Pozor, radiace! (4)

Tentokrát si vyrobíme malou ionizační komoru a ukážeme si jiný způsob vyhodnocení proudu.

Malé ionizační komory

Ionizační komora z konzervy, ať už jde o menší (od rajského protlaku) či střední (žampióny, fazole, kompoty, …), má dostatečnou velikost na to, aby se mohl zkoušený vzorek vložit přímo do ní. Komora se uzavře vodivým víčkem, což omezí rušivé vlivy z okolí a zlepšuje funkci proti případu, kdy je zářič venku a vstup do komory stíněný třeba kovovou síťkou. Smíříme-li se s nižší citlivostí a záleží na malých rozměrech, můžeme jako komoru použít i patici E27 nebo dokonce E14 ze žárovky.

IMGP2001b

Malá ionizační komora z patice E27

Žárovku rozbijeme a z patice opatrně vydloubeme zbytky přilepeného skla baňky, až zbude jen kovová část se závitem, která má dole skleněnou průchodku se zapájeným napájecím drátkem. Páječkou zahřejeme střední kontakt a drátek uvolníme (pokud se zatím neulomil sám), zvenčí dovnitř protáhneme a zapájíme silnější drátek jako elektrodu ionizační komory. Vnitřní konec by měl být pár milimetrů za úrovní okraje patice, vnější necháme vyčnívat delší a poslouží pro připojení. Výhodou je, že nemusíme řešit izolaci, skleněná průchodka v této chvíli stačí. K lemu patice připájíme kroužek vystřižený z měděné síťky nebo vytvoříme z tenkého drátu stínící mřížku.

Podobné patice samozřejmě nemají jen žárovky a třeba ty od kompaktních zářivek se mohou jevit jako lepší, protože se nemusí čistit od skla. Jenže je tu rozdíl, který není vidět na první pohled. Patice zářivek se podstatně méně zahřívají a mívají izolační segment vyrobený z plastu, ne ze skla. Plast zdánlivě izoluje, jenže pro naše účely má příliš velký svodový proud a proti němu je zvýšení proudu vlivem záření nepatrné. Z tohoto důvodu většinou plastové patice nebo patice uvnitř vytřené lakem nejsou vhodné, a to ani po vyčištění povrchu benzinem, acetonem nebo toluenem.

Ještě menší komoru o průměru třeba jen 5 mm můžeme stočit a spájet z konzervového plechu nebo použijeme kousek mosazné trubičky. Elektrodu uprostřed přidrží „zátka“ z extrudovaného polystyrénu. Při takto malém průměru už síťku jako stínění na vstupní otvor dávat nemusíme.

IMGP2008b

Opravdu miniaturní komora, ovšem za malé rozměry zaplatíme malou citlivostí

Čím menší průměr komory, tím menší citlivost, pozadí ani naše slabé zářiče malá komora asi nezachytí, ale jako varování před nebezpečnou úrovní záření stále poslouží. Proti větší ionizační komoře má malá důležitou výhodu, dá se s ní jednoznačně určit i milimetrový zdroj záření, třeba žilka uraninitu v kameni. V tomto směru vede třeba i před mnohem citlivějšími detektory s GM trubicí, s nimiž lze nejvýš vybrat ten správný kámen.


 

Jednoduchý analogový indikátor k malé komoře může vypadat například tak, jak ukazuje následující schéma. Dva Darlingtonovy tranzistory dávají opravdu velké proudové zesílení, které by u větší komory bylo už spíše na závadu, LED se při určité úrovni záření rozsvítí. Je-li to možné, vyberte z více tranzistorů BC517 takový, který má co nejmenší svodový proud (IC při UBE=0 a UCE = 10 V), katalogové listy dovolují až 100 nA. Odpor označený hvězdičkou nastavuje mez pro rozsvícení LED, bez něj bude pravděpodobně LED svítit i bez záření. Odpor by měl mít hodnotu několika desítek MΩ, řekněme 47 – 100, pokud je podstatně menší než 22 MΩ, je téměř jistě špatně izolovaná elektroda od těla komory a nastává tam svod.

schema5

Analogový indikátor s extrémním zasílením a LED

Kvalita izolačního materiálu na průchodku elektrody do komory je velmi častým problémem a je klíčová pro funkci, čím menší komora je, tím je důležitější. Navíc je nutné, aby povrch izolantu byl zcela čistý, mastnota po sáhnutí rukou nebo zbytky solí jsou hygroskopické a vedou! Zapomeňte na to, jak běžně nahlížíte na vodiče a izolanty, bude nutné zkoušet. Z našeho pohledu je podklad DPS vodič (laminát FR4 i jakékoli levné nekvalitní „lisované papíry“), vede většina plastů včetně barevných PVC, z nichž se dělá izolace na ohebné vodiče, vedou některé druhy skla (zejména ty barevné), jiné vyhoví. Příliš vodivé jsou i skleněné průchodky pro vf techniku. Keramika může vyhovět, pokud je glazovaná, otevřený porézní povrch saje vzdušnou vlhkost. Dobré výsledky dávají některá skla nebo keramické korálky, pěnový nebo extrudovaný polystyren, tuhý polyethylen, teflon, teoreticky by měl být výborný jantar.

