ساخت شمارنده ی گایگر - مولر با لامپ نئون

.

.

این روزها سالگرد سوءقصد منجر به قتل یکی از دانشمندان شریف کشور ما توسط عوامل استعمار است. شهید مصطفی احمدی روشن، متولد 1358 در همدان، در زمان تحصیل در دانشگاه صنعتی شریف در سال 1380 در پروژه‌ی ساخت «غشاهای پلیمری برای جداسازی گازها»، که برای اولین بار در کشور اجرا می‌شد، همکاری داشت. علاقه‌ی او به دانش و انگیزه‌ی قوی او در به کارگیری علم در عمل سبب شده بود که او، در حالی که دانشجوی سال سوم بود، در فعالیت‌های علمی مرتبط با پروژه‌های ارشد و حتی دکترا مشارکت فعال داشته باشد. او و راننده‌اش، رضا قشقایی، در 21 دیماه 1390 با انفجار بمب مغناتیسی که به خودروی حامل وی چسبانده شد، به شهادت رسیدند.

این مقاله را به مصطفی و همه‌ی کوشندگان سرافرازی ایران تقدیم می‌کنم.

.

درباره‌ی لامپ‌های نئون

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

.

.

در مقایسه با لامپ‌های شمارنده‌ی گایگر- مولر، در لامپ‌های نئون جای آنچه که به نام «هالوژنِ خاموش‌کننده» خوانده می‌شود، خالی است. وظیفه‌ی هالوژن خاموش‌کننده این است که تخلیه‌های تابشی (Glow Discharge) ناشی از پرتوهای بتا و گاما را، که در یون‌های گازیِ پدیدار می‌شوند، مصرف کرده و به سرعت متوقف کند (اثر مولر). در واقع، یون‌های گازی که در فضای داخلی حباب لامپ پیدا شده‌اند، می بایستی خود به خود زایل شوند، به این ترتیب که یون‌های مثبت به سوی کاتود و یون‌های منفی به سمت آنود پرواز کنند و در آن جاها خنثی شوند. این امر، اما، در لامپ‌های نئون به آن سرعتی که در یک لامپ گایگر- مولر انجام می‌شود، صورت نمی‌پذیرد. به این علت لامپ‌های نئون دارای یک «زمان انسداد» درازتر هستند و اگر در برابر پرتوی قوی رادیواکتیو قرار گیرند، پرتوهایی که نرخ‌های شمارش بالایی داشته باشند، در این حالت در آن‌ها تریگ‌شدن‌های مکرر پیش خواهد آمد و یا یک تخلیه‌ی ماندگار پدید می‌آید که طبعاً برای هدف ما که شمارش ذرات رادیواکتیو است، مطلوب نمی‌باشد و آن را مختل می‌کند.

.

مدار شمارنده با لامپ نئون

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

این دستگاه مستقیماً به برق 220 ولت شبکه‌ی شهری وصل است. برق شهری 220 ولت در تمام قسمت‌های این دستگاه وجود دارد. ولتاژ موجود در این دستگاه برای انسان و دیگر جانداران مرگ‌آور است! من به شما اکیداً توصیه می‌کنم 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 نمی‌شناسد و فاقد تخصص و تجربه و مهارت لازم و کافی در کار عملی با ولتاژ بالا و عایق‌سازی آن است، به شدت خطرناک است و می‌تواند قطعاً به آسیب‌ها و صدمات جبران‌ناپذیر و غیرقابل‌بازگشت جسمی و حتی مرگ بیانجامد.

.

برای ساختن مداری با لامپ نئون که در برابر پرتوی ضعیف رادیواکتیو حساسیت زیادی داشته باشد، باید به تقویت‌کننده‌ای با مقاومت ورودی بالا توجه داشت، تا از این طریق پالس‌های جریانی، ضعیف بمانند و در لامپ یون‌های زیادی ساخته نشود و تجمّع آن‌ها سبب اختلال در کار شمارش ذرات یونیزه‌کننده نشود.

.

.

