V tomto pokračování budeme shánět zkušební zářič a postavíme si nejjednodušší funkční detektor radiace.
Sháníme zkušební zářič
Bohužel, alespoň pokud vím, nejde zajít do obchodu a koupit si bezpečný zkušební zářič s jednoznačně danými parametry, přitom bez zářiče jsou pokusy jen „tápáním ve tmě“ přirozeného radiačního pozadí. I ze souprav starých vyřazených armádních intenzimetrů IT-62 jsou zkušební zářiče většinou odstraněny. Pro školy se prodává výuková souprava Gamabeta, jejíž součástí je také americiový gama zářič 30 kBq nebo nový desetkrát silnější zářič. O mnoho víc možností není, takže se budeme muset obejít jinak.
Zářič ze soupravy Gamabeta 2007 (foto ze stránek www.cez.cz)
Pro naše účely stačí slabý zářič, nejlépe γ, nicméně poločas rozpadu použitého izotopu by měl být dostatečně dlouhý, aby se vlastnosti našeho zkušebního zářiče (téměř) neměnily ani během měsíců a roků. To je přesný opak zářičů, které mají uplatnění v medicíně, tam je v některých případech výhodné, aby izotop co nejdříve ztratil samovolně svoji aktivitu.
Výborný přehled použitelných zdrojů záření lze najít na internetové stránce http://danyk.cz/ion.html . V domácnosti se mohou najít třeba staré náramkové hodinky se svítícím číselníkem, na ten se používala barva s radiem 226 (poločas 1600 let, následně radon jako α zdroj s krátkým poločasem rozpadu), případně staré měřicí přístroje z letadel nebo vojenské techniky z doby druhé od světové války do šedesátých let minulého století. Tyto zářiče mají nevýhodu, nemůžeme se většinou přiblížit až k aktivní barvě, odděluje nás sklo nebo rámeček. Když tyto překážky odstraníme, barva se ráda drolí a její prach ulpívá na všem v okolí, a to není zrovna žádoucí. Krátká expozice při pokusech je bezvýznamná, ale nechat záření působit dlouhodobě nebo dokonce umožnit průnik jeho zdroje do organizmu, to je něco zcela jiného! Intenzita záření stupnic se mění kus od kusu, nejvíce září staré ruské (sovětské) letecké přístroje.
Otáčkoměr z vojenské techniky z 50. let aktivně svítí
Svit stejného přístroje zachycený fotoaparátem při 30s expozici.
Výborně poslouží koupené korálky, knoflíky nebo valounky z uranového skla, jsou levné a běžně v nabídce na eBay (hledejte „uranium glass“). Sklo je průhledné, zelenožluté, při nasvícení UV lampou se rozzáří. Ale ne každé sklo, které se takto pod UV lampou chová, je uranové. Převažující izotopy uranu mají dlouhý poločas rozpadu v řádu desítek milionů let, zářič je stabilní. Na obrázku jsou „motýlci“ po nasvícení UV výbojkou z detektoru bankovek. Z korálků přilepených třeba silikonovým kaučukem se dá vytvořit plochý zářič, korálek se může vložit i do ionizační komory nebo se jimi dá detekční trubice obložit ze všech stran. Navíc sklo je izolant, to se většinou hodí, a nic se z něj nedrolí, dá se s ním bez problémů manipulovat rukou. Později při položení GM trubice přímo na „motýlky“ se detekovalo kolem 840 rozpadů za minutu – to pro porovnání „vydatnosti“ zářiče.
Korálky ve tvaru motýla z uranového skla pod UV lampou (fotografie není barevně upravována)
Relativně vydatným a velmi praktickým zářičem jsou punčošky s obsahem thoria 232 (14 miliard let) do petrolejky. Jejich nákup má však úskalí. Koupíme-li punčošku evropské výroby, nezáří, a také původnímu účelů slouží mnohem hůře, na fotografii je vlevo. Na pohled téměř nerozeznatelné punčošky z Číny jsou výborným zkušebním zářičem a také v lampě poslouží podstatně lépe (vpravo), prodává je třeba Conrad. Barva s thoriem se dá z tkaniny setřít a vydrolit, takže s punčoškou se musí manipulovat opatrně a pokud možno ji ponechávat uzavřenou v igelitovém sáčku nebo původním obalu. Při položení GM trubice přímo na dvě punčošky na sobě (prodávají se ve společném balení) se detekovalo kolem 4700 rozpadů za minutu.
Punčošky do plynových (PB) a petrolejových lamp
Další možnosti si už budete muset najít sami, i v běžné domácnosti se ale slabší zářiče běžně najdou, stačí citlivým detektorem prozkoumat prostředí kolem sebe a nevynechat ani odpad jako je třeba popel z uhelného kotle, škváru, výrobky ze strusky nebo kousek žuly. Také se dají použít některé prací prášky s obsahem solí s draslíkem 40 (1,25 miliardy let). My ale potřebujeme spíše malý a spolehlivý zdroj záření. Ideální je třeba α zářič vymontovaný z vyřazeného ionizačního detektoru kouře (ohně) a výše uvedená „punčoška“.
Nejjednodušší ionizační komora
Připravíme si plechovku od menší konzervy, vhodná je třeba vyšší od rajského protlaku, rozměr však vůbec není kritický. Dále 9V baterii, voltmetr s vysokým vstupním odporem (optimálně 10 MΩ) respektive digitální multimetr, rezistor něco kolem 10 kΩ, kousek drátu a jeden tranzistor BC517 (to je Darlington, ne nějaký obyčejný „co šuplík dá“!), hodí se také skleněný korálek nebo kousek skleněné trubičky a kapka sekundového lepidla.
Detail zapojení na ionizační komeře z plechovky
Uprostřed dna plechovky vyvrtáme nebo prorazíme malý otvor, do něj zalepíme jako izolaci trubičku nebo korálek tak, aby otvor byl průchozí dovnitř. K bázi tranzistoru připojíme drát, musí být tak dlouhý, aby po provlečení izolační trubičkou procházel středem plechovky a končil asi 1 cm před druhým, nyní už chybějícím dnem. Emitor je spojen se záporným pólem baterie, kolektor se záporným vstupem voltmetru a kladný vstup voltmetru s kladným výstupem baterie. Tranzistor přilepíme k plechovce.
Zapojení nejjednodušší ionizační komory, rozměry nejsou příliš důležité
Voltmetr je zde využit v podstatě k měření proudu. Má-li vstupní odpor 10 MΩ, odpovídá zobrazené hodnotě 1 V proud 0,1 μA. Má-li tranzistor nejmenší proudové zesílení 30000 podle katalogu (reálně bude mít podstatně více), pak stejný změřený 1 V odpovídá také proudu v komoře kolem 3 pA. Tento fígl vychází z toho, že ampérmetr a voltmetr jsou ve své podstatě jedno a totéž. Reálný ampérmetr je ideální voltmetr měřící napětí na paralelním odporu a reálný voltmetr je ideální ampérmetr měřící proud tekoucí sériovým odporem. Zní to možná divně, ale je to tak a funguje to. Takto lze obyčejným levným přístrojem měřit o několik řádů menší proud, než jaký najdeme na voliči rozsahů přístroje, jen musíme znát vstupní odpor voltmetru a ten musí být dostatečně velký.
Kompletní sestava „měřicího pracoviště“ i s připraveným zářičem (komora bez víčka i stínění vzadu)
Otevřená báze tranzistoru s velkým zesílením je velmi náchylná k rušení všudypřítomným polem z rozvodů sítě 50 Hz, bohužel nyní se s tím musíme smířit. Je dobré, i když při prvním pokusu ne nutné, stínit tranzistor na vnější straně plechovky připájeným plechovým krytem. Použijeme-li větší plechovku, můžeme zářič umístit dovnitř komory. Také má smysl otevřenou stranu plechovky překrýt alobalem, ale sníží se tím citlivost respektive se odstíní záření alfa. Přehnuté okraje alobalu buď ovineme lepicí páskou nebo stáhneme gumičkou, to omezí rušení uvnitř komory. Druhá možnost je vyrobit si vodivé víčko (plastová destička s nalepeným alobalem), kterým se dá komora po vložení malého zářiče uzavřít a tím zlepšit stínění. Otevřená komora by měla ležet na stole, není vhodné položený zářič přiklápět.
Obecná VA charakteristika ionizační komory
Ionizační komora může podle použitého napětí pracovat v několika režimech, její VA charakteristika je na obrázku. V ohmické oblasti (A) nejnižších napětí (asi tak to 50V) se budeme nyní pohybovat my, přestože tato oblast má malou účinnost a v profesionálních detektorech se nepoužívá. Většina iontů přirozeně rekombinuje dřív, než se dostane k příslušné elektrodě.
Když zvětšíme napětí a dostaneme se do oblasti (B), naprostá většina iontů už dosáhne elektrody než nerekombinuje, ale nemá takovou energii, aby docházelo k sekundární emisi a vznikaly další ionty (orientačně 50 až 200V). Proud odpovídá počtu vytvořených iontů a je skoro konstantní.
Dalším zvýšením napětí se dostáváme do oblasti (C) (kolem 200 – 700V), kde už dochází k sekundárním emisím úměrně podle energie částice, tato oblast je vhodná pro práci spektrometrických detektorů, které sledují rozložení počtu částic podle energie. Je-li měření energie částic dostatečně přesné, určí se podle něj i původ částice.
Dalším zvýšením napětí se dostaneme do nevyužívané oblasti (D), kde už proporcionalita přestává fungovat, protože někdy vznikají laviny částic. Nad touto oblastí v zóně (E) pracují GM trubice, vždy vznikají laviny částic, dochází k masivní sekundární emisi a elektrickému výboji. Pulzy vyvolané jednotlivými částicemi jsou výrazné a dobře zpracovatelné. Uvedená napětí jsou závislá na složení plynu v komoře a jeho tlaku, takže se v konkrétním případě (třeba GM trubic) mohou výrazně lišit.
Naše nejjednodušší ionizační komora pochopitelně není zrovna citlivá. Při měření je nutné půl minuty až minutu počkat na ustálení údaje a vždy porovnávat hodnoty naměřené se zkoušeným vzorkem (zářičem) a kontrolní měření bez něj ve stejné situaci, protože výsledek je ovlivňován třeba i vlhkostí a prašností vzduchu, teplotou, přirozenou ionizací UV zářením, pohybem předmětů kolem komory a podobně. Výsledky získané na různých místech a v různé době porovnávat nejde! Je také lepší měřit v prostředí, kde nejsou všude kolem rozvody síťového napětí.
Se vzorkem komory na snímku ukazoval voltmetr na rozsahu 2V/10MΩ po ustálení kolem 15 mV, po přiložení punčošky k volné straně přes 220 mV (hodnoty napětí odpovídají velikostí měřenému proudu). Pro kontrolu má smysl přiložit stejným způsobem i jiné předměty, aby se vyloučilo ovlivnění dotykem nebo pohybem v okolí. Výsledek je zcela průkazný a dovoluje do jisté míry zjistit i intenzitu (je jasný rozdíl mezi přiložením jedné nebo dvou punčošek na sobě), nicméně víc od takto jednoduchého zapojení čekat nemůžeme.
Ionty pro ověření základní funkce komory můžeme získat i jinak, když například foukneme do komory zplodiny z plynového zapalovače, spolehlivě dostaneme detekci do saturace (napětí přes 8 V). Měření reaguje i na dech, a to mnohonásobně více, než na radiaci z našeho zářiče, takže se snažíme dýchat tak, abychom do komory nefoukali. Ustálení a návrat na původní hodnoty po vdechnutí vzduchu do komory trvá i několik minut, uvnitř se může usadit vlhkost. Abychom měli jistotu, že komora opravdu detekuje radiaci a ne ionty jiného původu, musíme zamezit výměně vzduchu mezi vnitřkem a vnějškem komory.
Příště připojíme ionizační komoru k Arduinu i PICAXE a pokusíme se ze záznamu proudu vyčíst víc, než dovoluje pohled na displej voltmetru.