Projekt „Edukacyjne Detektory Promieniowania”, dofinansowany przez Ministerstwo Edukacji i Nauki, umożliwia wypożyczanie przyrządów dozymetrycznych do celów dydaktycznych. W ofercie są dwa rodzaje mierników: omawiany niedawno Edukacyjny Licznik Geigera-Mullera [LINK] oraz prezentowany tutaj detektor scyntylacyjny CosmicWatch.
Przyrząd wykrywa cząstki naładowane, zarówno pierwotne (promieniowanie
beta lub miony z promieniowania kosmicznego), jak i wtórne (elektrony wybite w detektorze
pod wpływem promieniowania gamma).
Detektorem promieniowania jest scyntylator plastikowy, wykonany z polipropylenu (PP) z dodatkiem 1% 2-difenylooksazolu (PPO) i 0,03% 1,4-di(5-fenyloksazolo-2-yl)benzenu (POPOP).
 |
| https://www.ncbj.gov.pl/sites/default/files/instrukcja_obslugi_licznika_cosmicwatch.pdf |
Ma on wymiary 50x50x10 mm, jest więc kwadratową płaską
płytką, a nie walcem, jak w sondach SSU czy radiometrach SRP. Taki kształt
zapewnia korzystną geometrię pomiarową w układzie koincydencyjnym, o którym
jeszcze wspomnę. Scyntylator jest połączony z miniaturowym fotopowielaczem
krzemowym (SiMP) i zabezpieczony od dostępu światła. Instrukcja jednak zaleca
zabezpieczenie przed nadmiernym oświetleniem oraz silnymi polami
elektromagnetycznymi.
Miernik rozpoczyna pracę od razu po podłączeniu zasilania przez port mini-USB. Wynik podawany jest na wyświetlaczu OLED wraz z dodatkowymi informacjami - kolejno:
- tryb pracy:
- master – pojedynczy licznik lub pierwszy licznik w trybie koincydencji
- slave – drugi licznik w trybie koincydencji
- liczba zliczeń od momentu włączenia/resetu
- czas pomiaru w godzinach, minutach i sekundach
- częstość zliczania w impulsach na sekundę (cps) oraz niepewność pomiaru (+/-), podana również w cps (a nie w % jak w większości dozymetrów)
- nazwa pliku tekstowego, w którym są rejestrowane wyniki
Dodatkowo impulsy są sygnalizowane błyskami silnej diody LED obok wyświetlacza.
- jako pojedynczy miernik wykrywający promieniowanie gamma i beta
- w układzie koincydencyjnym z drugim detektorem do wykrywania mionów z promieniowania kosmicznego
W obu trybach możliwa jest współpraca CosmicWatch z
komputerem, nie jest jednak niezbędna – wynik możemy śledzić na wyświetlaczu, a
dane są zawsze rejestrowane na karcie microSD umieszczonej w gnieździe na
tylnej ściance obudowy. Dane z karty zgrywamy za pośrednictwem programu,
dostępnego na stronie NCBJ [LINK], możemy też ją wyjąć i odczytać w dowolnym
czytniku.
.jpg)
Przy pracy pojedynczego miernika będziemy mogli mierzyć tło naturalne oraz emisję od różnych źródeł. W przypadku tła przy dłuższym prowadzeniu pomiaru (20 min - 1 h) wykryjemy nawet bardzo subtelne różnice:
- komputer przy biurku w pokoju: 1,54 cps (4719 imp/53 min)
- blat z klawiaturą przy biurku: 1,418 cps (5158 imp/1 h 03 min)
- parapet w pokoju: 1,215 cps (3960 imp/56 min)
- łózko w pokoju: 1,45 cps (6101 imp/1h 12 min)
- szafka nocna w salonie: 1,23 cps (4035/56 min 41 s)
- stół w salonie: 1,3 cps (4046 imp/53 min 44 s)
- blat w kuchni: 1,51 cps (8317 imp/1 h 35 min)
- parapet w kuchni: 1,394 cps (5094 imp/1 h 03 min)
- łazienka: 1,66 cps (6554 imp/1 h 08 min 16 s)
Maksymalny czas zliczania wynosi 9 h 59 min 59 s, a po jego przekroczeniu detektor zaczyna liczyć do tyłu (ze znakiem minus), do dyspozycji mamy więc 20 godzin pomiaru.
