W ofercie naszego sklepu posiadamy dużą ilość bardzo dobrej jakości fotopowielaczy renomowanych firm Hamamatsu i Philips, jednak by można było je zastosować jako detektory wszelkiego rodzaju promieniowania jonizującego potrzebny jest scyntylator, a ten element niestety nie należy do najtańszych. Dlatego po długich poszukiwaniach znaleźliśmy w USA sprzedawce oferującego używane scyntylatory platikowe BICRON BC-418. Paczka już dotarła i na szybko wykonaliśmy pierwszy test, który pokrótce Państwu przedstawimy.

Zanim zaczniecie Państwo czytać ten artykuł, zachęcam do zapoznania się najpierw z innym opracowaniem w naszym Portalu w którym opisaliśmy dokładnie zasadę działania detektorów scyntylacyjnych: Scyntylacyjny detektor promieniowania jonizującego.

W artykule tym opisaliśmy eksperyment z jednym z najlepszych scyntylatorów jakim jest jodek sodu aktywowany talem, jeden z najlepszych i niestety jeden z najdroższych. Co prawda posiadam i taki scyntylator od gamma kamery o wymiarach 500 na 500 na 10 mm naklejony na grube szkło ołowiowe. Niestety pocięcie tego na mniejsze poręczne fragmenty jest dużym wyzwaniem i po zniszczeniu większości materiału w pierwszej próbie na razie nie podejmujemy się tego zadania.

Scyntylatory plastikowe nie są tak dobre jak jodek sodu ale przede wszystkim są dużo bardziej przyjazne w stosowaniu. Przypominają po prostu kawałek szkła organicznego jak pleksa czy poliwęglan. Jodek sodu jest niezwykle higroskopijny i kruchy więc posługiwanie się nim stwarza wiele problemów.

Nasz zamówiony scyntylator to BICRON BC-418, jego karta katalogowa dostępna jest pod tym linkiem. Wykonany jest z poliwinylotoluenu z odpowiednimi dodatkami aktywnymi które wywołują scyntylacje, czyli rozbłyski światła gdy kwant promieniowania jonizującego uderzy w nie w strukturze materiału.

Pierwszym testem było naświetlenie kostek silnymi promieniami ultrafioletu, które powinny spowodować fluorescencję materiału. Jak widać na powyższym zdjęciu bezbarwne kostki wykazują dość silną fluorescencję. Ucieszyliśmy się wstępnie bo już wiedzieliśmy, że nie kupiliśmy po prostu kilku kawałków pleksy po 200 zł/szt :)

Mniej więcej tak, jak na powyższym zdjęciu będzie wyglądał zespół detektora promieniowania, który niebawem przygotujemy w naszym laboratorium. Na  scyntylator przetestowaliśmy na gotowym radiometrze z sondą w której podmienimy scyntylator.

Radiometr jest to zintegrowane urządzenie w którym mieści się zasilacz wysokiego napięcia, dyskryminator oraz układy zliczania i prezentacji wyników pomiarowych. Podłączona jest do niego sonda, w której znajduje się fotopowielacz, dzielnik rezystorowy oraz scyntylator. Na zdjęciu powyżej urządzenie pracuje z jodkiem sodu a na wyświetlaczu średnia ilość zliczeń na sekundę z tła czyli tego, co nas normalnie bombarduje z kosmosu i pierwiastków promieniotwórczych w ziemi i powietrzu oraz zawartych w nas samych :)

Jak to możliwe, że promieniowanie pochodzi z nas samych ? ano choć by za sprawą zawartego w naszym organizmie potasu. Występujący w przyrodzie potas zawiera oprócz stabilnego pierwiastka także ok. 0,0117 % radioaktywnego izotopu ⁴⁰K. By ten fakt udowodnić obok mojej sondy postawiłem pojemnik z czystym metalicznym potasem. Okazuje się, że ilość zliczeń zwiększyła się do wartości 6,3. Podobny efekt uzyskamy przykładając do sondy np. saletrę potasową stosowaną do konserwacji mięsa (azotan potasu).

Jednak w tym artykule nie będę zajmował się występującym powszechnie promieniowaniem, poświęcę tematowi inne opracowanie, dziś wracamy do samego detektora. Na powyższym obrazku odkręciłem oryginalny scyntylator odsłaniając fotokatodę powielacza, do której musimy teraz przymocować nasz nowy scyntylator plastikowy.

Połączenie smarujemy optycznym żelem i wszystko musimy oddzielić od najmniejszych choćby źródeł światła. Jako, że jest to tylko test nie musimy robić tego profesjonalnie dlatego użyliśmy naprawdę dużej ilości folii aluminiowej.

