ساخت شمارنده ی گایگر- مولر با لامپ نئون

.

.

این روزها سالگرد سوءقصد منجر به قتل یکی از دانشمندان کشور ما است. شهید مصطفی احمدی روشن، متولد 1358 در زمان تحصیل در دانشگاه صنعتی شریف در سال 1380 در پروژه ی ساخت «غشاهای پلیمری برای جداسازی گازها»، که برای اولین بار در کشور اجرا می شد، همکاری داشت. علاقه ی او به دانش و انگیزه ی قوی او در به کارگیری علم در عمل سبب شده بود که وی، در حالی که دانشجوی سال سوم بود، در فعالیت های علمی مرتبط با پروژه های ارشد و حتی دکترا مشارکت فعال داشته باشد. او در 21 دی 1390 به شهادت رسید. این مقاله را به مصطفی و همه ی کوشندگان سرافرازی ایران پیشکش می کنم.

.

درباره ی لامپ های نئون

نویسنده ی این مقاله تعداد پرشماری از «چراغ سیگنال»های نئون گوناگون، لامپ های نئون تثبیت کننده ی ولتاژ، لامپ های رله، لامپ های نیکسی (Nixie)، لامپ های نمایش تنظیم ایستگاه رادیوهای لامپی قدیمی (Magic Eye)، و همچنین یکسوسازهای گازی و لامپ های «تایراترون» را در یک مدار آزمایشگاهی، که در این مقاله معرفی می شود، مورد بررسی و مطالعه قرار داده است.

.

.

در مقایسه با لامپ های شمارنده ی گایگر- مولر، در لامپ های نئون جای آنچه که به نام «هالوژنِ خاموش کننده» خوانده می شود، خالی است. وظیفه ی هالوژن خاموش کننده این است که تخلیه های تابشی (Glow Discharge) ناشی از پرتوهای بتا و گاما را، که در یون های گازیِ پدیدار می شوند، مصرف کرده و به سرعت متوقف کند (اثر مولر). در واقع، یون های گازی که در فضای داخلی حباب لامپ پیدا شده اند، می بایستی خود به خود زایل شوند، به این ترتیب که یون های مثبت به سوی کاتود و یون های منفی به سمت آنود پرواز کنند و در آن جاها خنثی شوند. این امر، اما، در لامپ های نئون به آن سرعتی که در یک لامپ گایگر- مولر انجام می شود، صورت نمی پذیرد. به این علت لامپ های نئون دارای یک «زمان انسداد» درازتر هستند و اگر در برابر پرتوی قوی رادیواکتیو قرار گیرند، پرتوهایی که نرخ های شمارش بالایی داشته باشند، در این حالت در آنها تریگ شدن های مکرر پیش خواهد آمد و یا یک تخلیه ی ماندگار پدید می آید که طبعاً برای هدف ما که شمارش ذرات رادیواکتیو است، مطلوب نمی باشد و آن را مختل می کند.

.

مدار شمارنده با لامپ نئون

پیش از این که وارد جزییات مدار شویم، لازم است اخطار کنم:

این دستگاه مستقیماً به برق 220 ولت شبکه ی شهری وصل است. برق شهری 220 ولت در تمام قسمت های این دستگاه وجود دارد. این ولتاژ برای انسان و دیگر جانداران مرگ آور است! من به شما اکیداً توصیه می کنم که این دستگاه را نسازید. اما اگر آن را با مسوولیت خودتان ساختید، باید بدانید و آگاه باشید که این وسیله برای فردی که اصول ایمنی و حفاظتی کار با ولتاژهای بالا را نمی شناسد و فاقد تخصص و تجربه و مهارت لازم و کافی در کار عملی با ولتاژ بالا و عایق سازی آن است، به شدت خطرناک است و می تواند به آسیب ها و صدمات جبران ناپذیر و غیرقابل بازگشت جسمی و حتی مرگ بیانجامد.

برای ساختن مداری با لامپ نئون که در برابر پرتوی ضعیف رادیواکتیو حساسیت زیادی داشته باشد، باید به تقویت کننده ای با مقاومت ورودی بالا توجه داشت، تا از این طریق پالس های جریانی درون لامپ نئون ضعیف بمانند و در آن یون های زیادی ساخته نشوند و تجمّع آنها سبب اختلال در کار شمارش ذرات یونیزه کننده نشود.

.

.

