Регистрируем мюоны дома

Регистрируем мюоны дома!

Я хочу представить свою новую игрушку — мюонный телескоп. Вообще это телескоп счетчиков, который работает на совпадения. Его цель — регистрация мюонов (элементарных нестабильных частиц, рождающихся в атмосфере земли).

В физике элементарных частиц существует немного частиц которые можно достаточно просто зарегистрировать. Электроны и гамма кванты регистрируются обычными счетчиками Гейгера. Источниками этих частиц является радиоактивный фон вокруг нас, источники излучения, ускоряющие установки. Что касается нестабильных частиц, то ситуация иная. Они рождаются при больших энергиях на ускорителях (или еще где) и требуют нетривиальных методов для их регистрации. Однако есть одна нестабильная частица, которую можно зарегистрировать в «каждом доме» — мюон. Это лептон с массой 105 МэВ и временем жизни 2.2 мкс. По простому — это очень тяжелый электрон (более чем в 200 раз тяжелее). Он нестабилен, хотя имеет достаточно долгое время жизни как для элементарной частицы. Это первая частица, которая была открыта, что не встречается в атомном ядре.
Откуда же они берутся? Что является источником этих частиц?

Немного о физике космических лучей

К нам на Землю прилетают из космоса куча высокоэнергетических частиц — в основном протоны.

Эти протоны взаимодействуют с ядрами азота (

78% атмосферы — это азот) или чем-то другим. При этом рождаются куча частиц, которые рожают другие частицы и т.д. (ливни частиц). Среди них есть мюоны различных сортов и энергий (красные линии на рисунке). Они могут распасться не долетев до земли и образовать электроны или высокоэнергетические гамма-кванты. Поэтому космические лучи на высоте 10 км и на уровне моря — это разные вещи. То что долетает делят на мягкую и жесткую компоненты. Мягкая компонента — это электроны, позитроны и гамма-лучи, сильно поглощаются веществом. 10 см свинца достаточно, чтобы ее убрать. Мюоны же (жесткая компонента) таким слоем свинца не угасить и они свободно пролетают его без особого послабления.
Задача для любознательных 🙂
Скорость мюона примерно равна скорости света = 3е + 8 м / с. Время жизни 2.2мкс. Так что он пролетает 3е + 8 * 2.2е-6 = 660м. Мюон рождается на высоте 15-20км. Как он долетает до земли?

Как же их зарегистрировать?

Телескопом счетчик, работающих на совпадение. Телескоп может быть ориентирован под разными углами к вертикальной плоскости. Такой прибор регистрирует только те мюоны, путь которых проходит примерно вдоль оси телескопа (то есть пересекает оба счетчика). Мюоны обладают достаточной энергией, чтобы вызвать разряд в двух счетчиках практически одновременно. «Мягкая» составляющая космического излучения поглощается конструкциями помещения и ею можно пренебречь. В горизонтальном положении телескопа регистрируются лишь случайные совпадения, когда от двух разных ядер одновременно попали частицы в детектор. За схему совпадений и открытия, сделанные с помощью нее в 1954 году получено Нобелевскую премию по физике. К сожалению сейчас за такую ​​простую схему ее уже не получишь ((.

Сама установка

Генератор ВН

Прежде всего надо высоковольтный блок питания. Я сделал из чего было:

Схема классический пуш-пул с умножителем на выходе. Микросхему ключей можно заменить на IR2153 с частотой 50кГц. Можно и Atmega8 обойтись: phase correct mode. Но максимальная частота 30-35кГц. Поэтому надо будет пересчитать трансформатор. Кстати трансформатор я считал в ExcellentIT, но если вы будете считать по формуле
U = 4fSBw.
U — напряжение питания, f — частота ключей, S — площадь сечения магнитопровода, B — максимальная магнитная индукция (0,2 Тл для советских ферритов), w — количество витков. На вторичной обмотке я думаю всем понятно как посчитать необходимое количество витков. Результат не сильно отличаться по программе.
На умножители можно и обычные 1n4007 диоды поставить (у меня небольшое падение было), но лучше быстрые. Конденсаторы следует подбирать как минимум двойного напряжения умножения. Например у меня на выходе трансформатора

130В, так конденсаторы должны быть как минимум 260В, у меня 400В. Емкость лучше тоже брать побольше, тогда большие токи и меньше падение напряжения будет.

