Pokusy s detektorem MX-10

Pokusy s detektorem MX-10 Zdeňka Koupilová (1), Vladimír Vícha (2,3), Jan Koupil (2), Peter Žilavý (1) (1) KDF MFF UK (2) UTEF ČVUT (3) Gymnázium, Pardubice, Dašická 1083 Abstrakt Částicová kamera Medipix/Timepix představuje unikátní detekční systém ionizujícího záření vyvinutý v Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN). V Ústavu technické a experimentální fyziky (ÚTEF) ČVUT k němu bylo vytvořeno programové vybavení jak pro profesionální aplikace (Pixelman), tak pro práci studentů (Simple preview) [1,2]. V roce 2013 začal být detektor s označením MX-10 včetně software a příslušenství ke školním demonstracím a experimentům vyráběn a distribuován českou firmou Jablotron [3]. Na této dílně měli účastníci možnost si ho vyzkoušet a naměřit několik experimentů, které ilustrují vybrané vlastnosti ionizujícího záření. Stručný popis soupravy Text této části je převzat z [4] a zkrácen. Detektor MX-10 Základem detektoru je křemíkový senzor o aktivní ploše 14 mm x 14 mm a tloušťce 0,3 mm. Tato křemíková destička je ze spodní strany rozdělena na matici 256x256 čtvercových buněk o velikosti 55x55 μm. Křemíkový senzor představuje povrchový p-n přechod, ve kterém je pomocí vhodného napětí vytvořena oblast bez volného náboje. Vletí-li do této oblasti částice ionizujícího záření, vytvoří řadu elektronděrových párů (střední energie potřebná pro vytvoření jednoho páru je přibližně 3,6 ev). Díky přiloženému napětí je takto vzniklý náboj sebrán na elektrody (čtverečky) jednotlivých pixelů a vodivými spoji odveden do spodního vyčítacího čipu. Zde má každý pixel svoji elektroniku, která dokáže nejen počítat zachycené elektronické impulsy, ale i vyhodnotit jejich amplitudu. Tato amplituda odpovídá energii, kterou v konkrétním pixelu zanechala prolétající částice ionizujícího záření. Detekční čip je tedy složen z 65 536 mikrodetektorů schopných nezávisle na sobě vyhodnotit energii, kterou v nich zanechaly prolétající částice ionizujícího záření. Navíc detailním vyhodnocením náboje v jednotlivých pixelech můžeme také určit místo průletu částice detektorem. Více informací o detektoru naleznete na www stránkách [2] nebo v [1]. 1

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2014 Školní zdroj záření alfa ŠZZZ ALFA Obr. 1 Struktura detekčního čipu. Převzato z [1]. Školní zdroj záření ŠZZ ALFA je určen pro provádění výukových experimentů ukazujících základní zákonitosti z oblasti jaderné a částicové fyziky. Je osazen uza- 8 mm, aktivita 9, 5 kbq). Clona školního zdroje záření ŠZZZ ALFA byla optimalizo- vána pro spolupráci se školním pixelovým detektorem MX-10. ŠZZ ALFA je zdrojem záření α o energii přibližně 4,5 MeV (rozdíl od tabulkové hodnoty 5,5 MeV pro 241 Am je dán především krycí Au fólií o tloušťce 2 μm, která vřeným radionuklidovým zářičem obsahujícím 241 Am (kruhový terčík o průměru je součástí samotného zářiče). Záření α je doprovázen no zářenímm γ o energii 60 kev a měkkýmm rentgenovým zářením. Použitý radionuklid 241 Am má poločas rozpadu přibližně 4324 let, pro předpokláda- Školní zdroj záření konstrukčně navazuje na zdroje zářeníí ze soupravy GAMAbeta nou dobu používání zářiče ve škole lze tedy jeho aktivitu považovatt za konstantní. 2007. Obr. 2 Školní zdroj záření ŠZZ ALFAA 2

