Detektory záření Projektová dokumentace Autoři: Jiří Ledvinka, Vlastimil Zlámal, Kryštof Hes Vedoucí projektu: Zdeněk Polák Soustředění mladých fyziků a matematiků, Nekoř 2013
Úvodem Cílem projektu bylo sestrojit několik funkčních detektorů záření a pochopit fyzikální principy, na kterých jsou založeny. V konečné fázi jsme v případě dostatku času měli v plánu porovnat s pomocí námi postavených detektorů intenzitu záření z různých zdrojů. Konkrétně jsme se snažili o detekci záření pomocí fotografického filmu, scintilačního detektoru, iontové komory, jiskrové komory, mlžné komory a v případě dostatku času i pomocí Geigerova počítače. V průběhu projektu jsme pracovali převážně se zdrojem záření alfa, které díky své vysoké hmotnosti není schopné procházet tkáněmi a není tudíž pro člověka nebezpečné. V našem případě se jednalo o punčošku z oxidu thoričitého používanou na plynových lampách. Kromě ní jsme ale měli k dispozici i americiový zdroj a kus smolence. To znamená, že jsme měli k dispozici zdroje záření alfa. K účasti na projektu měl každý z nás odlišnou motivaci. Vlastimil Zlámal se o problematiku záření a způsobů jeho detekce zajímal již dříve a studiem s tím spojeného oboru se bude zabývat i na vysoké škole. Jiří Ledvinka se projektu zúčastnil především proto, že chtěl v tomto oboru fyziky získat nějaké teoretické i praktické zkušenosti. Kryštofa Hese zase zajímala elektrotechnická stránka detektorů záření. Naše detektory fungovaly na principu ionizačních vlastností záření. Scintilační detektor Při sestavování tohoto detektoru nás zajímalo zejména to, zda i takto jednoduchá konstrukce, která je popsána níže, nám bude schopná umožnit pozorování částic alfa. V tomto detektoru jsme využili vlastnosti luminoforu. Luminofor je látka, která je schopná pohltit energii a následně ji vydat ve formě světla. Používá se například v zářivkách, kde na světlo mění energii elektrického výboje. Fyzikální princip využitý v tomto detektoru je následující: Alfa částice ze zdroje narazí na elektrony luminoforu, předají jim svou kinetickou energii a tím je donutí přejít na vyšší energetickou hladinu (excitovat). Na této hladině se ale elektrony dlouho neudrží a zanedlouho se vrací zpět do původního stavu. Při tomto přechodu je však emitována energie ve formě fotonů. Pozorovateli se tento děj jeví jako sled krátkých a slabých záblesků. Konstrukční část tohoto detektoru je velmi jednoduchá. Skládá se v podstatě jen z lupy a rámečku s luminoforem. Na výrobu rámečku jsme použili karton, ze kterého jsme vystřihli obdélníček o rozměrech 4x6cm a uvnitř jsme vystřihli menší okénko o rozměrech 3x4cm. Do tohoto okénka jsme nalepili lepicí pásku a na její stranu s lepidlem jsme nanesli luminofor. Na obrazku nahoře scintilátory v pravo dole vzorek zářiče, uprostřed radioaktivní punčoška a vlevo dole popel z podobné punčošky.
Jak již bylo řečeno, záblesky vznikající při přechodech elektronů z vyšších energetických hladin do nižších jsou velmi slabé, nedají se proto pozorovat pouhým okem. Abychom byli schopni je spatřit, potřebujeme obraz jednak zvětšit a jednak pracovat v úplné tmě. Abychom vyřešili první problém, sestrojili jsme si jednoduchou lupu sestávající z čočky o průměru cca. 2 cm a tavnou pistolí jsme ji přilepili na papírovou trubici o délce odpovídající ohniskové vzdálenosti čočky. Pro řešení druhého problému jsme pomocí černých pytlů na odpadky zatemnili okna v místnosti a ucpali mezeru mezi dveřmi a podlahou tak, aby dovnitř vnikalo jen minimum světla. Následně bylo ještě potřeba nechat oči přivyknout na tuto tmu, aby se zvýšila jejich citlivost na světelné podněty. Zatímco silnému zdroji světla se oči dokážou přizpůsobit během několika sekund, u slabého zdroje to může trvat až 20 minut. Během této doby se zvětší zornice a zaktivuje se činnost tyčinek, především se však regeneruje zrakový pigment ve fotoreceptorech, jehož množství reguluje citlivost oka na světlo. Po dokončení příprav jsme přešli k samotnému experimentu. Přes čočku jsme skutečně pozorovali slabé a velmi krátké záblesky žlutozeleného světla. Takových záblesků jsme pozorovali řádově stovky najednou. Bohužel záblesky byly příliš slabé na to, aby bylo možné je zachytit, a tak jsme se museli spokojit s pouhým pozorováním. Zachycení alfa záření na film Při tomto experimentu jsme se zejména snažili zjistit, zda je možné zachytit alfa záření na běžný černobílý fotografický film a pokud ano, tak následně porovnat výsledky různých délek expozice. Protože sebemenší zdroj světla by mohl výsledky pokusu zkreslit či zcela zničit, práci bylo opět nutné vykonávat v absolutní tmě. Pro tento účel jsme tentokrát zatemnili koupelnu bez oken. Zároveň s tím jsme si pro každý jednotlivý vzorek (zářič a film) slepili obálku z černého papíru. Na tu jsme navíc přilepili určitý počet úlomků špejle a obálky tak očíslovali. Jako zdroj záření jsme použili punčošku z plynové lampy, která je, jak už bylo řečeno, zdrojem alfa záření. Punčošku jsme nastříhali na devět dílků a oboustrannou lepicí páskou přilepili na obdélníčky z tvrdého papíru. Celkem šest zářičů jsme nechali v tomto stavu. Tři další jsme navíc posypali luminoforem ve snaze o zlepšení detekce. Uvažovali jsme, že světlo vznikající při dopadech alfa částic na vrstvu luminoforu bude dostatečně silné na to, aby bylo možné ho na fotografický film zachytit. Dále nás napadlo, že fotografický film je určen k pořizování snímků pomocí dopadajícího světla ve viditelném spektru, a měl by tedy být přizpůsoben frekvenci záření. Takto připravené zářiče jsme jednotlivě vložili do obálek a nechali v zatemněné místnosti. Tím byla konstrukční část hotová. U vzorků bez použití luminoforu jsme film nechali exponovat 3, 6 a 8 dní. U vzorků s použitím luminoforu to bylo 3 a 5 dní. Po vyvolání filmu jsme porovnali výsledky expozic. U vzorků bez použití luminoforu sice na okrajích filmu po vyvolání zůstaly značky dokazující, že film byl vyvolán správně, ale bohužel se na něm nic nezachytilo. Ani při porovnání různých délek expozice nebylo vidět žádné zlepšení, a tak jsme došli k závěru, že pouhým přiložením zářiče na film není možné alfa záření zachytit, aspoň ne při expozicích v řádech několika dní. Je totiž možné, že při mnohem delší expozici (v řádech několika měsíců) by se záření na film zachytilo bez problému. Nemůžeme proto výsledek tohoto pokusu považovat za důkaz, že záření na film zachytit principielně nelze. Použití luminoforu se naopak ukázalo jako velmi přínosné. Již po třech dnech expozice se na filmu zachytilo veliké množství drobných černých teček, které lze považovat za záblesky
světla vzniklé při dopadu částic na vrstvu luminoforu. Expozice o délce pěti dní už byla dost dlouhá na to, aby se počet těchto teček ještě zvětšil. Zcela jasně tedy nanesení luminoforu na zářič vede k úspěšnému zachycení záření na film. Vlevo film bez luminoforu, vpravo nahoře s luminoforem a vpravo dole lupy. Iontová komora Od konstrukce tohoto detektoru jsme si slibovali nejen, že budeme schopni s tímto zařízením radioaktivní záření detekovat, ale zároveň že nám umožní udělat si představu o jeho intenzitě, například vzhledem k vzdálenosti od jeho zdroje. Iontová komora využívá schopnosti záření ionizovat okolní atomy. Alfa částice jsou jádra helia. Při průletu vzduchem odtrhávají z okolních atomů elektrony a vážou je na sebe. Tento proces se nazývá ionizace. Díky němu se vzduch stává elektricky vodivý. V našem zapojení se na vodiči umístěném v plechové nádobě indukuje proud, který je následně zesílen dvěma tranzistory. Do obvodu je zapojen multimetr, který měří velikost proudu. Protože se proudy pohybují v řádech několika desítek mv, je potřeba zařízení navíc odstínit, aby nedošlo k nežádoucímu vlivu okolních elektromagnetických polí. SCHÉMA IONTOVÉ KOMORY Konstrukce detektoru se skládá z jednoduché elektrického obvodu viz předchozí obrázek a mechanické části. Vodič, na kterém se indukuje proud, jsme umístili do plechové nádoby.