Формирователь сигнала

Классическая схема включения счетчика Гейгера: токоограничительный резистор и разделяющий конденсатор. Далее идет ограничитель на стабилитроне и формирователь сигнала на триггере Шмидта. Далее следует логическое И, выход которого подключен на ногу прерываний атмеги. При отладке схеми было удобно смотреть сигналы по отдельности на каждой трубке. Поетому я сделал маленьй хидер 3х2 и перемичку: в первом положении работает на совпадения, во втором и третьем — сигналы с трубок. Полная схема прикреплена к статье. Атмега служит за счетчик импульсов. Кварц к амтеге желательно поставить побольше. Я поставил на 16МГц, чтобы успеть зарегистрировать короткий импульс. Вообще-то в таких случаях ставят одновибратор, но я решил лишний раз не нагружать схему.
Плюс атмега может выставлять время измерения. Из меню я не заморачивался сильно. Лишь необходимый минимум.

Всю электронику я раcпаял на три макетки и соединил их втулками в компактную коробочку. На нижнем уровне регулятор напряжения и блок высокого напряжения, на втором уровне формирователь сигнала, на третьем уровне атмега. Под установкой стоит блок питания (черная коробка), который выдает 12 В. Ток потребления 160мА.

Чтобы убедиться, что я регистрирую космические лучи, я сделал два измерения по часу. В вертикальном положении — 22 события, в горизонтальном — 2.
Итак, это космические лучи. Затем я сделал несколько измерений под разными углами (под разными углами мюоны пролетают разное расстояние пока зарегистрируются в детекторе, чем больше расстояние, тем больше их распадется) и написал скриптик в Матлаб для расчета времени жизни. Различается с настоящим примерно в 5 раз, однако можно увеличить время измерений и повторить измерения. На это у меня азарта не хватило.

Принцип работы [ править | править код ]

Цилиндрический счётчик Гейгера — Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка — катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы — аргон и неон. Между катодом и анодом создаётся напряжение от сотен до тысяч вольт в зависимости от геометрических размеров, материала электродов и газовой среды внутри счётчика. В большинстве случаев широко распространённые отечественные счётчики Гейгера, требуют напряжения 400 В .

Счётная характеристика (зависимость скорости счёта от напряжения на счётчике) имеет хорошо выраженное плато, в пределах которого скорость счёта очень слабо зависит от напряжения на счётчике. Протяжённость такого плато достигает для низковольтных счётчиков 80—100 В , а для высоковольтных — нескольких сотен вольт.

Длительность сигнала со счётчика Гейгера сравнительно велика ( ≈10 −4 с ). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду и восстановилась чувствительность детектора.

Нейтроны напрямую газоразрядными счётчиками не детектируются. Использование в качестве газовой среды гелия-3 или трифторида бора либо введение бора в состав материала стенок позволяет регистрировать нейтроны по заряженным продуктам ядерных реакций.

Помимо низкой и сильно зависящей от энергии эффективности, недостатком счётчика Гейгера — Мюллера является то, что он не даёт возможность идентифицировать частицы и определять их энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счётчиках.

При измерении слабых потоков ионизирующего излучения счётчиком Гейгера необходимо учитывать его собственный фон. Даже в толстой свинцовой защите скорость счёта никогда не становится равной нулю. Одной из причин этой спонтанной активности счётчика является жёсткая компонента космического излучения, проникающая без существенного ослабления даже через десятки сантиметров свинца и состоящая в основном из мюонов. Через каждый квадратный сантиметр у поверхности Земли пролетает в среднем около 1 мюона в минуту, при этом эффективность регистрации их счётчиком Гейгера практически равна 100 %. Другой источник фона — это радиоактивное «загрязнение» материалов самого счётчика. Кроме того, значительный вклад в собственный фон даёт спонтанная эмиссия электронов из катода счётчика.

Описание

Конструкция

МКС-А03 выполнен в виде компактного переносного прибора.

Внутри прибора размещается сцинтилляционный гамма-детектор на основе кристалла NaI(TI) или LaBr₃(Ce), счетчик Гейгера-Мюллера и сцинтилляционный нейтронный детектор. Внешний альфа-бета-детектор используется для обнаружения поверхностного загрязнения и измерения плотности альфа- и бета-частиц. Также имеется возможность подключения внешнего детектора нейтронного излучения для регистрации нейтронного излучения в широком энергетическом диапазоне (БДН-06М).

Температурная компенсация гамма-канала обеспечивает стабильность измерений в широком диапазоне температур.