مداری که در این‌جا معرفی می‌شود، اثبات کرده که برای امتحان لامپ‌های نئون مختلف بسیار خوب و مناسب است. در این مدار، لامپ نئون توسط برق 220 ولت شهر به کار انداخته می‌شود. توسط مجموعه‌ی D1/C1 ولتاژ مستقیمی، که 50 هرتز روی آن سوار است، تولید می‌شود. این ولتاژ، به عنوان ولتاژ آنود، از طریق مقاومت خیلی بزرگ 50 مگااهمی R2 به لامپ اِعمال می شود. با پتانسیومتر P1 دامنه‌ی این ولتاژ با دقت بسیار زیاد تا نقطه‌ای درست کمی پایین‌تر از مقداری که لامپ را روشن می‌کند، تنظیم می‌گردد. تخلیه‌های تابشی که بر اثر حضور ذرات رادیواکتیو در لامپ به صورت پالس‌های جریانی به وجود می‌آیند، توسط خازن C2 شکل داده می‌شوند. مقدار ظرفیت بهینه‌ی 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 پالس‌های جریانیِ ضعیف لامپ نئون ایجاد می‌کند. با یک باتری 9 ولتی صدای «کلیک»ی که یک «بیزر» یا یک بلندگوی کوچک با هر با شمارش تولید خواهد کرد، به اندازه‌ی کافی بلند خواهد بود که به خوبی شنیده شود. همزمان، یک ال.ای.دی. هم به روشنی چشمک می‌زند. برای نمایش شدت پرتوی رادیواکتیو یا آنچه که به آن «دوزِ توان» (Power Dose) می‌گویند، می‌توان یک «عقربه با سیم‌پیچ چرخان» به نقطه‌ی مشترک کلکتورهای دو ترانزیستور وصل کرد. برای شمارش پالس‌ها هم می‌توان یک شمارنده‌ی الکترونیکی را به همین نقطه کوپل کرد. مدار دارلینگتون تنها طی زمانِ حضورِ پالس تخلیه، به صورت لحظه‌ای و برای مدتی بسیار کوتاه، جریان مصرف می‌کند. بنابراین، توان باتری بسیار صرفه‌جویانه مصرف خواهد شد و باتری مدت زیاد در مدار دوامِ کاری خواهد داشت.

.

تنظیم دستگاه

به وسیله‌ی R4 و به کمک یک چشمه‌ی پرتوی رادیواکتیو با شدت انتشار معلوم، می‌توان این مدار را کالیبره کرد. همین کار را می‌توان با اندازه‌گیری مقایسه‌ای به مدد یک شمارنده‌ی گایگر کالیبره شده، انجام داد. اما، ما از چه ماده‌ی رادیواکتیوی می‌توانیم برای آزمایش‌های خود استفاده کنیم؟ یکی از بهترین منبع‌های رادیواکتیو، صفحه و عقربه‌های ساعت‌های شماطه‌دار یا ساعت‌های خلبانی قدیمی است. روی این ساعت‌های «شب نما» مقداری عنصر رادیواکتیو «رادیوم» کار شده است. (همین مواد هستند که نقطه‌ها و عقربه‌های ساعت را در تاریکی شب "روشن" و «شب نما» می‌کنند.) همچنین می‌توان یک پاره‌ی کوچک سنگ معدنی اورانیوم را به کار گرفت. کانی طبیعی اورانیوم منبع بسیار خوبی برای همه‌ی انواع پرتوهای آلفا، بتا و گاما است. در ایران عزیز ما هم که: ... خاک دشت اش دُرّ و گوهر است... می‌توان تکه‌هایی از چنین کانی‌هایی به دست آورد.

ولتاژ آنود، همان طور که پیش از این هم گفته شد، به کمک پتانسیومتر P1 تا کمی پایین‌تر از نقطه‌ی روشن شدن لامپ تنظیم می‌گردد. در این حالت، گاه به گاه صدای یک «کلیک» از مولد سیگنال صوتی شنیده خواهد شد. این حالت را «اثر صفر» می‌خوانند و حاکی از وجود مقدار اندکی رادیواکتیو طبیعی و «پرتوهای کیهانی» در پیرامون دستگاه است. حالا با نگه‌داشتن صفحه و عقربه‌های رادیوم‌دارِ شب‌نما 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 او در فغان و در غوغاست."

.

