Спинтαрископ. Игрушка для детей дозиметриста
<...> Всяким наблюдателем, впервые смотрящим в спинтарископ и понимающим, в чем состоит смысл открывающегося перед ним зрелища, поневоле овладевает странное и жуткое чувство, похожее на то, которое овладевает нами, когда мы смотрим в телескоп на особенно богатые звездами участки Млечного Пути. И в том, и в другом случае мы видим перед собой бездну, в одном случае — бездну бесконечно малого, в другом — бездну бесконечно большого, и, глядя в обе эти бездны, одинаково далекие от нас и одинаково безразличные к нам, мы начинаем понимать смысл странных слов Паскаля о том, что «человек подвешен между двумя бесконечностями»<...> (М.П. Бронштейн в книге «Атомы и электроны»)
Вот уже несколько недель с моим участием ведется обсуждение радона, его биоэффектов, источников эмиссии, детекторов. Для начинающих радиохимиков этот радиоактивный инертный газ важен не только по причине своей вездесущности и канцерогенности, но еще и потому, что в процессе распада он излучает альфа-частицу. А альфа-частица это не только наиболее разрушительное из всех видов излучения (почему так — смотрим здесь), но и самый массивный объект (ядро гелия). Если абстрагироваться от радона и изучать сугубо альфа-частицы, то появляется возможность «малой кровью» проводить некоторые интересные опыты и делать достаточно специфичные «игрушки для взрослых» (чтобы отдохнуть от радиофобии). Про одну из таких игрушек и методику сборки оной — читаем под катом. Попутно, как всегда у steanlab, куча междисциплинарной информации (от radium girls до московского завода полиметаллов) и ссылок на мой patreon (ибо «там же сейчас все беларуские СМИ»).
Disclaimer: вся информация в статье представлена сугубо с образовательными целями. При работе с любыми источниками альфа-излучения используйте защитные СИЗОД (противоаэрозольные фильтры) и защищайте слизистые глаз. Избегайте дробления и разрушения источника альфа-излучения. Альфа-частицы не могут проникнуть через кожу, но как только их источник диспергируется/превращается в пыль и поднимается в воздух — начинается настоящий ад для ваших слизистых (= до 250 тысяч пар ионов на длину пробега одной частицы, так что ни один антиоксидант не поможет). Лучше всего биологические эффекты альфа-частиц изучать на примере т.н. «радиевых девушек». Ну и «привет всем, кто живет рядом с пылью Московского завода полиметаллов»
Альфа-частицы на то и альфа, чтобы быть первыми обнаруженными. На удивление, удалось сделать это с помощью сцинтиллятора. Фактически, именно сцинтиллирующий экран-детектор альфа-частиц стал первым детектором ионизирующей радиации (опередив счетчик Гейгера на десяток ± лет).
Сцинтилляторы — вещества, проявляющие сцинтилляцию (излучающие свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т. д.). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии.
Сегодня в профессиональных кругах, как и более ста лет назад для детектирования альфа-излучения используют сцинтилляторы на базе сульфида цинка. В применении к радону грех не вспомнить т.н. ячейку Лукаса.
Одна из трудностей детектирования альфа-излучения традиционными сцинтилляторами (пластиковые или монокристаллы) — это то, что этот ФЭУ детектора должен быть обязательно экранирован от света. При этом логично, что через всякие фторопластовые пленки, фольгу или т.п. материалы использующиеся для экранирования кристалла от света, исследуемые частицы пройти не смогут. Поэтому сцинтилляторы для детектирования альфа-частиц, как правило, применяются в объемах, закрытых от попадания света и имеют весьма непростое устройство.
Разобраться с механизмом работы такого детектора нам сможет помочь такая штука, как спинтарископ. Несмотря на то что этому аналоговому сцинтиллятору этому уже за сотню лет, но тем его образовательная актуальность пока еще полностью не потеряна. В принципе, не так уж много изделий существует в продаже, которые позволили бы визуализировать процесс радиоактивного распада.
