Komora jonizacyjna do pomiaru radonu

Jedne z Czytelników bloga przesłał mi dokumentację skonstruowanego przez siebie miernika stężenia radonu, wykorzystującego komorę jonizacyjną. Oddaję głos Autorowi:

Samodzielna budowa urządzenia do pomiaru narażenia od radonu w powietrzu.

Kilka lat termu natknąłem się na stronę https://www.theremino.com/en/ zawierającą m. in. informacje na temat pomiarów promieniowania jonizującego. Zainteresowały mnie dwie kwestie – wygodne oprogramowanie do akwizycji danych eksperymentalnych, Theremino Geiger, wstępnie skonfigurowane do użytku z szeregiem sensorów promieniowania (https://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_Geiger_V6.7.zip).

oraz problematyka pomiaru narażenia związanego z obecnością radonu w otoczeniu.

https://www.theremino.com/files/IonChamberV7/Radon_IonChamber_ENG.pdf

wraz z budową odpowiedniego detektora

https://www.theremino.com/files/IonChamberV7/Radon_IonChamberV7_Construction_ENG.pdf

https://www.theremino.com/files/IonChamberV7/Radon_IonChamberV7_Electronics_ENG.pdf

Ze względu na, wydawałoby się, prostotę detektora będącego w istocie rodzajem komory jonizacyjnej, zdecydowałem się na budowę.

Schemat urządzenia przedstawia rysunek poniżej

na którym:

1 – komora pomiarowa, najlepiej o objętości 1 litra

2 – elektroda zewnętrzna o wysokim potencjale dodatnim

3 – elektroda centralna połączona z układem pomiarowym

4 – izolacja elektrody centralnej

5 – tranzystor Fet jako detektor ultraniskiego prądu

6 – wzmacniacz prądowo-napięciowy

7 – generator wysokiego napięcia.

Każdy rozpad radonu w komorze (1) jonizuje powietrze i wytwarza tysiące par elektron-kation. Silne pole elektryczne w komorze (ok. 100 V/cm) szybko przyciąga kationy w kierunku elektrody środkowej (3), izolowanej plastikowymi oprawkami (4) i połączonej elektrycznie z tranzystorem FET (5).

Elektrony są przyciągane przez osłonę zewnętrzną (2). W ciągu kilku milisekund wszystkie elektrony wytworzone przez rozpad pojedynczego atomu radonu przepływają przez generator wysokiego napięcia (7), wzmacniacz (6), tranzystor FET (5) i rekombinują z jonami dodatnimi wyłapanymi przez elektrodę centralną.

Powstały, słaby prąd o natężeniu poniżej pA jest najpierw wzmacniany przez tranzystor FET i przekształcany w sygnał napięciowy. Następnie wzmacniacz i dyskryminator szerokości impulsu (6), odrzucają impulsy o niskiej energii i przesyłają właściwe impulsy na złącze wyjściowe (8).

Złącze wyjściowe (8) można podłączyć bezpośrednio do wejścia interfejsu „Theremino_Master module” (ja zakupiłem ten moduł na eBay-u) skonfigurowanego jako prosty "Licznik". Obróbką otrzymanych impulsów zajmuje się oprogramowanie Theremino Geiger.

Jak to wypadło w rzeczywistości, pokazują fotografie gotowego urządzenia.

Zewnętrzna obudowa to pojemnik na szczotkę WC o średnicy 90 mm i długości prawie 300 mm. Wewnątrz znajduje się elektroda zewnętrzna z rury kominowej o średnicy 80 mm i długości 200 mm, co daje praktycznie pojemność komory pomiarowej równą 1 litr. Elektroda zewnętrzna (2) odizolowana jest od obudowy pierścieniami z laminatu epoksydowo-miedzianego, wytrawionego tak, że jest przylutowany zarówno do elektrody, jak i obudowy, jednocześnie zapewniając niezbędną izolację elektryczną.

Dodatkowe osłony z obu stron obudowy, to nakrętki do słoików 86 mm, nawet takie same, jak w oryginalnej dokumentacji Autorów. W nakrętce z jednej strony jest filtr wlotowy (siatka metalowa z wkładem filtracyjnym od odkurzacza), z drugiej strony jest wentylator ssący wymuszający przepływ powietrza przez komorę, również przez filtr. Widoczna sonda wysokonapięciowa i pomiar napięcia elektrody zewnętrznej, na drewnianej podstawce pudełko z zamkniętym w nim interfejsem Theremino Master i wyprowadzeniem do gniazda USB komputera, dodatkowo zasilacze układów elektronicznych o niskim poziomie szumów oraz okablowanie.

