Sumukammio alfasäteilyn visualisointiin

Opetus

22.8.2024

Johdanto

Ammattikoulun yhteisten tutkinnonosien matemaattis-luonnontieteellisen osaamisen pakolliset ja valinnaiset osaamistavoitteet annetaan ePerusteissa [1]. Pakolliset osaamistavoitteet fysiikka-kemiassa antavat mahdollisuuksia alakohtaiseen integraatioon, mutta ovat toisaalta teoriapainotteiset ja teorian osuutta on voitu lisätä kokeellisuutta karsimalla tai siirtämällä sitä työsaleihin integraation kautta. Opettajan haasteena on yleisten teoriasisältöjen esittäminen havainnollisesti opiskelijaa kiinnostavalla tavalla ja ammattialan viitekehyksessä. Kirjan sisältöjä on mahdollista valita ja muokata soveltaviksi ja käytännönläheisiksi. Teknisten ammattien fysiikka ja kemia (SanomaPro 2018) ei käsittele lainkaan ionisoivaa säteilyä, vaikka työympäristön monet fysikaaliset ja kemialliset riskitekijät käydään läpi luvussa Hyvä työympäristö. Alkuaineiden tarkastelussa luvussa Aineita ympärillämme mukana ovat käsitteet atomi, ydin, protoni, neutroni.

Kompressorijäähdytyksen ja Peltier-jäähdytyksen yhdistelmään perustuva sumukammio yhdistelee eri fysiikan osa-alueita: lämpöoppia, sähköoppia, alkuaineita ja ionisoivaa säteilyä. Lähdin rakentamaan sitä tee-se-itse -periaatteella, kopioimatta suoraan yhtäkään valmista kokoonpanoa – kohtasin rakentamisessa ongelmia, jotka kykenin ratkaisemaan mm. aiheeseen liittyvien Youtube-videoiden avulla. Jälkiviisaana totean, että järkevämpiäkin tapoja olisi ollut – demonstraatiovälineeksi voisi hankkia esimerkiksi kotimaisen oppimateriaalivalmistajan alennetussa paineessa toimivan (ja siinä mielessä alkuperäisen Nobel-palkitun) sumukammion [2]. Sillä voi nähdä alfahiukkasten lisäksi beetahiukkasten tuottamia sumuvanoja samoin kuin tällä saksalaisyliopiston opinnäytteenä rakennetulla Peltier-jäähdytetyllä laitteella, joka on rakennettu tietokoneen prossutuulettimen ympärille [3].

Nämä versiot löysin vasta sen jälkeen, kun olin jo rakentanut oman versioni. Tässä artikkelissa kuvaamani laite perustuu oleellisesti netistä löytämääni sandwich-tyyppisen prossujäähyn rakennussarjaan, jossa alumiinisen vesilohkon ja jäähdytyslevyn välissä on 40 mm x 40 mm 12 V Peltier-jäähdytyselementti. Koko rakennussarja tuli Kiinasta samalla 25 euron hinnalla kuin vaikkapa Radioduosta olisin saanut yhden Peltier-jäähdytyselementin. Laitteistoon tarvitsin lisäksi samassa hintaluokassa 12 V vesipumpun (Partco Oy), jolloin näitä molempia voi käyttää pöytäkoneen virtalähteellä. Aluksi kokeilin vesijäähdytystä käyttäen termoskannua ja jäitä, mutta huomasin pian jäiden sulavan ja hommasin Torista jääpalakoneen, joka oli kuin suunniteltu laitteiston osaksi. Sitä voi käyttää ilman jääpalakoria, jolloin se ylläpitää jäähaudetta jatkuvasti/pitkään.

