Iskrowy detektor promieniowania alfa

Dzięki uprzejmości Czytelnika mam możliwość przedstawienia detektora iskrowego, wykrywającego cząstki alfa. 

Zasada działania jest prosta. Jedną elektrodą jest metalowa płytka, a drugą kilka bardzo cienkich drutów lub siatka druciana w odległości 1-2 mm. Do elektrod przyłożone jest wysokie napięcie (4-5 kV), bliskie napięciu przebicia. Cząstka alfa jonizując powietrze powoduje przeskok iskry między płytką a drutami. 

https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=SO6HfyUHrbk

Detektor wykrywa tylko cząstki alfa, gdyż mają one wyjątkowo wysoki potencjał jonizacyjny w porównaniu z cząstkami beta i kwantami gamma.

Ogólny schemat układu wygląda tak - wysokie napięcie lepiej podłączyć przez opór 1-2 megaomów, aby uniknąć wypalania płytki i przerywania drutów od wyładowań:

https://www.hackster.io/mircemk/diy-simple-alpha-radiation-spark-detector-high-voltage-37f772

Dla poprawnego działania układu istotna jest przede wszystkim grubość drutu - jeden z konstruktorów polecał wolframowy 0,1 mm, gdyż przy stalowym 0,2 mm układ nie działał - LINK. Druty nie powinny mieć zagięć i wszystkie muszą być w równej odległości od drugiej elektrody. Jeśli któryś drut będzie bliżej drugiej elektrody, może powodować spontaniczne wyładowania bez udziału promieniowania. Z kolei druga elektroda powinna mieć możliwie gładkie krawędzie, by ograniczyć ulot. 

Prezentowany układ zawiera przetwornicę, powielacz napięcia i 4 druty rozpięte nad miedzianą płytką. Zasilanie odbywa się z zewnętrznego zasilacza prądu stałego o napięciu 5 V - prowadzą do niego czerwone kable widoczne u dołu. 

Do testów użyłem zasilacza tranzystorowego ZT-1500 S, zapewniającego napięcie stałe regulowane skokowo w zakresie 3, 6, 9 i 12 V oraz płynnie +/- 1,5 V dla każdego zakresu.

Zbyt wysokie napięcie zasilania spowoduje przekroczenie napięcia przebicia na elektrodach i samoczynne iskrzenie, bez związku z promieniowaniem. Na szczęście prezentowany układ wyposażono w cyfrowy woltomierz i amperomierz, pozwalający kontrolować napięcie i natężenie pobieranego prądu:

Działanie przedstawia się następująco - filmik obejmuje regulację napięcia oraz iskrzenie sfilmowane z dwóch perspektyw:

Na zbliżeniu iskrzenie przedstawia się następująco:

Można oczywiście zrobić wersję z większą liczbą drutów, aby osiągnąć taki efekt:

Układ generalnie nie przedstawia dużych trudności od strony elektronicznej, a jedynie pod kątem montażu samego detektora, szczególnie jeśli wykorzystujemy drut, a nie siatkę. Spotkałem się z przylutowywaniem odcinków drutu do "grzebienia" wyciętego z płytki drukowanej - nacięcia tego grzebienia stanowią izolację termiczną, dzięki której przylutowując kolejne druty nie powodujemy odlutowania się poprzednich:

http://www.imajeenyus.com/electronics/20110608_spark_radiation_detector/index.shtml

Drugą opcją jest przylutowanie w podobny sposób "oczek", przez które następnie przeciągniemy drut bez dzielenia go na odcinki:

https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2354887.html

Możemy też druty przykręcić do ramki o kształcie okręgu lub ewentualnie kwadratu - przyznam, że ta metoda wydaje mi się najłatwiejsza do wykonania w warunkach amatorskich:

http://www.nuclearphysicslab.com/npl/npl-home/experiments/jays-alpha-spark-detector/

Im więcej drutów, tym bardziej efektowny pokaz, można np. prezentować strumień cząstek alfa, który stopniowo się rozszerza wraz z oddalaniem źródła, jednocześnie zanikając z powodu zatrzymywania cząstek przez powietrze. Do prostej demonstracji wystarczy mniej drutów i mogą być rzadziej rozstawione:

https://www.instructables.com/How-To-Build-An-Alpha-Particle-Spark-Detector/

Cienka siatka druciana, określana nawet mianem metalowej gazy (metal gauze) oszczędzi nam trudności z mozolnym przylutowywaniem lub przykręcaniem poszczególnych drutów, a także ich naciągiem. Musimy jednak wybrać siatkę z odpowiednio cienkiego drutu.

