Tentokrát budeme zachytávat jednotlivé částice pomocí fotodiody.
Fotodioda jako detektor záření
Od miniaturního vyráběného detektoru záření s polovodičovým senzorem se dostáváme k možnosti využít dostupné součástky podobným způsobem a postavit si detektor vlastní. Na rozdíl od ionizačních komor nám to umožní registrovat jednotlivé částice, ovšem plocha (i objem) polovodičového detektoru je velmi malá. To na jedné straně umožní přesně určit zdroj záření i při velikosti několika málo milimetrů, na druhé počet částic, které projdou detektorem ve větší vzdálenosti (už několika centimetrů) od zdroje je malý. Signál od jednotlivé částice respektive laviny, kterou spustí, je velice slabý, takže budeme muset používat velké zesílení. Celá další práce je nepřetržitým bojem se šumem a odstíněním všudypřítomného rušení.
Na internetu se najde mnoho jednoduchých zapojení i návodů „jak na to“, stačí třeba zadat vyhledávání podle hesel „BPW34 geiger“ nebo „PIN diode geiger“. Když si je porovnáme, zjistíme, že autoři od sebe dost často opisují. Následující postup zdaleka není jediný možný a nechci ani tvrdit, že je nejlepší, je jen prověřený.
V první řadě si ujasněme, co a čím můžeme „lovit“. α částice nám dají nejlepší signál, β o něco menší a γ podstatně menší, ten dost snadno může zaniknout v šumu. Jenže α částice neprojdou ani plastovým krytem polovodiče, musíme použít polovodič zcela nechráněný. Současně s tím musíme dokonale zabránit vstupu světla a nestačí chránit jen samotný senzor, protože odstínění před světlem bude současně i zábranou pro α částice. Jde to, ale musíme použít jen malý vzorek aktivního materiálu a spolu se senzorem v těsné blízkosti jej vložit do krytu, který zastaví jak světlo, tak elektromagnetické rušení. Elektrony nebo protony (β- a β+ částice) většinou projdou jak stíněním proti světlu tak tenkým plechem krytu, ty jsou pro pokusy nejvhodnější a doporučuji s nimi začít. Můžeme stínit samotný senzor a zkoumat materiály ve svém okolí. Γ záření si z naše krytí nic nedělá a projde, ale signál je až 10x slabší, do něj má smysl se pouštět až po dobrém zvládnutí elektronů.
K detekci se používají například PIN diody S1223 (www.farnell.com) od firmy Hamatsu. I když se v návodech označují jako „Low-Cost“ tedy levné nebo cenově dostupné PIN detektory, cena kolem 600 až 800 Kč za kus k nákupu na „vykuchání“ a pokusy zrovna nesvádí. Po odstranění horní části krytu s průhledným „okénkem“ je to vynikající senzor zejména na čisté α záření třeba ze zářičů s Am241 z detektorů kouře. Jako levnější variantu můžeme vyzkoušet fotodiody BPX61 (RS Components) nebo BPW21 (GM), obě v podobném provedení s průhledovým okénkem, které jde odstranit, a v cenovém rozpětí 200 až 300 Kč za kus. Dále se zaměříme na podstatně levnější součástky, fotodiody v plastovém průhledném pouzdru BPW34, které jde celkem běžně koupit za cenu kolem 20 Kč.
Jestliže chceme pomocí BPW34 detekovat α částice, musíme pouzdro diody rozpustit v acetonu. Trvá to několik dnů a na konci dostaneme holý čip bez vývodů. Dál musíme tento čip sevřít mezi vodivou (nejlépe zlacenou) podložku a pružný kontakt shora. Polohu kontaktu je třeba vyzkoušet podle nejlepší funkce fotodiody, potom čip upevnit. Jak piplavá je to práce asi není třeba zdůrazňovat, a že nechráněný čip je zranitelný a moc dlouho nevydrží (zejména vyskytují-li se v prostředí agresivní chemické látky), také ne. Asi se neobejdeme bez silné lupy nebo USB mikroskopu. Pro detekci β a γ záření můžeme použít BPW34 tak jak se prodává. Dál budeme vycházet z fotodiod bez úpravy.
Detektor částic s fotodiodou
Zapojení vyzkoušeného detektoru s fotodiodou je na předchozím obrázku. Napájí se z 9 V baterie, spotřeba je přibližně 1 mA. Obvod má čtyři části, tranzistor BC546 stabilizuje napájení pro fotodiodu a první stupeň zesilovače respektive oddělovače s vysokým vstupním odporem s tranzistorem PN4117A. Za ním následuje neinvertující zesilovač (teoreticky x1000) s OZ a střídavě vázaný další stupeň invertujícího zesilovače (x100) s OZ. Výstup se připojuje typicky k osciloskopu. Je to zapojení jednoduché, přehledné, ale ďábel se (jako obvykle) skrývá v detailech.
Konkrétní použitý FET dovoluje takto zjednodušit zapojení, protože výborně pracuje s řídící elektrodou při malém kladném napětí UGS. Tento stupeň musí být bezpodmínečně stíněný, obvykle je potřeba stínit ještě následný zesilovací stupeň, ale při pokusech je nejsnazší stínit vše včetně prostoru pro aktivní vzorek a napájecí baterii.