По сути спинтарископ представляет собой коробочку в которой над экраном из материала светящегося под воздействием бомбардировки заряженными частицами возникают вспышки света которые затем детектируются обычным человеческим глазом. Иногда процессу детектирования помогает стеклянная линза. В качестве люминофора используется сульфид цинка допированный серебром или медью, а в качестве источника заряженных частиц — альфа-источник. Каждая вспышка, которую видит зритель, это след одного ядерного распада. Изобретателем спинтарископом считается физик+химик Уильям Крукс. Вот так Круксом впервые был озвучен способ наблюдения альфа-частиц:
Удобным способом наблюдать эти мерцания является подходящий по размерам экран из сульфида цинка, который расположен в конце латунной трубки с пятнышком (около миллиметра) соли радия перед ним и объективом на другом конце. Фокусировка, для улучшения наблюдения эффектов, делается движением объектива внутрь или наружу трубки. Я предлагаю назвать этот маленький инструмент «Спинтарископ» от греческого слова σπιυθαρις, что означает мерцание.
Крукс описал свое открытие в журнале Chemical News, который он основал в 1859 году. Созданный на основе открытого эффекта приборчик автор также представил на заседании Королевского научного общества, где тот получил заслуженные восторженные отзывы. Помимо устройства по франшизе автора (а Крукс не патентовал спинтарископ, он продал права на его производство крупным фирмам, занимающимся производством оптических приборов — R.&J.Beck, AC Cossor, Griffin & Tatlock и др.) появились и упрощенные копии «для бедных», вроде т.н. сцинтиллископа, где с экраном из сульфида цинка взаимодействовали заглушки с солями урана, полония или тория.
Несмотря на научный бэкграунд, спинтарископ чаще использовался как luxury элемент (ибо содержал радий, который был мягко говоря очень не дешев). И как и в наше время есть всякие Vertu инкрустированные золотом и алмазами, так и в начале 20 века были спинтарископы, сделанные из золота (именно такой в бархатном чехле подарили королеве Александре, жене Эдуарда VII (правившего до 1910 года) в качестве рождественского подарка. Даже известная газета Daily Mirror писала, что «спинтарископ-это лучший подарок на Рождество 1903 года»:
Отмечу, что одно такое устройство стоило около 10 тогдашних фунтов стерлингов (~ 1000 фунтов стерлингов на сегодняшний день). Отмечу, что бОльшая часть информации о спинтарископе мной почерпнута из замечательной редкой книги про радий — Half Lives: The Unlikely History of Radium (2020) за авторством Lucy Jane Santos. Для патронов epub версия доступна здесь. Must read для любого владеющего английским языком радиофоба.
В принципе нет причин чтобы спустя сто с лишним лет праздному радиационному энтузиасту не взять да и не повторить опыты У.Крукса и почувствовать себя членом высшего английского общества 1900-х годов. Самый простой вариант — прикупить на ebay готовый экран за 6 баксов (keywords: GEOelectronics alpha radiation viewer). Пришлют вот такую штуку:
А на aliexpress — заказать за доллар ионизационную камеру HIS-07 от пожарного извещателя с 241Am.
Вся сборка заключается в том, чтобы установить пластинку с кусочком америция над пластиной с сульфидом цинка.
А дальше уже все зависит только от внимательности и усидчивости наблюдателя. В принципе сцинтилляции видны и невооруженным глазом, но лучше всего наблюдать их через сильную лупу или в стереомикроскоп. Я, традиционно, легких путей не ищу, поэтому решил собрать себе игрушку максимально приближенную к изначальному варианту, т.е. сцинтиллятор внутри объектива от микроскопа.
Процедура изготовления
Для сборки девайса нужны: окуляр от микроскопа, люминофор, источник излучения. Окуляр под рукой был, источник тоже, а вот с люминофором вышла заминка. Выбирать приходится всего из двух соединений — либо сульфид цинка, активированный медью, либо он же, но активированный серебром. Теоретически, такие люминофоры можно найти в продаже. Сульфид цинка, активированный медью — это люминофор ЭЛС-510-В или ЭЛС-455-В, а кроме того, этот состав часто используется для различных светящихся красок, лаков и т.п. Сульфид цинка, активированный серебром — это люминофор марки К-10, который дает свечение синего цвета. Он применяется в качестве составной части люминесцентной смеси в телеэкранах с ЭЛТ. Более крупнозернистый ZnS (Ag) люминофор марки К-5 используют в осциллографах с коротким послесвечением экранов, а также в трубках, применяемых для радиолокации. Для спинтарископа предпочтительнее использовать именно ZnS (Аg) из-за его слабого послесвечения. Яркий ZnS (Cu) необходимо выдерживать в темноте в течение многих часов, иначе фоновое свечение полностью глушит сцинтилляции от альфа-частиц. Кстати цинксульфидный люминофор используется и в производстве светобумаги.