Использование гамма-детектора на основе LaBr₃(Ce) позволяет повысить разрешающую способность при идентификации радионуклидов.

Прибор оснащен звуковой и световой сигнализацией регистрации гамма- и нейтронного излучения.

Режимы работы

В зависимости от решаемой задачи используется один из четырех режимов:

• «Поиск / м. дозы»: поиск и измерение мощности дозы
• «Идентификация»: определение нуклидного состава
• «Альфа / Бета»: измерение плотности потока альфа- и бета-частиц (с внешним альфа-бета-детектором БДС-АБ2)
• «Нейтрон/м. дозы»: измерение МЭД нейтронного излучения (с выносным блоком БДН-06М)

В режиме «Поиск» частота звукового и светового сигнала изменяется по мере приближения МКС-А03 к источнику излучения, что позволяет максимально быстро и точно определить местоположение источника излучения.

Переключение из режима «Поиск/м. дозы» в режим «Идентификация» производится нажатием одной кнопки.

Встроенный нейтронный детектор прокалиброван по МЭД только для характеристического спектра излучения Pu-Be источника в условиях поверочной установки. При измерении МЭД нейтронного излучения с неизвестным энергетическим распределением и/или при наличии в окружающих условиях материалов, замедляющих и рассеивающих нейтроны (органика, вода и т.п.), следует использовать внешний детектор нейтронного излучения БДН-06М.

Режимы доступа к функциям прибора

НОРМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ – предоставляет пользователю простой и интуитивно понятный интерфейс с подсказками по работе и доступом к базовым функциям.

ЭКСПЕРТНЫЙ РЕЖИМ – позволяет производить гибкую настройку параметров прибора и осуществлять анализ полученных спектров излучения.

Прибор обеспечивает передачу данных на компьютер с установленным специализированным ПО.

Наиболее распространенный вариант использования:

Особенности

• Интуитивно понятный пользовательский интерфейс
• Максимально простой принцип управления
• Высокая устойчивость к внешним воздействиям
• Быстрая готовность прибора к работе
• Долгое время автономной работы
• Ограничение доступа к расширенным функциям и критическим настройкам
• Экспертный режим для доступа к расширенным функциям
• Встроенная система самодиагностики
• Возможность передачи данных на компьютер

Европа

Группа по мониторингу радиоактивности окружающей среды (The Radioactivity Environmental Monitoring) — это служба Объединенного исследовательского центра Европейской комиссии. На ее сайте можно получить информацию об уровне радиоактивности окружающей среды не только в Европе, но и на американском континенте.

К сожалению, по мнению специалистов этого сервиса, Беларусь не Европа — данные по ней не подаются. Зато можно посмотреть, что происходит у соседей.

Еще одна служба, показывающая радиационную обстановку в Европе — это отделение Radiation Network .

Это американская сеть с «филиалами» в Европе , Японии , Южной Америке и Австралии , которая собирает показания счетчиков Гейгера от частных лиц с автоматической загрузкой данных на веб-сайт в режиме реального времени. Правда, у сервиса есть огромный минус — очень пестрый и неудобный дизайн.

Помимо уже упомянутой Radiation Network в США действует EPA Radnet Gross Data (сервис Агентства по охране окружающей среды США). Показания по замерам передаются «почти в реальном времени» и обновляются несколько раз в день. Чтобы получить доступ к графикам с данными за последние месяцы, следует нажать на станцию ​​на карте и перейти по появившейся ссылке.

Теория Шредингера получила практическое применение:

• в квантовых вычислениях;
• в квантовой криптографии.

Приведем пример:

Световой сигнал передается по оптическому волокну, которое находится в суперпозиции двух состояний. В случае подключения злоумышленников к кабелю и отвода сигнала для прослушивания передаваемой информации произойдет схлопывание волновой функции (по копенгагенской интерпретации появится наблюдатель) и свет перейдет в одно из двух состояний. Произведя измерения света на приемном конце оптического волокна, можно установить, будет ли свет находиться в суперпозиции состояний, вычислить произведенное над ним наблюдение и передачу в другой пункт. Таким образом можно создать средства связи, исключающие незаметный для передающего перехват сигнала и подслушивание информации третьими лицами.

Как видите, эксперимент с котом Шредингера не самое сложное понятие в физике. Разобраться с ним достаточно легко. Так же просто специалисты Феникс.Хелп могут объяснить более сложные опыты, понятия и формулы. Смело обращайтесь за помощью!

