temperatury, wstrząsy, wahania napięcia zasilającego i wiele innych. Część z nich można wyeliminować (stała temperatura, stabilizacja napięcia zasilającego), inne należy po prostu uwzględniać w prowadzonych pomiarach. Zaleca się mierzyć bieg własny przed serią pomiarów, w trakcie pomiędzy poszczególnymi partiami próbek oraz po całym dniu pracy, kiedy pomiar biegu własnego można "zapuścić" na noc, a zebrane dane użyć następnego dnia. Jeżeli chodzi o napięcie pracy licznika Geigera, to powinno być ustalone w 1/3 plateau licznika, zaraz za progiem Geigera - wzrost napięcia powoduje zwiększenie biegu własnego, po przekroczeniu progu na końcu plateau miernik ulega wzbudzeniu i zaczyna sam generować impulsy.
A tak przykładowo bieg własny tuby Geigera typu BOB-33 z 1969 r., mierzony w osłonie z 2 cm ołowiu wynosi < 27 imp./min (długość plateau 100V, nachylenie 0.053%/V). Z kolei BOB-33A z 1984 r. ma bieg własny deklarowany na 25 imp./min (dane odpowiednio: 100V, 0.125%/V). Inne tuby:

  1. SBT-11A - 0.25 imp./s (15 imp./min.)
  2. SBT-9 - 0.17 imp./s (10,2 imp./min.)
  3. SBM-19 - 2 imp./s (120 imp./min.)
  4. SBM-20 - 1 imp./s (60 imp./min.)
  5. SI38G - 0.008 imp./s (0.45 imp./min.)
  6. STS-5 - 27 imp./min (0.45 imp./s)
  7. LND 712 - 10 imp./min (osłona 50 mm Pb + 3 mm Al)
Porównanie różnych tub GM:







Oryginalne metryczki radzieckich popularnych tub 
(niestety nie dla wszystkich podano bieg własny):








Więcej specyfikacji i porównań TUTAJ


czwartek, 16 marca 2017

Promienie katodowe i rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie, zwane też na zachodzie promieniami X (X-ray), odkryto przez przypadek, podczas badania wyładowań w rozrzedzonych gazach. Po przyłożeniu wysokiego napięcia do elektrod w tzw. rurze Crookesa powstawał strumień elektronów emitowanych przez katodę i uderzających z dużą prędkością w anodę. Część elektronów, które nie trafiły w katodę, tylko w szkło bańki, powodowała świecenie szkła na skutek wzbudzenia jego atomów. 

Świecenie lampy elektronowej - prostowniczej diody próżniowej EY-86) na skutek promieniowania katodowego.
Wkrótce okazało się, że w rurach Crookesa powstaje jeszcze inne, wysoko przenikliwe promieniowanie, zdolne do pokonania szkła bańki i innych przeszkód. Odkryto je przez przypadek, dzięki luminescencji przypadkowo rozsypanego luminoforu podczas pracy lampy zasłoniętej czarnym papierem (warto mieć czasem bałagan w warsztacie!). Wiedziano, że przyczyną nie mogą być promienie katodowe ani światło, gdyż lampa była osłonięta. Nowe promienie początkowo nazwano "X" - od matematycznego symbolu niewiadomej, później nadano im imię jednego z odkrywców, W.K. Roentgena (nad promieniowaniem pracowali też inni uczeni, m.in. Nikola Tesla, Iwan Puluj i wspomniany już Crookes, który jednak nie zwrócił szczególnej uwagi na dużą przenikliwość promieni towarzyszących emisji katodowej).

Promienie katodowe wykorzystywane są m.in. w lampach elektronowych i kineskopach. W lampach elektronowych strumień elektronów między katodą a anodą jest regulowany przez napięcie przykładane do trzeciej elektrody, tzw. siatki sterującej, co pozwala na pracę lampy np. jako wzmacniacza, tak jak pracują obecnie tranzystory. W lampach dwuelektrodowych (diodach) przewodzenie możliwe jest tylko w jednym kierunku (od katody do anody), zatem nadają się do prostowania prądu zmiennego oraz detekcji sygnału radiowego, analogicznie jak późniejsze diody półprzewodnikowe (krzemowe, germanowe). W kineskopie strumień przyspieszonych elektronów jest odchylany w polu magnetycznym, rysując linia po linii obraz na warstwie luminoforu, którą pokryty jest od wewnątrz ekran. W lampach próżniowych (kineskopy) przyspieszeniu ulegają elektrony emitowane przez katodę, w lampach gazowanych (część lamp elektronowych) przyspieszane są jony gazu wypełniającego lampę.
Promieniowanie rentgenowskie powstaje niejako przy okazji, na skutek hamowania rozpędzonych elektronów na atomach ciężkich pierwiastków, z których wykonana jest anoda (w przypadku kineskopu - ekran). Zderzenie z atomami anody powoduje powstanie promieniowania hamowania (Bremmstrahlung), lecz większa część energii przetwarzana jest na ciepło. Dlatego też lampy rentgenowskie wymagają wydajnego chłodzenia (wodne albo przez stały obrót anody, by elektrony zawsze uderzały w inny jej punkt).
Promieniowanie rentgenowskie najprościej można otrzymać podłączając lampę elektronową do źródła wysokiego napięcia - może to być powielacz napięcia z telewizora, albo, gdy chcemy być tradycjonalistami - induktor Ruhmkorffa ze szkolnej pracowni. Świecenie szkła oznacza emisję promieni katodowych, a więc i promieni rentgenowskich. 


