Detektory záření Autoři: Michael Němý, Martin Hájek Konzultant: Zdeněk Polák Vypracováno jako projekt Soustředění mladých fyziků a matematiků pořádaného MFF UK v Nekoři roku 2011. Úvod Za cíl našeho projektu jsme si dali vyrobit detektor radioaktivního záření, který by byl pokud možno schopen měřit všechny druhy radioaktivního záření a to s co největší přesností. Zářiče - Oxid thoričitý (ThO 2 ) alpha a gama zářič s poločasem rozpadu 14,9 miliardy let - Thoriová punčoška alpha a gama zářič, dříve používán na plynových svítilnách (dnes nahrazen neradioaktivními) - kompas s ručičkami barvenými radiem alpha a gama zářič 1) Scintilátor Detektory První dílčí projekt, do kterého jsme se pustili, bylo vyrobit si vlastní scintilátor pomocí scintilační desky a optické čočky. Scintilační deska je zařízení, které je schopné po dopadu ionizujícího záření excitovat některé své elektrony do vyššího energetického stavu, ty při návratu do původního stavu vyvolají záření, jde tedy o radioluminiscenci. Toto záření jsme se pokoušeli pozorovat nejen pomocí čočky, ale také pod mikroskopem. Naše pozorování však bylo neúspěšné, a to i za úplného zatemnění. Dalším způsob, kterým jsme se snažili detekovat záření, bylo pomocí luminoforu smíchaného přímo se zářičem (ThO 2 a také popelem z thoriové punčošky oba alpha zářiče). Luminofor je látka, která má opět schopnost luminiscence, průmyslově je využíván v zářivkách a CRT monitorech. Tento pokus byl již úspěšný. Oba naše vzorky jsme pozorovali pomocí čočky, světlo vydávané luminoforem bylo velmi slabé, svítivostí by se dalo přirovnat k hvězdám na noční obloze. Bohužel se nám náš vzorek kvůli této své vlastnosti nepodařilo vyfotit. Obr.1: Kartičky se směsí luminoforu a ThO 2
2) Ionizační komora Dalším přístrojem, o jehož zhotovení jsme se pokusili, byla ionizační komora. Jedná se o trubici s odizolovaným vodičem, který jí prochází. Oba tyto prvky jsou připojeny k rozdílným koncům zdroje. Za normálních podmínek nedochází k výměně elektronů mezi různě nabitou komorou a vodičem; proud v obvodě je tedy nulový. Při přiložení alpha zářiče k naší komoře, dojde tímto zdrojem k ionizaci vzduchu; nabití částic vzduchu. Zvýšená koncentrace iontů uvnitř komory způsobí usnadnění průtoku proudu mezi pomyslnými elektrodami. Tento proud je však tak zanedbatelný, že jej není možné měřit klasickými měřicími přístroji. Proto jsme využili velkého zesílení tranzistorů zapojených v Darlingtonově zapojení k zesílení tohoto proudu, v našem případě 16000krát. Jedná se o ideální kombinaci velkého zesílení a minimálního proudu tekoucího obvodem. Nedochází ke zmenšení účinnosti zesílení vlivem narůstajícího proudu a následným zkreslením. V našem provedení jsme ionizační komoru sestavili z plechovky od Obr.2: Ionizační komora ananasu, do níž jsme vložili měděný drátek a vzniklou komoru jsme ze spodu uzavřeli pletivem. Změny protékajícího proudu obvodu jsme měřili pomocí multimetru. Obr. 3: Schéma zapojení ionizační komory 3) Geiger-Müllerův detektor Jako poslední jsme si dali za úkol vyrobit Geiger-Müllerův detektor. Jde o detektor beta a gama záření, jehož hlavním prvkem je GM-trubice (Geiger-Müllerova). Tato součástka funguje obdobně jako ionizační komora, jde však o hermeticky uzavřenou kovovou trubici naplněnou směsí neonu, bromu a argonu, která je opět schopna při přiblížení radioaktivního
