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.