Ponieważ Cosmic Watch wykorzystuje detektor scyntylacyjny, a do tego umieszczony w obudowie z aluminium, zatem do eksperymentów lepiej używać źródeł z silniejszym udziałem promieniowania gamma. Maksymalna częstość zliczania wynosi ok. 60 cps i udało mi się ją osiągnąć jedynie za pomocą soczewki z torowanego szkła [LINK]:
- medalion Quantum Pendant – 2 typy:
- „Angel Wings” – 835 cpm (18,3 cps)
- „Sunflower" – 189 cpm (3,40 cps)
- soczewka ze szkła torowanego - 1882 cpm (65 cps)
- siateczka żarowa konfekcjonowana przez CHZ "Universal" – 572 cpm (10,75 cps)
- zegarek „Delbana” – 229 cpm (4 cps)
- kafel z glazurą uranową – 498 cpm (9,64 cps)
- elektroda TIG:
- czerwona 3,2 mm – 428 cpm (8.15 cps)
- czerwona 2,4 mm – 151 cpm (2,63 cps)
- czerwona 1,6 mm – 113 cpm (1,93 cps)
- pomarańczowa 2,4 mm – 192 cpm (3.40 cps)
Rozpoczynając nowy pomiar trzeba zresetować detektor za pomocą przycisku na tylnej ściance. Spadek wyniku pomiaru pod odsunięciu źródła jest dość powolny – w przypadku pomiaru ceramiki uranowej generującej częstość zliczania rzędu 9,6 cps wynik spada w tempie 0,07 cps na sekundę, zatem na powrót do tła musielibyśmy poczekać dłuższy czas. Na szczęście zresetowanie detektora trwa tylko 7 s.
Obudowa detektora CosmicWatch jest znacznie mniejsza niż Edukacyjnego Licznika Geigera, zatem łatwiej będzie prowadzić eksperymenty z ekranowaniem, umieszczając detektor w słoiku, puszce, skrzynce itp. Przykładowe częstości zliczania w różnych improwizowanych ekranach przedstawiają się następująco:
- bez osłony: 84 cpm (1,39 cps)
- kamionkowy garnek z FNK Bochnia: 113 imp/93 s = 1,21 cps
- sześcian z blachy stalowej 2,3 mm: 100 imp/90 s = 1,11 cps
- żeliwny moździerz: 104 imp/101 s = 1,02 cps
Z kolei mając CosmicWatch i Edukacyjny Licznik Geigera można porównać częstość zliczania od tła naturalnego i przykładowych źródeł, a następnie starać się wyjaśnić przyczyny różnic. Można tu poruszyć np. kwestię wydajności pomiaru oraz kompensacji energetycznej.
***
Zasilanie odbywa się przez port mini-USB z dowolnej ładowarki lub komputera. Odpowiedni kabel znajduje się w zestawie. Pobór prądu wynosi 200 mA przy pracy pojedynczego miernika i nie każdy powerbank, pomimo deklarowania prądu 1A, to pociągnie.
Tryb koincydencyjny pozwala na zarejestrowanie tylko tych
cząstek, które wywołały wyładowania w obu detektorach praktycznie w tym samym
momencie. Będą to więc jedynie cząstki wysokoenergetyczne, o wysokich
prędkościach, a więc m.in. miony z promieniowania kosmicznego.
W tym trybie dwa mierniki CosmicWatch są połączone przy
pomocy przewodu z wtykami jack 3,5. Podłączenia dokonujemy przy wyłączonych
urządzeniach i upewniamy się, że wtyki pewnie siedzą w gniazdach. Detektory
ustawiamy jeden na drugim w zależności od potrzeb:
- na płask – szerszy kąt zbierania cząstek, wyższy odczyt
- na sztorc – węższy kąt, możliwość ustalenia miejsc, z którego pochodzą miony, szczególnie jeśli wykonamy kilka dłuższych pomiarów z ustawieniem miernika pod różnym kątem
 |
| https://www.ncbj.gov.pl/sites/default/files/instrukcja_obslugi_licznika_cosmicwatch.pdf |
Następnie podłączamy zasilanie. Jak detektory uruchomią się, wówczas wciskamy przycisk „reset” na jednym i drugim mierniku w odstępie krótszym od 2 sekund. Wtedy wyświetlacz CosmicWatcha zresetowanego jako pierwszy pokaże napis „master”, a detektor zresetowany jako drugi - „slave”. „Master” zlicza wszystkie impulsy, zaś „slave” jedynie te, które pojawiły się w obu przyrządach jednocześnie. Pozwoli to na wyeliminowanie większości kwantów promieniowania gamma pochodzących od tła naturalnego, które nie są w stanie tak szybko zadziałać na oba liczniki. Oczywiście może się zdarzyć, że dwa kwanty z tła pojawią się w tym samym momencie, ponieważ promieniowanie ma charakter statystyczny, jest to jednak mało prawdopodobne, szczególnie przy niskim tle.
Detektory ustawione krótszymi bokami do siebie możemy ze sobą połączyć za pomocą gumek recepturek lub przymocować do jakiejś deseczki czy płytki z tworzywa sztucznego. Taki układ będziemy mogli ustawiać pod różnymi kątami względem powierzchni ziemi, a następnie porównywać liczbę zliczonych mionów. Na poniższym filmie (przyspieszonym 8x) pokazałem kilka pomiarów wykonanych w moim bloku (2 piętra nad sobą) pod różnymi kątami przez ok. 10 minut każdy.
