GEIGER-MÜLLER STRALINGSENSOR BESCHRIJVING B029BT

Transcriptie

1 GEIGER-MÜLLER STRALINGSENSOR BESCHRIJVING B029BT 1

2 1. Korte beschrijving De Geiger-Müller stralingsensor is geschikt voor het meten van beta en gammastraling van een lage intensiteit. Het is mogelijk om met deze sensor achtergrondstraling te meten, of de straling van laagradioactieve bronnen zoals een gaskousje. De sensor kan worden gebruikt om afzonderlijke vervalgebeurtenissen van een radioactieve bron te tellen (of tellen per tijdsinterval) via de BT-plug, of om de plaatspanning te meten over de GM buis (via een 4-mm kabel). Het vermogen voor de sensor wordt geleverd door de 5V- voeding van de interface. De GM-sensor wordt geleverd met een BT-plug en kan worden gebruikt met de volgende interfaces die over een Telleringang beschikken: UIA/UIB-kaart met het Meetpaneel (via adapter 0520) CoachLab II Optioneel is adapter (art. 0520) verkrijgbaar om sensoren met BT-pluggen aan te sluiten op ingangen met 4-mm bussen. 2. De werking van de GM-sensor De sensor bevat een met halogeengas gevulde GM-telbuis die beta en gammastraling detecteert boven 0,4 MeV. Bij elke ontlading van de buis geeft de sensor een korte spanningspuls (5V; 0,265 ms) af op pin 1 van de BT-connector. Elke ontlading gaat bovendien gepaard met een flits van de gele LED op de sensor en een kort geluidsignaal (3 khz gedurende 84,5 ms). Standaard werkt de GM-buis met een constante plaatspanning van ca. 500V. Voor het onderzoeken van de karakteristiek van de GM-buis is een automatische plaatspan- Hoogspanningsgenerator GM-buis Spanningsdeler 200x gele uitgang Scan-eenheid Puls-stretcher BT-connector micro-controller 2 Figuur 1. Blokschema van de GM stralingsensor.

3 ningstoenamefunctie beschikbaar. Met een korte druk op de rode knop op de sensorbehuizing neemt de plaatspanning automatisch toe van 300 tot 650V. De brandende gele LED op de sensorbehuizing geeft aan dat de automatische plaatspanningstoename in werking is. De automatisch plaatspanningstoename kan worden onderbroken met een tweede korte druk op de rode knop. De LED brandt dan minder fel. De totale tijdsduur van de spanningsvariatie is 10 minuten. 1 Met een langere druk op de rode knop kan de automatische spanningstoename onderbroken worden. De gele LED gaat ook uit. 2 De plaatspanning kan worden gemeten door de gele uitgang (HV monitor) aan de linkerkant van de sensorbehuizing te verbinden met een analoge ingang van een interface (zie figuur 4, pagina 9). Op deze uitgang wordt de plaatspanning met een factor 200 teruggeschaald naar het bereik 1,5V 3,25V (met een impedantie van 1,5 kω), (zie figuur 1). Komt de plaatspanning significant boven de nominale waarde van 500 V (tijdens de toenamemodus) dan treedt er een spontane gasontlading op en wordt er, per gedecteerd deeltje, een serie pulsen gegenereerd. 3. Suggesties voor experimenten De CMA Geiger-Müller stralingsensor kan worden gebruikt: - om de aanwezigheid van een stralingsbron te detecteren; - om de achtergrondstraling te meten; - om de straling van alledaagse radioactieve materialen zoals een gaskousje te meten; - om de karakteristieken van de GM-buis te onderzoeken: door het meten van aantal pulsen per tijdsinterval van een bèta of gammabron als functie van de plaatspanning van de GM-buis; - om de halfwaardetijd te bepalen voor kortlevende nucleïden; - om de intervaltellingen te volgen bij verschillende dikte van afschermingsmateriaal geplaatst tussen de sensor en de stralingsbron; - om de effecten van verschillende soorten materiaal te vergelijken op hun afschermingscapaciteiten voor bèta of gammastraling; - om de intervaltellingen te doen voor een bèta of gammabron als functie van de afstand tussen bron en GM-sensor. 4. Voorbeelden van experimenten met Coach 5 De bijgevoegde Appendix Coach 5 Activiteiten voor de Geiger-Müller stralingsensor bevat een gedetailleerde uitwerking van de hierboven genoemde experimenten. 1 Voor een aantal oudere GM-sensoren bedraagt de variatietijd 8,6 minuten. 2 De beschreven functionaliteit van de automatische plaatspanningstoename is geïntroduceerd vanaf GM-sensoren met code ZJ5xxTOR (deze code staat naast de GM-buis). Bij eerdere typen is pauzeren niet mogelijk, en kan onderbreken alleen door lostrekken van de sensor uit de interface. 3