Należy podkreślić, że w przeciwieństwie do licznika G-M, w którym w wyniku przejścia czynnika jonizującego następuje wyładowanie lawinowe, w komorze jonizacyjnej, jak tu opisana, mierzymy prąd jonowy powstały wskutek jonizacji powietrza przez cząstkę lub foton, przy czym prąd ten zależy od zdolności do jonizacji. W przypadku cząstki alfa podczas przejścia przez powietrze generuje ona na swojej drodze ogromną ilość par: kation – wybity elektron, wystarczającą do powstania mierzalnego impulsy prądowego pomiędzy dwoma naładowanymi elektrodami. Natomiast cząstka beta czy kwant gamma, choć też w jakimś stopniu zjonizują powietrze, to powstały impuls elektryczny zostanie przez opisany układ elektryczny zignorowany.

Jak to działa w praktyce? Oczywiście fakt otrzymania wykresu takiego jak poniżej jeszcze o niczym nie świadczy, mogą to być przecież przypadkowe zakłócenia elektryczne. 

Dlatego na wlocie zainstalowałem pojemnik na próbki, z odciętego dna butelki PET. Umieszczałem w nim takie generatory gazowych emiterów alfa, jak torowa siatka Auera (toron-220) lub wypatrzoną na garażówce polską busolę Adrianowa z 1954 roku w doskonałym stanie (radon-222). Takie rozwiązanie pozwala na bezpośredni pomiar obecności nawet tak skrajnie krótko żyjącego izotopu, jak toron/radon-220 o czasie półtrwania 55 sekund. Ponadto, w przeciwieństwie do metody z adsorpcją izotopów pochodnych na węglu aktywnym, jest to bezpośredni, a nie wtórny pomiar obu tych izotopów.

Już pierwsze próby, przeprowadzone z siatką Auera, były zachęcające. Ze względu na długi czas ich trwania, nie mieszczący się w oknie programu, skorzystałem z eksportu danych do rozdzielanego spacjami, przecinkami i dwukropkami pliku tekstowego o strukturze:

# -------------------------------------

#  Session start: 2021-12-19 13:15:19

# -------------------------------------

#       FIR Seconds: 7200

#       Sensor type: IonChamber

#      Sensor Sens.: 0.43

#        Sensor BKG: 0.00

#  Sensor Dead-time: 10000

# -------------------------------------

#  DATE      TIME      CPM     pCi/l

# -------------------------------------

2021-12-19 13:15:19,00000.000,00000.010

2021-12-19 13:15:20,00000.000,00000.010

2021-12-19 13:15:30,00000.000,00000.010

2021-12-19 13:15:40,00000.000,00000.010

2021-12-19 13:15:50,00002.401,00002.620

2021-12-19 13:16:00,00001.715,00001.849

Dane z takiego pliku można zaprezentować w dowolnym programie do obróbki danych jak Origin czy SigmaPlot.

Rysunek jest dość wymowny. Przy początkowym stężeniu radonu ok. 30 Bq/m³ (pomiar w zimie, więc gorsza wentylacja) umieszczenie siatki na wlocie komory powoduje w ciągu ok. półtorej godziny wzrost odczytu do ok. 2000 Bq/m³. Usunięcie siatki powoduje najpierw powolny spadek odczytu przez ok. 2 godz. (wynika to z ustawienia długiego czasu pomiaru równego 7200 s, więc bezwładność układu pomiarowego jest olbrzymia), ale po następnych 7200 s odczyt stabilizuje się na poziomie 200 Bq/m³. Widoczne w tym zakresie 2 „ząbki” to efekt wyłączenia i włączenia urządzenia na kilka sekund, aby sprawdzić stabilność odczytu.

Warto zaznaczyć, że podwyższone odczyty utrzymywały się przez kilka dni, czego powodem był najprawdopodobniej izotopy: Pb-212 i w mniejszym stopniu Bi-212, o dość długim. w porównaniu do toronu-220, czasie półtrwania.

I na koniec wisienka na torcie, czyli pomiary wydzielania radonu-222 przez busolę Adrianowa.

Tym razem wykresy oryginalne z okna programu.

Stan początkowy to ok. 20 Bq/m³

 Po umieszczeniu busoli w kieszeni przyrządu:

Wzrost odczytów zawartości radonu był tak szybki, że jeszcze szybciej usunąłem busolę z kieszeni przyrządu, zamknąłem w szczelnym słoiku z uszczelką silikonową i umieściłem w najgłębszym zakamarku pakamery. Ponownie, jak w przypadku toronu-220, widoczny jest efekt bezwładności wynikający z 2-godzinnego czasu uśredniania pomiarów. 