Jäähdytystä tarvitaan, koska sumuvanojen näkyminen vaatii 25 pakkasastetta jäähdytyslevyn pinnassa, johon laitoin musta teipin kontrastin parantamiseksi. Peltier kykenee luomaan 25 asteen lämpötilaeron pinnoilleen, joista toinen saadaan lähelle nollaa kierrättämällä jäävesihauteen vettä vesilohkossa. Lisäsin Peltierille oman virtakytkimen, jolloin sitä voi käyttää vain silloin kun kuvaa/havainnoi. Minuutin mittaus onnistuu vaivatta – mittausten välissä kammio pitää avata ja kuivata levyn pintaan tiivistynyttä nestemäistä alkoholia. Vedetöntä isopropanolia laitetaan tippapullolla ruokalusikallinen mustaan askarteluhuopaan (nämä tarvikkeet ja aineet ostin Motonetistä). Kammiona toimii puukannellinen lasinen säilykepurkki, jonka kanteen porasin reijät silikoniletkuille (Etra Oy) ja jonka tiivistykseen käytin solumuovista asennusteippiä. Valaisimena toimii polkupyörän ledilamppu. Laitteisto on sijoitettu jääpalakonetta lukuunottamatta HP:n atx-pöytäkoneen koteloon. Nimesin laitteen Kvanttitietokoneeksi, koska a) se on vanha tietokone ja b) sillä voidaan nähdä kvantit, tässä tapauksessa alfat.

Ionisoivaan säteilyyn liittyviä simulaatiotehtäviä olin jo aiemmin teettänyt Pelistrategiat ja looginen päättely -nimisellä matlu-valinnaisainetoteutuksella. Säteilyyn liittyvät loogisen päättelyn harjoitukset ovat mielenkiintoisia ja käytännönläheisiä. Sellaisia voi kehittää sadan euron budjetin sumukammiolla siinä missä huomattavasti kalliimmilla geigerlaskurilla ja kaupallisilla säteilylähteillä. Säteilyn visualisointi ei ole koskaan itsestään selvyys vaan avartaa näkemyksiä ja laajentaa osaamista jopa tutkijalla, joka on mitannut säteilyä työkseen. Periaatteessa myös sumukammioon voisi liittää elektrometrin säteilyn määrän mittaamiseksi. Silloin korkeajännitesysteemi olisi rakennettava huolellisemmin – nyt rakensin sellaisen pikaisesti parin euron sähkökärpäslätkän osista. Korkeajännite tarvitaan, jotta sumuvanat vedetään levyn pintaan, jossa ne näkyvät. Simppeli säteilymittari olisi myös sellainen, jossa fotodiodin/fototransistorin linssiä hiotaan varovasti ilmaisimen pintaa lähelle – tällaisen mittarin rakentaminen voisi onnistua oppilastyönä esimerkiksi Virtapiirit ja robotiikka -nimisellä valinnaisainetoteutuksella.

Sumukammiota testasin aluksi ionisoivan palovaroittimen (vapaarajan alittavalla 40 kBq) Am-241 lähteellä – yksi säteilymittari piti siis rikkoa, jotta toista pääsi testaamaan. Finaaliset testit tein torioidun tig-hitsauspuikon palasella, josta voidaan havaita sekä toriumin että radonin emittoimia alfoja. Autoalan hitsaustöissäkin käytettävää tig-hitsauspuikkoa voidaan kutsua emanaatiolähteeksi, koska alfoja saadaan paitsi lähteestä myös lähteen ulkopuolelta kaasumaisen radonin emanaation johdosta. Torioitujen tig-elektrodien pitäminen haalarien rintataskussa voikin teoriassa kasvattaa hitsaajan keuhkosyöpäriskiä.

Sulamaton volframielektrodi kuluu hitsatessa vain vähän eikä toisella kädellä syötettävässä täyteaineessa ole toriumia, jolloin hitsaustuotteeseen toriumia jää vähän. Hitsauskohteen mukaan elektrodin pää voidaan muotoilla sopivaan muotoon kynänteroittimen tapaisella teroituslaitteella eikä eri kohteita varten tarvita välttämättä sarjaa eripaksuisia elektrodeja. Seostamalla (sintraamalla) volframiin muutamia prosentteja toriumoksidia tig-hitsauksessa käytettävän elektrodin pintalämpötilaa saadaan pienennettyä, koska toriumilla on volframia alempi valosähköilmiön työfunktio. Terminen oksidaatio vähenee ja ruostumattoman teräksen hitsaustulokset paranevat. Tässä elektrodin seostamisen vaikutus ulottuu pintaan asti samalla tavalla kuin ruostumattoman teräksen seostamisen vaikutus ulottuu sen pintaan asti.