http://www.darvill.clara.net/nucrad/detect.htm

Drugą ważną kwestią jest zaokrąglony kształt dolnej elektrody - może to być płytka o gładko zeszlifowanych brzegach:

https://sciencewithscreens.blogspot.com/2016/07/experiment-58-alpha-particle-spark.html

Albo blaszana puszka np. po śrucie do wiatrówki:

https://hackaday.io/project/183599/gallery#0fa4443e54dbcdb144127c20eae93289

Lub po prostu metalowy walec:

https://carlwillis.wordpress.com/2011/09/17/a-simple-spark-detector-for-alpha-particles/

Trzecia kwestia to dobra izolacja zarówno między elektrodami, jak i od podłoża - pamiętajmy, że mamy do czynienia z wysokim napięciem, które zachowuje się zupełnie inaczej niż napięcie sieciowe 230V. Musimy zminimalizować ulot, czyli unikać wszelkich ostrych krawędzi, w przeciwnym wypadku obniżymy wydajność całego układu lub zupełnie nie będzie on działał.

Pamiętajmy oczywiście o bezpieczeństwie! Szczególnie pilnujmy, by nie dotknąć naszym "świecidełkiem" do drutów znajdujących się pod napięciem 4-5 kV! 

https://www.facebook.com/photo/?fbid=407854281497250&set=a.407854234830588&locale=fr_FR

Detektory iskrowe znajdują się również w sprzedaży, aczkolwiek nie spotkałem się z nimi w Polsce. W zagranicznych sklepach można znaleźć następujące modele:

https://shop.wf-education.com/science/ra170300.html

Cały układ wygląda następująco:

https://www.mlsystems.it/wp-content/uploads/2021/09/138430-EN-Alpha-particles-spark-detector3.pdf

Wersja z siatką:

https://spark.iop.org/spark-counter

Bardziej zaawansowane modele mają wyjście BNC pozwalające na zliczanie poszczególnych wyładowań:

https://www.ipcel.co.uk/product/alpha-particle-detectorspark-counter/

W warunkach amatorskich zliczania możemy dokonywać, nagrywając dźwięk, a następnie licząc trzaski w programie do obróbki dźwięku. Możemy tym celu użyć ścieżki dźwiękowej z filmiku, na którym nagrywaliśmy nasz detektor. Do konwersji polecam https://cloudconvert.com/, a do edycji Free MP3 Cutter and EditorFree MP3 Cutter and Editor

Prezentowana ścieżka pochodzi z poniższego filmiku - widać wyraźnie okres regulowania napięcia, następnie pojedyncze trzaski i zwiększenie intensywności wraz ze zbliżaniem źródła:

Drugą opcją jest fotografowanie iskier z długim czasem otwarcia migawki - przy świetle dziennym wymaga to zmniejszenia ISO do minimum celem uniknięcia prześwietlenia zdjęcia. Podczas moich testów, dokonywanych w słoneczny wieczór na biurku przy świetle naturalnym użyłem czasu naświetlania 20 s przy przysłonie f/14 i ISO 100. Oto efekty. Najpierw iskry zarejestrowane przy maksymalnej odległości, z jakiej jeszcze występuje iskrzenie, na granicy zasięgu cząstek alfa w powietrzu:

W połowie dystansu:

I z najbliższej odległości, gwarantującej bezpieczne oddalenie od znajdujących się pod napięciem drutów:

I jeszcze nieco bliżej, ale to już granica - strumień cząstek jest wyraźnie węższy, co widać po rozmieszczeniu wyładowań:

Nie wszystkie ujęcia się udały z powodu drgnięcia statywu lub układu detektora, poruszonego podczas manewrowania "świecidełkiem", ale umieszczam je w celach dokumentacyjnych:

Na koniec jeszcze jedna kwestia - źródło promieniowania. Jakkolwiek emiterów alfa jest całkiem sporo, to znaczna większość z nich emituje też promieniowanie gamma, a także występuje w postaci grożącej skażeniem (rad, uran, tor). W przypadku radu dochodzi również ekshalacja radonu. Praktycznie jedynym nuklidem, który jest łatwo dostępny i pozwala osiągnąć dobre efekty (duża aktywność alfa, minimalna gamma), jest ameryk-241, stosowany w jonizacyjnych czujkach dymu.

