پرتوسنجی با فتودیود

.

.

هنگامی که از سنجش رادیواکتیو سخن به میان می آید، پیش از هر چیز ذهن ها به یاد «شمارنده های گایگر- مولر» می افتند. اما لامپ های شمارنده، که در این نوع شمارنده ها به کار می روند، به ندرت و به سختی یافت می شوند و گران هم هستند. تازه وقتی یکی از آنها را پیدا کنیم، با ولتاژ کاریِ 100 ولتی آنها روبرو خواهیم بود که برای تامین آن باید منبع تغذیه ی نه چندان ساده ای نیز ساخت.  به تجربه، اما، ثابت شده است که برخی افزاره های نیمه هادی می توانند، به جز نور معمولی، برای اندازه گیری پرتوهای رادیواکتیو و اشعه ی مجهول (رونتگن یا ایکس) نیز به کار گرفته شوند. یکی از برتری های این افزاره ها، سطح حساس بسیار کوچک آنها است که اجازه می دهد علایم حاصل از نمونه های کوچک مواد رادیواکتیو از انبوه سیگنال های زمینه ای تمیز داده شوند، کاری که با یک لامپ شمارنده ی گایگر- مولر امکان پذیر نیست.

از جمله ی این افزاره های حساس به رادیواکتیو، فتودیود ارزن قیمتی به شماره ی BPW34 است. کار کردن با افزاره ای که قیمت جهانی آن زیر یک یورو باشد و از عهده ی چنین وظیفه ای برآید، بسیار لذت بخش است. به همین خاطر تصمیم گرفتم این موضوع را خودم امتحان کنم.

.

.

عکس بالا اولین نمونه ای را که توانستم به کار بیاندازم نشان می دهد. روی فتودیود به کمک نوار چسب یک تکه ی کوچک کانی رادیواکتیو (اورانیت) را ثابت کرده ام. سیگنال ها بسیار ضعیف هستند، بنابراین مجبور بودم آنها را به کمک یک مدار تقویت کننده به حد بهینه ای برسانم. به علاوه، لازم بود که مدار از حفاظت الکترومغناتیسی (شیلدینگ) بسیار خوبی هم برخوردار باشد. همچنین، کل این مجموعه می بایستی در تاریکی مطلق قرار داشته باشد. پس از این است که می توان با برخورد هر ذره ی رادیواکتیو، شاهد یک ضربان الکتریکی روی پرده ی اسیلوسکوپ بود. در همین مونتاژ هم می شد گذر اشعه را از زرورق آلومینیومی امتحان کرد.

.

.

میزان تقویت در این تقویت کننده برای تشخیص پالس هایی با مقدار قله ای (پیک) حدود 100 میلی ولت بس است. مدار را می توان روی سمت مس دار یک تکه ی کوچک فیبر پرسوراخ مونتاژ کرد. تنها افزاره ای که «روی» این فیبر نصب می شود، خود فتودیود است.

.

.

مقاله ی مشابهی در خصوص کاربرد فتودیود مورد بحث در آشکارسازی پرتوهای رادیواکتیو در شماره ی ششم مجله ی الکتور سال 2011 نیز انتشار یافته بود و پرسش های برخی از خوانندگان را که میان تصویر و شماتیک مدار تفاوت هایی را کشف کرده بودند، برانگیخته بود. آن تصویر، نوعی کوپلاژ مقاومت- خازن را با مقاومت ورودی پایین تر نشان می داد. من، اما، پس از اولین تست، همان کوپلاژ مستقیم فتودیود و مقاومت ورودی بزرگ تر را برگزیدم، زیرا با آن می شد به کارکردی با خطای کمتر دست پیدا کرد. در مدار انتشار یافته در الکتور، ترانزیستورهای به کار گرفته شده از نوع «کم نویز» BC549 هستند.

.

.

یک نکته ی دیگر در خصوص کنترل عملکرد: من در خروجی، یا به عبارت دیگر روی کلکتورهای دو ترانزیستور ولتاژی در حدود 6 ولت اندازه گیری کردم. این نشان می دهد که «نقطه کار» درست انتخاب شده و همه چیز به خوبی کار می کند. اما نباید انتظار داشت که از  اینجا یک سیگنال صوتیِ قابل استفاده ای بیرون بیاید. پالس ها بسیار کوتاه هستند و حتی با اسیلوسکوپ هم به زحمت دیده می شوند. به این علت یک مدار مقایسه کننده به قسمت تقویت کننده اضافه شده است. آن را در ادامه ی همین مقاله خواهید دید. مداری هم توسط یکی از خوانندگان پیشنهاد شده که مستقیم با سه ترانزیستور ساخته می شود. مدارهای دیگری هم هستند که با تقویت کننده ی عملیاتی ساخته شده اند، اما در مورد آنها در مقاله ی جداگانه ای صحبت خواهیم کرد.

پس از ساختن مدار، باید آن را عایق بندی و ایزوله کنیم و سپس آن را در یک زرورق آلومینیومی بپیچیم. این فویل را به زمین مدار وصل خواهیم کرد تا دستگاه ما را از هر نوع نویز و اختلال الکتریکی حفظ کند. در سمت چپ تصویر زیر ردّ سطح چهارگوش فتودیود از زیر آلومینیوم قابل تشخیص است. نمونه ی ماده ی رادیواکتیو به این قسمت نزدیک می شود.

.

.

فیلم زیر عملکرد مدار را در برابر یک چشمه ی رادیواکتیو نشان می دهد:

.