Do eksperymentu nadaje się każda lampa elektronowa majaca wyprowadzenie anody na czubku bańki (brak ryzyka zwarcia), szczególnie diody prostownicze EY-86 i DY-86. Zwykłe lampy grożą przebiciem między nóżkami cokołu (napięcie używane przy eksperymencie jest rzędu dziesiątek kV!). Można też użyć odgromników iskrowych ze sprzętów wojskowych (typ R-35, R-350), a nawet - neonówki na gwint E-14 (przy zasilaniu z induktora moc dawki od neonówki do 3 mR/h, EY-86 daje 0.7, inne 0,12-0.4). Moc dawki zależy bezpośrednio od napiecia i natężenia prądu na lampie, tabele można znaleźć w podręcznikach radiologii (np. S. Zgliczyński, Radiologia) i ochrony radiologicznej. 
Odgromnik iskrowy typ R-35 z radzieckiego demobilu, typ R-350 ma 2 elektrody bez środkowej, ale też działa.

UWAGA. Lampę należy osłonić  z boków kawałkami ołowiu, a w bezpośrednim sąsiedztwie umieścić dozymetr (może być i Biełła, jej ekranowanie nie jest zbyt grube i wykryje nawet słabą emisję RTG). Źródło zasilania włączać z odległości, najlepiej z sąsiedniego pokoju, a przebieg eksperymentu nagrywać kamerą lub aparatem na statywie. Unikać patrzenia na lampę (często występują wyładowana emitujące ultrafiolet - ryzyko zaćmy w przyszłości, poza tym po prostu bolą oczy jak od patrzenia na spawanie łukowe lub lampę kwarcową). Szczególnie chronić okolice narządów rozrodczych, mających największą wrażliwość na promieniowanie.  Drugi dozymetr warto mieć przy sobie dla upewnienia się, że jesteśmy poza zasięgiem promieniowania. EKSPERYMENTUJESZ NA WŁASNĄ ODPOWIEDZIALNOŚĆ

środa, 1 marca 2017

"Castle Bravo"

Źródło - Departament Energii USA, https://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Castle_Bravo_Blast.jpg

1 marca 1954 r. na atolu Bikini Amerykanie zdetonowali bombę termojądrową "Shrimp" (Krewetka), w której zamiast płynnego deuteru i trytu znanego z pierwszej bomby (Ivy Mike) zastosowano stały deuterek litu, łatwiejszy do przechowywania i transportu (nie wymagał stosowania ekstremalnie niskich temperatur i wysokiego ciśnienia). W takiej bombie eksplozja następuje w kilku fazach. Najpierw tradycyjny ładunek jądrowy (uranowy lub plutonowy) dostarcza odpowiedniej temperatury i strumienia neutronów. Następnie neutrony powodują powstanie deuteru i trytu z deuterku litu, a temperatura umożliwia syntezę tych izotopów w jądra helu z wydzieleniem ogromnej energii. Dodatkowo bomba obudowana jest płaszczem ze zubożonego uranu, pełniącym funkcję reflektora neutronów w pierwszej fazie wybuchu oraz dodatkowego materiału rozszczepialnego w drugiej fazie. Bomby takie mają nazwę fission-fusion-fission (rozszczepienie-synteza-rozszczepienie).
Siła eksplozji osiągnęła 15 Mt zamiast spodziewanych 5, gdyż w reakcji tworzenia trytu z litu zawartego w deuterku litu brały udział oba izotopy - Li-6 i Li-7, czego nie przewidziano. Eksplozja spowodowała silne skażenie całego atolu, którego mieszkańcy zapadli na chorobę popromienną. Sprawę próbowano wyciszyć, lecz sprawa napromieniowania załogi kutra rybackiego "Piąty Szczęśliwy Smok" (będącego 140-170 km od epicentrum) zwróciła uwagę opinii międzynarodowej na konsekwencje eksplozji. Mieszkańców atolu ewakuowano, choć wielu z nich zmarło lub cierpiało na długofalowe skutki choroby popromiennej. Władze USA zostały zmuszone do wypłacenia odszkodowań zarówno mieszkańcom, jak również własnym naukowcom i załogom okrętów, znajdującym się zbyt blisko epicentrum. Skandal wywołał tzw. Projekt 4.1 w którym eksperymentowano na ludziach i zwłokach, aby zbadać efekty działań promieniowania i opadu radioaktywnego.