Detektory dla szkół cz. I - Edukacyjny Licznik Geigera

Dzięki uprzejmości Działu Edukacji i Szkoleń Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku (https://www.ncbj.gov.pl/deis) mam możliwość przedstawienia Edukacyjnego Licznika Geigera-Mullera. Jest on stosowany w projekcie „Edukacyjne Detektory Promieniowania”, dofinansowanym przez Ministerstwo Edukacji i Nauki (https://www.gov.pl/web/edukacja-i-nauka). Projekt ten stanowi kontynuację programu „Detektory dla szkół” i umożliwia bezpłatne wypożyczenie detektorów promieniowania dla celów szkolnych. Wystarczy wypełnić formularz zgłoszeniowy [LINK] i przedstawić własny projekt edukacyjny, zawierający opis planowanych pomiarów.

W ofercie projektu są dwa rodzaje przyrządów:

•      Edukacyjny Licznik Geigera-Mullera
•      CosmicWatch

Tutaj przedstawię Edukacyjny Licznik Geigera-Mullera (dalej: Licznik), a CosmicWatch omówię w osobnym wpisie.

Przyrząd ten jest prostym dozymetrem mierzącym równocześnie następujące wartości:

• częstość zliczania (A) w impulsach na sekundę (cps)
• łączną liczbę impulsów od chwili włączenia (T)
• czas w sekundach od chwili włączenia (E)
• stan naładowania akumulatora w %

Brak jest kalibracji w jednostkach mocy dawki lub równoważnika dawki (µGy/h, µSv/h), gdyż miernik będzie służył do pomiarów porównawczych (mniej/więcej)., w zupełności wystarczających do celów edukacyjnych Kalibracja obarczona byłaby dużym błędem z uwagi na zawyżanie wyniku przez nieskompensowany energetycznie licznik G-M, z kolei filtr wyrównujący charakterystykę energetyczną znacznie obniżyłby czułość na słabe promieniowanie [LINK].

Detektorem promieniowania jest pojedynczy licznik G-M typu STS-6, znany głównie z sond powierzchniowych SGP-1P i SGB-3P oraz monitorów skażeń RKP-1 i RKP-1-2. Licznik ten rejestruje promieniowanie gamma od 30 keV i beta od 500 keV. Duża powierzchnia czynna w połączeniu z cienką ścianką (45 mg/cm2) zapewniają wysoką czułość nawet na niskoaktywne źródła promieniowania, szczególnie te o większej powierzchni. Licznik umieszczono wzdłuż boku obudowy, za cienką osłoną z przezroczystego tworzywa:

Pomiar możemy prowadzić zarówno umieszczając miernik w pozycji leżącej (licznik skierowany w stronę obsługującego), jak i stojącej (licznik skierowany do podłoża). 

W pozycji stojącej należy zadbać o stabilne ustawienie Licznika lub odpowiednie podparcie np. podstawką biblioteczną lub jakimś ciężkim przedmiotem. 

Przyrząd może pracować samodzielnie lub we współpracy z komputerem. Przy pracy samodzielnej obsługa sprowadza się do włączenia przy pomocy przełącznika na bocznej ściance. Miernik wyświetli wersje urządzenia oraz oprogramowania i po kilku sekundach rozpocznie pomiar. Czas uśredniania wynosi 10 s i tyle musimy odczekać, aby zobaczyć pierwszy wynik. Ten sam czas upłynie również, zanim pomiar spadnie do poprzedniej wartości po odsunięciu źródła. Z kolei reakcja na wzrost poziomu promieniowania jest natychmiastowa.

Praca z komputerem pozwala na uzyskanie wykresu częstości zliczania, zapisywania wyników oraz modyfikację ustawień (np. czasu uśredniania, wyłączenie dźwięku i podświetlenia). Dozymetr podłączamy do komputera za pośrednictwem znajdującego się w zestawie kabla USB typu B. Po podłączeniu dozymetru komputer wykrywa go jako kolejny port szeregowy (COM), następnie uruchamiamy program i z listy wybieramy ten port - w moim wypadku był to COM6. Klikamy [START] i program zaczyna pobierać dane z Licznika w czasie rzeczywistym, prezentując je od razu na wykresie (oś X - czas zliczania w sekundach, oś Y - częstość zliczania w cps):