Последствия облучения радиоактивными волнами

Поражение людей ионизирующим излучением может проявиться в виде лучевой болезни разной степени тяжести. Лучевая болезнь проявляется при дозе облучения, равной 1 зиверту. Увеличение дозы двукратно значительно увеличивает риск развития онкологического заболевания, а при трёхкратном увеличении велик риск смертельного облучения.

Первые симптомы лучевой болезни:

• диарея;
• синдром хронической усталости;
• тошнота, рвота;
• надсадный кашель;
• нарушения со стороны сердечно-сосудистой системы.

Воздействие радиоактивных частиц может вызвать лучевые ожоги. При крупных дозах излучения происходит поражение эпителиоцитов, разрушение костной и мышечной тканей. Помимо ожогов, могут появляться метаболические нарушения, сопутствующие инфекции, лучевая катаракта и бесплодие.

Возможен также стохастический эффект, проявляющийся в появлении раковых опухолей. Чаще всего онкология возникает в молочной железе, щитовидной железе и нижних отделах кишечника.

Маршрут

Чернобыль
Чернобыль — маленький город с чистыми серыми тротуарами и свежепобеленными домами. У Чернобыля есть бюджет на благоустройство: уборку улиц, ремонт дорог. Здесь живет пара сотен человек: возвращенцы и самоселы. Внешне Чернобыль мало отличается от обычного маленького города. Работает гостиница, магазин с продуктами, сувенирная лавка (в ходу магнитики, кружки, брелки с изображением АЭС).

Припять
В Припяти ничего не белили и не красили после катастрофы. Цифры на дозиметре меняются чуть ли не каждые 10-30 метров, когда вы едете по городу. Местами радиация сильно «подскакивает». Саркофаг — изоляционное сооружение над четвертым энергоблоком атомной станции — виден из любой точки в Припяти.

Первая «точка» высадки у бетонного мемориала «Припять»: здесь все быстро фотографируются для инстаграма. Вторая — центр города, где вы проведете пару часов. Здесь находится парк аттракционов с проржавевшим колесом обозрения и детскими машинками с облупившейся краской — всё выглядит как в хороре. Катастрофа произошла 26 апреля, а эти аттракционы должны были открыть на майских праздниках.

Фото: ByBatman / Shutterstock

В паре шагов дом культуры «Энергетик», внутри которого выросли деревья. Кинотеатр «Прометей», гостиница «Полесье», школа. На заброшенных зданиях мрачные граффити: тени детей, знаки радиации и рисунки, которые поймут те, кто играл в «Сталкер. Зов Припяти».

Заходить в дома нельзя, говорят сопровождающие, но разрешают зайти вместе с ними в «Энергетик» — там пусто, только рисунки на стенах. Мы заходили в школу, где сохранились старые стулья, парты и немного жуткой атрибутики вроде брошенной куклы. Здесь есть помещения, заваленные противогазами и спецодеждой, которые оставили ликвидаторы.

В оставленных квартирах жилых домов многое вынесли и переворошили вандалы, которые были здесь в первые годы.

Груши, яблоки и грибы
Рядом с центром сад с раскидистыми грушевыми и яблоневыми деревьями. В октябре они «ломятся» от плодов. Виктор, один из сопровождающих, был ликвидатором аварии в 1986 году. Он срывает с дерева яблоко и жует с явным удовольствием, кажется, ему нравится не только вкус, но и впечатление, которое он производит. С помощью счетчика Гейгера мы замечаем, что яблоня не «фонит». А вот грушевое дерево «фонит» сильно. «В яблоках — пектин. Пектин — продукт, который выводит радиацию», — по-житейски объясняет Виктор, не претендуя на научную достоверность. И срывает еще пару яблочек в дорогу. Пара человек из группы повторяет за ним, я не решаюсь на эксперимент.

В этом саду полно грибов, особенно мухоморов, они «фонят» больше грушевого дерева. Один парень из группы делает вид, что кусает гриб, позируя для фото, и действительно слегка прикусывает шляпку. До следующего радиационного контроля он будет бледным и задумчивым.

В Припяти работает посменно около тысячи сотрудников. Мы видим их, когда приезжаем поесть в столовую. Люди в химзащите и масках идут с обеда. В Припяти и сейчас продолжается ликвидация последствий катастрофы.

Обед обычно входит в стоимость тура. Борщ, пюре с котлетами, компот или чай на красном пластмассовом подносе — всё по-советски. Рядом со столовой есть свой дозиметрический контроль. Мы «чекинимся» здесь — всё чисто.