چگونگی عملکرد مدار پرتوسنج در حضور چشمه ی رادیواکتیو

.

ترجمه ی گفتار روی فیلم با حک و اصلاح:

سنجش رادیواکتیویته به وسیله ی یک فتودیود. یک فتودیود از نوع BPW34 همراه با یک «پیش تقویت کننده»ی دو ترانزیستوری مونتاژ شده که می بایستی نسبت به نور پیرامونی و پرتوهای الکترومغناتیسی ایزوله می شد و به همین خاطر در لایه هایی از نوار چسب برق و زرورق آلومینیوم پیچیده شد. همچنین پایانه هایی به مدار لحیم شدند که سیگنال خروجی آن را از طریق سیم هایی به یک تقویت کننده برسانند تا بتوان علایم را به شکل ضربه های صوتی شنید. این مجموعه با 9 ولت تغذیه می شود. آزمایش را با یک «ساعتِ رادیواکتیو» انجام می دهیم. رنگ شب نمای روی صفحه و عقربه های ساعت در بر دارنده ی عنصر رادیواکتیو «رادیوم» است (دقیقه 0:47 صدای تیک تیک ناشی از تاثیر ذرات اتمی بر فتودیود). پرتوهای آلفا از زرورق آلومینیوم عبور کرده و به فتودیود می رسند. با زیاد شدن فاصله ی ساعت از مدار، دیگر چیزی برای اندازه گیری باقی نمی ماند. نمونه ی دوم چشمه ی رادیواکتیو که در قوطی فیلم قرار دارد، کانی اکسید اورانیوم به نام اورانیت می باشد.

.

با استفاده از نرم افزار رایگانی که دانشکده ی فیزیک دانشگاه سیدنی برای شمارش و تجزیه و تحلیل پالس در اختیار همگان قرار داده شده، توانستیم خروجی مدار را به تصویر بکشیم. سیگنال خروجی مدار روی پرده ی اسیلوسکوپ، در غیاب چشمه ی رادیواکتیو، چنین به نظر خواهد رسید که در نمودار سمت چپ در تصویر زیر دیده می شود: یک نویزِ زمینه ای تقریباً یکنواخت، بدون هیچ پالس قابل اعتنایی.

این تصویر با تصویر دیگری که در حضور یک ماده ی رادیواکتیو بر پرده نقش خواهد بست، به کلی متفاوت است (نمودار سمت راست). در این حالت ایمپالس های مثبتی دیده می شوند که حتی انرژی یک دریافت منفرد را هم نشان می دهند. گذرهای منفی کوتاه در زیر خط نویزِ زمینه ای، به سادگی خطای مدار تقویت کننده هستند و از آنجا سرچشمه می گیرند. روشن است که می توان بیش تر روی مدار تقویت کننده کار کرد و در روش های ارزیابی سیگنال ها نیز امکان توسعه و بهبودهایی وجود دارد.

.

.

در فیلم زیر پالس های خروجی از مدار مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته اند:

.

فیلمی از تجزیه و تحلیل پالس های خروجی مدار پرتوسنج یا آشکارساز رادیواکتیو

.

ترجمه ی گفتار روی فیلم:

در اینجا سنجشی با یک قطعه سنگ «اورانیت» که مستقیم روی سنسور قرار دارد، در حال انجام است. سنسور همان فتودیود BPW34 است و پرتوها فقط بایستی از یک زرورق نازک آلومینیومی گذر کنند. فعالیت نسبتاً بزرگ و گاهی ضربه های بلندی، مثلاً با دامنه ی 150 میلی ولت، در خروجی تقویت کننده به چشم می خورد. مثلاً این یکی نزدیک به 200 میلی ولت است (دقیقه 0:34). به نظر می رسد که احتمالاً پالس های خیلی بلند با پرتوهای آلفا در ارتباط باشند، کوچک ترها پرتوهای بتا و پالس های خیلی کم دامنه حتی پرتوهای گاما باشند. حالا می خواهم یک عایق (شیلد) در مسیر قرار دهم و برای این کار یک قطعه فیبر مدار چاپی کار نشده با ضخامت فیبر 1/5 میلی متر و لایه ی مسی کامل را به کار می گیرم. حالا این فیبر را بین ماده ی رادیواکتیو و سنسور می گیرم و آزمایش را از نو آغاز می کنم (دقیقه 1:29). هنوز هم پالس هایی می رسند. طیف انرژی مشابه پیش است اما پالس های بزرگ حضور ندارند. به احتمال زیاد این پالس ها با دامنه ی بین 50 تا 100 میلی ولت مربوط به پرتوهای بتا باشند (دقیقه 1:54). آنچه که به خوبی می توان دید، اینکه هر پالسی به سمت بالا می رود و با پایین آمدن تا حدودی به زیر خط مبنا امتداد می یابد که این پدیده به عملکرد تقویت کننده ارتباط پیدا می کند، و چون پالس های متقارن نیستند، نمی توان سرچشمه ی آنها را منابع ایجاد اختلال دیگری فرض کرد. به این جهت این ها سیگنال های واقعی (از چشمه ی رادیواکتیو) هستند.

.

ادامه دارد...

.

.

مطالب مرتبط:

معرفی یک نرم افزار سودمند، آزاد و رایگان

ساخت شمارنده ی گایگر - مولر با لامپ نئون

آشنایی با ساز و کار درونی یک لامپ مگنترون با کاتود فعال شده با «توریوم»

.

.

www. etesalkootah.ir ||   2017-03-09 © 

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.

.