Detektor z nowym scyntylatorem jest już gotowy, włączamy zasilanie i kompletnie nic się nie dzieje, nawet jednego zliczenia. Czyżby zamówiony, w miarę tani scyntylator okazał się ładnie wyciętym kawałkiem poliwęglanu lub innego szkła organicznego :) ?

Nasz radiometr nie ma wyjścia sygnału do innych urządzeń dlatego wzięliśmy jakiś stary kabel koncentryczny z wtyczkami BNC męską i żeńską, który przecięliśmy i w gorący przewód wpięliśmy się wysokonapięciowym kondensatorem 3 kV 50 pF by oddzielić składową stałą napięcia i wpięliśmy tu sondę oscyloskopu. Przewód podłączyliśmy pomiędzy detektor i radiometr. Od razu okazało się, że impulsy na linii pojawiają się.

Po dokonaniu pomiarów impulsów dowiedzieliśmy się, dlaczego radiometr nie "pikał". Amplituda impulsów była dużo mniejsza i dla rekordowo wysokoenergetycznych cząstek jakie upolowaliśmy wynosiła maksymalnie 1,5V. Oscyloskop zaprogramowaliśmy na przechwytywanie pojedynczego impulsu i ustawiliśmy poziom wyzwalania na wyższe napięcie, które stopniowo zmniejszaliśmy. Przy poziomie 1,5 V po kilku minutach udawało się coś złapać. Najprawdopodobniej wysokoenergetyczne cząstki pochodzące z promieniowania kosmicznego.

Dla takich najbardziej energetycznych cząstek, które nas nawiedzają jodek sodu aktywowany talem odpowiedział by rozbłyskiem znacznie silniejszym dającym na fotopowielaczu odpowiedź na poziomie 7 - 8V, co potwierdziliśmy wracając znów do niego.

Radiometr nie odezwał się po założeniu nowego scyntylatora bo miał ustawiony zbyt wysoko próg dyskryminacji. To co dla radiometru z jodkiem sodu było poziomem szumu dla plastikowego scyntylatora obejmowało także właściwe sygnały. Tak naprawdę dla tego fotopowielacza, który oryginalnie osadzony był w sondzie ten plastikowy scyntylator nie za bardzo się nadaje gdyż emituje on szumy na poziomie sygnału i można na nim cokolwiek zaobserwować dopiero przy bardzo dużych energiach cząstek w naszym przypadku pochodzących z kosmosu. Przy próbie ustawienia dyskryminacji na niższy poziom otrzymywaliśmy bardzo duże ilości trzasków nawet bez przykładania znanego już metalicznego potasu. Poziom sygnału zrównywał się z poziomem szumu.

Jednak ten fotopowielacz jest bardzo słabej jakości i sam układ wzmacniania sygnału w tym radiometrze jest dość stary. Kolejnym krokiem będzie zbudowanie układu pomiarowego z naszymi bardzo dobrymi fotopowielaczami hamamatsu i Philips, które już posiadają oryginalne przedwzmacniacze z regulowanym poziomem wzmocnienia. Jestem przekonany, że stosując te fotopowielacze i przedwzmacniacze będziemy w stanie tak zminimalizować poziom szumy by wyłuskać z plastikowego scyntylatora te znacznie słabsze rozbłyski. Wygląda na to, że scyntylator daje dość proporcjonalne ilości światła do energii cząstek więc będzie się go dało wykorzystać do budowy urządzeń spektrometrycznych. To jednak ostatecznie stwierdzę, gdy zbuduję urządzenie dużo bardziej czułe ze znacznie mniejszym poziomem szumu. Na powyższym oscylogramie widać pik pozostawiony przez wysokoenergetyczną cząstkę z zastosowaniem jodku sodu.

Nasze fotopowielacze już raz testowaliśmy. We wspomnianym na początku odnośniku do artykułu można zobaczyć, że miały naprawdę ultraniski poziom szumu. Teraz zobaczymy jak będą zachowywać się przedwzmacniacze z regulowanym poziomem wzmocnienia, które obecnie mamy w ofercie naszego sklepu. Pochodzą one z gammakamer i regulowane wzmocnienie było potrzebne do autokalibracji całego zespołu.

Patent na taki układ opisany jest pod tym adresem: http://www.google.com/patents/EP0066763A1?cl=en&hl=pl. My oczywiście nie będziemy wykorzystywać możliwości kalibracji z generatorem impulsów świetlnych do scyntylatora ale samo wejście poziomu wzmocnienia może zostać zastosowane do ustawiania choćby poziomu dyskryminacji już w tym miejscu układu.

Ponadto zastosowane elementy niskoszumowe na pewno poprawią stosunek szumu do sygnału, co z kolei umożliwi zastosowanie scyntylatora plastikowego z możliwością analizy amplitudowej impulsów. Poniżej przedstawiamy schemat płytki tego przedwzmacniacza: