Jak zrobić domek osłonny obniżający tło?

Domki osłonne, zwane też domkami pomiarowymi, stosowane są przy pomiarach małych aktywności oraz spektrometrii promieniowania gamma. W obu przypadkach służą do obniżenia wpływu promieniowania tła naturalnego, które przy małych aktywnościach byłoby silniejsze niż promieniowanie pochodzące z próbki, zaś przy spektrometrii wprowadzałoby dodatkowe piki zaciemniające obraz. Promieniowanie tła pochodzi zarówno z kosmosu, jak również z naturalnych i sztucznych radionuklidów obecnych w skorupie ziemskiej.

Domki osłonne najczęściej wykonuje się z ołowiu, stąd potoczna nazwa „domek ołowiany”. Ołów jako materiał osłonny ma niewątpliwą zaletę w postaci dużego ciężaru właściwego (11,35 g/cm3), przekładającego się na wysoką krotność osłabienia promieniowania. Zaletą jest też niska temperatura topnienia (327 st. C), pozwalająca na odlewanie dowolnych kształtów nawet w warunkach domowych. Metal ten jest miękki, daje się więc łatwo formować: ciąć, zwijać, wyginać, kuć, wiercić bez użycia dużej siły. Niestety ma też wady. Przede wszystkim jest trujący, zarówno przy narażeniu przez skórę, jak i drogą oddechową, w tym przy wdychaniu oparów podczas topienia. Ma też porowatą strukturę, wychwytującą zanieczyszczenia i skażenia, trudną zaś do dekontaminacji. I wreszcie ostatnia kwestia, czyli cena. Obecnie koszt 1 kg ołowiu to ok. 30 zł. Do budowy domku pomiarowego nadaje się ołów w każdej postaci, jednak jeśli chcemy oszczędzić sobie topienia, mamy do wyboru:

kulki o następujących średnicach i masie nasypowej, wszystkie po 850 zł za 25 kg:

2,5 mm – 6-7 kg/l (OFERTA)
6,2 mm – 7,5 kg/l (OFERTA)
8 mm – 7,5 kg/l (OFERTA)

blacha o następujących grubościach

0,5 mm – 110 zł/m2 (OFERTA)
1 mm – 229 zł/m2 (OFERTA)
1,5 mm – 370 zł/m2 (OFERTA)
2 mm – 500 zł/m2 (OFERTA)
3 mm – 750 zł/m2 (OFERTA)
4 mm – 999 zł/m2 (OFERTA)

Domek osłonny możemy więc wykonać, bądź obsypując granulatem rurę o średnicy odpowiadającej naszemu detektorowi bądź też owijając ją wieloma zwojami blachy. W obu wypadkach koszt ołowiu będzie jednak znaczny. Jest jednak jeszcze jedno rozwiązanie, które właśnie przetestowałem.

Otóż na osłony przed promieniowaniem stosuje się również żelazo. Ma ono nieco mniejszy ciężar właściwy niż ołów (7,8 g/cm3 wobec 11,35 g/cm3), jest jednak nieporównywalnie tańsze. Zatem przy użyciu nieznacznie grubszej warstwy żelaza uzyskamy taką samą krotność osłabienia jak stosując cieńszą warstwę drogiego ołowiu. Ponieważ żelazo ma dużo wyższą temperaturę topnienia niż ołów (1538 st. C) i jest nieporównywalnie twardsze, pozostaje nam zastosowanie granulatu. Można użyć kulek, blaszek lub gradowiny, czyli odpadu po produkcji gwoździ. Masa nasypowa wynosi 4,5 kg/litr, zaś cena 25 kg zaledwie 200 zł. Dostępna jest zarówno gradowina ze stali surowej, jak i ocynkowanej. Możemy zalać ją żywicą lub parafiną, by nadać stałą formę. Zależy to od naszej inwencji i potrzeb.

***

Teraz przedstawię mój domek pomiarowy. Kupiłem 25 kg granulatu, w postaci drobnych krążków fi 2 mm ze stali ocynkowanej.

Jako obudowy użyłem starej puszki CSS "Społem" o wymiarach 17x25,5 cm i pojemności 5,7 litra.

Najpierw włożyłem do puszki gruby worek od śmieci i wywinąłem brzegi na zewnątrz. Następnie nasypałem na dno warstwę ok. 5 cm gradowiny. Następnie pośrodku umieściłem krążek z ołowiu o grubości 1 cm, stanowiący podstawę komory pomiarowej. Na nim umieściłem rurkę tekturową od ręczniczka papierowego – najlepiej co prawda użyć miedzianej lub aluminiowej, aby odcinała promieniowanie rozproszone w ołowiu, niestety nie miałem takiej pod ręką. Następnie zacząłem obsypywać boki gradowiną.

Rurka szybko ustabilizowała się , mocno trzymana po bokach przez grubą warstwę granulatu. Materiał sypałem aż do krawędzi puszki, wtedy brzegi worka zwinąłem do środka i przymocowałem gumką wokół części rurki wystającej ponad brzeg puszki.