Можно поступить похитрее, зайти на сайт ставропольского НПФ Люминофор в раздел »Катодолюминофоры для специальных электронно-лучевых трубок», посмотреть что у них есть в наличии, позвонить, сказать «мне надо сульфид цинка легированный серебром» марки такой то (если не подводит память, ZnS это К-60, К-67, К-71 и т.п.). Высылают кстати все без проблем. Пример ассортиментного перечня ниже:
Допированного серебром сульфида цинка в шаговой доступности я не нашел, зато нашел старую нерабочую ЭЛТ 13ЛО-3И от осциллографа. Она и стала донором. Трубку предварительно пришлось кокнуть, пробив гвоздем один из электродов и выровняв давление с атмосферным (чтобы не взорвалось).
Ну, а потом еще и аккуратно отколоть «залюминофореную» часть. Я просто по краю трубки нанес риски алмазным надфилем, а потом прогревал слегка горелкой и тыкал мокрой палочкой. Откололось практически идеально (хотя друзья дружно кричали «режь дремелем»).
Затем пришлось отскребать со стекла пластиковой картой люминофор. Поскребыша нужно потом залить ацетоном с парой капель цапонлака. Вот что по поводу нанесения пишут в книге В.Векслера Экспериментальные методы ядерной физики (отличный DIY мануал по спинтарископному вопросу)
В общем после осаждения мути ацетон сливаем, а кашицеобразную суспензию пипеткой наносим на линзу от окуляра (подходят лучше всего те экземпляры, у которых можно выкрутить и нижнюю линзу и верхнюю линзу).
Кстати, перед нанесением люминофора, к линзе желательно приклеить источник альфа-частиц. Приклеить можно либо суперклеем (я использовал «гель» либо УФ-клеем для «стекла и хрусталя»). Расположить его нужно так, чтобы а) таблетка с америцием находилась почти вплотную к экрану (пробег частиц до 10 мм), но при этом б) таблетка должна быть сдвинута к боковой стенке, чтобы не перекрывать обзор и можно было видеть вспышки через верхнюю линзу окуляра.
Особо внимательно стоит извлекать «горячую таблетку» из китайской ионизационной камеры. Держится она там на пластиковых зацепах и извлекается достаточно легко, без необходимости прикладывания силы.
Жизненно важно! Ни в коем разе не нужно таблетку ковырять и пытаться раздавить. Читаем Disclaimer, смотрим фильм про «радиевых девушек», ищем «радиевые«отчеты аргоннского центра радиобиологии человека — в общем активно «подогреваемся» перед тем как приступать к работе с америциевой таблеткой!
Изначально в оригинальный спинтарископах использовались соли радия, поэтому примерно за год сцинтилляционные экраны выгорали (абсолютно так же, как теряли свои свойства и СПД на светящихся часах и тумблерах) и требовали замены.
Кто наносил СПД в СССР и сохранились ли в архивах данные про этих людей я думаю мы узнаем еще не скоро…
Мы в своей поделке используем америций-241. Что это значит? Данный изотоп америция имеет период полураспада равный 433,2 года. Распадаясь он испускает альфа-частицы с разными энергиями (5,486 МэВ — 85,2% и 5,443 МэВ — 12,8%) и мягкие (26,3 — 158,5 кэВ) гамма-лучи (у того же кобальта-60, например, энергия более 1 МэВ). Америций-241 используется как антистатик (снятие электростатических зарядов с пластмасс, синтетических плёнок и бумаги) и применяется в виде диокисда америция в ионизационных детекторах дыма/пожарных извещателях.