https://promieniowanie.blogspot.com/2014/01/jonizacyjna-czujka-dymu.html

Pozyskanie takiego źródła wymaga jednak demontażu czujki, co stanowczo odradzam! W internecie jest jednak sporo zdjęć źródeł wyjętych z czujek:

http://www.imajeenyus.com/mechanical/20110608_am241_holder/index.shtml

Na zagranicznych stronach prezentujących detektory iskrowe źródło wymontowane z czujki jest zbliżane do detektora najczęściej za pomocą szczypiec. 

https://www.elektroda.com/rtvforum/topic2354887.html

Dla zwiększenia wygody konstruowane są różnego rodzaju uchwyty, zwykle w postaci trzpienia:

http://www.nuclearphysicslab.com/npl/npl-home/experiments/jays-alpha-spark-detector/

Niektóre konstrukcje są bardziej zaawansowane - ciekawy przykład uchwytu, wyposażonego w zamknięcie, prezentuję poniżej:

http://www.imajeenyus.com/mechanical/20110608_am241_holder/index.shtml

Fabryczne źródło do celów edukacyjnych wygląda następująco:

https://www.leybold-shop.com/am-241-preparation-330-kbq-55982oz.html

Niestety w Polsce nie ma możliwości nabycia takiego źródła przez osoby fizyczne.

***

Detektora iskrowego nie należy mylić z komorą iskrową (ang. spark chamber), która choć też wykorzystuje iskrzenie, to jednak w inny sposób. Komora taka składa się z zestawu dużych płyt metalowych umieszczonych w atmosferze gazu obojętnego (hel, neon lub mieszanka obu) w szczelnym pojemniku. Gdy cząstka naładowana przechodzi przez komorę, wywołuje jonizację gazu. Jonizacja ta jest niewidoczna, jednak jeśli włączymy wysokie napięcie zanim jonizacja zaniknie, dojdzie do wyładowania między płytami i jonizacja ukaże się jako seria iskier. 

https://griffithobservatory.org/exhibits/edge-of-space/spark-chamber/

W tym celu komora iskrowa musi być otoczona innymi detektorami promieniowania, najczęściej scyntylacyjnymi, które za pomocą odpowiednio prędkiego przełącznika włączą wysokie napięcie na płyty komory. 

http://www.ep.ph.bham.ac.uk/general/outreach/DiscoveringParticles/detection/spark-chamber/

Wysokie napięcie nie może być włączone na stałe z uwagi na powstanie łuku i wyładowania ciągłego. 

https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/cosmic-ray-spark-chamber

***

Jeżeli zbudowaliście już komorę iskrową, chcecie pochwalić się efektem lub macie uwagi co do powyższego tekstu, dajcie znać w komentarzach!

***

Zachęcam też do wspierania bloga, zarówno pośrednio, poprzez zakup dozymetrów [LINK], jak i bezpośrednio, przez Patronite lub BuyCoffeeTo 

Radiometr scyntylacyjny SRP-68 - starsza wersja

Radiometry scyntylacyjne SRP-68 występowały w dwóch wersjach - nowszej, produkowanej po 1984 r., omawianej przeze mnie na blogu w 2021 r. [LINK] i starszej, powstałej w latach 70., którą przedstawię w niniejszym wpisie. 

Oba przyrządy są miernikami scyntylacyjnymi, przeznaczonymi do precyzyjnych pomiarów promieniowania gamma, głównie podczas prospekcji geologicznej.

Przedstawię najpierw cechy wspólne:

• występowanie w trzech wersjach (SRP-68-01, -02, -03), różniących się rozmiarem kryształu, modelem fotopowielacza  i długością kabla, a także możliwości współpracy z rejestratorem:
• SRP-68-01 – 30x25 mm, FEU-85 (napięcie 600-1200 V), przewód 1,5 m
• SRP-68-02 – 18x30 mm, FEU-67B (napięcie 900-1500 V), przewód 25 m, współpraca z rejestratorem.
• SPR-68-03 – 10x40 mm, FEU-60 (napięcie 900-1500 V), przewód 1,5 m
• zakresy pomiarowe mocy dawki (0,5-3000 µR/h = 0,05-30 µSv/h) i częstości zliczania (2-10000 cps)
• obudowa skręcana z dwóch połówek za pomocą śrub, których łby są mocowaniami pasa nośnego
• zasilanie z 9 baterii R-14
• słuchawki TG-7M, stosowane też w DP-5 wszystkich typów

Przejdźmy teraz do różnic:

• elektronika na tranzystorach, a nie na mikroukładach
• jedna wersja układu elektronicznego zamiast sześciu, różniących się liczba mikroukładów i tranzystorów, a także rozmieszczeniem na płytkach drukowanych  

http://forum.rhbz.org/topic.php?forum=2&topic=11&p=8

• brak alarmu progowego
• tryb kontroli napięcia stabilizatora (5W)
• tryb kontroli fotopowielacza (KONTR.) uruchamiany przyciskiem chwilowym, a nie obrotowym przełącznikiem testu baterii i stałej czasu
• szybka mikroamperomierza wystająca ponad krawędź pulpitu, z półokrągłą górną częścią
• wartości zakresów mocy dawki oznaczone czerwoną czcionką
• wartości częstości zliczania zapisane skrótem tysięcy (1T, 3T, 10T) zamiast pełnej cyfry

• tylko jedna wersja pokręteł (czarne), stosowana też w pierwszych seriach nowszej wersji

• źródło kontrolne z lewej strony pulpitu
• stalowa zakrętka źródła kontrolnego zamiast plastikowej
• pokrywa komory baterii z prawej strony - pod tym względem urządzenia są symetryczne

• inne wykończenie głowicy sondy, mieszczącej kryształ scyntylacyjny - bardziej wklęsłe, z szerszą obwódką

• sonda z zatrzaskiem do chwytu pistoletowego (zatrzask nie występował we wszystkich egzemplarzach nowszej wersji)

Podstawowa obsługa obu wersji jest identyczna - przełącznik u góry zmienia zakresy: dolne pozycje to moc dawki w µR/h, górne częstość zliczania w cps. Dolny przełącznik zaś uruchamia test baterii, a kolejne dwa położenia oznaczają pomiar ze stałą czasu 2,5 i 5 s. Tak jak w innych przyrządach, krótka stała czasu oznacza szybszą reakcję na zmianę poziomu promieniowania, ale też większe wahania wyniku, dłuższa odwrotnie.

Teraz różnice. Tam, gdzie w nowszej wersji mamy tryb KONTR., w starszej mamy tryb 5W. Służy on do sprawdzania napięcia stabilizatora, które powinno wynosić 5 V. Po przekręceniu pokrętła w tą pozycję wskazówka powinna znaleźć się na połowie skali (przyjęto, że cała skala odpowiada 10 V). Z kolei przycisk chwilowy KONTR. działa tak samo jak pozycja KONTR przełącznika obrotowego w nowszej wersji - służy do sprawdzania poprawności działania fotopowielacza. Według instrukcji należy zbliżyć sondę do źródła kontrolnego i nacisnąć KONTR. - wynik powinien obniżyć się maksymalnie o 10 %. W przypadku uszkodzenia fotopowielacza spadnie do zera. 

Jeżeli chodzi o czułość, to mój egzemplarz jest wyraźnie mniej czuły, szczególnie na niskoenergetyczne promieniowanie - przy silniejszych czułość się wyrównuje: 

Wydaje mi się jednak, że to kwestia mojego egzemplarza (scyntylator, fotopowielacz lub oba te elementy jednocześnie). Zastosowanie obu wersji jest takie samo, w obu przypadkach warto taki sprzęt ratować, jeśli trafi się niekompletny lub uszkodzony. 

***

Prezentowany egzemplarz miał wyjątkowego pecha w transporcie. Choć do Polski dotarł sprawny, to dosłownie na przedostatnim etapie wysyłki uszkodzeniu uległ fotopowielacz. Po wstawieniu nowego i wysłaniu go do mnie, sytuacja się powtórzyła. Miałem więc wątpliwą przyjemność wymiany fotopowielacza, zatem opiszę ten proces krok po kroku.

• wyłączamy dozymetr!
• zsuwamy chwyt pistoletowy z sondy

• specjalnym kluczem, znajdującym się w wyposażeniu SRP-68, odkręcamy zakrętki przy kablu (mniejszą i większą)

• wysuwamy układ elektroniczny z korpusu sondy (wychodzi dość opornie z uwagi na gumowy amortyzator osłaniający scyntylator)

• odkręcamy metalową osłonę scyntylatora (z gumową osłoną) od ekranu fotopowielacza (matowa rura) - uwaga by scyntylator nie wyskoczył pod działaniem sprężyny, trzymającej fotopowielacz!