Do dyspozycji mamy również histogram, prezentujący częstość występowania poszczególnych częstości zliczania - w przypadku tła naturalnego w moim pokoju dominuje 1,1 cps:

Dane z programu możemy skopiować do schowka, a następnie wkleić - w opcji "kopiuj dane" do dowolnego edytora tekstu lub arkusza kalkulacyjnego, w opcji "kopiuj wykres" do edytora grafiki lub też do edytora tekstu:

Program umożliwia też sterowanie parametrami pracy Licznika - możemy wyłączyć dźwięk, podświetlenie wyświetlacza lub zmienić czas uśredniania wyniku, a także wybrać, jakie dane mają być co sekundę przesyłane do komputera.  

Domyślnym ustawieniem jest czas uśredniania rzędu 10 s i przesyłanie częstości zliczania do komputera, możemy też wybrać przesyłanie łącznej liczby zliczeń od początku pomiaru lub liczby zliczeń w ostatniej sekundzie. Niestety nie ma opcji przesyłania tych trzech wartości jednocześnie, choć rzadko jest taka potrzeba.

***

Przystępując do testów najpierw dokonałem licznych pomiarów tła promieniowania  w różnych punktach mieszkania i na dworze, zliczając impulsy przez minutę. Podczas pomiarów tła dozymetr powinien znajdować się 1 m nad ziemią, ale można też wykonać dodatkowy pomiar na powierzchni gruntu i próbować wyjaśnić ewentualne różnice.

 Pomiary prowadzono przez 1 minutę, uzyskując częstość zliczania w cpm, a następnie przeliczano na cps:

• komputer przy biurku w pokoju 55 cpm (0,91 cps)
• blat z klawiaturą przy biurku 63 cpm (1,05 cps)
• parapet w pokoju 55 cpm (0,91 cps)
• łózko w pokoju 50 cpm (0,83 cps)
• szafka nocna w salonie 51 cpm (0,85 cps)
• stół w salonie 45 cpm cps (0,75 cps)
• blat w kuchni 55 cpm (0,91 cps)
• parapet w kuchni 66 cpm (1,1 cps)
• płytki w kuchni 67 cpm (1,116 cps)
• płytki w łazience 91 cpm (1,51 cps)

Później przyszedł czas na "domowe" źródła, czyli przedmioty codziennego użytku, zawierające substancje radioaktywne:

• medaliony Quantum Pendant – 2 typy:
• „Angel Wings” - 800 cpm (13,9 cps)
• „Sunflower” - 158 cpm (2,8 cps)
• soczewka ze szkła torowanego - 2420 cpm (40,3 cps)
• zegarek Delbana - 328 cpm (5,8 cps)
• siatka żarowa konfekcjonowana przez CHZ „Universal” - 1720 cpm (28,6 cps)
• tacka z niskoaktywną glazurą uranową - 112 cpm (1,8 cps)
• kafel z wysokoaktywną glazurą uranową - 7800 cpm (130 cps)
• produkty rozpadu radonu na pokrywie pojemnika - 521 cpm (7,10 cps)

Podczas pomiaru wynik ulega pewnym wahaniom, których okres równy jest czasowi uśredniania (10 s). Przykładowo, podczas pomiaru soczewki ze szkła torowanego częstość zliczania wahała się między 38 a 43 cps z dominantą w okolicy 41 cps, zaś łączna liczba impulsów zliczonych w ciągu minuty wyniosła 2420. Zatem jeśli zależy nam na dokładnym wyniku, najlepiej zliczać impulsy przez minutę, a następnie podzielić liczbę impulsów przez 60, by uzyskać częstość zliczania w cps uśrednioną dla danej minuty. Jest to też dobrą ilustracją statystycznego charakteru promieniowania oraz wpływu czasu pomiaru na dokładność wyniku.

