Svetelektro.com

Svetelektro.com

Meno:
Heslo:

Rádioaktivita - ako ju merať?

Kategória: Návody a teória | 10.06.2019 | Autor: zawin 

Radiácia je pre nás neviditelným žiarením. Aby sme sa o jej existencii vôbec mohli presvedčiť, je potrebné ju detegovať pomocou príslušných fyzikálnych metód a vhodnej prístrojovej techniky, ktorá nám prevedie neviditeľné žiarenia na iné viditeľné či merateľné veličiny. V extrémnych prípadoch ako v prípade havárie v Černobyle pocitovali ľudia rádioaktívne žiarenie aj priamo - napr. kovovou chuťou v ústach či ohrevom pokožky.


Druhy rádioaktívneho žiarenia, typy častíc a ich energia

 

Rádioaktívny rozpad alebo rádioaktívna premena je proces, pri ktorom nestabilné atómy strácajú svoju energiu vyžarovaním tzv. rádioaktívneho žiarenia (ktoré môže byť korpuskulárne alebo elektromagnetické). Prvky, ktoré podliehajú rádioaktívnemu rozpadu prirodzene (ich všetky izotopy podliehajú rádioaktívnemu rozpadu), sa nazývajú rádioaktívne prvky.

 

Obr. 1 - penetrácia rádioaktívneho žiarenia v závislosti od typu

 

Rozlišujeme žiarenia:

  • Žiarenie Alfa je prúd kladne nabitých jadier hélia, ktoré sa pohybujú rýchlosťou 20 000 km.s-1. Vychyľuje sa aj v elektrickom aj v magnetickom poli. Dokáže ho zachytiť tenká vrstva papiera.

  • Žiarenie Beta sú častice, ktoré vysielajú rádioaktívne jadrá prvkov pri beta rozpade. Pohybujú sa rýchlosťou 280 000 km/s. Nesú elektrický náboj takže ich pohyb môže byť ovplyvňovaný elektrickým poľom. Častice beta sú elektróny (so záporným nábojom) alebo pozitróny (s kladným nábojom). Ich prenikavosť je väčšia ako pri alfa časticiach, môžu prenikať materiálmi s nízkou hustotou alebo malou hrúbkou. Na ich zastavenie stačí vrstva vzduchu hrubá 1 m alebo kovu s hrúbkou 1 mm.

  • Žiarenie gama je často definované ako žiarenie s energiou fotónov nad 10 keV, čo zodpovedá frekvenciám nad 2,42 EHz, resp. vlnovej dĺžke kratšej ako 124 pm (viď Obr. 2). Do tohto spektra patrí aj röntgenové žiarenie. Fyzikálny rozdiel medzi gama žiarením a röntgenovým žiarením nejestvuje, žiarenia sa líšia len svojim zdrojom. Zachytí ho až hrubá vrstva olova.


Obr. 2 - frekvenčné spektrum elektromagnetického žiarenia



Sposôby detekcie rádioaktívneho žiarenia

 

Geigerov-Müllerov (GM) detektor

 

Geiger-Müllerova (GM) trubica obsahuje ionizačnú komoru naplnenú plynom (Ne + halogén) s nižším tlakom než je bežný atmosférický a je pripojená na zdroj vysokého napätia (cca 400 - 700V). Plášť trubice tvorí jednu elektródu, tyčinka vo vnútri druhú.

 

 

Obr. 3 - princíp fungovania GM detektora (zdroj: http://astronuklfyzika.cz/DetekceSpektrometrie.htm)

 

Prelet kvatna žiarenia spôsobí ionizáciu plynu načo sa elektróny začnú pohybovať k anóde a kladné ióny zase ku katóde. Keďže plyn je zriedený a napätia na elektródach dostatočne vysoké, je stredná voľná dráha každého elektrónu natoľko dlhá, že pri náraze na atóm plynu je schopný vyraziť ďalšie elektróny (a ióny). Tieto sekundárne elektróny potom vyrážajú ďalšie sekundárne elektróny atď. Tento proces sekundárnej ionizácie prebieha lavínovo (z jedného primárneho elektrónu vzniká až 10^10 sekundárnych elektrónov) - vzniká elektrický výboj v priestore medzi elektródami. Obvodom prejde pomerne silný prúdový impulz a na pracovnom odpore R tak vzniká pomerne vysoký napäťový impulz, ktorý sa cez oddeľovací kondenzátor C vedie na spracovanie k príslušnej elektronickej jednotke (zosilňovač, čítač, integrátor) - je tak uskutočnená detekcia kvanta príslušného ionizujúceho žiarenia prevedením na elektrický impulz. Takto vzniknuté elektrické impulzy majú rovnakú veľkosť aj tvar, nezávisle od druhu a energie detekovaného kvanta - GM detektor nemá spektrometrické vlastnosti.

 

Použitie GM detektorov

GM detektory zohrali významnú úlohu v rozvoji jadrovej a radiačnej fyziky - bol to prvý typ detektorov, ktorý vedel registrovať jednotlivé kvantá ionizujúceho žiarenia, nielen obyčajnú intenzitu či tok žiarenia ako je tomu u obyčajných ionizačných komôr. Aj v súčasnej dobe sú GM detektory používané pre svoju jednoduchosť, avšak väčšinou iba len pre menej náročné merania. Napr. v radiačnej ochrane sú to merače kontaminácie, hlásiče radiácie, monitorovacie systémy a pod. Pre presnejšie a náročnejšie meranie boli nahradené predovšetkým scintilačnými a polovodičovými detektormi, ktoré sú síce mnohonásobne drahšie, avšak majú po všetkých stránkach podstatne lepšie parametre.

 

Ako si postaviť vlastný GM detektor?

Na internete existuje množstvo návodov na stavbu GM detektora. GM trubice prevažne ruskej výroby sa dajú kúpiť na na eBay za cenu od 9$.  

 

Návodov na stavu GM detektora je niekoľko aj v Českom jazyku:

http://www.vn-experimenty.eu/index.php?stranka=gm_citac

http://danyk.cz/gm_ind.html

http://arambajk.blogspot.com/2011/05/gm-citac.html



Scintilačný detektor

 

Scintilačné detektory ionizujúceho žiarenia sú založené na rádioluminiscencii - vlastnosti niektorých látok reagovať svetelnými zábleskami (lat. Scintilla = iskra, záblesk) na pohltenie kvánt ionizujúceho žiarenia. Celkový počet scintilačných fotónov je priamo úmerný energii detegovaného kvantá absorbovaného v scintilátore. Tieto svetelné záblesky sa potom elektronicky registrujú pomocou fotonásobiča.


Látky vykazujúce túto vlastnosť sa nazývajú scintilátory. Najstarším používaným rádio luminoforom je sírnik zinočnatý aktivovaný striebrom ZnS (Ag), z ktorého boli tienidla skiaskopických röntgenových prístrojov, v minulosti sa používal aj kyanid platinovo-bárnatý. Na účely detekcie žiarenia gama sa však najčastejšie používa jodid sodný aktivovaný táliom - NaI (Tl), vo forme monokryštálu.


Obr. 4 - princíp fungovania scintilačného detektora

 

Ku scintilačnému kryštálu je opticky priložený fotonásobič - špeciálna optoelektronická súčiastka, ktorá s vysokou citlivosťou prevádza svetlo na elektrický signál. V klasickom prevedení je fotonásobič vákuová elektrónka, na ktorej vstupnom okienku je zvnútra nanesená tenká kovová vrstvička - fotokatóda, ktorá konvertuje svetelné fotóny na elektróny. Ďalej fotonásobič obsahuje sústavu elektród - tzv. dynód (ich počet býva cca 8-12), ktoré fungujú ako elektrónový zosilňovač. Vo vnútri celej trubice je samozrejme vysoké vákuum. Na jednotlivé dynody je privádzané kladné napätie - na každú dynodu postupne vyššie a vyššie. Fotóny svetelného záblesku zo scintilátora dopadajú na fotokatódu, z ktorej sa fotoelektrickým javom vyrážajú elektróny e-. Každý takýto elektrón sa v elektrickom poli začne zrýchlene pohybovať k prvej (najbližšej) dynode, na ktorú je privedené kladné napätie povedzme cca 100 V. Na túto dynodu dopadne s kinetickou energiou cca 100 eV, čo spôsobí vyrazenie najmenej 2 alebo viac sekundárnych elektrónov z kovového povrchu dynody. Tieto elektróny sa vydajú na cestu k ďalšej dynode, na ktorej je vyššie kladné napätie - cca 200 V. Energia, na ktorú sa urýchli (danú rozdielom napätia, teda opäť cca 100 eV), opäť vyrazia pre každý elektrón 2 alebo viac sekundárnych elektrónov - máme teda už najmenej 4 elektróny, ktoré sa pohybujú k ďalšej dynode, kde vyrazí opäť dvojnásobný počet elektrónov atď . Vďaka tomuto opakovanému násobeniu sa pôvodne malý počet elektrónov uvoľnených z fotokatódy znásobí a na poslednú dynodu (už vlastne anódu) dopadne cca 10^5 až 10^8 elektrónov, čo je už dostatočný počet k vyvolaniu dobre merateľného elektrického impulzu o amplitúde A na pracovnom odporu R ( má hodnotu rádovo magaohmy) v elektrickom obvode. Tento impulz sa cez oddeľovací kondenzátor C vedie na zosilňovač a ďalšie elektronické obvody na spracovanie.

 

K registrácii a prevodu svetelných scintilácie na elektrické impulzy môžu byť použité aj špeciálne fotodiódy, či pole maticovo usporiadaných fotodiód ( "polovodičové fotonásobiča"), príp. hybridná kombinácia elektrónkového fotonásobiča s fotokatódou a následné polovodičové registrácia fotoelektronov.

Takto teda pracuje Scintilačný počítač, ktorý sa dá použiť buď samostatne (jeden detektor), alebo môže byť súčasťou multidetektorových systémov.

 

 

Obr. 5 - princíp fungovania a spracovania signálu zo scintilačného detektora (zdroj: http://astronuklfyzika.cz/DetekceSpektrometrie.htm)


 

Vlastnosti scintilačného detektora

Ak porovnáme parametre s GM detektorom, vidíme, že u scintilačného detektora sme dosiahli podobného výsledku - bola opäť uskutočnená detekcia kvánt neviditeľného ionizujúceho žiarenia prevedením na elektrické impulzy na výstupe fotonásobiča. Môže vzniknúť otázka: Prečo tak zložito? Odpoveď znie: Scintilačné detektory majú v porovnaní s GM detektormi tri zásadné prednosti:

 

Vysoká detekčná účinnosť (citlivosť)

V masívnom scintilačnom kryštáli o pomerne vysokej hustote a protónovom čísle sa účinne absorbuje (a teda deteguje) podstatne väčšia časť žiarenia gama než v zriedenom plyne GM trubice (kde väčšina kvánt gama preletí bez interakcie). Scintilačné detektory teda majú vysokú detekčnú účinnosť (citlivosť), ktorá sa často blíži 100%.

 

Krátka mŕtva doba

Čas trvania scintilácie v kryštáli je neobyčajne krátka - len asi 1 ns. Doba, po ktorú prechádzajú elektróny a násobia sa vo fotonásobiči, je rovnako veľmi krátka - cca 10 ns. Doba formovania a spracovania elektrického impulzu (časová konštanta) v zosilňovači a analyzátore je u súčasnej elektroniky cca 1 us . Mŕtvy čas scintilačného detektora je teda asi 1 us, čo je takmer 100-krát kratšie, než u GM detektorov.

 

Spektrometrickej vlastnosti

Intenzita svetelného záblesku v scintilátore je priamo úmerná energii meraného kvantá, ktorá sa tam pohltila. Intenzita záblesku je priamo úmerná počtu fotoelektrónov emitovaných z fotokatódy fotonásobiča. Multiplikačný proces elektrónov na dynodach je takisto presne lineárny. Takže amplitúda A (výška) výstupného impulzu z fotonásobiča je priamo úmerná energii Eg detegovaného žiarenia: A ~ Eg . Amplitúdovú analýzou výstupných impulzov zo scintilačného detektora môžeme teda vykonávať energetickú analýzu detegovaného žiarenia - jeho spektrometriu.




 

Polovodičové detektory

 

Mechanizmom priameho využitia ionizačných účinkov žiarenia sa polovodičový detektor svojím princípom trochu podobá ionizačnej komore. Tu však citlivým médiom nie je plyn, ale vhodný polovodičový materiál. Z elektronického hľadiska je polovodičový detektor v podstate dióda zapojená v závernom (nevodivom) smere na vysoké napätie.
 

