Jak zrobić spintaryskop?

Spintaryskop to urządzenie wykorzystujące ekran scyntylacyjny do obserwacji cząstek alfa. Uderzenia cząstki alfa w ekran powoduje mikroskopijny błysk światła (scyntylację), które po przystosowaniu wzroku do ciemności można zliczać pod lupą. Na tej samej zasadzie działają detektory scyntylacyjne, tylko zamiast lupy i ludzkiego oka wykorzystują fotopowielacz, wzmacniający błyski światła, następnie zliczane przez układ elektroniczny.

Spintaryskop wynalazł William Crookes w 1903 r., obserwując świecenie ekranu pokrytego siarczkiem cynku pod wpływem promieniowania emitowanego przez próbkę bromku radu. Przez przypadek rozlał radioaktywny materiał, a z uwagi na wysoki koszt radu, próbował odzyskać jak najwięcej tej substancji. Obserwował więc ekran pod mikroskopem w poszukiwaniu drobinek bromku radu. Zauważył wówczas pojedyncze błyski, powstające w wyniku zderzeń cząstek alfa z siarczkiem cynku. Przedtem bowiem, gdy na ekran działał gęsty strumień cząstek alfa emitowany przez całą próbkę, błyski od każdego zderzenia zlewały się w jedną poświatę. Gdy zaś źródłem była niewielka drobina, można było rozróżnić poszczególne błyski. Pod wpływem tej obserwacji Crookes skonstruował urządzenie przeznaczone do obserwowania i zliczania cząstek alfa. W tej konstrukcji igła pokryta radem umieszczona była przed ekranem scyntylacyjnym, który był obserwowany od przodu, zatem połowa promieniowania radu trafiała w ekran, a połowa w drugą stronę, poprzez soczewkę prosto do oka obserwatora:

Przekrój spintaryskopu Crookesa na ilustracji z 1923 r., źródło:
https://www.georgeglazer.com/wpmain/product/science-art-physics-spinthariscope-george-f-morrell-original-illustration-1923/

Poniżej rozmontowany spintaryskop Crookesa z 1903 r. Widoczny wyjęty ekran scyntylacyjny, zniszczony od długotrwałego działania promieniowania oraz igła z próbką radu, umieszczona na śrubce, umożliwiającej zbliżanie i oddalanie od ekranu:

Źródło - Worthpoint.com 

W prezentowanym urządzeniu zamontowano nowy ekran scyntylacyjny, dzięki czemu nadal można obserwować błyski. Trwałość scyntylatora jest jedynym ograniczeniem żywotności tego spintaryskopu, ponieważ rad-226 ma okres półrozpadu równy 1600 lat, zatem całkowitemu rozpadowi ulegnie za 10 takich okresów. Niestety scyntylator jest mniej trwały - jego struktura krystaliczna szybko ulega zniszczeniu przez wysokoenergetyczne cząstki alfa emitowane przez rad.

Obecnie stosuje się innym układ konstrukcyjny, czyli źródło umieszcza za ekranem scyntylacyjnym, który jest półprzezroczysty i pozwala na obserwację z drugiej strony. 

https://skullsinthestars.com/2011/04/25/the-spinthariscope-see-atoms-decay-before-your-eyes/

Spintaryskopy były stosowane w polskim szkolnictwie, jednak na rynku wtórnym pojawiają się wyjątkowo rzadko. Zacytuję opis z archiwalnej aukcji Allegro, zakończonej 7 lipca 2012 r. (pisownia oryginalna): 

Spintaryskop znajduje się w katalogu pomocy naukowych z 1963 pod symbolem V 9-1. Spintaryskop służy do obserwacji zjawisk scyntylacji zachodzących na powierzchni monokryształu cynku pod wpływem bombardowania cząstkami alfa (fizyka jądrowa). Spintaryskop zawiera: ekran z siarczku cynku, lupę x 8 do obserwacji i ciało promieniotwórcze Pu239 emitujące cząstki alfa. Spintaryskop jest nierozbieralny (szczelnie zawalcowany). Przechowywany jest w drewnianym walcowym pudełku. W roku 1963 do wykonania źródła użyto plutonu o dopuszczalnej aktywności dla źródeł otwartych: 3,7*10^3 rozpadów/s czyli 0,1 µCi dla kąta bryłowego pełnego (zgodnie z normą Centralnego Laboratorium Ochrony Radiologicznej). Spintaryskop został dopuszczony do użytku szkolnego. [...] 