Do jejího dna jsme hřebíkem prorazili otvor, který jsme následně zvětšili pilníkem na železo na velikost přibližně 2 cm. Následně jsme vystřihli mřížku čtvercového tvaru a zakryli jsme s ní otevřený konec nádoby. Přichytili jsme ji izolační páskou a ustřihli přebytečné konce. Dále jsme odizolovali kus měděného drátu, na kterém se proud indukuje. Následně bylo potřeba drát odstínit od plechové nádoby. Za tímto účelem jsme do otvoru v jejím nádoby vložili krátký kus náplně do tavné pistole a prostrčili jsme jím odizolovaný vodič. Pro tento účel se ukázalo nejefektivnější drát nejprve nažhavit pájkou. Pro elektrický obvod jsme ještě vyrobili odstínění v podobě další plechové nádoby, do které jsme hřebíkem prorazili čtyři otvory na vývody do zdroje napětí a do altimetru. Tuto nádobu jsme následně na několika místech přiletovali k nádobě spodní a připevnili ji ještě izolační páskou. Nakonec jsme to celé tavnou pistolí přilepili na dřevotřískovou destičku, na kterou jsme zároveň izolační páskou připevnili tři ploché baterie sloužící jako zdroj napětí. Na této destičce jsme zároveň nechali dostatek prostoru pro odložení multimetru. Vlevo je naměřená hodnota 44mV a vlevo 15mV, což dokazuje ionizující záření. Iontová komora nám nakonec fungovala, i přes některé problémy, které nastaly během konstrukce. Tímto pokusem jsme dokázali ionizační vlastnosti záření alfa. Naším zdrojem záření byla punčoška obshující oxid thoričitý. Jiskrová komora Naším cílem bylo vytvořit jiskrovou komoru, která bude plně funkční a zároveň né moc složitá. Postupně jsme ji vylepšili, podle toho, co bylo potřeba, nebo co vypadalo křivě a nestabilně. Jiskrová komora funguje na principu ionizování vzduchu částicemi alfa. Mezi elektrodami, které jsou tvořeny jedna z plošného spoje a druhá z tenkého drátku napnutého vodorovně a s malými mezerami nad plošným spojem. Mezera mezi drátkem a deskou plošných spojů je pro tento detektor naprosto kritická. Tato mezera musí být jen o malý kousek větší než je elektrická pevnost vzduchu pro napětí mezi elektrodami. To zajistí, že v klidu mezi elektrodami neskákají žádné výboje, avšak přiblížíme-li zdroj záření alfa, způsobí tento zdroj ionizaci vzduchu, která způsobí, že mezi elektrodami začnou skákat výboje. Po oddálení zářiče výboje přestanou přeskakovat a jiskrová komora přejde do klidového stavu.