Этот изотоп предпочтительнее 226Ra, потому что он испускает в 5 раз больше альфа-частиц и относительно мало вредного гамма-излучения. Напомню, что радий-226 распадается с образованием радона. При этом испускаются α-частицы (энергии 4,8 МэВ — 94,45% и 4,6 МэВ — 5,55%) и γ-квант (186,21 кэВ — 3,59%). Ну, а где радон там и его дочерние продукты распада (ДПР).
Количество америция в новом дымовом извещателе составляет 1 микрокюри (37 кБк) или 0,29 микрограмма диоксида на детектор. Количество америция медленно уменьшается по мере распада изотопа, распадается он до нептуния-237 (период полураспада около 2,14 миллионов лет). При периоде полураспада 432,2 года америций в детекторе дыма через 19 лет работы будет содержать около 3% нептуния-237, через 32 года — около 5%. С америцием в пожарных извещателях связана история про «американского атомного бойскаута», который извлек изотоп из 100 детекторов дыма, пытаясь построить ядерный реактор-размножитель. В общем работать с америцием можно, но соблюдая острожность и не допуская его аэрозолирования (это применимо и для любых других альфа-радиоактивных объектов, вроде той же руды, которую перегружали в Бресте).
Когда источник установлен и зафиксирован, капаем на линзу кашицу из люминофора и ждем пока высохнет. Желательно не трясти, чтобы люминофор не осыпался.
Помещаем наш сцинтиллятор в объектив. Снизу я приложил кружок из черного пластика, вырезанного из папки для бумаг.
Так девайс выглядит в сборе, с установленным источником α-частиц и люминофором
Закрываем крышку и смотрим. Кстати, линза в верхней оправе должна вывинчиваться, чтобы при наблюдении можно было фокусироваться на изображения экрана и подстраивать четкость.
Когда все собрано необходимо выдержать прибор в полной темноте хотя бы пару часов и в дальнейшем спинтарископ хранить в непрозрачной коробке (и укладывать в коробку в темноте).
При наблюдении за частицами в самодельный спинтарископ, глаз привыкает к темноте внутри объектива где-то минут через 5 и распады становятся видны. Зрелище это завораживающее, если честно. К сожалению, не представляю, как это дело сфотографировать. Наверное только если установить самодельную сцинтиллирующую приставку (люминофор+источник) под микроскоп. Зрелище на самом деле очень завораживающее, но пока у меня нет подходящей фототехники и всяких микрофотонасадок — довольствуемся повтором КДПВ:
<...> Странное зрелище тогда предстанет перед нашими глазами. На поверхности экрана вспыхивают и гаснут маленькие неяркие звездочки. Они загораются то тут, то там, и весь экран так и кишит ими. Его поверхность была бы похожа на звездное небо, видимое в телескоп, если бы вся картина не менялась так быстро, как в калейдоскопе. Разорванные вспышки, усеивающие экран, гаснут так же внезапно, как появляются, и все, что мы видим, производит впечатление беспрестанной бомбардировки экрана микроскопическими зажигательными снарядами, вызывающими вспышку в той точке экрана, в которую они попадают.<...> Всяким наблюдателем, впервые смотрящим в спинтарископ и понимающим, в чем состоит смысл открывающегося перед ним зрелища, поневоле овладевает странное и жуткое чувство, похожее на то, которое овладевает нами, когда мы смотрим в телескоп на особенно богатые звездами участки Млечного Пути. И в том, и в другом случае мы видим перед собой бездну, в одном случае — бездну бесконечно малого, в другом — бездну бесконечно большого, и, глядя в обе эти бездны, одинаково далекие от нас и одинаково безразличные к нам, мы начинаем понимать смысл странных слов Паскаля о том, что «человек подвешен между двумя бесконечностями» <...>
Так что буду искренне рад, если кто-то посоветует работающий способ заснять «лавины альфа-частиц» в самодельном спинтарископе. Со всеми вопросами по теме статьи welcome в тг-канал. А я пока откланиваюсь!
Дополнительное чтиво
— Uran-802. Двойной ☢ удар по Бресту
— Кружок юного радиофоба #3. РАДОН
— Определение радона в помещениях
— Кружок юного радиофоба #2. Радиоактивные газы Или «не радоном единым…»