Ke zkoušení kvality izolantů lze použít předchozí zapojení, místo LED zapojíme μA metr. Změříme proud při uzemněné bázi NPN tranzistoru (je nenulový, vyvolaný svodem tranzistoru NPN). Po odpojení báze by se proud neměl výrazně změnit. Když na bázi nasadíme zkušební kousek izolantu drženého okem drátu připojeným přes ochranný odpor na plus napájení, proud by se při tloušťce izolace kolem 5 mm neměl příliš změnit. Když výrazně vzroste, materiál není vhodný.


Jiná elektronika pro ionizační komoru

Zatím jsme pro vyhodnocení proudu ionizační komorou vždy používali přímé zesílení a měření. Tento jednoduchý způsob doporučuji v době, kdy jde především o ověření funkce, o seznámení se s vlastnostmi materiálů a získání praxe ve stavbě komor. Nyní se podíváme na jiný princip, který lze snadno aplikovat, je-li v zapojení mikrokontrolér.

Využijeme toho, že daný vývod mikrokontroléru může fungovat podle přepnutí programem jako výstup (v logickém stavu H nebo L) nebo jako digitální vstup, kdy má vysokou impedanci. Střední elektroda komory i s vodičem k vývodu obvodu má kapacitu v řádu jednotek pF. Když přepneme vývod na výstup a nastavíme na něm L, vybije se tato kapacita na napětí blízké nule. Pak přepneme vývod na vstup a čteme jeho stav, zpočátku je L, kapacita je vybitá. Vývod se nepatrným proudem způsobeným svodem a také zářením nabíjí, měříme čas do okamžiku, kdy se poprvé přečte hodnota H. Čím větší proud v komoře teče (čím větší je intenzita záření), tím je tento čas kratší. Jakmile se logická úroveň vstupu překlopí, můžeme opět přepnout na výstup a kapacitu vybít. Měření se dá „vyčistit“ průměrováním třeba přes 10 hodnot a pokryje bez přepínání rozsahů několik řádů, má velké rozlišení.

IMGP2026bV nejjednodušší podobě může obsluha ionizační komory Arduinem UNO vypadat tak, jak ukazuje obrázek. Plášť komory je připojený na pin D8, ten je trvale na úrovni H. Pro vybíjení i nabíjení střední elektrody slouží pin 11. Kromě komory není potřeba žádná další součástka. Citlivost pochopitelně není nijak velká. Program měří dobu, za kterou přejde pin 11 do úrovně H a výsledek posílá rychlostí 115200 Bd do sériového monitoru v PC. Posílá nejvýše dvě hodnoty za sekundu, v praxi je četnost mnohem nižší, protože se uplatní relativně dlouhá doba měření.

// ionizačni komora v pulznim rezimu
unsigned long pulz = 0;
void setup() {
  pinMode(8, OUTPUT);
  digitalWrite(8, HIGH);   // nastaveni H na plasti
  Serial.begin(115200);    // nastaveni seriove komunikace 
}

void loop() {
  pinMode(11, OUTPUT);     // priprava vybiti 
  digitalWrite(11, LOW);   // vybijeni
  delay(250);
  pulz = 0;                // vynulovat delku pulzu
  pinMode(11, INPUT);      // zacatek nabijeni 
  do {
    pulz++;
  }
  while (digitalRead(11) == LOW); // nabijet do HIGH
  Serial.println(pulz);    // poslat vysledek
  delay(250);         
}

Lepších výsledků dosáhneme s větší komorou (průměr kolem 7 cm), když přímo na dno komory upevníme oddělovač/zesilovač s FET a ten stíníme připájeným kovovým krytem. Z krytu vedou čtyři vodiče. Program může být stejný. Zapojení ukazuje následující schema, vychází z konstrukce uvedené na internetových stránkách.

schema6

Předzesilovač / oddělovač přímo na komoře


 

Možnosti ionizačních komor

Je na čase shrnout si vlastnosti a možnosti popsaných ionizačních komor. Konstrukce je jednoduchá a výroba levná, stačí materiál za několik korun a odpad. Nelze ale říct, že postavit dobře fungující a citlivý přístroj je úplně snadné. Vyžaduje to přinejmenším pečlivost a přemýšlet o práci. My jsme s komorou začali a pracujeme s obecně dostupnými velmi slabými zářiči, to je ovšem přesný opak profesionálního přístupu.