انتخاب لامپ

بهترین لامپ های نئون به عنوان لامپ شمارنده‌ی گایگر کدام هستند؟ آن‌هایی که اصلاً و ابداً مناسب نیستند، لامپ‌های تثبیت‌کننده‌ی ولتاژ (لامپ‌های استابیلیزاتور) و لامپ‌های رله می‌باشند، چرا که بر دیواره‌ی داخلی آن‌ها لایه‌ی نازکی از مواد رادیواکتیو کشیده شده است. این مواد در داخل حباب لامپ و از فاصله‌ی بسیار نزدیک به طور دایمی پرتوی رادیواکتیو ضعیفی به آن می‌دهند که به آن «پیش‌یونیزاسیون» (Pre-Ionization) گفته می‌شود و سبب یونیزه‌شدن گاز داخل لامپ به عنوان «تریگ کمکی» می‌شود. این لامپ‌ها با دریافت ولتاژ آنود فوراً تریگ می‌شوند و دیگر به نزدیک‌شدن یک ماده‌ی رادیواکتیو از بیرون هیچ واکنشی نشان نمی‌دهند. عجیب این که در «داده‌برگ»‌های این افزاره‌ها کوچک‌ترین اشاره‌ای به این موضوع نشده است و در نتیجه، شخصاً باید با آزمایش و تجربه وجود چنین پرده‌ای در داخل لامپ‌های مختلف نئون را مورد بررسی قرار داد. نویسنده در حین آزمایش‌های خود دریافته است که، علاوه بر برخی لامپ‌های تثبیت‌کننده‌ی ولتاژ مانند STV150/50، چراغ سیگنال‌های نئونی با سرپیچ‌های E10 و E14 مانند لامپ اُسرام مدل210-220V  75370 که در سال‌های دهه‌ی چهل و اوایل دهه‌ی 1950 نیز تولید می‌شده‌اند، در عمل حساسیت بسیار بالایی به پرتوهای بتا و گاما از خود نشان می‌دهند. این لامپ‌ها دارای الکترودهایی به شکل یک صفحه یا سیم آهنی ساده و بدون لایه‌ی سبز رنگ عایق‌کننده در پشت‌شان بودند و در محتوای گازی خود فاقد مواد رادیواکتیو، اما دربردارنده‌ی چند قطره‌ی کوچک جیوه بودند. به همین دلیل، ولتاژ روشن شدن آنها به 150 ولت می‌رسید که بسیار بالاتر از ولتاژ کار یک لامپ نئون خالص است. مقاومت محدودکننده‌ی این لامپ‌ها درون سرپیچ‌شان کار شده و در برخی موارد نیازی به خارج کردن آنها نیست. این لامپ‌ها از روی رنگ نورشان قابل تشخیص هستند. وجود بخار جیوه در داخل حباب باعث می‌شود که در کنار نور قرمز رنگ نئون، نور آبی رنگی نیز تولید شود. به نظر می‌رسد که این مقدار اندک بخار جیوه از ایزوتوپ‌هایی که جرم اتمی بالاتر یعنی 200/59  را دارند، سرچشمه بگیرند که بیش‌ترین حساسیت و پاسخگویی را نسبت به پرتوهای رادیواکتیو از خود نشان می‌دهند. در صورت تماشای نور این لامپ‌های نئون از پشت یک شیشه‌ی فیلتر سبز یا یک طیف‌سنج دستی (اسپکترومتر)، طیف رنگی مشخصه‌ی بخار جیوه، به ویژه به صورت نورهای سبز، آبی و بنفش به چشم خواهد خورد.

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

بسیاری از لامپ‌های نئون به نور مریی و پرتوهای فرابنفش نیز واکنش نشان می‌دهند (در این خصوص نوشتار جداگانه‌ای خواهیم داشت) و به این دلیل بایستی آن‌ها را پیش از آزمایش با کاغذ مشکی یا فویل پلاستیکی تیره بپوشانیم.

حال که به این داده‌ها در مورد لامپ‌های نئون مجهز شدیم، وقت آن است که دستگاه شمارنده‌ی گایگر دست‌ساز خود را آماده‌ی کار کنیم. نخستین گام، جستجوی منابع رادیواکتیو در پیرامون‌مان است (عقربه‌های شب‌نمای ساعت‌های قدیمی، کانی‌های مختلف، اشعه ایکس...). موادی وجود دارند که فقط پرتوهای بتا منتشر می‌کنند، برخی دیگر تنها دارای تابش گاما هستند، و باز هم مواد دیگری هستند که چند نوع تابش را همزمان منتشر می‌کنند. تشخیص تفاوت میان این مواد به سادگی امکان‌پذیر است و برای آن تنها به یک ورقه ی آلومینیوم به ضخامت 4 میلی‌متر و یا ورق پلکسی‌گلاس به قطر 5 تا 6 میلی‌متر نیاز خواهیم داشت. این ورقه‌ها را باید بین لامپ نئون و چشمه‌ی رادیواکتیو قرار داد. این ورقه‌ها تمامی پرتوهای بتا را به خود جذب می‌کنند.

.

.

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 ||   2019-01-11 © 

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.