Ciąg dalszy wykresu z poprzedniej ilustracji (całość wykresu obejmuje 4 godziny pomiaru)

Pomiar dokonany następnego dnia praktycznie nie wykazywał wzrostu poziomu promieniowania. Skąd taka różnica w zachowaniu się tych obu izotopów? Mogę przypuszczać, że ze względu na krótki okres półtrwania toronu (55 s) ogromna jego większość rozpada się we wnętrzu komory jonizacyjnej, paskudząc ją izotopami pochodnymi, głównie Pb-212, podczas gdy radon-222 (T_1/2 ok. 3,8 dnia) w ogromnej większości „przelatuje” przez komorę jonizacyjną, a izotop Pb-210 (T_1/2 ponad 22 lata) praktycznie nie ma wpływu na poziom tła komory.

Jako ciekawostkę można podać, że ponieważ zmierzone aktywności toronu-220 i radonu-222 były zbliżone, to fizycznie emisja radonu-222 była ok. 6000 razy większa od emisji toronu(!!!). I dotyczyło to busoli w doskonałym stanie technicznym. Ze względu na tę emisję busoli nie powinno się raczej trzymać w mieszkaniu.

Na koniec jeszcze jedno wyjaśnienie. W dziedzinie ochrony przed radonem funkcjonują dwa terminy: stężenie radonu oraz narażenie na radon, przy czym drugi termin obejmuje również wpływ izotopów z szeregu radowego. Większość profesjonalnych detektorów radonu skalowana jest dla narażenia od radonu, czyli pokazuje wartości ok. 2 razy wyższe niż fizyczne stężenie radonu.

Wnioski końcowe:

• w warunkach domowych można zbudować własnoręcznie przyrząd do pomiaru obecności radonu w powietrzu
• dzięki oprogramowaniu z portalu Theremino.com możliwa jest wszechstronna analiza i interpretacja wyników
• niedogodność stanowi, jak w przypadku wszystkich pomiarów w warunkach niskiej aktywności, długi czas uśredniania wyników (1-2 godziny) i związana z tym ogromna bezwładność detektora, wskutek czego otrzymane wykresy odstają od szybkich zmian stężenia radonu. W przypadku pomiarów wysokich aktywności czas uśredniania można ustawić na krótszy, co pozwoli otrzymać wyniki zbliżone do rzeczywistego przebiegu pomiarów
• w miarę dokładny pomiar obecności radonu w mieszkaniu trwa ok. 2 godz., chodź wstępnie wynik można szacować po ok. ½ godz.

Na koniec zagadka – ile może wynosić emisja radonu z „eksponatu” określonego jako „wojenna radziecka busola Adrianowa” oferowanego na jednym z portali aukcyjnych?

Sprawy licencyjne:

Warunki korzystania z oprogramowania i rozwiązań konstrukcyjnych przedstawionych na portalu Theremino.com zawarte są w dokumencie https://www.theremino.com/en/contacts/copyrights 

W największym skrócie:

Legal notice and GDPR

This site does not capture and store personal information.

Even in the case of donations through PayPal, We do not collect user's details.

We do not accept advertising, therefore do not propose it to us.

Everything on the site is completely free, Open Source and no copyright.

For the license, legal notices and the privacy of personal data, consult This page.

The software, the firmware and circuit diagrams published on this site, must not be used in any life support system, or project where a fault may have a safety impact.

This does not mean that the system is particularly unreliable. Indeed, precisely because of its smooth functioning, could someone use it inappropriately.

The system Theremino has not been designed for applications that may involve risks and, therefore, we will not be liable for any damage resulting from your use.

W zakresie będącym wynikiem moich osobistych prac, zarówno budowy urządzenia do pomiaru stopnia narażenia na promieniowanie od radonu, jak i uzyskanych wyników i metod prowadzących do ich otrzymania, udzielam portalowi https://promieniowanie.blogspot.com/ bezpłatnej, do niekomercyjnego użytku, licencji na publikację udostępnionych danych, pod warunkiem podania strony https://www.theremino.com/en/ jako źródła rozwiązań projektowych, oprogramowania, modułu komunikacji sprzętu pomiarowego z komputerem oraz informacji na temat narażenia spowodowanego obecnością radonu w powietrzu.

Oświadczam, że w podanym zakresie prezentowane wyniki eksperymentalne są rezultatem moich osobistych prac, jestem ich jedynym autorem i nie są one obciążone roszczeniami osób trzecich.

***

Autorowi dziękuję za udostępnienie materiałów, zaś Czytelników zachęcam do wyrażania opinii w komentarzach, jak również przesyłania własnych projektów, którymi chcecie się podzielić z ogółem. Mogę też przetestować Wasze konstrukcje w praktyce.