Hardy Simgenin (MPIK, TAUP 2023) kokouspaperissa [4] tutkitaan erilaisia pinnoitusmenetelmiä, joilla tig-elektrodin (tai muiden luonnonnuklideja sisältävien säteilylähteiden) radonemanaatiota voidaan vähentää. Esityksessä sanotaan mm. että torioitu tig-elektrodi on ensimmäinen metallinen emanaatiolähde. Tämä sanotaan todennäköisesti siksi, että tavoitellaan kokonaan uuden sukupolven emanaatiosupressoituja lähteitä, joissa emanaatio ei vääristä tavoiteltua toriumin (tai radiumin) tytärnuklidien teoreettista tasapainoa.

Tulokset

Kuvassa 3a näkyy yksi ja kuvassa 3b näkyy kaksi tig-elektrodin palan emittoiman alfahiukkasen jättämää sumuvanaa. Kuvat ovat pysäytyskuvia kännykkäkameralla (Samsung Galaxy J6, 13 MP kamera) kuvaamistani videoista. Sumuvana näkyy videolla kuin hidastettuna “valonsäteenä” ja kuvissa 3a-3b näkyvät säteet kulkivat kaikki oikealta vasemmalle. Sumuvana kehittyy hitaasti sen jälkeen kun 15 000 000 m/s kulkeva alfahiukkanen on jo mennyt. Ylikylläinen alkoholihöyry tiivistyy pieniksi pisaroiksi ja tiivistymisen nukleaatioytiminä toimivat alfan jälkeensä jättämät ionisaatiot.

Kuva 3. Tig-elektrodin pala sumukammiossa

Lähteestä ilmaan suuntautuvat alfat kulkevat suoraviivaisesti, mutta kuvassa 3b näkyvä oikeanpuoleinen alfa ei kulje suoraviivaisesti. Päättelin, että se on toriumin emanaatioradonin eli (vanhalta nimeltään) toronin emittoima alfa, joka siroaa ja muuttaa suuntaansa lähdesauvan pään ympäri. Mikäli emanaatiopartikkelien emittoimia alfoja havaitaan enemmän, niiden yksi tunnusmerkki on v-muotoinen sumuvana, koska hajoamisketjussa kahden alfan emission väli (Po-216:n elinikä) on vain 0,14 s. Yksittäinen emanaatioradon voi emittoida toisen alfansa suoraan ylös tai alas, jolloin se ei jätä näkyvää sumuvanaa. Kulkusuunta ja sironta paljastivat aukottomasti, että kuvan 3b toinen sumuvana lähtee lähdesauvan ulkopuolelta ja että sen emittoi siis Rn-220 (steppi 4 kuvassa 4).

Lähteen valmistus meni niin, että taivutin elektrodia, jolloin se katkesi ja siitä irtosi kuvissa tummana janana näkyvä sauva. Elektrodi saattoi murtua sintrauksen raerajaa pitkin ja sen seurauksena toriumin alfat lähtevät aivan lähteen pinnasta (levyn keskeltä reunaan on 2 cm). 5,5 MeV alfan kantama ilmassa on senttimetrejä. Se, että esimerkiksi palovaroitinlähteellä havaitaan mittauksissa vain noin 1 cm kantama, johtuu siitä, että lähteessä on ikkuna (samoin kuin ohutikkunaisessa geigerputkessa). Jokainen mikrometri ikkunaa/pinnoitetta syö alfan kantamaa n. 1 cm. (Tässä oletetaan, että pinnoitteen tiheys on n. 10 g/cm³.)