Obr. 3 Posuvná lavice Posuvná lavice a další Pro snadné provádění experimentů s detektorem MX-10 a školními zdroji záření jsou (v rámci soupravy Edukit [3]) detektor a zářič doplněny posuvnou lavicí umožňující stabilně uchytit jak samotný detektor, tak zdroj záření (viz obr. 3) a dalšími pomůckami, jako např. stínicími destičkami (včetně jejich držáků v posuvné lavici), wolframovou svařovací elektrodou WT20 o průměru 4 mm s příměsí ThO 2 a držákem se vzorkem uranového skla. Posuvný držák zářiče je slučitelný se školními zdroji záření ŠZZ GAMA a DZZ GAMA ze soupravy GAMAbeta 2007 [5]. Průběh dílny Dílna měla dva běhy, pro oba byla zprovozněna tři pracovní stanoviště s částicovou kamerou MX-10. Každého běhu se účastnilo asi 12 lidí. Průběh dílny byl rozdělen na tři části. V první krátké části byli účastníci seznámeni s historií vývoje, principy funkce částicové kamery MX-10 a základy ovládání jejího software pro didaktické účely (programem Simple preview). Obr. 4 Momentka z dílny na ní jsou vidět dvě pracovní místa 3

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2014 V druhé asi 50 minutové části si účastníci mohli za pomoci vedoucích dílny samostatně vyzkoušet práci s MX-10. K tomu sloužily náměty na samostatnou práci uvedené v příloze tohoto článku. Asi polovina skupin se velmi záhy pustila do zkoumání vlastním směrem, což bylo podporováno. K dispozici měly kromě zdrojů záření obsažených přímo v sadě Edukit (tj. školního zdroje záření ŠZZ ALFA viz výše, uranového skla a elektrody s příměsí thoria) i zdroje ze starší soupravy Gamabeta (kombinovaný zdroj gama záření z rozpadu 241 Am a beta záření z rozpadu 90 Sr), zdroj záření gama DZZ GAMA, přírodní zdroje záření draselné hnojivo (zde je zdrojem záření beta draslík 40 K), smolinec (zde najdeme prvky z celé rozpadové řady uranu 238 U) a další. Jedním z oblíbených úkolů bylo také určit obsah černé skříňky (viz obrázek 5 uvnitř šedého polystyrénu je schován drobný kovový předmět). Obr. 5. Černé skříňky (vlevo) a obraz jedné z nich pořízený pomocí zdroje DZZ GAMA Závěrečných 20 minut dílny bylo věnováno jednoduchému kvízu, který nebyl sestaven k tomu, aby testoval znalosti účastníků, ale zábavnou formou ukázal možnosti MX-10 při demonstraci vlastností ionizujícího záření. Vybrané otázky z kvízu jsou uvedeny v následující části článku. V samém závěru účastnici vyplnili jednoduchou anketu. Z jejích výsledků vyplynulo, že většina účastníků dílny o existenci této soupravy již věděla, ale zde měla první příležitost s ní samostatně pracovat. Většina učitelů také uvedla, že si dovede představit její využití jako demonstrační pomůcky při vlastní výuce, ale využití např. pro laboratorní práce studentů (i bez přihlédnutí k problematickému sehnání dostatečného množství sad) spíše zamítali. Hlavním důvodem byla relativně jednoduchá zničitelnost detektoru při neopatrné manipulaci. Vybrané otázky ze závěrečného kvízu 1 1. O jaký se jedná zářič? Na následujících dvou snímcích jsou minutové expozice dvou různých zářičů, se kterými měli účastníci dílny možnost pracovat. Odhadněte, o který zářič se jedná. 1 Úkoly celého kvízu i nápady na samostatnou práci pocházejí z [4] nebo byly vytvořeny přímo pro tuto dílnu. 4

Obr. 6: Minutové expozice dvou různých přírodních zdrojů záření (celková doba expozice 1 min). 2. Jaké vlastnosti ionizujícího záření vyplývají z a) Následující obrázek (obr. 7) vznikl tak, že ležící detektor byl překrytý tenkou potravinářskou fólií, na kterou byla kápnuta malá kapička vody. Folie s kapičkou byla ozařována po dobu půl minuty zářením ze školního zdroje ŠZZ ALFA. Jaké vlastnosti ionizujícího záření a toho, jak prochází látkou, lze z tohoto obrázku vyčíst? Obr. 7. Obraz malé kapičky vody na potravinářské fólii (použitý byl ŠZZ ALFA, krátký otvor ve cloně zdroje, délka expozice 30 s) 5

