Detektor rádioaktivity cez webkameru

CCD a CMOS snímače z digitálnych kamier, ako detektor rádioaktívneho žiarenia. Jednoduchá úprava webkamery v spojení s programom Theremino ParticleDetector na detekciu rádioaktivity.

      CCD a CMOS snímače v digitálnych kamerách a fotoaparátoch vystavením rádioaktívneho žiarenia alebo RTG žiarenia vytvárajú na videu či fotke s dlhou expozíciou bodky. Ak sa kamera zakryje tenkou hliníkovou fóliou, aby neprešlo žiadne svetlo a bol úplne čierny obraz, potom je možné pekne pozorovať bodky alebo až silnejší šum podľa intenzity žiarenia. Obe systémy snímačov majú matice s kremíkovými fotodiódami citlivými na svetlo, teda fotóny. Pri zdroji rádioaktívneho alebo RTG žiarenia je potom možné pozorovať zrnenie prechodom častice cez matricu snímača. Tohto javu využil aj Danyk pri svojom rentgene, kedy pomocou CCD snímača vyskladal snímky súčiastok z viac menších zrnitých fotiek.

      Aktívnym prvkom citlivým na častice je fotodióda (obrázok nižšie). Ionizujúca častica vstupuje do citlivej oblasti z „horného okna“ a pri svojom prechode produkuje niekoľko stoviek párov elektrónov/dier, ktoré sú zbierané katódou/anódou diódy a produkujú signál, ktorý je digitalizovaný. Detekcia častíc je na čipe lokálna, prechodom častice sa objaví na snímku bodka alebo tenká šmuha/čiarka.

      Snímače CCD a CMOS v kamerách nie sú určené a nijako optimalizované na detekciu častíc, preto je účinnosť takejto detekcie dosť nízka, no realizovateľná aj doma z bežnej lacnej webkamery. Problém je aj skutočnosť, že citlivá oblasť na čipe je veľmi tenká.

      Alfa častice nie sú detegované, pretože snímač je chránený vrstvou skla alebo iného priehľadného materiálu, ktorý alfa častice úplne blokuje. Nehovoriac o použitej hliníkovej fólii na zakrytie snímača.

      Beta častice (elektróny a pozitróny) sú povrchovou ochranou snímača čiastočne absorbované, ale vysoké percento sa dostane do citlivej časti a je detegované. Plus isté tienenie hliníkovou fóliou.

      Gama žiarenie má nízku citlivosť pre snímač, vyššia citlivosť snímača bude pri nižších energiách gama, čo hrá do kariet RTG žiareniu, ktoré by malo byť oveľa lepšie detekovateľné. Zároveň to známe zrnenie obrazu videa pri RTG. Citlivosť bude spôsobená malou hrúbkou citlivej oblasti snímača.

Úprava webkamery

      Úprava je jednoduchá, je nutné kameru rozobrať, vybrať optiku a nechať len holý snímač zakrytý tenkou hliníkovou fóliou.

Theremino časticový detektor

      Na vytvorenie snímok zaznamenaných webovou kamerou bol vytvorený softvér Theremino ParticleDetector. Tento SW vykoná integráciu obrázkov tak, aby sa dosiahla akási dlhá expozícia z videa. Týmto spôsobom sa stopy častíc nezmažú, ale pri každom cykle snímky sa hromadia a počíta sa každá častica.

      Aplikácia dáva možnosť nastaviť minimálnu energiu (0 – 255), aby sa nepočítali rušivé udalosti spôsobené šumom snímača. Väčšinu šumu možno zrušiť nastavením tejto hodnoty v rozmedzí 5 - 20.

      Ovládanie START / STOP spúšťa a zastavuje nahrávanie snímok a počítanie častíc. RESET vynuluje čas integrácie a počet častíc.

      Počas záznamu sa počítajú udalosti, ktoré sú spôsobené detekciou častíc a zobrazujú sa v poli „Particles“, celkový čas záznamu sa zobrazuje v poli „Time“. Pomer medzi týmito dvoma hodnotami zodpovedá veličine CPS (Counts Per Seconds), potom po prepočte CPM (Counts Per Minute). Na obrázku dole je to 1,95CPS alebo tiež 116,98CPM.

      Ďalšie okno je nastavenie kamery, ja som všetky merania v článku robil s týmto nastavením. Je možné sa s tým trochu pohrať pre lepšie zobrazenie a detekciu samotných častíc individuálne aj podľa webkamery.

Zdroj pre samotný článok a nápad je tu: http://physicsopenlab.org/
Stiahnutie SW tu alebo v priloženom zdrojovom článku: Theremino ParticleDetector V1.0

Moje merania a výsledky

      Najprv na fotkách dole merané rádioaktívne vzorky, prevažne minerály. Všetko sú to menšie vzorky, ktoré sa pekne dajú položiť priamo na tenkú hliníkovú fóliu nad snímač webkamery. Viac o ďalších rádioaktívnych predmetoch v druhom článku Rádioaktívne predmety a minerály.

1. Uránové sklo (sklo s prímesou uránu 2%)
2. Monazitový piesok (obsahuje tórium)
3. Uraninit (uránový minerál)
4. Autunit (uránový minerál)
5. Torbernit (uránový minerál)
6. Uraninit + Torbernit (uránový minerál)

Namerané výsledky z Theremina, rádioaktívne vzorky postupne od 1 po 6:

      Tabuľka a grafy z nameraných údajov. Ako vidieť, uránové sklo a uraninit sú veľmi slabé. Pri meraní s GM trubicou vykazujú oveľa vyššiu aktivitu. Takéto meranie s webkamerou je len dosť orientačné na porovnávanie a skôr ukázanie si, že aj niečo takéto funguje a dá sa doma veľmi jednoducho realizovať. Stačí k tomu len nepotrebná webkamera. Na meranie rádioaktívneho pozadia ani veľmi nepomyslieť pri tak malom snímači s tak nízkou citlivosťou, na záver som testoval aj to.

      Ešte pre porovnanie uránového skla a uraninitu. Ak ich vložím do hmlovej komory, tak uránové sklo vykazuje minimálnu aktivitu a rozpad, kým uraninit sa ide „zblázniť“ vysokou aktivitou a značným rozpadom. Čo vôbec nezodpovedá nameraným CPM hodnotám. Zvyšné pomery CPM by ešte mohli byť dajme tomu cca OK.

Meranie rádioaktívneho pozadia:

      Na záver som skúsil ešte meranie prirodzeného rádioaktívneho pozadia a tu je výsledok. Za 95 minút som detegoval až 3 častice :) Potom posledný obrázok je ukážka ak cez štrbinu prenikne kúsok svetla na snímač.