Ukázkovým příkladem může být starý, ale stále populární vojenský intenzimetr IT-65, který si starší generace může pamatovat z vojenské služby. Tento přístroj má dva rozsahy měření a každý pracuje na úplně jiném principu. Citlivější rozsah 0,05 – 500 mR/hod, který se hodí ke kontrole pozadí, monitorování potravin a případně sledování nízkých hodnot zamoření, využívá GM trubici Philips 18504.

Přepneme-li rozsah na 0,05 – 500 R/hod (vyšší hodnoty), přepne se i způsob měření a využívá se vnitřní ionizační komora. Důvod je prostý, GM trubice není schopna zaregistrovat vysoké počty částic (intenzity záření) a po každé částici musí dostat dobu na zotavení. S komorou se výborně doplňují. Komora naopak není tak citlivá, aby měřila intenzity odpovídající přirozenému pozadí, ale jakmile je intenzita o několik řádů silnější (v případě zamoření po výbuchu), pracuje spolehlivě a výsledky z ní se jednoduše vyhodnocuji, měří se procházející proud dokonce ručkovým měřidlem.

Se změnou principu se mění i předmět měření, GM trubice registruje β a γ záření (odliší ho pomocí kovové clony před trubicí) a pokud nemá trubice slídové okénko, α neregistruje. Otevřená ionizační komora naopak „vidí“ především α a β částice, γ spíše až vznikem sekundárního záření.

Ukázali jsme si, že zejména komora vybavená záznamem může být dostatečně citlivá na to, aby při delším měření a následném vyhodnocení většího množství údajů prokázala aktivitu třeba korálků z uranového skla. Slabé zářiče vkládáme přímo dovnitř komory, kterou následně uzavřeme kovovým (stínícím) víčkem. Při konstrukci kriticky záleží na tom, aby izolanty měly opravdu minimální svod. Jde to a jsou to zajímavé pokusy, ale jsou natolik na hraně, že se tímto způsobem komory profesionálně nevyužívají.

Na co naše komory určitě nebudou stačit? Třeba na sledování aktivity tropického ovoce, popela nebo strusky, tady se pohybujeme ve změnách, které odpovídají jen několika procentům (maximálně desítkám procent) přirozeného radiačního pozadí. Upravené komory je ale možné dobře použít k amatérskému měření radonu.

Pro ilustraci obrovského rozdílu intenzit si připomeňme „vydatnost“ námi používaných zářičů měřených stejnou GM trubicí ve stejném prostředí, zářič byl vždy na dotyk těsně u trubice. Přirozené pozadí dělá třeba 20 pulzů/min, korálky uranového skla 800 pulzů/min, punčoška do lampy 4700 pulzů/min, ale kontrolní β zářič používaný v armádní soupravě IT-65, který se dlouhodobě a nechráněně nosil se soupravou, přes 300000 pulzů/min. Přitom se tento zářič používal jen ke kalibraci citlivé GM trubice, pro kalibraci ionizační komory byl považován za nedostatečný. My komory používáme pro intenzity záření asi 100x menší, než se považovalo za přiměřené. Máme k dispozici součástky, které tehdy nebyly, dokážeme získat mnohem větší zesílení při vysokém vstupním odporu, ale to nic nemění na faktu, že třeba proudové „pozadí“ respektive klidový proud bez zářiče často vůbec není výsledkem přirozeného radiačního pozadí, ale především svodů proudu v materiálech, které obvykle považujeme za izolanty.

Vyzkoušet si a zvládnout výrobu malých ionizačních komor má kromě toho, že jde o zajímavé a levné pokusy, jeden potenciálně důležitý význam. Improvizované komory se dají postavit i s elektronikou za pár desítek minut z běžně dostupných dílů, dobře fungují při škodlivých úrovních záření, proud je lineárně úměrný intenzitě záření. Dokonce by se mohla proti našim pokusům záměrně snížit citlivost komor, třeba místo Darlingtonu použít běžný tranzistor se zesílením 300 – 500 nebo k měření proudu citlivější ručkový přístroj. V případě reálného nebezpečí zvýšené radiace (ať už z jakéhokoli důvodu) jsou tedy ionizační komory bezkonkurenčně nejdostupnějším a nejrychleji amatérsky vyrobitelných detekčním zařízením.


 

Příště se na záření vypravíme vybaveni mobilním telefonem.