4 5. Namen voor deze sensor in de sensorbibliotheek van Coach 5 De naam van de Geiger-Müllersensor in de sensorbibliotheek van Coach 5 is: GM Stralingsensor (029&bt) (CMA) ( ) Voor het meten van de plaatspanning kan gebruik worden gemaakt van de sensor GM Plaatspanningsensor (029&bt (new type) Voltage) (CMA) ( V) 3 Technische gegevens Buis Wanddikte 30 mg/cm 2 Neon-halogeen gevulde GM-buis met Fe/Cr kathode Gevoelig voor Teller-ingang Pulsehoogte Pulseduur Standaard plaatspanning Standaardspanning op 4mm bus LED-flits en Geluidsignaal Dode tijd Plaatspanningsbereik Variatieduur Afmetingen Automatische sensorherkenning Bèta en gammastraling > 0,4 MeV Pin 1 van de BT-plug 5V 0,265 ms 500 V 2,5 V LED die opflitst bij elke puls; 3 khz; 84,5 ms Effectief 0,33 ms V 10 minuten (in oudere exemplaren kan dit 8,6 minuten zijn) Lengte=8 cm; breedte=9 cm; hoogte=2 cm 1 kω ~ 5% aan de aardings-pin Verbinding BT (British Telecom) plug (pulsen tellen) 4-mm uitgang (uitgangsspanning 1,5 3,25V) voor het meten van de plaatspanning van de GM telbuis. De werkelijke plaatspanning ligt een factor 200 hoger. (Bij gebruik van het juiste sensoricoon is dit verdisconteerd in de sensorijking en geeft de software de werkelijke spanning weer). N.B.: De plaatspanning van de GM buis is evenredig met de voedingsspanning van de sensor. De bovenstaande waarden zijn van toepassing bij de normale voedingsspanning van 5 V. 3 Voor het huidige, nieuwere type van de GM-sensor is het bereik van de plaatspanningsensor ( V), voor het oudere type is het bereik ( V). Hiervoor is in Coach een apart sensoricoon beschikbaar. 4

5 APPENDIX: COACH 5 ACTIVITEITEN VOOR DE GEIGER-MÜLLER STRALINGSENSOR Experiment 1. Meten van de achtergrondstraling De GM-sensor kan worden gebruikt voor het meten van achtergrondstraling en straling van radioactieve bèta en gammabronnen. Voor dit experiment moet de BT-plug van de GM stralingsensor worden verbonden met een Telleringang van een interface. 4 De pulsen die door de GM-sensor worden gedetecteerd worden dan geteld. Om het stralingsniveau per tijdsinterval te vinden kan het aantal pulsen worden verkregen met een Delta formule. Figuur 2. De GM sensor verbonden met Analoge ingang 1 van CoachLab II. 4 Voor CoachLab II kan elke ingang 1 tot 4 worden gebruikt als Telleringang. 5

6 Coach 5 instellingen Activiteitsoort: Tijdgestuurde meting. Sensoricoon: het icoon GM stralingsensor (029&bt) (CMA) ( ) moet op dezelfde ingang van het Paneel op het scherm worden geplaatst als waarmee de werkelijke sensor is verbonden met de interface. Meetinstelling (afhankelijk van de bronsterkte), bijvoorbeeld: Tijdsduur = 10 minuten, Meetfrequentie = 3 per minuut. Tabelinstelling: Kolom Verbinding Grootheid Eenheid C1 Klok Tijd Minuten C2 Analoog In: GM-sensor N Pulsen C3 Formule: Delta(N)/Delta(tijd) Vervalsnelheid Kolom C2 kan onzichtbaar gemaakt worden Pulsen/minuut Uitvoering Verbind de BT-plug van de GM-sensor met een Telleringang van de interface. Open een Coach Activiteit met instellingen voor dit experiment. Start de meting met een druk op de groene knop. Analyseer de meetgegevens. Voorbeeldmeting 6