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2014 b) Jaké vlastnosti alfa záření a jeho průchodu látkou lze ukázat na následujících snímcích (viz obr. 8)? Jedná se o 10 sekundovou expozici s použitím ŠZZ ALFA, kdy detektor byl překryt jednou, dvěma a třemi vrstvami potravinářské folie. Obr. 8: Obraz získaný pomocí ŠZZ alfa, kdy detektor byl překryt postupně jednou, dvěma a třemi vrstvami potravinářské fólie (celková doba expozice vždy 10 s, krátký otvor, nejkratší možná vzdálenost zářiče a detektoru). 3. Co je to za předmět? Do kousku polystyrénu byl vložen malý kovový předmět (viz černé skříňky na obr. 5) a tato soustava byla ozařována silným gama zářičem DZZ GAMA. Uhodnete, jaký reálný předmět byl ukryt uvnitř polysterénu? Poznámka: Na dílně běželo postupné načítání integrálního snímku do doby, než někdo předmět uhodl. 6

Obr. 8: Obrazy kovových předmětů ukrytých v polystyrénu ( černé skříňce ), použit byl DZZ GAMA, délka expozice několik desítek sekund 4. Proč se liší následující dva snímky ukrytého předmětu? Následující dva snímky ukazují stejný předmět. První snímek vznikl tak, že zdroj záření DZZ Gama byl blízko předmětu, při pořízení druhého snímku byl zdroj vzdálen cca 10 cm. V čem se snímky liší a proč? 7

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2014 Obr. 9: Obrázky ukrytého předmětu získané ve dvou různých vzdálenostech předmětu od detektoru (použit byl DZZ GAMA, široký otvor, celková expozice v obou případech 120 s) Řešení otázek 1. O jaký se jedná zářič? Na obrázku vlevo je zdrojem uranové sklo, na obrázku vpravo je jako zdroj elektroda s příměsí thoria. V obou případech se jedná o zářič, ve kterém se kombinují prvky rozpadající se alfa a beta rozpady a doprovodné gama záření. Pro rozlišení obou zářičů je třeba si všímat poměru počtu částic jednotlivých typů u thoria je větší poměr počtu částic alfa ku počtu částic beta než u uranu. Vysvětlení najdeme v rozpadových řadách thoria a uranu. Thorium je výraznějším zdrojem alfa záření než uran, protože v rozpadové řadě thoria se nachází více zářičů rozpadajících se alfa rozpadem s krátkým poločasem rozpadu. 2. Jaké vlastnosti ionizujícího záření vyplývají z Jak již bylo řečeno, školní zdroj ŠZZ ALFA je zdrojem alfa částic doprovázených zářením gama. Z uvedeného obrázku je na první pohled patrné, že alfa částice vodou neprojdou, ale potravinářskou fólií ano. Naopak gama částice voda neodstíní. Dále je zde vidět, že alfa částice, které letěly šikměji (jsou více u kraje detekční oblasti) mají menší energii než ty, které proletěly fólií kolmo. Často se objevuje názor, že alfa částice sklouzly po kapičce, a proto jich je u okraje kapičky mnoho. To není pravda, a lze to vyvrátit obrázkem 10, kde máme stejnou situaci, ale bez kapky. Je vidět, že hustota alfa částic u okraje kapky odpovídá tomu, jako by tam kapka nebyla. 8

