Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Komora jonizacyjna - urządzenie do pomiaru promieniowania radioaktywnego

cheval de bataille 27 Nov 2020 15:05 7533 7
  • Komora jonizacyjna, to urządzenie składające się z dwóch elektrod do których doprowadzane jest stałe napięcie, co powoduje powstanie pola elektrycznego w jej środku. Gdy kwant promieniowania "uderzy" w atom gazu znajdującego się w komorze, "rozbija" go na dwa jony (dodatni i ujemny), które są przyciągane do elektrod (dodatni do ujemnej i vice versa). Mierząc prąd płynący między dodatnią, a ujemną elektrodą, będzie on proporcjonalny do ilości tych jonów, zaś to będzie proporcjonalne do mierzonego promieniowania. By te jony powstały, do elektrod trzeba doprowadzić stałe napięcie polaryzujące.

    Utrudnieniem jest, że wspomniane prądy są małe, więc wymagają dużego wzmocnienia, co zaś wymaga m.in. starannego filtrowania zasilania, oraz ekranowania, by urządzenie się nie wzbudzało.

    Architektura

    Założeniem było, by urządzenie można było pozostawić same sobie i zdalnie je flashować, czy też pobierać z niego dane. Zostało to zrealizowane przez dodanie Raspberry Pi, do której podpięty jest zarówno programator, jak i przelotka UART/USB.

    Sensor zrobiłem z laminatu i folii aluminiowej, którą połączyłem samoprzylepną taśmą aluminiową. wewnętrzna elektroda jest zrobiona z drutu srebrzonego. Sensor nie jest wypełniony żadnym gazem, nie jest szczelny, więc jest tam po prostu zwykłe powietrze.

    Komora jonizacyjna - urządzenie do pomiaru promieniowania radioaktywnego

    Część elektroniczna

    Komora jonizacyjna - urządzenie do pomiaru promieniowania radioaktywnego Komora jonizacyjna - urządzenie do pomiaru promieniowania radioaktywnego

    Pierwotnie do wytworzenia napięcia polaryzującego, miałem w planach użycie przetwornicy, jednak okazało się, że napięcie 12V z baterii jest wystarczające. Sygnał z komory trafia do wzmacniacza transimpedancyjnego, w pętli sprzężenia znajdują się szeregowo dwa rezystory o wartości aż 50G. Połączenie owych rezystorów, elektrody komory jonizacyjnej i nóżki wzmacniacza musi być wykonane w powietrzu, by uniknąć pasożytniczych rezystancji.

    Poniżej znajduje się render w KiCADie, oraz rzeczywiste urządzenie (wiem, fotka jest dość niskiej jakości, ale nie mam, jak zrobić lepszej, bo nie mam teraz tego urządzenia przy sobie).

    Komora jonizacyjna - urządzenie do pomiaru promieniowania radioaktywnego Komora jonizacyjna - urządzenie do pomiaru promieniowania radioaktywnego

    Część programistyczna

    Sygnał analogowy trafia do przetwornika ADC, i jest zbierany przez procek - tu użyłem dość mało popularnego STM8. Zaskoczeniem było dla mnie, że GCC nie obsługuje tych procesorów, zaś poświęcony im SDCC nie umie wycinać z binarki funkcji, które nie są używane! Do komunikacji z hardwarem użyłem stdperiph. Komunikacja ze światem zewnętrznym jest jednokierunkowa (urządzenie wysyła pomiary co kilka sekund) za pomocą UARTa.

    Soft na procka napisałem w C. Pobieranie danych po stronie maliny jest wykonywane przez skrypt w Pythonie, dane są wizualizowane skryptem w R. Użyłem R, mimo, że Python też ma biblioteki do tworzenia wykresów, bo dużo bardziej podobają mi się wizualnie te w R.

    Dokumentacja powstała w LATEXie.

    Pomiary

    Poniżej znajdują się dane pomiarowe zebrane za pomocą urządzenia.