• zdejmujemy scyntylator, który jest częściowo osłonięty gumowym kołnierzem, zachodzącym na fotopowielacz

• chwytając za ten gumowy kołnierz wyciągamy fotopowielacz (ostrożnie, jeśli jest pęknięty)

• podstawka fotopowielacza osadzona jest na sprężynie, która dociska fotopowielacz do scyntylatora, zatem po wyjęciu fotopowielacza podstawka będzie luźna

• obracamy obudową fotopowielacza, aby podstawka ustawiła się w dogodnej pozycji
• fotopowielacz obracamy tak, by styki ułożyły się w sposób pasujący do gniazda - da się go wsunąć tylko w jednej pozycji
• powoli wsuwamy fotopowielacz, gdy wyczujemy opór, delikatnie dociskamy, nie za mocno, aby nie pogiąć nóżek
• jeśli dobrze wycelowaliśmy, nóżki powinny wejść w gniazdo i fotopowielacz będzie stawiał opór przy próbie wyjęcia go
• celując mamy pewien margines  (+/- 1 mm), gdyż podstawka fotopowielacza jest obrotowa, a gniazda nóżek mają zestopniowane powierzchnie, więc przy trochę nieprecyzyjnym zestawieniu elementów nóżki i tak powinny trafić w gniazdo
• UWAGA - możemy też odkręcić ekran fotopowielacza od części sondy mieszczącej przedwzmacniacz, wówczas oszczędzimy sobie celowania, mając bezpośredni dostęp do podstawki:

http://forum.rhbz.org/topic.php?forum=2&topic=11&p=2

• w moim egzemplarzu jednak elementy te były bardzo mocno skręcone, a kilkukrotne rozkręcanie w przeszłości spowodowało odkształcenie ramy, mocującej płytkę drukowaną:

• z tego powodu wybrałem więc nieco bardziej ryzykowną metodę montażu fotopowielacza
• gdy fotopowielacz siedzi już na miejscu, czoło fotopowielacza smarujemy odrobiną wazeliny optycznej (jeśli mamy)

http://forum.rhbz.org/topic.php?forum=2&topic=369&p=4

• nakładamy scyntylator i rozsmarowujemy nim wazelinę po czole fotopowielacza
• zdejmujemy scyntylator i nakładamy na niego gumowy kołnierz
• montujemy scyntylator na fotopowielaczu i naciągamy gumowy kołnierz tak, aby pokrył połączenie fotopowielacza i scyntylator, by zabezpieczyć połączenie między nimi przed dostępem powietrza i wilgoci
• nakładamy metalowy korpus osłony z gumowym amortyzatorem i zakręcamy do oporu
• wsuwamy całość do korpusu obudowy i zakręcamy obie nakrętki
• montujemy chwyt pistoletowy
• CZEKAMY 2 GODZINY!
• sprawdzamy działanie

Obowiązują tutaj wszystkie zasady pracy ze scyntylatorami i fotopowielaczami:

• zakaz włączania nieosłoniętego fotopowielacza - światło z otoczenia momentalnie go zniszczy!
• konieczność odczekania minimum 2 godzin po zmontowaniu układu scyntylator-fotopowielacz
• pilnowanie światłoszczelności w/w układu
• nienarażanie sondy na udary mechaniczne - czasem niewiele trzeba, by fotopowielacz poszedł w kawałki, kryształ też może popękać i mieć dużo niższą sprawność
• unikanie nagłych zmian temperatury, zwłaszcza oziębiania - jodek sodu szczególnie źle to znosi
• chronienie przed wilgocią - jodek sodu jest bardzo higroskopijny.

Na koniec zamieszczam trochę dokumentacji, wyszperanej na forum RHBZ - wątek dotyczący tego radiometru liczy 25 stron [LINKLINK] i niedawno został otwarty ciąg dalszy [LINK]:

1. Rysunek techniczny pulpitu i sondy

http://forum.rhbz.org/topic.php?forum=2&topic=11&p=7

2. Schemat sondy

http://forum.rhbz.org/topic.php?forum=2&topic=11&p=7

3. Folder reklamowy 

wersje elektroniki - http://forum.rhbz.org/topic.php?forum=2&topic=11&p=21

4. Poszczególne wersje płytki drukowanej:

5. Schematy i wykaz elementów:

Podsumowując, starsza wersja SRP-68 ma generalnie te same wady i zalety co nowsza (duża czułość, ale też ciężar i wrażliwość), jako dodatkową wadę można uznać brak alarmu progowego. Nie będę się tutaj rozpisywał, a zainteresowanych odsyłam do recenzji nowszej wersji.

PS. Jeśli mieliście do czynienia z tym przyrządem, a zwłaszcza serwisowaliście go, dajcie znać w komentarzach!

***

Zachęcam też do wspierania bloga, zarówno pośrednio, poprzez zakup dozymetrów [LINK], jak i bezpośrednio, przez Patronite lub BuyCoffeeTo