Искровой детектор

Автор: БАТАРЕЙКУС
Опубликовано 29.01.2019
Создано при помощи КотоРед.

Искровой детектор Альфа частиц.
Хотя человечество расщепило атом и заставило энергию атома работать как во вред так и на благо, для обычного человека мир атома остаётся чем-то таинственным и загадочным. В этой статье мы коснёмся одной из удивительнейших свойств атомного ядра это радиоактивность. Существует огромное количества радиоактивных элементов, но самые легко доступные на сегодня это торий Th-232 и америций Am-241, торий мало радиоактивен и нам мало интересен, а вот америций совсем другое дело, этот элемент можно встретить в датчиках дыма HIS-07 его там ничтожные количество, но нам много и не надо, той интенсивности распадов 29,6 KBq (по отечески 29,6 кБ. Беккерель это единица распадов в секунду ), что указано на этикетке датчика вполне хватит.

датчик дыма HIS-07

источник альфа частиц находится внутри этого датчика.

В самом центре этого диска находится Америций-241.

О физических и химических свойствах Америций-241 вы можете почитать в википедии. Я же вам расскажу как зарегистрировать те альфа частицы (ядра атомов гелия He-4), которые испускает сам Am-241 в момент своей гибели, но вы не переживайте Америций-241 не умирает совсем он перерождается в нептуний Np-237, всё как у буддистов. Данный прибор в 1908 году создали совместно немецкий физик Ханс Гейгер и английский физик новозеландского происхождения Эрнест Резерфорд.

в моём исполнении это выглядит так:

Принцип следующий, над алюминиевым диском (катод) натянуты проволочки из нихрома (анод), диаметр проволочек 0.1мм, расстояние между ними 2,5мм, расстояние между диском и проволочками 1,5 - 2 мм к ним подведён регулируемый источник постоянного напряжения до 8 000 вольт, разность потенциала подбирается так чтобы на проволочках начался коронный разряд, его можно увидеть в темноте по синему свечению на них, при этом начинает образовываться озон, кстате озон ядовит так, что не оставляйте прибор надолго включённым в помещении с людьми и домашними животными. При пролёте альфа частица от проволочки к диску оставляет хвост ионизированного воздуха , как комета оставляющая хвост из пыли и водяного пара двигаясь в близи Солнца, а так как ионизированный газ является проводником, то происходит искровой разряд между проволочкой и диском, который видно не вооруженным глазом и даже слышно. Тем самым и регистрируется факт пролёта альфа частицы.

картинка детектора с искрами.

Теперь подробней о конструкции. Корпус и его составные части я печатал на 3Д принтере, файлы под печать прилагаются.

как должно всё выглядеть в сборе. 

вид с низу 

Так устроен алюминиевый катод, болт приваян к алюминию при помощи флюса для пайки алюминия и цинкосодержащего припоя, на газовой плите. 

Самая ответственная часть, струно держатели, сначало выпиливается кусок текстолита (1,5мм) под выемку в планке, с помошью ЛУТ переносится пяточки, затем вытравливается, потом акуратно сверлятся отверстия сверлом 0.9мм, в платку вставляется 20 пин гребёнки и припаивается с минимум припоя чтоб от не мешался, ну а потом с помощью супер клея приклеивается к планке тут важна точность и аккуратность, не должно быть волн особенно по высоте, файл с пяточками присутствует в формате layout_5, также следует особо тщательно изготовить "калиброванный столик", он поэтому так и называется, что после печати проверяется штангенциркулем со всех сторон, при необходимости ровняется натфилем. 

Так выгледит готовое устройство со снятой верхней частью.

1) Модуль XL6009E1 увеличивает напряжения для работы высоковольтного генератора с 3.7 от литий ионного аккумулятора до 12 вольт. Прибор потребляет от аккумулятора более 2-х ампер, и применённый мной модуль сильно греется, в будущем собираюсь заменить на чтонть посерьезней, но пока не знаю на что.

2) генератор высокого напряжения.

На транзисторах VT1, VT2 и TL431 собран параметрический регулятор напряжения от 1,5 до 12 вольт, с него подаётся напряжение на трансформатор Tr1, изменяя напряжение на входе трансформатора на выходе оно регулируется от 100 до 800 вольт. На самом деле оглядываясь в прошлое я бы сделал регулятор напряжения на LM317, но было уже лень менять, да VT2следует посадить на радиатор. Трансформатор покупал в чип и дип он там так и называется 7х7 с магнитной проницаемостью 2000НМ, каркас можно купить тамже, но я распечатывал на 3д принтере, расчёты проводил в программе Lite-CalcIT(2000).