 

Obr. 6 - Schéma polovodičového detektora. Vpravo je ukážka porovnania polovodičového spektra žiarenia gama so spektrom scintilačným (zdroj: http://astronuklfyzika.cz/DetekceSpektrometrie.htm)

 

Ak vnikne do aktívnej vrstvy detektora (je to "ochudobnená" vrstva či objemová oblasť bez voľných nosičov náboja) kvantum ionizujúceho žiarenia, ionizačná energia spôsobí v polovodiči preskok úmerného množstva elektrónov do vodivostného pásma a vznik elektrón-dierových párov. Tieto elektróny sa v elektrickom poli okamžite začnú pohybovať ku kladnej elektróde (a diery k zápornej) - elektrickým obvodom prejde krátky prúdový impulz, na pracovnom odpore R vznikne napäťový úbytok a cez kondenzátor C sa elektrický impulz vedie k nábojovej citlivému predzosilňovaču. Amplitúda (resp. Časový integrál) impulzu na výstupe zosilňovača je priamo úmerný celkovému náboju, a teda energii detegovaného žiarenia. Amplitúdovú analýzu výstupných impulzov môžeme teda vykonávať spektrometrickou analýzou energie detegovaného žiarenia, podobne ako u scintilačných detektorov. Zosilnené impulzy sa vedú na analógovo-digitálny prevodník a odtiaľ do pamäti analyzátora.


 

Vlastnosti polovodičových detektorov

Polovodičové detektory žiarenia gamma majú veľmi dobrú energetickú rozlišovaciu schopnosť (spravidla lepšiu ako 1 keV), asi 30-krát lepšiu ako detektory scintilačné - viď porovnanie spektier na Obr. 5 vpravo.

Polovodičové detektory majú tiež vysoký pomer fotopíku ku spojitému Comptonovskému pozadia. Oproti oscilačným detektorom však majú spravidla  o niečo nižšiu detekčnú účinnosť pre žiarenie gama a tiež dlhšiu mŕtvu dobu (mŕtva doba je daná kapacitou systému detektor + predzosilňovač a hodnotou pracovného odporu). Polovodičové detektory sa používajú všade tam, kde potrebujeme čo najlepšiu energetickú rozlišovaciu schopnosť, napr. v jadrovej fyzike, neutrónovej aktivačnej analýze, röntgen-fluorescenčnej analýze, zisťovaní rádionuklidov v ekológii či meranie rádionuklidovej čistoty preparátov.

 

Ako si postaviť vlastný polovodičový detektor?

Návody na internete zväčša využívajú ako detektor PIN fotodiódu BPW34, ktorej cena je momentálne na úrovni cca 1€. Taktiež je stavba takéhoto detektora jednoduchšia, nakoľko nie je potrebné generovať také vysoké napätie ako v prípade GM trubice. Detekcia v prípade PIN diódy BPW34 funguje už od záverného napätia cca 10V. V prípade dodatočného spracovania signálu je možné vykonať aj energetickú analýzu detegovaného žiarenia (spektrometria).

 

Návody na stavbu polovodičového detektora:

http://physicsopenlab.org/2017/06/22/x-ray-spectroscopy-with-pin-photodiode/

http://www.opengeiger.de/index_en.html

http://www.b-kainka.de/bastel131.html


 

Zdroj:

http://astronuklfyzika.cz/DetekceSpektrometrie.htm

 


05.10.2012

NE555

 45559   16  Hodnotenie: 4.5483870967742Hodnotenie: 4.5483870967742Hodnotenie: 4.5483870967742Hodnotenie: 4.5483870967742Hodnotenie: 4.5483870967742

21.09.2013

50 zaujímavých zapojení s tranzistormi

 20601   10  Hodnotenie: 4.9333333333333Hodnotenie: 4.9333333333333Hodnotenie: 4.9333333333333Hodnotenie: 4.9333333333333Hodnotenie: 4.9333333333333

19.08.2013

FPGA od zadania k produktu - Úvod I.

 13287   10  Hodnotenie: 5Hodnotenie: 5Hodnotenie: 5Hodnotenie: 5Hodnotenie: 5

Priemerné hodnotenie: 5
Hlasov: 4

Vynikajúci

Zvoľte počet hviezdičiek:
Vynikajúci
Veľmi dobrý
Dobrý
Priemerný
Zlý



Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.

Re: Rádioaktivita - ako ju merať? (Hodnotenie: 1)
Od: mhubinsky - 15.07.2019
(O užívateľovi | Poslať súkromú správu) http://www.elso.sk
Jedna z moznosti je aj takyto detektor: http://allsmartlab.com/blog/gdk101/
Autor stránky je Ondrej Závodský(zawin), o graficky design sa stará Ľuboš Fabo(BUFU).

TOPlist

Powered by Copyright © UNITED-NUKE CMS. All Rights Reserved.
Čas potrebný k spracovaniu stránky 0.02 sekúnd