مداری که در اینجا معرفی می شود، اثبات کرده که برای امتحان لامپ های نئون مختلف بسیار خوب و مناسب است. در این مدار، لامپ نئون توسط برق 220 ولت شهر به کار انداخته می شود. توسط مجموعه ی D1/C1 ولتاژ مستقیمی که 50 هرتز روی آن سوار است، تولید می شود. این ولتاژ، به عنوان ولتاژ آنود، از طریق مقاومت خیلی بزرگ 50 مگااهمی R2 به لامپ اِعمال می شود. با پتانسیومتر P1 دامنه ی این ولتاژ با دقت بسیار زیاد تا نقطه ای درست کمی پایین تر از مقداری که لامپ را روشن می کند، تنظیم می گردد. تخلیه های تابشی که بر اثر حضور ذرات رادیواکتیو در لامپ به صورت پالس های جریانی به وجود می آیند، توسط خازن C2 شکل داده می شوند. مقدار ظرفیت بهینه ی این خازن باید برای هر نوع و مدل لامپ نئون با آزمایش و امتحان به دست آورده شود. برای لامپی که در زیر معرفی شده، مقدار 470 پیکوفاراد مناسب بود. مدار «دارلینگتون» شامل ترانزیستورهای T1/T2 تقویت جریان بسیار زیادی برای پالس های جریانیِ ضعیف لامپ نئون ایجاد می کند. با یک باتری 9 ولتی صدای «کلیک»ی که یک «بیزر» یا یک بلندگوی کوچک با هر با شمارش تولید خواهد کرد، به اندازه ی کافی بلند خواهد بود که به خوبی شنیده شود. همزمان، یک ال.ای.دی. هم به روشنی چشمک می زند. برای نمایش شدت پرتوی رادیواکتیو یا آنچه که به آن «دوزِ توان» (Power Dose) می گویند، می توان یک عقربه با سیم پیچ چرخان به نقطه ی مشترک کلکتورهای دو ترانزیستور وصل کرد. برای شمارش پالس ها هم می توان یک شمارنده ی الکترونیکی را به همین نقطه کوپل کرد. مدار دارلینگتون تنها طی زمانِ حضورِ پالس تخلیه، به صورت لحظه ای و برای مدتی بسیار کوتاه، جریان مصرف می کند. بنابراین، توان باتری بسیار صرفه جویانه مصرف خواهد شد و باتری مدت زیاد در مدار دوامِ کاری خواهد داشت.

.

تنظیم دستگاه

به وسیله ی R4 و به کمک یک چشمه ی پرتوی رادیواکتیو با شدت انتشار معلوم، می توان این مدار را کالیبره کرد. همین کار را می توان با اندازه گیری مقایسه ای به مدد یک شمارنده ی گایگر کالیبره شده، انجام داد. اما، ما از چه ماده ی رادیواکتیوی می توانیم برای آزمایش های خود استفاده کنیم؟ یکی از بهترین منبع های رادیواکتیو، صفحه و عقربه های ساعت های شماطه دار یا ساعت های خلبانی قدیمی است. روی این ساعت های «شب نما» مقداری عنصر رادیواکتیو «رادیوم» کار شده است. (همین مواد هستند که نقطه ها و عقربه های ساعت را در تاریکی شب "روشن" و «شب نما» می کنند.) همچنین می توان یک پاره ی کوچک سنگ معدنی اورانیوم را به کار گرفت. کانی طبیعی اورانیوم منبع بسیار خوبی برای همه ی انواع پرتوهای آلفا، بتا و گاما است. در ایران عزیز ما هم که: ... خاک دشت اش دُرّ و گوهر است... می توان تکه هایی از چنین کانی هایی به دست آورد.

ولتاژ آنود، همان طور که پیش از این هم گفته شد، به کمک پتانسیومتر P1 تا کمی پایین تر از نقطه ی روشن شدن لامپ تنظیم می گردد. در این حالت، گاه به گاه صدای یک «کلیک» از مولد سیگنال صوتی شنیده خواهد شد. این حالت را «اثر صفر» می خوانند و حاکی از وجود مقدار اندکی رادیواکتیو طبیعی و «پرتوهای کیهانی» در پیرامون دستگاه است. حالا با نگه داشتن صفحه و عقربه های رادیوم دارِ شب نما و یا کانی اورانیوم در نزدیکی لامپ نئون، غوغای درون این مواد بیجان از بلندگوی دستگاه شنیده خواهد شد. به قول شاعر: "در اندرون من خسته دل ندانم چیست، که من خموشم و او در فغان و در غوغاست."

.