3) Умножитель напряжения делается на отдельной плате и заливается парафином от свечек, хотя это не лучший вариант, при остывании парафин сильно усаживается, но с этим можно бороться многостадийной заливкой, или залить всё эпоксидной смолой например. UF4007 это ультра шустрые диоды 1А 1000в, поэтому в умножителе пришлось их ставить по два на каждый каскад умножителя, так как на них идёт двойная нагрузка, я пробовал умножитель с конденсаторами по 10нф, но с ними в умножителе частенько пробивало один из диодов при искрении контактов. поэтому ограничился 1нф, для наших целей этого за глаза и диоды целые. Резистор R9 подбирается опытным путём я поставил 470 Ом, сопротивление можно увеличить вплоть до 10 МОм, конечно при этом искорки будут совсем тусклые и видно их будет только в темноте, но совсем без сопротивления тоже ни как, искра становится чересчур сильной соответственно и редкой.Электронная схема простейшая, надеюсь трудностей не должно возникнуть.

4) Для питания прибора я применил литий ионный аккумулятор 18650, его обмотал изолентой и приклеил клей моментом к корпусу, заряд аккумулятора происходит от зарядок для сотовых телефонов через разъем mikro-USB под контролем контроллера заряда.

вид сбоку

5) искровая система..
Если к источнику высокого напряжения особых требований нет лишь бы выдавал от 1000 до 8 000 вольт, то на искровой конструкции следует остановится поподробней.
5.1) для правильной работы необходимо чтобы на проволочки подавался плюс источника ВН, а на алюминиевый диск минус.
5.2) расстояние между проволочками должно быть заметно больше расстояния чем между проволочкой и диском, это связано с тем, что прибор начинает работать когда на проволочках образуется коронный разряд, а он возникает только при определённых условиях. давайте разберёмся какие условия благоприятствуют возникновению коронного разряда:
А-повышенное напряжение, у нас 8 000 вольт, что вполне достаточно.
Б-диаметр провода, чем тоньше провод тем охотней образуется коронный разряд, я использовал нихромовую проволоку диаметром 0.1мм, можно и медную (без изоляции) но она менее прочная и легко рвётся.
В-если между проволочками будет слишком маленькое расстояние то это рассасывает коронный разряд
Г- если расстояние между проволочками и диском будет слишком маленькое то опять короны не будет так как искровой пробой воздушного зазора произойдёт раньше его образования.
оптимальным значением являются:
диаметр проволоки 0.1мм
межпроволочное расстояние 2.5мм
расстояние между диском (катод) и проволочками (анод) 1,5 - 2мм
напряжение 4 - 6 кв.
также не следует забывать, что катод, диск в моём случае (но его можно сделать и прямоугольником), нужно тщательно отполировать мелкой наждачной, чтобы на нём не было шероховатостей, которые исказят электрическое поле и будут способствовать возникновению искрового пробоя воздушного зазора. сюда же надо отнести тот недостаток, что со временем на катод (диск) осаждается пыль и она также способствуют возникновению искрового пробоя, перед применением прибора её надо сдуть или смести. Самым сложным тут является это равномерно натянуть струны, для этого натяжитили ослабляются до минимума, наматывается проволока без "барашков" и изгибов, конец и начало её фиксируется обмоткой несколькими витками вокруг штырька, всё поправляется и натягиваются натяжитили, скорей всего вот так всё сразу идеально не получится, как это было у меня, а значит на каком-то конце искры будут охотней проскакивать, а на противоположном их не будет, это означает, что там где искры расстояние чуть меньше, в темноте будет видно, что струны светятся там где проскакивает много искр от источника альфа частиц, это надо устранить, ослабляется немного натяжитили приоткручиваем болтики фиксирующие держатели струн и подкладываем под них с одной или с обеих сторон, в зависимости где свечение, листочек бумаги 1-3 слоя в зависимости от исходной кривизны конструкции, потом затягиваем болтики и натягиваем струны, проверяем результат, идеальный случай когда струны будут светится равномерно по всей длине, при этом пробоя воздуха не будет происходить даже при максимуме напряжения.
Предупреждения: при работе с HIS-07 соблюдайте особую осторожность не следует брать источник излучения голыми руками оставлять пылится без присмотра, класть на рабочий стол или рабочие инструменты, и дело тут не в его радиоактивности она незначительна, всё дело в свойствах Америция, он может запачкать предметы, руки, стол, так или иначе он может попасть с едой или через кожу рук внутрь организма, а попав туда он остаётся там навсегда, а оно вам надо!!!!!!

Файлы:
Файлы

Все вопросы в Форум.