7 De activiteit (rate, ofwel het aantal pulsen per minuut) gemeten met de GM-sensor. Het bovenste diagram toont de achtergrondstraling; het onderste diagram de straling afkomstig van het gaskousje. De meting van de achtergrondstraling geeft een goed voorbeeld van het willekeurige karakter van vervalprocessen. De gemiddelde waarde van de straling kan in beide diagrammen worden gevonden door de meetgegevens te fitten aan een rechte lijn. Kies een grote meettijd voor een nauwkeuriger bepaling van de achtergrondstraling. Experiment 2. De karakteristiek van de Geiger-Müller telbuis (de relatie tussen de plaatspanning en het aantal getelde vervalgebeurtenissen) Bij dit experiment wordt de BT-plug van de GM-sensor verbonden met een Telleringang van de interface en de gele 4-mm plug (aan de linkerkant van de sensorbehuizing) met een analoge ingang van de interface. Via deze ingang wordt de plaatspanning van de GM-buis gemeten. Coach 5 instellingen Activiteitsoort: Tijdgestuurde meting. Sensoriconen: - het icoon GM stralingsensor (029&bt) (CMA) ( ) moet worden geplaatst op dezelfde Telleringang van het Paneel op het scherm als waarmee de werkelijke sensor is verbonden met de interface. - het icoon GM Plaatspanningsensor (029&bt Voltage (new type)) ( V) moet worden geplaatst op dezelfde Analoge ingang van het Paneel op het scherm als waarmee de werkelijke sensor (4-mm plug) is verbonden met de interface. 7

8 Meetinstelling: Tijdsduur = 10 minuten, Meetfrequentie = 10 per minuut. Tabelinstelling: Kolom Verbinding Grootheid Eenheid C1 Klok Tijd Minuten C2 Analoog In: GM stralingsensor N Pulsen C3 Analoog In: GM Plaatspanningsensor V V C4 Formule: Delta(N)/Delta(tijd) Activiteit Pulsen per minuut Kolommen C1 en C2 kunnen onzichtbaar gemaakt worden Uitvoering Verbind de BT-plug van de GM-sensor met een Telleringang van de interface. Verbind de gele 4-mm uitgang (aan de linkerkant van de sensorbehuizing) met een analoge ingang van de interface. Open een Coach Activiteit met instellingen voor dit experiment. Druk kort op de rode knop sweep om de sensor automatisch het gehele plaatspanningstraject te laten aflopen. Start de meting met een druk op de groene knop. Corrigeer de meetgegevens voor de achtergrondstraling om de kwaliteit van de meetgegevens nog te verbeteren. Analyseer de meetgegevens. 8 Figuur 4. Experimentele opstelling met CoachLab II. De BT plug van de GM sensor is verbonden met Ingang 1; de 4-mm plug is verbonden met Ingang 3.

9 Voorbeeldmeting Het verband tussen de plaatspanning van de GM buis en het aantal vervalgebeurtenissen per minuut (bron: gaskousje). Kruisjes: de meetgegevens verzameld tijdens het experiment. Lijn: de meetgegevens gefilterd met Interval = 7. Uit deze grafiek kan het plateau van de GM telbuis worden afgelezen (het spanningsbereik waarop de GM buis kan worden ingesteld voor optimaal functioneren). Experiment 3. Bepaling van halfwaardetijden De GM-sensor biedt de mogelijkheid om de activiteit en de halfwaardetijd te meten. Een Protactinium generator is een goede bron voor dit experiment. Deze generator bestaat uit een klein plastic vat met twee compartimenten dat hermetisch is afgesloten met een deksel. Het vat bevat een waterige oplossing van uranylnitraat in het onderste compartiment en een organische fase (keton) in het bovenste compartiment. Door schudden wordt de generator geactiveerd: d.w.z. dat de twee fasen worden gemengd. Blijft het vat in rust, dan zullen ze na verloop van tijd vanzelf weer worden gescheiden. Vanwege de betere oplosbaarheid van het kortlevende Protactinium in de organische oplossing, wordt de isotoop verrijkt in de ketonische fase. Het verdwijnen van de nucleïde kan met de GM-sensor worden gevolgd. 9

10 Coach 5 instellingen De instellingen van Coach 5 zijn vrijwel gelijk aan de instellingen voor Experiment 1: Tijdsduur = 6 minuten en Meetfrequentie = 6 per minuut. Figuur 5. Experimentele opstelling met CoachLab II. De Protactinium generator wordt gebruikt als stralingsbron. Uitvoering Verbind de BT-plug van de GM-sensor met een Telleringang van de interface. Open een Coach Activiteit met instellingen voor dit experiment. Indien je gebruik maakt van een Protactinium generator, schud deze. Start de meting met een druk op de groene knop. Corrigeer de meetgegevens voor de achtergrondstraling om de kwaliteit van de meetgegevens nog te verbeteren. Analyseer de meetgegevens. 10

11 Voorbeeldmeting Grafiek van de activiteit (rate ofwel aantal pulsen per minuut) tegen de tijd voor de Protactinium generator. Het is normaal dat het resultaat een behoorlijke spreiding vertoont. De beste manier van verwerken is om de gegevens te fitten aan een exponentiële functie en de halfwaardetijd te bepalen uit de fit-functie. Experiment 4. Bepaling van stralingsniveau tegen afstand In dit experiment wordt het stralingsniveau gemeten als functie van de afstand tot de bron. De afstand van de sensor tot de bron wordt gemeten met een lineaal en handmatig ingevoerd. De stralingswaarden (in pulsen per tijdsinterval) worden gemeten. Uiteindelijk kan worden onderzocht of de hoeveelheid straling omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand. 11