Wyniki z innej serii pomiarów wykonanych w budynku biurowym (5 pięter nad sobą):
W tym trybie pobór prądu jest 2 razy większy (400 mA) niż przy pracy pojedynczego miernika. Jeśli wykorzystujemy powerbank np. przy pracy w terenie, pamiętajmy, by miał odpowiednią pojemność.
CosmicWatch pracujący w trybie koincydencji możemy również podłączyć do komputera i śledzić wyniki online. W tym celu, po połączeniu mierników w układ koincydencji, podłączamy jeden z nich kablem mini-USB do komputera. Mierniki uruchomią się i musimy je zresetować w ten sposób, aby do komputera był podłączony CosmicWatch pracujący jako „slave” – resetujemy go jako drugi. W przeciwnym wypadku na wykresie zobaczymy impulsy od tła naturalnego, mierzone przez „mastera”, a nie od mionów, które zlicza „slave”. Pamiętajmy więc, by najpierw wcisnąć „reset” na detektorze niepodłączonym do komputera, a następnie na podłączonym. Po tej operacji uruchamiamy program ImportData, dostępny na stronie NCBJ i wybieramy port, do którego podłączony jest CosmicWatch (tak jak przy Edukacyjnym Liczniku Geigera, w moim wypadku był to COM5), a następnie opcję nr 4 w menu.
Przechodzimy na stronę CosmicWatch i klikamy „start data collection”. Impulsy od mionów powinny pojawiać się co kilka sekund, gdy detektory leżą na sobie na płask:
Strona udostępnia również wykres amplitudy impulsów, liczby zliczeń oraz częstości zliczania.
Jeśli chcemy się upewnić, że importujemy dane z właściwego licznika, porównajmy zliczenia z detektora "slave" i liczbę "trafień" wyświetlaną z lewej strony nad wykresem ("At this point we collected X hits!") - liczby te powinny być zbliżone do siebie i znacznie niższe niż zliczenia na liczniku "master".
Przy pracy z komputerem nie musimy martwić się o zasilanie, gdyż detektory są zasilane z portu USB komputera.
***
Detektory wraz z akcesoriami dostarczane są w drewnianej skrzynce, mieszczącej również Edukacyjny Licznik Geigera. Zestaw zawiera następujące elementy:
- miernik CosmicWatch - 2 szt.
- kabel jack 3,5 do układu koincydencyjnego
- kabel mini-USB
- ładowarka
Czas na podsumowanie. Który detektor wybrać? Odpowiedź nie jest jednoznaczna i zależy od naszych potrzeb oraz posiadanych źródeł promieniowania.
Jeśli dysponujemy słabszymi źródłami, emitującymi głównie niskoenergetyczne promieniowanie beta, lepszym wyborem będzie Edukacyjny Licznik Geigera-Mullera, który z racji nieskompensowanego energetycznie detektora (licznik STS-6) będzie nadmiernie czuły na „miękkie” promieniowanie i zapewni szybką, wyraźną reakcję. Ma on też sygnalizację dźwiękową impulsów, co dodatkowo uatrakcyjnia pokaz. Z kolei CosmicWatch ma znacznie mniejszą obudowę, co pozwala go umieścić w różnego rodzaju improwizowanych „ekranach” (garnek, moździerz) i badać krotność osłabienia promieniowania. Detektor scyntylacyjny ma też przewagę przy pomiarach promieniowania gamma, szczególnie pochodzącego od tła naturalnego – pozwoli wykryć bardzo nieznaczne zmiany poziomu promieniowania, jak np. w różnych punktach mojego pokoju miedzy 1,2 a 1,5 cps, wynikające z konstrukcji budynku oraz obecności, nawet odległych, źródeł promieniowania.
Podsumowując, CosmicWatch pełnię możliwości ukazuje podczas pracy w układzie koincydencyjnym, gdy możemy wykrywać miony z promieniowania kosmicznego, niemożliwe do wykrycia innymi metodami. Może też wydawać się bardziej skomplikowany w obsłudze, a także nieco mniej spektakularny w porównaniu z "tykającym" Edukacyjnym Licznikiem Geigera. Oczywiście istnieje możliwość wypożyczenia obu detektorów jednocześnie
Plusy
- duża wydajność pomiaru promieniowania gamma
- możliwość pracy w trybie koincydencyjnym
- mała obudowa
Minusy
- mniejsza czułość na niskoenergetyczne promieniowanie
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz
Jeśli znajdziesz błąd lub chcesz podzielić się opinią, zapraszam!
[komentarz ukaże się po zatwierdzeniu przez administratora - treści reklamowe i SPAM nie będą publikowane!]