Johtopäätökset

Kuva 5. Palovaroittimen alfalähde sumukammiossa

Johtopäätösten teon aloitan esittämällä preliminääriset sumukammiokuvat Am-241 palovaroitinlähteestä. Kuvasin ne luokan SMART 330 -dokumenttikameralla, jossa on 1.3 MP kenno. Kuvissa näkyy sumukammion rakenteita, kuten muoviset eristysholkit, kiinnitysruuvit ja korkeajännitteen hauenleukana käyttämäni verhokoukku. Palovaroitinlähteestä saadaan jatkuva ilotulitus alfoja, mutta se ei anna oikeastaan mitään lisäarvoa verrattuna torioituun tig-elektrodiin, joka mahdollistaa luonnonnuklidin ja kokonaisen luonnollisen hajoamissarjan tutkimisen. Am-241 alfoista ei edes näy kuin pieni osa, nimittäin lähteen reunoista viistosti lähteviä alfoja. Tein sivuleikkureilla pienin vekin lähteenpitimen reunaan, jotta ylipäätään jotain näkyisi (lähde hieman kallellaan). Tilanne ei muutu, vaikka lähde olisi kyljellään. Kohtisuorassa lähteen pintaa vastaan lähteviä alfoja on oletettavasti niin paljon, ettei diffuusio ehdi kuljettaa uutta alkoholihöyryä tilalle sitä vauhtia kuin sitä häviää.

Torioidun tig-elektrodin palan tutkiminen oli huikea onnistuminen ja sillä on rajapinta autoalan teknisiin hitsaustöihin ruostumattoman teräksen osalta. Kehityshankkeena voisi olla mittausten ulottaminen uraaninäytteisiin, joita voi löytää esimerkiksi Helsingin Malmin kaupunginosassa sijaitsevista malmioista. Rapakivinäytteen sumukammiotutkimus voisi näyttää jopa ydinfission tuottaman sumuvanaparin, joka erottuu paksumpana alfojen sumuvanoista. Ennen mittausten aloittamista laskin lukiotason laskuna miten paljon alfoja olisi odotettavissa elektrodin palasta. Yksityiskohtaisempi lasku esitetään viitteessä [5] ja fysiikkaan orientoitunut lukija voi käydä sen sieltä läpi. Totean vain, että päädyin likimain samaan tulokseen (muutamia hajoamisia minuutissa), vaikka oletin metallisen toriumin enkä laskenut geometrista tekijää integroimalla. Viitteessä [5] esitetään lisäksi kuvaaja siitä, miten Th-232 saavuttaa aluksi (kuukausien aikaskaalassa) väliaikaisen tasapainon tytärnuklidinsa Th-228 kanssa ja myöhemmin (vuosien ja vuosikymmenten aikaskaalassa) pysyvän tasapainon kaikkien tytärnuklidiensa kanssa. Oleellinen tieto tässä kuvaajassa on se, että Rn-220 emanaatioita on mahdollista havaita kaiken ikäisissä elektrodeissa. Muutama hyvä hajoaminen minuutissa on riittävä frekvenssi, jos sumukammion toiminta mahdollistaa esim. 30 s mittaukset/videot.

Kuva 6. Makro-objektiivin vaikutus kännykkäkameran kuvaan

Kuvassa 6 esitän vielä parannuksen rakentamani sumukammion kuvantamiseen. Tein saksilla reikää kammion yläosassa näkyvään korkeajännite-elektrodiin (sähkökärpäslätkästä otettuun metalliverkkoon), jolloin tapahtumia voidaan kuvata ylhäältä päin. Oikeanpuoleinen kuva on otettu kompassisuurennuslasin läpi, joka toimii kännykkäkameran makro-objektiivina parantaen automaattitarkennuksen osuvuutta. Seuraavana kehityshankkeena olisi lisäksi kuvantamisen automatisointi käyttäen Kaskolta tähän tarkoitukseen saamaani Raspberry Pi4:n 8 MP kameramoduulia, jolloin peliin mukaan tulee vielä ohjelmointiakin!