Intenzimetr IT-65: Princip fungování a konstrukce jednoduchých ionizačních komor

Ukázkovým příkladem může být starý, ale stále populární vojenský intenzimetr IT-65, který si starší generace může pamatovat z vojenské služby. Tento přístroj má dva rozsahy měření a každý pracuje na úplně jiném principu. Přepneme-li rozsah na 0,05 - 500 R/hod (vyšší hodnoty), přepne se i způsob měření a využívá se vnitřní ionizační komora. Důvod je prostý, GM trubice není schopna zaregistrovat vysoké počty částic (intenzity záření) a po každé částici musí dostat dobu na zotavení. S komorou se výborně doplňují.

Konstrukce ionizační komory

Ionizační komora z konzervy, ať už jde o menší (od rajského protlaku) či střední (žampióny, fazole, kompoty, …), má dostatečnou velikost na to, aby se mohl zkoušený vzorek vložit přímo do ní. Komora se uzavře vodivým víčkem, což omezí rušivé vlivy z okolí a zlepšuje funkci proti případu, kdy je zářič venku a vstup do komory stíněný třeba kovovou síťkou.

Výroba elektrody

Žárovku rozbijeme a z patice opatrně vydloubeme zbytky přilepeného skla baňky, až zbude jen kovová část se závitem, která má dole skleněnou průchodku se zapájeným napájecím drátkem. Páječkou zahřejeme střední kontakt a drátek uvolníme (pokud se zatím neulomil sám), zvenčí dovnitř protáhneme a zapájíme silnější drátek jako elektrodu ionizační komory. Vnitřní konec by měl být pár milimetrů za úrovní okraje patice, vnější necháme vyčnívat delší a poslouží pro připojení. Výhodou je, že nemusíme řešit izolaci, skleněná průchodka v této chvíli stačí.

Podobné patice samozřejmě nemají jen žárovky a třeba ty od kompaktních zářivek se mohou jevit jako lepší, protože se nemusí čistit od skla. Jenže je tu rozdíl, který není vidět na první pohled. Patice zářivek se podstatně méně zahřívají a mívají izolační segment vyrobený z plastu, ne ze skla. Plast zdánlivě izoluje, jenže pro naše účely má příliš velký svodový proud a proti němu je zvýšení proudu vlivem záření nepatrné.

Malá ionizační komora

Ještě menší komoru o průměru třeba jen 5 mm můžeme stočit a spájet z konzervového plechu nebo použijeme kousek mosazné trubičky. Elektrodu uprostřed přidrží „zátka“ z extrudovaného polystyrénu. Čím menší průměr komory, tím menší citlivost, pozadí ani naše slabé zářiče malá komora asi nezachytí, ale jako varování před nebezpečnou úrovní záření stále poslouží. Proti větší ionizační komoře má malá důležitou výhodu, dá se s ní jednoznačně určit i milimetrový zdroj záření, třeba žilka uraninitu v kameni.

Čtěte také: Česká republika a radiace

Analogový indikátor k malé komoře

Jednoduchý analogový indikátor k malé komoře může vypadat například tak, jak ukazuje následující schéma. Dva Darlingtonovy tranzistory dávají opravdu velké proudové zesílení, které by u větší komory bylo už spíše na závadu, LED se při určité úrovni záření rozsvítí. Je-li to možné, vyberte z více tranzistorů BC517 takový, který má co nejmenší svodový proud (IC při UBE=0 a UCE = 10 V), katalogové listy dovolují až 100 nA. Odpor označený hvězdičkou nastavuje mez pro rozsvícení LED, bez něj bude pravděpodobně LED svítit i bez záření.

Kvalita izolačního materiálu

Kvalita izolačního materiálu na průchodku elektrody do komory je velmi častým problémem a je klíčová pro funkci, čím menší komora je, tím je důležitější. Navíc je nutné, aby povrch izolantu byl zcela čistý, mastnota po sáhnutí rukou nebo zbytky solí jsou hygroskopické a vedou! Zapomeňte na to, jak běžně nahlížíte na vodiče a izolanty, bude nutné zkoušet.

Z našeho pohledu je podklad DPS vodič (laminát FR4 i jakékoli levné nekvalitní „lisované papíry“), vede většina plastů včetně barevných PVC, z nichž se dělá izolace na ohebné vodiče, vedou některé druhy skla (zejména ty barevné), jiné vyhoví. Příliš vodivé jsou i skleněné průchodky pro vf techniku. Keramika může vyhovět, pokud je glazovaná, otevřený porézní povrch saje vzdušnou vlhkost.

Ke zkoušení kvality izolantů lze použít předchozí zapojení, místo LED zapojíme μA metr. Změříme proud při uzemněné bázi NPN tranzistoru (je nenulový, vyvolaný svodem tranzistoru NPN). Po odpojení báze by se proud neměl výrazně změnit. Když na bázi nasadíme zkušební kousek izolantu drženého okem drátu připojeným přes ochranný odpor na plus napájení, proud by se při tloušťce izolace kolem 5 mm neměl příliš změnit.