Obr. 10. Půlminutová expozice ŠZZ ALFA (použitý krátký otvor ve cloně) s detektorem překrytým jednou vrstvou potravinářské fólie. 3. Co je to za předmět? Jedná se o malý hřebíček, matičku, kancelářskou sponku a diabolku. Metodu, pomocí které se v praxi pomocí ionizujícího záření hledají struktury skryté v materiálu (například trhliny, vady ), nazýváme radiodefektoskopií. 4. Proč se liší následující dva snímky ukrytého předmětu? Obraz diabolky na obrázku vlevo (viz obr. 9) je ostřejší než na obrázku vpravo. To je dáno tím, že zdroj záření není bodový a tedy pokud je předmět ve větší vzdálenosti od stínítka (obrázek 9 vpravo), vzniká na jeho okrajích polostín (stejně jako pro světlo). Závěr Dílna ukázala a názory účastníků to potvrdily, že souprava MX-10 Edukit je velmi dobře připravena pro demonstrační použití ve škole. Literatura [1] Z. Vykydal, J. Jakůbek, S. Pospisil: USB Interface for Medipix2 Pixel Device Enabling Energy and Position Detection of Heavy Charged Particles. Nucl. Instr. And Meth. A 563 (2006) 112 115 [2] T. Holý, J. Jakůbek, S. Pospíšil, J. Uher, D. Vavřík, Z. Vykydal: Data Acquisition and Processing Software Package for Medipix2. Nucl. Instr. And Meth. A563 (2006) 254 258 [3] Webové stránky fy Jablotron, s.r.o.: http://www.jablotron.com/cz/o-jablotronu/onas/mezinarodni-spoluprace/jablotron-mx-10.aspx, http://www.particlecamera.com/index.php/cs/ 9

Dílny Heuréky / Heureka Workshops 2014 [4] Vícha V., Žilavý P.: Demonstrační experimenty s detektorem MX-10, In Veletrh nápadů učitelů fyziky 18, editor Křížová M., Hradec Králové 2013, dostupné též online: http://vnuf.cz/sbornik/prispevky/18-33-vicha.html [5] GAMABeta 2007, webové stránky s informacemi o didaktické pomůcce, včetně informací o zdrojích ŠZZ GAMA a DZZ GAMA, online http://www.cez.cz/cs/vyzkum-avzdelavani/pro-pedagogy/materialy-pro-vyuku/gamabeta.html Příloha Úkoly pro samostatnou práci Na samostatnou práci máte asi 50 minut. Níže popsané úkoly můžete brát také jen jako inspiraci, co zkoumat. Můžete se ale věnovat i vlastním nápadům, co s detektorem vyzkoušet. Kdykoli se můžete poradit nebo požádat o pomoc. 1.) Prozkoumejte záření zdrojů, které máte k dispozici americiový zářič, uranové sklo, elektrodu s thoriem, draselné hnojivo, smolinec, stronciový zářič z Gamabety a další. Jaké typy záření pozorujete? Odpovídají typu zářiče? Vysvětlete případné rozdíly. Můžete si uložit reprezentativní snímek. 2.) Jak vypadá typická stopa alfa, beta a gama záření? 3.) Jaká je typická energie alfa a gama záření americia? Jakou rychlostí se alfa částice pohybuje? Jak dlouho by letěla vzdálenost rovnou délce rovníku? Jak rychle se pohybuje gama částice? 4.) Kolik alfa částic dopadá na plochu detektoru za sekundu, jestliže je nastaven a) cedník, b) krátký otvor, c) dlouhý otvor. Pokud pozorujete odlišnost mezi krátkým a dlouhým otvorem, vysvětlete, čím je způsobena. Jak by se dalo měření zpřesnit. 5.) Prozkoumejte, jak se mění obraz na detektoru při vzdalování americiového zářiče. Zkoumejte jednotlivé otvory. Načrtněte průběh počtu částic v závislosti na vzdálenosti (stačí zcela kvalitativně, bez měření konkrétních hodnot). Jak se mění energie alfa částice v závislosti na vzdálenosti? Opět načrtněte graf. 10

6.) Projdou alfa částice kancelářským papírem? Zkuste najít nějaké materiály (běžné věci), kterými alfa částice projdou, nebo udělejte seznam alespoň 10 velmi tenkých věcí, kterými neprojdou. pozn.: Pozor na vzdálenost zářiče a detektoru. Jak je detektor stranově orientován vůči obrázku na monitoru? 7.) Jaká je typická energie beta záření stroncia? Jak rychle se beta částice pohybuje? Jak dlouho by letěla délku rovnou obvodu rovníku? 8.) Určete, co je schováno uvnitř šedého polystyrenu. Použijte DZZ gama. 9.) Jaké je zde v místnosti radioaktivní pozadí? 11