zářiče a následné ionizaci svého obsahu umožnit průchod proudu. Výboj nastane jen při připojení ke zdroji stejnosměrného proudu o vysokém napětí (400V). Ten jsme získali pomocí spínaného transformátoru z 3V zdroje. Zdroj vysokého napětí funguje na jednoduchém principu. Transformátor má hlavní primární vinutí doplněné o odbočku. Při připojení zařízení ke zdroji proudu proteče proud odbočkou primárního vinutí do báze tranzistoru a tím ho otevře. Otevřením tohoto tranzistoru proteče proud hlavním primárním vinutím, čímž se v jádru transformátoru vytvoří magnetické pole. Zároveň se však v odbočce indukuje opačný proud, který tranzistor opět uzavírá. Tento proces se neustále opakuje. Prudkým zvýšením proudu tekoucím primárním vinutím a jeho následným omezením se v sekundárním vinutí indukuje vysoké napětí o vysoké frekvenci. To je dále usměrněno a vyhlazeno. Výstup je v našem podání realizován reproduktorem a jednou LED diodou. K našemu projektu jsme měli k dispozici tři typy GMtrubic; SBM 20, AGM 100 a SI 3 GB (viz. Obrazová příloha obr.6). Jejich citlivost byla různá, největší jsme pozorovali u SBM 20, naopak nejmenší u SI 3 GB. K dosažení co největšího estetického dojmu jsme náš Obr.4: Geiger-Müller detektor přistroj miniaturizovali a následně zabudovali do krabice od DVD-mechaniky, tím se stal zcela přenosným. Zapojení našeho detektoru viz příloha, obr. 7. 4) Čítač K dovršení dokonalosti našeho GeigerMüllerova detektoru náš tým vytvořil dekadický čítač. Tento spotřebič je zcela kompatibilní s naším detektorem, k němuž se dá připojit pomocí konektoru. Signál do něj vstupující je upraven pomocí tvarovače a je dále postoupen soustavě logických obvodů, realizované pomocí MHF 4518 čítač a paměť, MHF 4543 převodník. Výsledný signál je zobrazován na sedmisegmentovém displeji o třech cifrách. Je také vybaven třemi tlačítky-zapnutí, nulování, pozastavení čítání. Obr.5: Čítač s logickými obvody Závěr Díky našemu projektu jsme si zopakovali mnoho užitečných informací o radioaktivním záření, o jeho původu, složení a účinkách na lidský organismus. Naším hlavním cílem však bylo vytvořit detektory záření. Po prvním neúspěšném pokuse se scintilátorem následoval úspěšný pokus s luminoforem, který však byl co do svítivosti skoro neměřitelný.
Poté jsme se s nadšením pustili do ionizační komory a nakonec do Geiger-Mullerova detektoru. Tyto dvě měřící zařízení se nám povedla vyrobit, a ve výsledku fungovala i s poměrně dobrou přesností, jenž jsme si ověřili v porovnání s průmyslově vyráběnými přístroji. K našemu detektoru jsme přidali čítač, za pomoc při jeho výrobě bychom rádi poděkovali obětavým rádcům a pomocníkům Zdeňku Polákovi a Janu Pacákovi. Zdroje WENZEL, Charles. Techlib.com [online]. 2011 [cit. 2011-08-04]. Ionization Chambers. Dostupné z WWW: <http://www.techlib.com/science/ion.html>. ING. TAUBINGER, Petr. Taubinger [online]. 2011-3-14 [cit. 2011-08-04]. Geiger-Müllerův detektor. Dostupné z WWW: <http://www.volny.cz/taubinger/dokumenty/geiger.pdf>. Obrazová příloha Obr.6: GM trubice ze shora: SBM 20, AGM 100, SI 3 GB Obr.7: Schéma zapojení Geiger-Müllerova detektoru
Obr.8: Schéma zapojení sedmisegmentovky