Szczególnie przydatnymi źródłami, zalecanymi wręcz przez instrukcję obsługi, są elektrody spawalnicze TIG zawierające tor-232. Występują w dwóch odmianach: WT-20 z oznaczeniem czerwonym (2% ThO2) i WT-40 z oznaczeniem pomarańczowym (4% ThO2). Ich kształt jest doskonale dopasowany do detektora, pozwalając zachować korzystną geometrię układu pomiarowego:

• czerwona 1,6 mm - 123 cpm (2,2 cps)
• pomarańczowa 1,6 mm - 204 cpm (3,2 cps)
• czerwona 2,4 mm - 133 cpm (2,5 cps)
• czerwona 3,2 mm - 314 cpm (6,8 cps)

Generalnie czułość przyrządu przypomina monitory RKP-1 i RKP-1-2 z włączonym trybem pomiaru mocy dawki, czyli z pracującym tylko środkowym licznikiem G-M. Licznik umieszczony jest blisko krawędzi obudowy i osłonięty jedynie paskiem cienkiej pleksi, zatem osłabienie promieniowania jest niewielkie. Pojedynczy licznik potrzebuje trochę więcej czasu na zebranie odpowiedniej liczby impulsów niż zestaw 3 liczników, szczególnie przy najsłabszych źródłach. Czuły licznik powoduje wyraźny skok wyniku, szczególnie przy bardziej aktywnych źródłach, takich jak ceramika z glazurą uranową czy minerały.

Edukacyjny Licznik Geigera może służyć do różnych eksperymentów, np.:

• pomiar tła promieniowania – po prostu mierzymy tło w budynku lub na zewnątrz np. podczas wycieczki, możemy też sprawdzić stopień osłabienia promieniowania po umieszczeniu Licznika w skrzyni, sejfie itp.
• badanie przenikliwości promieniowania gamma i beta – stosujemy różne zasłony (szkło, metal, plastik, drewno) i sprawdzamy krotność
• demonstracja prawa odwrotnych kwadratów – promieniowanie maleje wraz z kwadratem odległości
• demonstracja statystycznego charakteru promieniowania oraz niepewności pomiaru – zliczamy impulsy w kolejnych minutach, mierzymy częstość zliczania oraz obliczamy błąd pomiaru
• pomiar radonu:
• metodą Markova (zasysanie powietrza odkurzaczem i pomiar zaniku produktów rozpadu)
• metodą sorpcji na węglu aktywnym (najpierw zbieramy przez 48 h radon wydzielający się z farb radowych lub minerałów, następnie mierzymy aktywność na węglu)
• porównanie aktywności różnych próbek
• obliczanie czasu martwego detektora – pomiar dwóch źródeł o takiej samej aktywności: najpierw jedno, potem oba, potem drugie
• pomiary przedmiotów naturalnie promieniotwórczych (granit, związki potasu, niektóre cegły)
• pomiary wyrobów zawierających radionuklidy (glazura uranowa, zegarki i kompasy z farbą radową, elektrody TIG, siatki żarowe, obiektywy)

Oczywiście są to tylko przykłady najbardziej oczywistych eksperymentów z zakresu dozymetrii i ochrony radiologicznej, Licznik można wykorzystać jeszcze w wielu innych pomiarach, w zależności od dostępnych źródeł promieniowania oraz inwencji nauczyciela. 

 ***

Miernik umieszczono w kwadratowej obudowie z czarnego plastiku o wymiarach 22x22x3,5 cm (bez nóżek). 

Górną ściankę wykonano z przezroczystego pleksi, co uwidacznia elementy konstrukcyjne przyrządu. Poszczególne moduły  rozmieszczono w pewnych odległościach od siebie, aby ukazać ich wzajemne powiązania:

Źródło - instrukcja obsługi na stronie NCBJ

Zastosowana obudowa dobrze chroni obwody elektroniczne przed uszkodzeniami i pozwala również na pracę w terenie, oczywiście pod warunkiem delikatnego traktowania. Pleksi ma to do siebie, że łatwo się rysuje, dbajmy więc o przenoszenie miernika w fabrycznym pudełku lub miękkim futerale. Z kolei osłona okienka pomiarowego jest wyraźnie cieńsza niż reszta obudowy, aby nie pochłaniała zbyt wiele promieniowania. Uważajmy zatem, stawiając miernik w pionie, aby na mierzonej powierzchni nie było wystających elementów. 

Pamiętajmy, też, że obudowa nie jest hermetyczna, więc nie prowadźmy pomiarów w warunkach podwyższonej wilgotności powietrza – para wodna kondensująca się we wnętrzu miernika może uszkodzić elektronikę.