انتخاب لامپ

بهترین لامپ های نئون به عنوان لامپ شمارنده ی گایگر کدام هستند؟ آنهایی که اصلاً و ابداً مناسب نیستند، لامپ های تثبیت کننده ی ولتاژ (لامپ های استابیلیزاتور) و لامپ های رله می باشند، چرا که بر دیواره ی داخلی آنها لایه ی نازکی از مواد رادیواکتیو کشیده شده است. این مواد در داخل حباب لامپ و از فاصله ی بسیار نزدیک به طور دایمی پرتوی رادیواکتیو ضعیفی به آن می دهند که به آن «پیش یونیزاسیون» (Pre-Ionisation) گفته می شود و سبب یونیزه شدن گاز داخل لامپ به عنوان «تریگ کمکی» می شود. این لامپ ها با دریافت ولتاژ آنود فوراً تریگ می شوند و دیگر به نزدیک شدن یک ماده ی رادیواکتیو از بیرون هیچ واکنشی نشان نمی دهند. عجیب این که در «داده برگ» های این افزاره ها کوچک ترین اشاره ای به این موضوع نشده است و در نتیجه، شخصاً باید با آزمایش و تجربه وجود چنین پرده ای در داخل لامپ های مختلف نئون را مورد بررسی قرار دهد. نویسنده در حین آزمایش های خود دریافته است که، علاوه بر برخی لامپ های تثبیت کننده ی ولتاژ مانند STV150/50، چراغ سیگنال های نئونی با سرپیچ های E10 و E14 مانند لامپ اُسرام مدل 210-220V  75370 که در سال های دهه ی چهل و اوایل دهه ی 1950 نیز تولید می شده اند، در عمل حساسیت بسیار بالایی به پرتوهای بتا و گاما از خود نشان می دهند. این لامپ ها دارای الکترودهایی به شکل یک صفحه یا سیم آهنی ساده و بدون لایه ی سبز رنگ عایق کننده در پشت شان بودند و در محتوای گازی خود فاقد مواد رادیواکتیو، اما در بر دارنده ی چند قطره ی کوچک جیوه بودند. به همین دلیل، ولتاژ روشن شدن آنها به 150 ولت می رسید که بسیار بالاتر از ولتاژ کار یک لامپ نئون خالص است. مقاومت محدودکننده ی این لامپ ها درون سرپیچ شان کار شده و در برخی موارد نیازی به خارج کردن آنها نیست. این لامپ ها از روی رنگ نورشان قابل تشخیص هستند. وجود بخار جیوه در داخل حباب باعث می شود که در کنار نور قرمز رنگ نئون، نور آبی رنگی نیز تولید شود. به نظر می رسد که این مقدار اندک بخار جیوه از ایزوتوپ هایی که جرم اتمی بالاتر یعنی 200/59  را دارند، سرچشمه بگیرند که بیش ترین حساسیت و پاسخگویی را نسبت به پرتوهای رادیواکتیو از خود نشان می دهند. در صورت تماشای نور این لامپ های نئون از پشت یک شیشه ی فیلتر سبز یا یک طیف سنج دستی (اسپکترومتر)، طیف رنگی مشخصه ی بخار جیوه، به ویژه به صورت نورهای سبز، آبی و بنفش به چشم خواهد خورد.

یک آزمایش بسیار ساده ی دیگر هم وجود دارد تا از طریق آن این نوع لامپ های نئون را از میان تعداد زیادی انواع مختلف دیگر تشخیص داد: لامپ را در کنار یک لیوان آب درون یک اجاق مایکروویو می گذارند. سپس اجاق را به مدت چند ثانیه روشن می کنند: لامپ های حاوی جیوه فوراً به رنگ آبی کمرنگ روشن می شوند، لامپ های بدون جیوه یا روشن نمی شوند و یا فقط به خاطر گاز نئون به رنگ قرمز روشن خواهند شد. لیوان آب مقداری از انرژی مایکروویو را جذب می کند و احتمال تخریب لامپ را پایین می آورد. علاوه بر این ها، شکی نیست که برای بدست آوردن بهترین اثر گایگر، ویژگی های دیگری هم دخیل هستند، مانند نسبت اختلاط گازها یا فشار گاز و علت وجودی دستگاه آزمایشگر ما همین تست لامپ های مختلف است.

بسیاری از لامپ های نئون به نور مریی و پرتوهای فرابنفش نیز واکنش نشان می دهند (در این خصوص نوشتار جداگانه ای خواهیم داشت) و به این دلیل بایستی آنها را پیش از آزمایش با کاغذ مشکی یا فویل پلاستیکی تیره بپوشانیم.

حال که به این داده ها در مورد لامپ های نئون مجهز شدیم، وقت آن است که دستگاه شمارنده ی گایگر دست ساز خود را آماده ی کار کنیم. نخستین گام، جستجوی منابع رادیواکتیو در پیرامون مان است (عقربه های ساعت های قدیمی، کانی های مختلف، اشعه ایکس...). موادی وجود دارند که فقط پرتوهای بتا منتشر می کنند، برخی دیگر تنها دارای تابش گاما هستند، و باز هم مواد دیگری هستند که چند نوع تابش را همزمان منتشر می کنند. تشخیص تفاوت میان این مواد به سادگی امکان پذیر است و برای آن تنها به یک ورقه ی آلومینیوم به ضخامت 4 میلی متر و یا ورق «پلکسی گلاس» به قطر 5 تا 6 میلی متر نیاز خواهیم داشت. این ورقه ها را باید بین لامپ نئون و چشمه ی رادیواکتیو قرار داد. این ورقه ها تمامی پرتوهای بتا را به خود جذب می کنند.

.

.

منابع:

مجله الکتور

انجمن الکترونیکی آلمانی «میکروکنترلر»

و جاهای دیگر

.

.

مطالب مرتبط:

پرتوسنجی با فتودیود

معرفی یک نرم افزار سودمند، آزاد و رایگان

.

.

www.etesalkootah.ir ||   2017-01-11 © 

2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح "اتصال کوتاه دات آی آر" بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل "کلیک" به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح "www.etesalkootah.ir" بعنوان منبع مجاز است.