    Komora jonizacyjna - urządzenie do pomiaru promieniowania radioaktywnego

    Hardware, software, dokumentacja i wszystko inne dostępne jest na GitHubie: https://github.com/RobertGawron/IonizationChamber

    Zrzut repozytorium:

    Ionization...master.zip Download (2.8 MB)

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    cheval de bataille
    Level 11  
    Offline 
    cheval de bataille wrote 45 posts with rating 76, helped 0 times. Live in city Châtellerault. Been with us since 2015 year.
  • #2
    viayner
    Level 40  
    Witam,
    jak dobrze zrozumiałem polaryzujesz elektrody napięciem 12V? To co ty chcesz mierzyć? Wymaga to kwantów o ogromej energii, aby coś zauważyć.
    Proszę popraw mnie - masz jedną elektrodę w postaci folii, a drugą to drut - powierzchnia czynna jest znikoma.
    Masz pierwszy stopień o wręcz astronimicznym wzmocnieniu, czy to co mierzysz to są napewno kwanty czy "niestabilność" samego wzmacniacza?
    Dane które prezentujesz mnie nie przekonują, napewno masz tam Ameryk czy Thor? Skąd wiesz, że są nadal aktywne, masz metodę referencyjną? Bez tego to tylko zabawka.
    Pozdrawiam
  • #3
    cheval de bataille
    Level 11  
    viayner wrote:
    Dane ktore przentujesz mnie nie przekonuja, napewno masz tam Ameryk czy Thor? skad wiesz ze sa nadal aktywne, masz metode referencyjna? Bez tego to tylko zabawka.


    Tak, zmierzyłem różne dostępne materiały promieniotwórcze, próbka z torem to w rzeczywistości elektrody spawalnicze z domieszką toru, zaś próbka z amerykiem, to detektor dymu (wciąż można kupić takie, swoją drogą ich idea pracy też opiera się o komorę jonizacyjną). Oczywiście są one lekko promieniotwórcze, co można sprawdzić chociażby licznikiem Geigera.

    viayner wrote:
    Prosze popraw mnie masz jedna elektrode w postaci foliia druga to drut - powierzchnia czynna jest znikoma.
    Nie mam urządzenia przy sobie, więc nie mogę sprawdzić, a nie pamiętam do końca, ale tak, być może do wewnętrznej elektrody dolutowałem jakąś małą blaszkę.

    viayner wrote:
    jak dobrze zrozumialem polaryzujesz elektrody napieciem 12V ?


    Tak.
  • #4
    viayner
    Level 40  
    Witam,
    jak rozumiem wytwarzasz pole elektryczne z 12V między 2 elektrodami, z których pierwsza to płat folii Al, a druga to drucik Ag. Zauważyłeś jak "jednorodne" masz pole elektryczne? Że nie wspomnę o jego natężeniu.
    Możesz podać nieco jaśniejszy wykres dotyczący twoich pomiarów, powiedzmy prąd w funkcji danego źródła promieniowania, oczywiście z punktem odniesienia czyli bez źródła promieniowania (20 pomiarów każdego punktu to bezwzględne minimum do dalszych analiz), z załącznika nie wiele wynika, a tym bardziej że nie mierzysz samego wzmaczniacza wejściowego.
    Pozdrawiam
  • #5
    Uran.
    Level 9  
    Układ dość ciekawy, jednak również mam wątpliwości co do czułości układu i pomiarów. W jaki sposób przeprowadzony był pomiar przy izotopie z czujki dymu? Czy źródełko z czujki zostało bezpośrednio przyłożone stroną aktywną do folii? Podobne urządzenia wykorzystywały wzmacniacze z opornikami o jeszcze większych wartościach - rzędu 200 GΩ oraz specjalne JFety jak 2N4117, jak np. tutaj http://techlib.com/science/ion.html . Napięcie rzędu 12 V wydaje się być wystarczające aby przyciągnąć jony zanim zdążą zrekombinować - wyższe napięcie spowoduje jedynie zwiększenie prądów upływu po powierzchni PCB. Testowałem kiedyś układ z powyższej strony - ten z dwiema parami darlingtonów. Komorą była puszka po kawie, napięcie polaryzacji komory około 30 V. Rzeczywiście wykrywał silniejsze artefakty jak np. jakiś wskaźnik lotniczy z farbą radową - około 2 mR/h czystego promieniowania gamma zmierzone rentgenometrem DP66. Słabych źródełek jak elektrody torowane nie wykrywał. Chciałem go wykorzystać jako alfa-czuły detektor (folia aluminiowa przepuszcza sporo cząstek alfa), i rzeczywiście mocno reagował na promieniowanie alfa (źródłem był węgiel aktywowany z produktami rozpadu radonu), ale całość działała bardzo kapryśnie i finalnie zbudowałem licznik scyntylacyjny z folią ZnS:Ag - czuły i stabilny w czasie, nie reaguje na zmiany wilgotności itp.
  • #6
    blue_17
    Level 32  
    Bardzo fajny projekt :)
    chociaż trudno mi powiedzieć czy ma służyć kalibracji czy też sprawdzeniu koncepcji.
    Jeśli masz taki układ to fajnie jest albo zbierać ilość pików lub podłączyć oscyloskop a później filtrować dane w pythonie lub w mathlabie na marginesie dawno czegoś takiego fajnego nie widziałem :)

