Radiometr półprzewodnikowy Ryś-α

Dozymetry z detektorem półprzewodnikowym rzadko pojawiają się na łamach bloga. Zwykle są to dawkomierze osobiste (DMC-2000, SOR/T), miniaturowe dozymetry do smartfonów (Smart Geiger) albo przyrządy do pomiaru bardzo wysokich poziomów promieniowania (KSMG 1/1M). 

Dziś mam okazję przedstawić bardzo ciekawy radiometr Ryś-alfa konstrukcji Karola, który wykorzystuje detektor półprzewodnikowy do selektywnego wykrywania promieniowania alfa. 

Zanim przystąpię do testów, oddaję głos Konstruktorowi:

RYŚ-α jest miniaturowym radiometrem półprzewodnikowym przystosowanym do detekcji promieniowania alfa. Jest w bardzo niewielkim stopniu czuły na promieniowanie beta i gamma. Powierzchnia czynna sensora to około 3x3 mm.

Radiometr automatycznie zmienia czas uśredniania wyniku w zależności od natężenia mierzonego promieniowania. Przy szybkich zmianach odczytu potrafi szybko zmieniać wyświetlany wynik, jednocześnie zachowując zadowalająca precyzję przy dłuższych pomiarach. Oprócz wyniki uśrednionego w zliczeniach na sekundę prezentowana jest też sumaryczna liczba zliczeń. Urządzenie ma akustyczną sygnalizację zliczeń.

Zasilanie jest z pojedynczego ogniwa li-po o pojemności 500mAh, które powinno wystarczyć na kilkanaście godzin pracy. Ładowanie odbywa się przez złącze USB typu C. Napięcie akumulatorka jak i wartość mierzona są wyświetlane na wyświetlaczu OLED.

Teraz jeszcze parę słów teorii.

Detektor półprzewodnikowy wykorzystuję diody PIN, w których pomiędzy warstwami z domieszkowaniem typu "p" i "n" występuje niedomieszkowana warstwa "i". W tej warstwie promieniowanie jonizujące powoduje powstanie par elektron-dziura. Energia potrzebna do stworzenia pojedynczej pary jest zawsze taka sama, zatem liczba utworzonych par będzie proporcjonalna do energii padającego promieniowania. 

https://physicsopenlab.org/2016/03/08/pin-diode-radiation-detector/

Pod wpływem przyłożonego do elektrod pola elektrycznego elektrony i dziury generują impuls, który następnie można zmierzyć. Ponieważ materiał półprzewodnikowy ma 10-krotnie większą łatwość jonizacji w porównaniu z gazem, przekłada się to na wydajność licznika, a także możliwość jego znacznej miniaturyzacji. Detektor ten ma również wysoką rozdzielczość energetyczną oraz czas reakcji.

Przystąpmy do testów.

Przyrząd składa się z pulpitu pomiarowego i sondy, mieszczącej detektor promieniowania. 

Fotodioda detekcyjna ma wymiary 3x3 mm, a jej okienko ma średnicę 7 mm, aby umożliwić dotarcie również tych cząstek alfa, które padają pod lekkim kątem. 

Okienko jest osłonięte ochronną siatką oraz trzema warstwami folii o sumarycznej gęstości powierzchniowej 0,5 mg/cm2. Jest to bardzo cienka folia, zapewniająca wysoką przepuszczalność cząstek alfa - dla porównania, sonda scyntylacyjna alfa typu SSA-1P ma folię o gęstości powierzchniowej 1 mg/cm2.

Sama fotodioda bez folii ochronnej wygląda tak:

Fotodioda składa się z ochronnej warstwy tlenku krzemu, warstwy domieszkowanej "p" i niedomieszkowanej "i" o grubości kilkunastu mikronów. W tej warstwie cząstki wytracają całą energię i generują impuls elektryczny. Niestety z uwagi na liczbę warstw, jakie muszą pokonać cząstki alfa, by wygenerować impuls w diodzie (powietrze, folia, tlenek krzemu, warstwa "p") trudno jest dokładnie ustalić zakres energii cząstek, które mogą być zarejestrowane przez ten detektor.

Obsługa radiometru Ryś-alfa jest bardzo prosta i sprowadza się do włączenia miernika przyciskiem z boku obudowy. Wynik prezentowany jest na monochromatycznym wyświetlaczu OLED, na którym widzimy:

• napięcie baterii w woltach
• bieżącą częstość zliczania w impulsach na sekundę (cps)
• łączną liczbę zliczeń od ostatniego uruchomienia

Dwa równolegle pracujące tryby pomiaru powodują, że miernik pracuje jednocześnie jako integrator i jako przelicznik. Dzięki temu przy małych aktywnościach możemy zliczać impulsy w określonym czasie, nawet bardzo długim, rzędu kilku godzin. Przy zasilaniu zewnętrznym pomiar może trwać nawet wiele dni. 

Detektor jest czuły na promieniowanie alfa przy praktycznej niewrażliwości na emisję beta i gamma. Piszę praktycznej, ponieważ kontrolka od DP-66M zbliżona bezpośrednio do okienka sondy daje odczyt rzędu 10 cps. Jest to bardzo niska wartość zważywszy na aktywność tej kontrolki (64 tys. rozp./min/cm2 wg dozymetru STORA-T RKS-01), która w większości dozymetrów z okienkowym licznikiem G-M daje przekroczenie zakresu. Z kolei skala od DP-63A w podwójnym woreczku strunowym mierzona od strony farby radowej dawała 20 cps, zaś od strony aluminium 1 cps - w pierwszym przypadku emisja pochodziła od mieszanki promieniowania gamma oraz beta, zaś w drugim wyłącznie od emisji gamma rzędu 50 µSv/h.

Z uwagi na rozmiar okienka pomiarowego (3x3 mm) pomiar źródeł o niewielkiej aktywności powierzchniowej alfa (glazura uranowa, siatki żarowe) będzie dawał wyniki rzędu ułamków cps, odczyt jednak będzie wyraźny względem tła, wynoszącego równe 0 cps.

***

Zasilanie odbywa się z akumulatorka litowo-polimerowego o pojemności 500 mAh, starczającego na kilkanaście godzin pracy. Ładowanie odbywa się przez port USB-C dowolną ładowarką od telefonu, kablem z komputera lub powerbanku. 

***

Czas na podsumowanie. Ryś-alfa to dozymetr o specjalistycznym przeznaczeniu, dla bardziej zaawansowanych dozymetrystów, którzy potrzebują selektywnego pomiaru aktywności alfa na małych powierzchniach. Wśród możliwych zastosowań można wymienić badanie znaczników z radowymi farbami świecącymi, zdobień na glazurze uranowej czy inkluzji w minerałach, jak również po prostu wykrywanie emisji alfa i jej odróżnianie od aktywności beta i gamma. 

Plusy:

• duża czułość na emisję alfa
• niska wrażliwość na promieniowanie beta i gamma
• automatyczna zmiana czasu uśredniania pomiaru
• dwa równoległe tryby pomiaru
• prosta obsługa
• małe wymiary i masa

Minusy:

• brak możliwości wyłączenia dźwięku

Miernik można kupić na tej aukcji - https://allegrolokalnie.pl/oferta/radiometr-polprzewodnikowy-rysalfa-licznik-geigera