Nastał moment testu. Uruchomiłem miniaturowy dozymetr scyntylacyjny RadiaCode 101 wraz z aplikacją na telefonie. Poczekałem na ustabilizowanie się tła – wyniosło w moim pokoju 0,122 µSv/h (6,2 cps). Umieściłem dozymetr w domku i zacząłem obserwować wskazania w aplikacji. Wynik zaczął bardzo szybko spadać aż osiągnął 0,02 µSv/h (0,98 cps). Obniżenie tła było więc rzędu 7,5 razy. Domek jeszcze nie miał zakrycia od góry. Warstwa granulatu wynosiła 5 cm po bokach, zaś od spodu była dodatkowo wzmocniona przez 1 cm ołowiu. Następnie umieściłem w kanale domku woreczek z gradowiną, ale jego wpływ na spadek wskazań był praktycznie zerowy.

Następnie uruchomiłem SRP-68. Miernik ten, stosowany w prospekcji geologicznej, ma znacznie większy kryształ scyntylacyjny. Po odczekaniu minuty tło naturalne oscylowało między 15 a 17 µR/h (~0,15-0,17 µSv/h). Zacząłem wsuwać sondę do domku. Już po zanurzeniu jej końca w pierwszych warstwach granulatu wynik zaczął spadać poniżej 10 µR/h. Gdy koniec sondy spoczął na dnie, wynik wahał się między 3,5 a 5,5 µR/h. Przyjmując uśrednione wartości 0,16 µSv/h i 0,045 µSv/h mamy obniżenie tła 3,5x.

Skąd taka różnica w krotności osłabienia? Otóż RadiaCode 101 rejestruje zarówno promieniowanie gamma o niskich energiach, jak również część promieniowania beta, o czym łatwo można się przekonać za pomocą uranowej glazury czy kontrolki od rentgenoradiometrów. Domek pomiarowy bardzo skutecznie odcina te emisje, zaś promieniowanie wysokoenergetyczne, głównie twarda składowa promieniowania kosmicznego, słabo działa na mały kryształ CsI(Tl), stanowiący detektor w RadiaCode 101. Z kolei SRP-68 ma duży kryształ NaI(Tl), osłonięty zarówno aluminium, jak i gumą. Jest więc znacznie mniej czuły na emisję beta i niskoenergetyczną gamma, co łatwo sprawdzić zarówno glazurą czy kontrolką, jak również innymi „codziennymi” źródłami, np. siateczkami żarowymi. Przy pomiarach SRP-68 rejestruje głównie twarde promieniowanie, czyli też wysokoenergetyczną składową promieniowania kosmicznego. To promieniowanie jest mniej wydatnie osłabiane przez 5 cm stali, stąd mniejsza krotność osłabienia.

Po przeprowadzeniu pierwszych testów postanowiłem skonstruować „korek”, zamykający domek od góry. Użyłem w tym celu woreczka strunowego z garścią gradowiny. Umieszczałem go w kanale domku po włożeniu tam dozymetru. Nie zarejestrowałem jednak zauważalnego dalszego osłabienia promieniowania.

Przy okazji - woreczki wypełnione granulatem ze stali lub ołowiu mogą służyć również za segmentowy domek osłonny - obłożymy nimi badany obiekt wraz z detektorem, jeśli całość nie zmieści się w domku.

***

Prezentowany projekt domku osłonnego jest skalowalny. Jeśli krotność osłabienia tła będzie za mała, można użyć większego naczynia i dosypać granulatu lub po prostu włożyć cały domek do dużego wiadra z warstwą granulatu na dnie i obsypać po bokach.

Zastosowana rurka mieści "na styk" spektrometr µSpect, z niewielkim luzem sondę od SRP-68 i ze sporym zapasem miniaturowe dozymetry takie jak RadiaCode 101.

Niestety nie zmieszczą się do niej mierniki o większych obudowach, na szczęście możliwa jest bardzo szybka "przebudowa" domku i zastosowanie rurki o większej średnicy. Zastosowanie granulatu (obojętnie, stalowego czy ołowianego) ułatwia nam przebudowy, oszczędzając ponownego topienia lub zwijania blachy.

***

Zerknijmy jeszcze na przykłady fabrycznych domków osłonnych, zaczynając od katalogów z lat 60.:

Cyt. za: Aparatura jądrowa - informator techniczny, Warszawa b.r.w. [1961]

Cyt. za: Katalog 37R - izotopowa aparatura przemysłowa i techniczna, Warszawa 1969.

Radziecki "domek ołowiany ciężki" typu DS-000, ważący 73 kg, i przeznaczony do detektora z okienkowym licznikiem G-M typu MST-17 wchodzącym w skład zestawu DP-100:

https://promieniowanie.blogspot.com/2018/12/radiometr-dp-100.html

Istniał też typ "lekki" w kształcie prostopadłościanu, o nieco cieńszej ściance, z wbudowanym licznikiem G-M typu STS-6:

https://promieniowanie.blogspot.com/2018/12/radiometr-dp-100.html

Innym rozwiązaniem jest forma szafeczki, jak np. domek pomiarowy do radiometru RKB-20.01 Beta, o grubości ścianki ok. 2,5 cm i ważący 20 kg:

https://promieniowanie.blogspot.com/2017/11/radiometr-beta-rkb-2001.html

Zerknijmy jeszcze na współczesne konstrukcje - LC-201 o ściance złożonej z 100 mm ołowiu i 2 mm miedzi:

https://modelmedical.pl/produkty/niskotlowy-domek-olowiany-lc201/

A także domek SDO-1 firmy Polon-Alfa złożony z półpierścieni o grubości ścianki 30 mm, zapewniających 5x obniżenie tła dla scyntylatora NaI(Tl) 40x40 mm. Domek ten jest wyposażony w statyw mocujący sondę, pasujący do współczesnych sond scyntylacyjnych "Polonu":