Ke konstrukci jsme zvolili jako základ dřevotřískovou desku, na které jsme komoru sestavili. Zdroj vysokého napětí o hodnotě přibližně 10kV jsme již měli a pouze jsme upravili jeho výstup omezením maximálního proudu rezistorem o velikosti 2,2kΩ. Už zde jsme se setkali s prvním problémem, který byl způsoben tím, že výboj vždy přeskočil rezistor, jelikož byl krátký. Tento problém jsme vyřešili tím, že jsme zde zapojili pětiwatový rezistor, který je mnohem delší a výboj ho už nepřeskočí. V první verzi jsme kladnou elektrodu, tedy drátek upevnili na hřebíky, zatlučené v dřevotřísce. A výšku desky plošných spojů experimentálně zvyšovali různými podložkami. Tato verze již byla plně funkční, ale nebyla moc stabilní, což se projevovalo občasnými samovolnými výbojemi. Proto jsem se rozhodli postavit druhou verzi, která místo hřebíků využívala plexisklo s vyřezaným čtverečkem vevnitř. Po dvou stranách jsme vyvrtali dírky a mezi těmi jsme natahali tenký pocínovaný drátek. Tím se problém se stabilitou vyřešil, a drátek byl pořádně napnut, čímž se naprosto zabránilo samovolným výbojům. Jak jsme si představovali a přáli, povedlo se nám postavit jiskrovou komoru, s velmi jasnými výboji, které naprosto jasně dokazují ionizující záření. V případě, že bychom měli více času jsme mohli ještě jiskrovou komoru vylepšit pro větší citlivost, což by teoreticky mohlo jít velmi přesným upevněním desky plošných spojů do přesné vzdálenosti, která se v našem případě pohybovala s přesností ± 0,5mm, což v jisté míře ovlivnilo citlivost jiskrové komory.
Mlžná komora Naším cílem bylo sestavit fungující mlžnou komoru, která by, detekovala trajektroie vyřazovaných částic. Mlžná komora funguje na principu zviditelnění trajektorie průletu částic. K tomu dochází v mlhách plynu v našem případě izopropylalkoholu. Částice s nábojem při průletu komorou zakřivují svoji trajektorii k trajektoriím podobným kružnicím. Znovu jsme užili zdroj alfa záření americium. Základními konstrukčními bloky jsou chladící část, komora a topné těleso. Chladící část jsme zkonstruovaly z misky izolované polystyrenem a hliníkovým chaldičem natřeným na černo. Tento chladič byl tvořen U-profily zapuštěnýmy do chladící směsi v misce. Chladící směs byla tvořena ledem a kuchyňskou solí v poměru 3:1. Samotná směs dosáhla teploty -25 C. Tato část sloužila k podchlazení vlastní komory. Komoru jsme setstrojili z dvoumilimetrového plexiskla, které jsme ohnuli ve vroucí vodě do oválného tvaru. Topné těleso tvořil odporový drát namotaný na bavlnou izolovaném měděném pásku. Celé topné těleso bylo ještě obaleno další látkou, která nasákla izopropylalkoholem. Tento tvořil v komoře mlhy.
Vlevo chladič, vpravo komora při pokusu. Výsledkem byla samotná komora, jelikož se nám nepodařilo prokázat přítomnost částic. Podle našeho názoru to s největší pravděpodobností zapříčinilo nedostatečné chlazení a z toho vyplývající nedostatečný rozdíl teplot. Dalším důvodem mohlo být prouidění samotné mlhy. Závěr Práce na projektu byla velmi zábavná a přínosná. Podařilo se nám detekovat záření na fotografický film, pozorovat záření pomocí scintilačního detektoru, sestrojit funkční iontovou a jiskrovou komoru a sestrojit mlžnou komoru, která by ale k správnému fungování potřebovala úpravy, jejichž provedení nebylo v těchto podmínkách možné. Z časových důvodů jsme nestihli postavit Geigerův počítač, ani změřit námi postavenými detektory intenzity různých zdrojů záření, neboť především práce na mlžné komoře se ukázala být časově náročnější, než jsme předpokládali. Do budoucna by tedy bylo možné toto měření provést a Geigerův počítač sestrojit. Dalším možným pokračováním práce na projektu by mohlo být upravení pokusu, ve kterém jsme se snažili detekovat záření jen pomocí fotografického filmu. Především by bylo užitečné zjistit, zda lze po prodloužení expozice na několik měsíců pozorovat nějaké zlepšení. Případně by bylo možné použít jinak citlivý film, který by třeba detekci umožnil lépe. Na konec bychom rádi poděkovali vedoucímu projektu Zdeňkovi Polákovi za skvělou odbornou pomoc, a s námi strávený čas. Zdroje optika.kuratkoo.net/vlastnosti.html