***

Zasilanie odbywa się z akumulatora litowo-jonowego typu 18650 o napięciu 4,1 V,  który starcza na min. 12 godzin nieprzerwanej pracy. 

W moim przypadku miernik działał od godziny 10 do 22 non stop, w tym czasie poziom naładowania spadł z 95 % do 5 %, jednak po całonocnej przerwie pracował jeszcze dwa razy po godzinie. Wskaźnik naładowania wykazuje pewne fluktuacje i potrafi nagle podnieść się o 2 % by zaraz spaść o 3 %. Podczas testów, gdy po całym dniu pracy sięgnął 5%, po chwili zaczął rosnąć w tempie 1%/s i ustabilizował się na 15 %.

Rozładowanie poniżej 5 % sygnalizowane jest krótkimi sygnałami dźwiękowymi, zaś poniżej 2 % długimi. Instrukcja zabrania użytkowania Licznika przy poziomie naładowania 0 % (co odpowiada napięciu 3,4 V) z uwagi na ryzyko trwałego uszkodzenia akumulatora. 

Akumulator ładujemy go przez port micro-USB ładowarką dołączoną do zestawu lub inną, od telefonu itp. O trwaniu ładowania informuje nas czerwona dioda, która po zakończeniu procesu zmienia kolor na zielony. 

Instrukcja przestrzega przed ładowaniem z portu USB komputera z uwagi na duży pobór prądu (1 A), mogący znacznie spowolnić ładowanie lub nawet uszkodzić port. Miernik nie ma też możliwości pracy z równoczesnym ładowaniem akumulatora, zatem należy pamiętać o naładowaniu do pełna przed dłuższymi pomiarami. Na szczęście 12 godzin nieprzerwanej pracy to wystarczająco długi czas dla większości zastosowań, a przy pracy przerywanej ten czas dodatkowo się wydłuży.

Z kolei jeśli miernik jest podłączony do komputera, zasilanie odbywa się z portu USB typu B, którym przesyłane są dane. Wówczas nie wyłączymy przyrządu za pomocą wyłącznika zasilania - będzie pracował niezależnie od położenia dźwigienki.

***

Edukacyjny Licznik Geigera (a także detektory CosmicWatch) jest dostarczany w drewnianej skrzyneczce sygnowanej nazwą projektu i logiem Działu Edukacji i Szkoleń NCBJ.

Jest ona wypełniona kształtkami z pianki, chroniącymi przyrząd i dodatkowe akcesoria. Skompletowanie Licznika zawiera następujące pozycje:

• Edukacyjny Licznik Geigera
• ładowarka
• kabel micro-USB
• kabel USB-B

W opakowaniu znajdują się też dwa detektory CosmicWatch wraz z akcesoriami, które omówię osobno.

***

Podsumowując, Edukacyjny Licznik Geigera-Mullera jest bardzo cenną pomocą dydaktyczną, która w prosty sposób może znacznie uatrakcyjnić lekcje fizyki. Liczba eksperymentów, które można przeprowadzić przy pomocy Licznika, jest bardzo duża – przedstawiłem tylko kilka przykładowych, zarówno proponowanych w instrukcji, jak i wymyślonych samodzielnie.

Podsumowanie zalet i wad przyrządu:

Plusy

• duża czułość
• prosta obsługa
• współpraca z komputerem
• długi czas pracy na baterii
• przejrzyste rozmieszczenie modułów w obudowie

Minusy

• ustawienia dostępne są tylko z poziomu komputera

Jak otrzymać detektor? Należy wypełnić wniosek na stronie Działu Edukacji i Szkoleń NCBJ. Cytuję: Od szkoły oczekujemy przygotowania projektu, w ramach którego uczniowie będą mierzyli promieniowanie jonizujące przy pomocy wypożyczonego sprzętu. Opis projektu powinien zawierać cel, rodzaj wykonywanych pomiarów, czas trwania (nie dłużej niż 3 tygodnie) oraz liczbę objętych nim uczniów. Zastrzegamy sobie prawo do akceptacji projektu przed wypożyczeniem sprzętu.

Drugi detektor oferowany w projekcie – scyntylacyjny CosmicWatch – przedstawię już wkrótce. 

Stay tuned!