    Jak dla mnie Trochę to przekombinowałeś ale koncept słuszny :)
    Wystarczyło użyć trzy stopnie wzmacniacz transimpedancyjny wzmacniacz napięciowy oraz filtr opcjonalnie detektor pików.

    Pomyśl czy nie można by zamienić na jakąś puszkę komory :)
    Opcjonalnie czy nie zastosować wzmacniacza OPA350 jest bardzo stabilny i szybki chociaż nie wiem jak z prądami upływów bo na tym Ci zleży.

    @viayner pomiar zapylenia w czujnikach smogowych też polega na wzmacnianiu małych zmian prądu z fotodiody zobacz gotową fotodiodę ze wzmacniaczem np. OPT101 :)

    @Uran. mogę prosić o szczegóły budowy tego licznika scyntylacyjnego jeśli to nie ściśle tajne to może tez bym się pokusił :)

    Pozdrawiam serdecznie :)
  • #7
    Phaeton
    Level 17  
    viayner wrote:
    Witam,
    jak rozumiem wytwarzasz pole elektryczne z 12V między 2 elektrodami, z których pierwsza to płat folii Al, a druga to drucik Ag. Zauważyłeś jak "jednorodne" masz pole elektryczne? Że nie wspomnę o jego natężeniu.

    Jednorodność pola elektrycznego nie jest potrzebna. Czujniki jonizacyjne mają właśnie taką budowe, że jedną elektrodą jest bardzo cienki drut, daje to większe natężenia pola w pobliżu drutu. No ale duże natężenia są potrzebne gdy chcemy wzmocnić prąd wtórną jonizacją przez przyspieszone jony pierwotne. Tutaj mierzony jest prąd powodowany przez jony wytworzone tylko bezpośrednio przez wykrywane cząstki jak rozumiem. Czułość przez to jest niewielka. Ciekawi mnie czy zarejestrowane piki są wyraźne, czy trzeba je wyławiać z szumu.
  • #8
    Uran.
    Level 9  
    @blue_17
    Konstrukcja tego licznika scyntylacyjnego była bardzo prymitywna - całość posłużyła w sumie tylko do kilku testów. Składał się z płytki scyntylatora czułego na promieniowanie alfa (siarczek cynku, płytka kupiona na znanym portalu aukcyjnym), fotopowielacza (jakiś 51mm który dostałem od znajomego), zasilacza 1300V do fotopowielacza i licznika impulsów. Siarczek cynku daje jasne rozbłyski (w ciemności nawet widoczne okiem), tak więc impulsy na wyjściu fotopowielacza sięgały kilkunastu-kilkudziesięciu woltów. Dalej były formowane układem typu "oneshot", uśredniane, to sterowało wskaźnikiem wychyłowym + był jeszcze głośniczek który trzeszczał. Wykrywało alfa-aktywność powierzchni narażonych na działanie radonu (produkty jego rozpadu są aktywne i skażają otoczenie, a sam radon ulatnia się z urządzeń w których użyto farby radowej, np. stare przyrządy lotnicze). Po zamianie scyntylatora na gamma-czuły NaI(Tl) 30x25mm (okrągły, 30 mm średnicy) wykrywało podwyższenie tła od takich przyrządów z około metra - półtora. Schematów nie mam - robiłem to <<z głowy>> i było to parę lat temu.