Stavíme měřič radioaktivity s Geiger-Müllerovou trubicí (část 1/3)

Existuje nějaká zábavnější fyzika než jaderná fyzika? Jistě, existuje – teorie relativity. Ale s tou si doma hrát rozumně nejde. Takže vzhůru k experimentům: pojďme si postavit detektor/měřič radioaktivity s Geiger-Müllerovou trubicí.

Stavba G-M detektoru byl školní projekt pro dítko na elektroprůmyslovce. Kromě toho, že je to zábavné, je to hodně zajímavé i z pohledu elektroniky: je potřeba postavit zdroj vysokého napětí a je třeba detekovat, tvarovat a měřit pulzy v délce desítek mikrosekund. Tedy snadno pochopitelné problémy – ale ne zcela triviální k řešení.  V tomto případě platí „cesta je cíl“ – projekt byl zvolen tak, aby se na něm dítko něco naučilo. To se podařilo.

Pokud je však vaším cílem spíše „mít G-M detektor“ než „postavit si G-M detektor“, pak nejjednodušší cestou je koupit si hotový modul včetně G-M trubice za 600 Kč na banggood.com – ve výsledku to není o moc dražší, než jen samostatně koupit G-M trubici.

---

Velmi rychlý úvod do funkce Geiger-Müllerovy trubice a detekce radioaktivity

Při jaderných reakcích vznikají čtyři základní typy záření:

• záření alfa – jádra hélia, kladně nabitá, mají velmi malou průbojnost – zastaví je i list papíru
• záření beta – rychle letící elektrony (záporně nabité) či pozitrony (kladné), střední průbojnost – zastaví je tenká vrstva kovu
• záření gama – vysokoenergetické fotony (elektromagnetické záření s vysokou frekvencí), elektricky neutrální, velmi průbojné – projdou skoro vším, pro izolaci se používá tlustá vrstva olova a betonu

Poznámka: Gama záření se částečně překrývá s „rentgenovým zářením“. U gama záření se udává vlnová délka kratší než 124 pm; rentgenové záření je definováno vlnovou délkou v rozsahu 1 pm – 10 nm. Rozdíl je ve způsobu vzniku – gama záření vzniká jadernými interakcemi, zatímco rentgenové záření vzniká dopadem rychle letícího elektronu na anodu elektronky. Výsledek je stejný – elektromagnetická vlna/fotony s vysokou energií.

• neutronové záření – proud neutronů z rozštěpených jader atomů; elektricky neutrální a extrémně průbojné (více než záření gama)

Geiger-Müllerova trubice je trubice se dvěma elektrodami nabitými na vysoké napětí, mezi kterými je plyn s vhodným složením. Pokud plynem prolétá vysokoenergetická částice a trefí některou z jeho molekul, ionizuje jí – oddělí z ní elektron. Ten je dále urychlován elektrickým polem mezi elektrodami, takže získá dost energie na to, aby nárazem ionizoval další molekulu – tím vznikne další elektron. Ionizace se lavinově šíří, až spojí elektrody vodivým kanálem. Trubicí proteče proud, tím klesne napětí mezi elektrodami, sníží se intenzita elektrického pole, a přestanou se dále ionizovat molekuly plynu. Během krátké doby („doba necitlivosti trubice“) se postupně volné elektrony rekombinují do molekul plynu, ty se stanou elektricky nevodivé a trubice je připravena na detekci další částice.

Z tohoto popisu je jasně vidět, že trubice je schopna detekovat jednu osamocenou částici, a po chvíli další a pak zase další. Dobře tedy funguje pro malé úrovně záření. Pokud najednou vlétne do trubice více částic, dojde jen k jednomu výboji. A maximální tempo výbojů je dáno dobou necitlivosti, během které trubice další částice nedetekuje. Každá trubice tedy dává maximálně N impulzů za sekundu; pokud přes ní prolétá více částic, nebudou už detekovány.

Existují trubice pro vysoké úrovně záření – jsou udělány tak, že mají menší plochu (tj. trefí ji méně částic), mají nižší napětí (pro ionizaci je třeba více zásahů ve stejné době) nebo mají obal z tlusté vrstvy kovu (dovnitř se dostane statisticky jen každá N-tá částice). Nebo je možné měřit vysoké úrovně záření zcela jinými způsoby než G-M trubicí.

Nejběžnější a nejsnáze získatelné geiger-müllerovy trubice jsou sovětské trubice STS-5 a SBM-20 staré desítky let. Dají se pořídit za řádově stokoruny a pro „domácí hraní“ postačí – ale samozřejmě jejich citlivost už nemusí odpovídat původním datasheetům. Mají kovový obal, takže nedetekují částice alfa a slabší (pomalejší) částice beta, protože tyto částice nemají dost energie, aby prošly byť jen tenkým plechem. Takže poznají jen částice gama a také záření beta s vyšší energií (kde mají nižší citlivost – dovnitř se dostane a je detekováno třeba jen 40 % částic).

Existují G-M trubice schopné detekovat alfa částice – mají skleněné pouzdro nebo alespoň skleněné „okénko“ v pouzdru. Jejich funkce je jinak zcela stejná.

Neutronové záření přímo nedetekují žádné G-M trubice. Pokud byste se dostali do místa, kde je vysoká úroveň neutronového záření (= někde blízko probíhá regulérní štěpná reakce), tak bude G-M detektor detekovat sekundární záření – částice beta a gama z atomů rozbitých prolétajícími neutrony.

---

Teorie detektoru s G-M trubicí

Trubici připojíme na zdroj stejnosměrných 400 V přes předřadný odpor 10 M (napětí i odpor se liší podle typu trubice). Mezi trubicí a nulou je menší měřící odpor.

Pokud trubice nic nedetekuje, nevede proud. Přes odpory se tedy nabije na napěťový rozdíl 400 V.

V okamžiku, kdy dojde k lavinové ionizaci, je trubice vodivá (má zanedbatelný odpor). Obvodem protéká proud; napětí se rozdělí na odporech v poměru 100:1, na měřícím odporu se tak na krátký okamžik (< 100 usec) objeví napětí cca 4 V. Prakticky to vypadá třeba takto:

(Mírné zvlnění signálu je způsobeno pronikajícím rušením z vysokonapěťového zdroje.)

Takže celý G-M detektor je vlastně strašně jednoduchý. Skládá se z následujících prvků:

• zdroj 400 V pro trubici
• samotná trubice, její předřadný odpor a měřící odpor
• tvarovač signálu, který z obecného průběhu naměřeného napětí udělá hezký hranatý impulz pro další zpracování
• mikrokontrolér, který bude sčítat impulzy a zobrazovat je na displej
• obvod, který na základě impulzu blikne s LED diodou a cvakne reproduktorem (pro efekt)

No a jak si ukážeme v dalším dílu, ďábel je skrytý v detailu – třeba takový „zdroj 400 V“, na tom je možno spálit spoustu času při neúspěšných experimentech.

---

 

Druhý díl tudy. Třetí díl.