Zkoušený detektor na kontaktním poli v kovové krabičce od cigaret
Je možné si udělat celé stíněné kontaktní pole a zapojení zkoušet na něm, i když kvůli kapacitám mezi krytem a kontakty pole se výsledek proti finálnímu výrobku na plošném spoji a v klasické cínované plechové krabičce mírně liší. Pokud ve výstupním signálu najdeme kmitočet 50 Hz, je problém s elektromagnetickým stíněním, pokud je tam kmitočet 100 Hz, je problém s průnikem umělého světla napájeného ze sítě. Je-li světelný zdroj napájený přes měnič (LED na spínaném zdroji, kompaktní zářivky, …), objeví se pochopitelně jiný kmitočet, ten se hodí předem zjistit snímáním proudu nekryté fotodiody.
Utěsnění musí být dokonalé, třeba vf průchodky a průchodkové kondenzátory propouští světlo! Stačí otvor jako po tenkém špendlíku a i když se paprsek světla musí cestou dovnitř 3x odrazit od stěn krabičky, rušení se nezbavíme. Aby ta plechová krabička na fotografii správně fungovala, musí se kolem dokola přes spoj víčka ovinout černou izolační páskou nebo širokým okem tenké černé gumy.
Zbytek rušení se snaží odstranit neivertující zesilovač. Pro pulzy má zesílení až 1000, ale nízké kmitočty desítek a stovek Hz zesiluje jen málo. Nezesílí ovšem jen pulzy způsobené částicemi, ale také šum fotodiody i FET tranzistoru (a přidá vlastní). Tady se projeví výběr obvodu. Je možné použít moderní rychlý FET OZ, dokonce pak můžeme vynechat oddělení tranzistorem PN4117A, ale budeme muset v každém stupni zvlášť řešit frekvenční kompenzace a vše bude podstatně náročnější na nastavení. Jde tak dosáhnout i lepších výsledků, ovšem bez odfiltrování nízkých i vysokých frekvencí se užitečný signál beznadějně schová do šumu. Starý obvod LM358 je vhodně pomalý na to, aby omezil nežádoucí kmitočty, ale dost rychlý na to, aby signál (většinou) zpracoval.
Pulzy od jednotlivých částic (lavin) při delším dosvitu
Jaký je výsledek? Na předchozím obrázku je vidět záznam asi sekundové expozice slabým β zářičem (stroncium 90). Šum se vejde do rozpětí 20 mVšš, pulzy mají amplitudu od 10 do 100 mV, výjimečně (jeden za několik minut) až 250 mV. S tím už se dá snadno dál pracovat. Na dalším obrázku je detail jednoho z pulzů, při následné detekci musí komparátor reagovat na délku typicky 50 až 200 μs a chceme-li dále pulzy zpracovat mikrokontrolérem, musí být jeho vstup schopen je číst.
Detail jednoho pulzu
Fotodioda BPW34 a jako zářič punčoška do petrolejky, záznam 3 minuty
Poslední obrázek ukazuje záznam osciloskopu s nastaveným nekonečným dosvitem při vložení punčošky do petrolejky před fotodiodu BPW34, pokrývá pulzy zaznamenané během 3 minut. Domnívám se, že na tak jednoduché zapojení je výsledek „lovu na částice“ pomocí fotodiody za 20 Kč průkazný a více než uspokojivý.
Nevýhoda malé plochy (objemu) polovodičových detektorů a tím menšího počtu registrovaných pulzů třeba proti klasické GM trubici se dá částečně kompenzovat paralelním spojením většího počtu diod. Nejlepší je, když má každá dioda svůj detekční obvod a slučují se až výsledné pulzy, ale při malém počtu (do 5 ks) se většinou používá prosté paralelní zapojení diod. Ztrácíme tím bohužel výhodu přesného určení rozměrově malého zdroje záření. S ohledem na cenu je podobný postup zvýšení citlivosti celkem přijatelný, se zmíněnými PIN diodami S1223 by to „bolelo“ podstatně víc.
Příprava sondy se čtyřmi BPW34 před zapájením
Z výsledných průběhů signálu je vidět důležitá vlastnost, pulzy nejsou stejně velké. Jejich amplituda odpovídá energii původní částice. To znamená, že polovodičový senzor je na rozdíl od GM trubice schopen dát informaci nejen o tom, že „nějaká“ částice proletěla, a případně jaká to byla (pomocí mechanických filtrů), ale i o tom, jakou energii částice měla. Pak můžeme spočítat částice s podobnou úrovní energie a vynést počty do grafu. Tím se vytvoří spektrum energie, podle něhož se dá určit, jakým rozpadem částice vznikla, tedy rozlišit původní (někdy i přechodně vytvořené) izotopy. Měření konkrétní energie v MeV by bylo složitější, ale k porovnání tohle stačí.
Dostali jsem se trochu dál než jen k detekci záření. Do zapojení nebyl zahrnut komparátor, chceme-li jen počítat pulzy a poslat je třeba do mobilního telefonu (jako v případě FSG-001), blikat LED nebo „tikat“ piezoreproduktorem, komparátor doplníme, s nástavbou pro analýzu spektra se nyní zabývat nebudeme.
Příště si představíme několik továrně vyráběných intenzimetrů.