Po 50 latach aktywność źródła  Pu-239 znacznie zmalała; mnie w ciągu 0,5 godziny patrzenia udało się zauważyć tylko 4 błyski; może było więcej ale to naprawdę trzeba dużej cierpliwości. 

Źródło - https://archiwumalle.pl/spintaryskop_jedyna_okazja_do_kupienia_warto-1_2451450074.html

Z racji rzadkiego występowania oraz złego stanu technicznego nielicznych egzemplarzy pozostaje nam wykonanie spintaryskopu we własnym zakresie. Nie jest to trudne, jeśli już mamy niezbędne części - wystarczy połączyć je ze sobą w wygodny i trwały sposób.

Spintaryskop składa się z trzech podstawowych elementów:

• źródła cząstek alfa z mechanizmem przesuwania
• ekranu scyntylacyjnego
• układu powiększającego

Każdy z nich może występować w kilku wariantach. A więc od początku:

1. Źródło. Wiele izotopów emituje cząstki alfa (rad-226, tor-232, uran-238 i 235), jednak w większości przypadków z silną domieszką promieniowania gamma i beta, pochodzących z produktów rozpadu. Wymagają zatem grubych osłon, aby nie narażać użytkownika na nadmierną dawkę. W przypadku radu, występującego głównie w starych farbach świecących, dochodzi ryzyko skażenia, jak również ekshalacja radonu-222. Izotopy o „czystej” emisji alfa (pluton-239, polon-210) są zaś wysoce radiotoksyczne i na szczęście niedostępne dla Kowalskiego. Teoretycznie idealnym rozwiązaniem byłby ameryk-241, który poza cząstkami alfa emituje jedynie słabe promieniowanie gamma (59 keV). Jednak jego pozyskanie z czujki dymu grozi skażeniem i nie polecam takich praktyk. Podczas eksperymentów udało mi się uzyskać świecenie od wskazówki z farbą radową, przechowywanej w woreczku strunowym - cząstki alfa emitowane przez rad są na tyle przenikliwe, że część z nich jest w stanie pokonać cienką folię. Z kolei ceramika z glazurą uranową zupełnie nie oddziaływała na spintaryskop.

Źródło najlepiej zamontować w sposób pozwalający na przysuwanie i odsuwanie od ekranu, np. na pręciku lub śrubie. Dzięki temu możemy obserwować wzrost osłabiania cząstek alfa wraz z odległością. Pozwoli nam to również „wyłączyć” spintaryskop poprzez odsunięcie źródła od ekranu poza zasięg cząstek alfa, chroniąc w ten sposób scyntylator przed niepotrzebnym zużyciem podczas nieużywania przyrządu.

2. Ekran scyntylacyjny. Mamy tu trzy różne sposoby.

• Zakup na eBay. Sprzedawane tam ekrany mają postać cienkiej okrągłej folii z ZnS(Ag) w ramce z papieru. Średnica 1,5 cala, ramka jest prostokątna o wymiarach 6,3x8 cm. Ten scyntylator ma dobrą wydajność, choć zarówno ramka, jak i folia, są dość wiotkie. 