12 Coach 5 instellingen Activiteitsoort: Tijdgestuurde meting. Icoon: het icoon GM stralingsensor (029&bt) (CMA) ( ) moet worden geplaatst op dezelfde Telleringang van het Paneel op het scherm als waarmee de werkelijke sensor is verbonden met de interface. Meetinstelling: Tijdsduur = 20 minuten; Meetfrequentie = Handmatig (voor Tellers) Aantal monsters = 10 Bemonsteringstijd = 1 minuut Tabelinstelling: Kolom Verbinding Grootheid Eenheid C1 Handinvoer Afstand cm C2 Analoog In: GM stralingsensor N Pulsen/min Uitvoering Verbind de BT-plug van de GM-sensor met een Telleringang van de interface. Open een Coach Activiteit met instellingen voor dit experiment. Start een meting met een druk op de groene knop. Plaats de GM-sensor op 2 cm van een stralingsbron (bv. een gaskousje). Doe één meting door een druk op de groene knop met het cijfer '1' erop. Coach telt het aantal pulsen gedurende één minuut. Is de bemonsteringstijd verstreken, typ dan de afstand tussen sensor en bron in. Herhaal de procedure voor metingen bij verschillende afstanden tot de bron. Elke keer dat je klaar bent om te gaan meten, druk je op de groene knop met het cijfer '1'. De instellingen zijn gemaakt voor 10 monsters (d.w.z. 10 keer 1 minuut meten). Je kunt de meting op elk moment onderbreken door op de rode knop te drukken. Corrigeer de meetgegevens voor de achtergrondstraling om de kwaliteit van de meetgegevens nog te verbeteren. 12

13 Voorbeeldmeting De relatie tussen stralingsniveau (pulsen per minuut) en afstand tot de stralingsbron (gaskousje). Kruisjes: de gegevens die tijdens het experiment werden verzameld. Lijn: de beste fit-functie (1/x²) door de gegevens. Experiment 5. Stralingsniveau en Afscherming In dit experiment wordt het stralingsniveau geregistreerd voor verschillende afschermingsdiktes tussen de bron en de GM-sensor. Als afschermend materiaal voor bètastraling kunnen plaatjes aluminium worden gebruikt en voor gammastraling plaatjes lood. Coach 5 instellingen Activiteitsoort: Tijdgestuurde meting. Sensoricoon: het icoon GM stralingsensor (029&bt) (CMA) ( ) moet op dezelfde ingang van het Paneel op het scherm worden geplaatst als waarmee de werkelijke sensor is aangesloten op de interface. Meetinstelling (bijvoorbeeld): Tijdsduur = 20 minuten; Meetfrequentie = Handmatig (voor Tellers) Aantal monsters = 8; Bemonsteringstijd = 1 minuut 13

14 Tabelinstelling: Kolom Verbinding Grootheid Eenheid C1 Handinvoer Dikte cm C2 Analoog In: GM stralingsensor N Pulsen/min Uitvoering Verbind de BT-plug van de GM-sensor met een Telleringang van de interface. Open een Coach Activiteit met instellingen voor dit experiment. Start een meting met een druk op de groene knop. Plaats een plaatje afschermend materiaal tussen de GM-sensor en de stralingsbron. Doe één meting door een druk op de groene knop met het cijfer '1' erop. Coach telt het aantal pulsen gedurende één minuut. Is de bemonsteringstijd verstreken, typ dan de dikte van het afschermende materiaal tussen sensor en bron in. Herhaal de procedure voor metingen bij verschillende afschermingsdikte. Elke keer dat je klaar bent om te gaan meten, druk je op de groene knop met het cijfer '1'. De instellingen zijn gemaakt voor 8 monsters (d.w.z. 8 keer 1 minuut meten). Je kunt de meting op elk moment onderbreken door op de rode knop te drukken. Corrigeer de meetgegevens voor de achtergrondstraling om de kwaliteit van de meetgegevens nog te verbeteren. Met dit experiment kun je ook het effect van verschillende afschermingsmaterialen op bèta of gammastraling vergelijken. 14

15 (Lege pagina) 15

16 N.B.: Dit product is gemaakt voor gebruik in het onderwijs. Het is niet bedoeld voor industrieel, CENTRUM VOOR MICROCOMPUTER APPLICATIES Fax: , Revisiedatum: 25/03/04

17 medisch, onderzoeks of commercieel gebruik. CENTRUM VOOR MICROCOMPUTER APPLICATIES Fax: , Revisiedatum: 25/03/04