Měření proudu ionizační komorou pomocí mikrokontroléru

Zatím jsme pro vyhodnocení proudu ionizační komorou vždy používali přímé zesílení a měření. Tento jednoduchý způsob doporučuji v době, kdy jde především o ověření funkce, o seznámení se s vlastnostmi materiálů a získání praxe ve stavbě komor.

Čtěte také: Klimatické stanice a radiace

Využijeme toho, že daný vývod mikrokontroléru může fungovat podle přepnutí programem jako výstup (v logickém stavu H nebo L) nebo jako digitální vstup, kdy má vysokou impedanci. Střední elektroda komory i s vodičem k vývodu obvodu má kapacitu v řádu jednotek pF. Když přepneme vývod na výstup a nastavíme na něm L, vybije se tato kapacita na napětí blízké nule. Pak přepneme vývod na vstup a čteme jeho stav, zpočátku je L, kapacita je vybitá. Vývod se nepatrným proudem způsobeným svodem a také zářením nabíjí, měříme čas do okamžiku, kdy se poprvé přečte hodnota H. Čím větší proud v komoře teče (čím větší je intenzita záření), tím je tento čas kratší. Jakmile se logická úroveň vstupu překlopí, můžeme opět přepnout na výstup a kapacitu vybít.

V nejjednodušší podobě může obsluha ionizační komory Arduinem UNO vypadat tak, jak ukazuje obrázek. Plášť komory je připojený na pin D8, ten je trvale na úrovni H. Pro vybíjení i nabíjení střední elektrody slouží pin 11. Kromě komory není potřeba žádná další součástka. Citlivost pochopitelně není nijak velká. Program měří dobu, za kterou přejde pin 11 do úrovně H a výsledek posílá rychlostí 115200 Bd do sériového monitoru v PC.

Lepších výsledků dosáhneme s větší komorou (průměr kolem 7 cm), když přímo na dno komory upevníme oddělovač/zesilovač s FET a ten stíníme připájeným kovovým krytem. Z krytu vedou čtyři vodiče. Program může být stejný.

Vlastnosti a možnosti ionizačních komor

Je na čase shrnout si vlastnosti a možnosti popsaných ionizačních komor. Konstrukce je jednoduchá a výroba levná, stačí materiál za několik korun a odpad. Nelze ale říct, že postavit dobře fungující a citlivý přístroj je úplně snadné. Vyžaduje to přinejmenším pečlivost a přemýšlet o práci.

Se změnou principu se mění i předmět měření, GM trubice registruje β a γ záření (odliší ho pomocí kovové clony před trubicí) a pokud nemá trubice slídové okénko, α neregistruje. Ukázali jsme si, že zejména komora vybavená záznamem může být dostatečně citlivá na to, aby při delším měření a následném vyhodnocení většího množství údajů prokázala aktivitu třeba korálků z uranového skla. Slabé zářiče vkládáme přímo dovnitř komory, kterou následně uzavřeme kovovým (stínícím) víčkem. Při konstrukci kriticky záleží na tom, aby izolanty měly opravdu minimální svod.

Čtěte také: Dobrodružství s albatrosy v knihách

Omezení

Na co naše komory určitě nebudou stačit? Třeba na sledování aktivity tropického ovoce, popela nebo strusky, tady se pohybujeme ve změnách, které odpovídají jen několika procentům (maximálně desítkám procent) přirozeného radiačního pozadí.

Pro ilustraci obrovského rozdílu intenzit si připomeňme „vydatnost“ námi používaných zářičů měřených stejnou GM trubicí ve stejném prostředí, zářič byl vždy na dotyk těsně u trubice. Přitom se tento zářič používal jen ke kalibraci citlivé GM trubice, pro kalibraci ionizační komory byl považován za nedostatečný. My komory používáme pro intenzity záření asi 100x menší, než se považovalo za přiměřené.

Vyzkoušet si a zvládnout výrobu malých ionizačních komor má kromě toho, že jde o zajímavé a levné pokusy, jeden potenciálně důležitý význam. Improvizované komory se dají postavit i s elektronikou za pár desítek minut z běžně dostupných dílů, dobře fungují při škodlivých úrovních záření, proud je lineárně úměrný intenzitě záření.

Dokonce by se mohla proti našim pokusům záměrně snížit citlivost komor, třeba místo Darlingtonu použít běžný tranzistor se zesílením 300 - 500 nebo k měření proudu citlivější ručkový přístroj.

tags: #intenzimetr #it #65 #princip #fungování

Oblíbené příspěvky:

• Komora obnovitelných zdrojů energie
• Co je ekologie?
• Členění klimatických oblastí ČR
• Údržba filtru pračky
• Efektivní nakládání s odpady v Plzni