Oferta na eBay - LINK

• Zakup na Allegro. Dostępne są wymienne scyntylatory ZnS(Ag) do uniwersalnych sond scyntylacyjnych SSU-3 i SSU-70. Scyntylator osadzony jest w plastikowym krążku pasującym do kołnierza sondy, który bardzo ułatwia mocowanie w korpusie spintaryskopu:

https://allegrolokalnie.pl/oferta/scyntylator-znsag-geigera-detektor-alfa-nowy

• Samodzielne wykonanie z kawałka ekranu od czarno-białego kineskopu. Jest on pokryty luminoforem (siarczkiem kadmowo-cynkowym aktywowanym srebrem), który świeci pod wpływem bombardowania elektronami emitowanymi z wyrzutni w szyjce kineskopu i przyspieszanymi wysokim napięciem przyłożonym do ścianek. Jeśli znajdziemy na śmietniku stary telewizor z rozbitym kineskopem (zwykle utłuczona szyjka), możemy pozyskać z niego kawałek ekranu. Uważajmy tylko, by nie zetrzeć luminoforu, który jest napylony cienką warstwą od wewnątrz ekranu. Pamiętajmy też o mocnych rękawicach, gdyż odłamki grubego szkła kineskopu mogą poważnie skaleczyć. Obecnie niestety na śmietnikach dominują telewizory z kineskopami kolorowymi. Na szczęście kilka lat temu znalazłem rozbity telewizorek turystyczny Elektronika 409, z którego wyjąłem ten oto fragment:

Z lewej widok od strony ekranu, z prawej od wnętrza - luminofor już miejscami pościerany.

3. Układ powiększający. W najprostszym wydaniu jest to pojedyncza soczewka, możemy też użyć lupy stacjonarnej, np. filatelistycznej. Innym rozwiązaniem będzie lupa statywowa - PZO produkowały popularny model z wymiennymi soczewkami o powiększeniu 8 i 20 x. Dla większej wygody możemy użyć binokularu (powiększenia 6,3 - 80x) albo mikroskopu (25-1200 x). Łączne powiększenie danego przyrządu obliczymy, mnożąc powiększenie obiektywu i okularu, przykładowo:

• binokular MST-131: obiektyw 0,63/1/1,6/2,5/4 x, okular 6,3 lub 20 x
• mikroskop Carl Zeiss L-Stativ: obiektyw 5/10/20/40/100 x, okular 5, 8 lub 12,5x

Generalnie im mniej aktywne jest nasze źródło, tym większego powiększenia potrzebujemy. Niestety wraz ze wzrostem powiększenia zmniejsza się jasność, co szczególnie widać przy mikroskopie z obiektywem 100x, który wymaga stosowania oleju immersyjnego. Pamiętajmy też, by obserwacje prowadzić w całkowitej ciemności, po przystosowaniu wzroku. 

Z kolei jeśli nie używamy układu powiększającego, np. dopiero montujemy nasz spintaryskop, to pamiętajmy, że świecenie ekranu jest najlepiej widoczne, gdy patrzymy kątem oka. Dzieje się tak, ponieważ na obrzeżach siatkówki jest najwięcej pręcików, odpowiedzialnych za widzenie skotopowe, czyli w słabych warunkach świetlnych. Często przy patrzeniu na wprost ledwo widzimy rozjaśnienie ekranu pod wpływem promieniowania, zaś gdy spojrzymy w bok, światło stanie się wielokrotnie silniejsze.

Ekran spintaryskopu możemy również fotografować, używając długiego czasu naświetlania oraz obiektywu z trybem makro lub pierścieni pośrednich. W tym wypadku całkowite zaciemnienie jest jeszcze ważniejsze, gdyż przy czasie naświetlania rzędu minut każdy przebłysk światła da bardzo wyraźny ślad na matrycy. W większości przypadków będziemy potrzebowali dłuższej ekspozycji, zwłaszcza że w trybie makro drastycznie spada jasność obiektywu (o pierścieniach pośrednich nie wspominając). Z kolei zwiększanie czułości powoduje wzrost szumów - podczas testów swoich ekranów scyntylacyjnych użyłem ISO 6400, czasu naświetlania 30 s i przysłony f/8, a następnie jeszcze zwiększyłem ekspozycję +3 EV. Ostatnim etapem było wyrównanie balansu bieli, przyjmując za wzorzec zarys białego kartonu oprawki ekranu scyntylacyjnego - świecenie od Am-241 wygląda następująco:

Z kolei wskazówka godzinowa od budzika UMF Ruhla, umieszczona w woreczku strunowym i przyłożona do spintaryskopu stroną z większą ilością farby daje taki efekt, który można uznać raczej za resztki luminescencji farby radowej niż scyntylacje:

Obraz pojawiający się na ekranie spintaryskopu możemy również sfilmować, choć wymaga to bardziej skomplikowanych przygotowań. Cytuję przetłumaczony opis eksperymentu, który przyprowadził użytkownik Wally z serwisu Flickr (tłumaczenie z Google Translate wygładzone przeze mnie):

GEOelectronics Spinthariscope widziany przez kamerę telewizyjną noktowizyjną Cohu 4400 z obiektywem makro Micro-NIKKOR 105 mm. Użyłem swojego panoramicznego telewizora jako monitora i sfotografowałem część ekranu za pomocą aparatu wycelowanego i strzelającego w trybie filmowania.

Wally, licencja CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0), źródło: https://flickr.com/photos/by_wally/22870953372/in/photolist-AR2BCh

Kamera telewizyjna została ustawiona na statywie kopiującym z emiterem alfa i błoną spintaryskopu skierowaną do góry. Zmodyfikowany pojemnik na płatki owsiane i kilka ręczników kąpielowych zapewniły ciemną przestrzeń między badanym a soczewką, odległość wynosiła około 11 cali. Ekran spintaryskopu znajduje się około 1/2 mm od materiału emitującego alfa, który jest krążkiem foliowym o średnicy 2 mm. Kiedy materiał ekranu jest odwrócony, światło nie jest wykrywane, więc jest tak, jak mogłoby się wydawać, alfa muszą najpierw uderzyć w stronę luminoforu, a nie w nośną folię z tworzywa sztucznego spintaryskopu. Kiedy spintaryskop jest całkowicie usunięty, żadne światło nie jest wykrywane, więc nie jest to materiał emitera alfa świecący w widzialnym obszarze ani odbijający część światła.

W prawym górnym rogu znajduje się obszar stale włączony z powodu wypalenia ekranu docelowego w mojej kamerze telewizyjnej z intensyfikacją obrazu Cohu. W obszarach z ciemnym tłem pojawiają się losowe białe kropki, są to szumy we wzmacniaczu obrazu kineskopowego kamery telewizyjnej, a nie fotony ze spintaryskopu. W centralnym obszarze widać, że cząstki alfa prowadzą energiczne dyskusje z materiałem luminoforu spintaryskopu.

Dodatkowe eksperymenty przeprowadzono z niektórymi materiałami barierowymi. Nie widać poświaty, jeśli w ścieżkę cząstek alfa włożono folię aluminiową o grubości 0,0005 cala [0,0127 mm]. Nie widać poświaty, jeśli włożona jest jedna warstwa materiału woreczka z poliamidu o grubości 0,002 cala [0,0508 mm]. Cząstki alfa przechodzą przez jedną warstwę plastikowej folii do pakowania żywności o grubości 0,0005 cala [0,0127 mm], a tłumienie trudno ocenić naocznie. Dzięki dwóm warstwom folii spożywczej blask jest nadal widoczny, ale widocznie zmniejszony. Nie widać poświaty w przypadku trzech warstw folii spożywczej jako bariery. Wprowadzono dwie warstwy folii rade [oryg. radfilm] i poświata spintaryskopu wydawała się nieosłabiona.

Jeśli pokusiliście się o własnoręczne wykonanie spintaryskopu albo już takowy zmontowaliście, dajcie znać w komentarzach i pochwalcie się efektem!