Teleskop z liczników Geigera- Mullera do pomiarów promieniowania kosmicznego

Wspomnienia z młodości

Czyli jak zbudowałam teleskop z liczników Geigera- Mullera do pomiarów promieniowania kosmicznego

W roku 2001 rozpoczęły się przygotowania prowadzone w ramach łódzkiego międzyszkolnego naukowego projektu im. Rolanda Maze. Projekt ten dotyczył pomiarów promieniowania kosmicznego, czyli takiego, które dociera do nas z kosmosu, w skład którego wchodzą różne cząstki elementarne o wysokiej przenikliwości iznacznych energiach. Energie tych niezwykłych molekuł są zadziwiająco wysokie i w górnych krańcach widma energetycznego osiągają wartości nawet 10²⁰ eV (elektronowoltów). Są blisko sto milionów razy wyższe od tych, które są generowane w laboratoriach badawczych. Ale spora część docierających do nas cząstek osiąga nieco niższe energie, porównywalne do tych otrzymywanych w laboratoriach. Strumień wysokoenergetycznych cząstek promieniowania kosmicznego jest mały w porównaniu ze strumieniem reszty cząstek niżej energetycznych.

Cząstka elementarna pochodzenia kosmicznego, o bardzo wysokiej energii uderzając w atom tworzący atmosferę ziemską wyzwala swego rodzaju deszcz cząstek wtórnych, nazywany pękiem atmosferycznym. Wielkie pęki promieniowania kosmicznego składają się przede wszystkim z pozytonów, elektronów, fotonów oraz mionów. Czyli nie tylko z cząstek o naturze korpuskularnej (czyli materialnej), ale także falowej (fale elektromagnetyczne o wysokiej energii).

Promieniowanie kosmiczne można rejestrować przy pomocy różnych przyrządów pomiarowych. Dokładna analiza pod kątem czasu dojścia wiązki do poszczególnych detektorów (rozmieszczonych na dużym obszarze) informuje o kierunku na sferze niebieskiej, z jakiego nadeszła pierwotna cząstka. Można analizować gęstość wielkich pęków, ich intensywność i energię drobin wtórnych, a także zależność od np. aktywności słonecznej w danym czasie.

To promieniowanie, które dociera do Ziemi w postaci wielkich pęków to jedynie rezultat oddziaływań promieniowania kosmicznego z materią atmosfery. Niekiedy z tego właśnie powodu nazywane jest wtórnym promieniowaniem kosmicznym. Jego energia jest sporo niższa od macierzystego. I bardzo dobrze- gdyż w przeciwnym razie mogłoby ono mieć zgubny wpływ na organizmy żywe. Przed szkodliwym, nadmiernym wpływem promieniowania kosmicznego chroni nas ziemska atmosfera. Wtórne promieniowanie kosmiczne wraz z promieniowaniem radioizotopów zawartych w skorupie ziemskiej współtworzą tzw. promieniowanie tła- stale nam towarzyszący poziom naturalnego promieniowania.

W pomiary promieniowania kosmicznego zaangażowanych było wiele poważnych naukowych projektów (m.inn. AGASA, SUGAR czy Haverah Park). Ale również nasz międzyszkolny projekt Maze (od nazwiska współodkrywcy wielkich pęków atmosferycznych- Rolanda Maze). Na budynkach szkół, które wyraziły chęć uczestnictwa, zamontowane zostały detektory promieniowania kosmicznego, a także inne urządzenia pomiarowe, dzięki którym sygnały pochodzące od wielkich pęków były rejestrowane i przesyłane do komputerów, a następnie analizowane (również pod kątem aktualnej aktywności słonecznej).

Mój udział w projekcie zaczął się jesienią 2004 roku, na początku mojej nauki w liceum. Jako uczennica I klasy w II LO w Łodzi dołączyłam do istniejącego już, dwuosobowego zespołu badawczego, składającego się z uczniów klasy maturalnej. W każdą sobotę spotykaliśmy się w IPJ-cie (Instytucie Problemów Jądrowych), gdzie pod nadzorem prof. Tadeusza Wibiga oraz dr Jacka Szabelskiego wykonywaliśmy jeden z detektorów. Miałam wtedy okazję poznać budowę oraz zasadę działania tzw. mionowego teleskopu z liczników Geigera- Mullera. W latach 2004- 2005 obserwowałam pracę starszych kolegów, pomagałam w drobnych czynnościach i uczyłam się nowych zagadnień. Największą nowością była dla mnie ważna gałąź fizyki: elektryka i elektronika. Temat stanowił dla mnie całkowitą nowość i spore wyzwanie. Nauczyłam się odczytywać schematy elektryczne, przekształcać je w schematy montażowe oraz wykonywać tzw. płytki elektroniczne, będące odwzorowaniem schematu wcześniej zapisanego na kartce. Z sentymentem wspominam sam proces powstawania płytek. Ileż to razy, parę godzin lutowane elementy elektroniczne: diody, rezystory i układy scalone, odpadały po jednym niezbyt solidnym uderzeniu płytką o kant ławki, kiedy to profesor sprawdzał, czy wszystko aby na pewno dobrze się trzyma. No tak- jak wówczas nas zapewniał: lepiej teraz, niż za kilka miesięcy, po zmontowaniu wszystkich wykonanych płytek w obudowie teleskopu…

Po pierwszych zajęciach w IPJ czułam niemały podziw. Podziw przede wszystkim wobec osiągnięć moich kolegów, pomyślałam, że też tak chcę. Nigdy nie zapomnę, gdy emalią rysowałam ścieżki na pytce pokrytej miedzią („laminacie”) – mój pierwszy schemat montażowy. A potem wytrawiałam niezamalowane obszary w roztworze chlorku żelaza. Nie ukrywam, że to wytrawianie było wówczas jedynym dobrze zrozumiałym dla mnie (jako chemika) elementem pracy. Z czasem zaczęłam rozumieć też to, co zapisuję, samodzielnie działać i pomagać w pracach przygotowawczych. W 2005r., kiedy moi zespołowi koledzy napisali egzamin maturalny i opuścili liceum, musiałam przejąć obowiązki lidera. W roku 2006, nieco bogatsza o wiedze i doświadczenie podjęłam decyzję o samodzielnej budowie drugiego teleskopu mionowego. W trakcie prac zostały mi przydzielone dwie osoby z pierwszych klas liceum, wraz z którymi kontynuowałam prace. Bez ich wsparcia i można by rzecz komplementarnych umiejętności (np. radzenie sobie z oprogramowaniem i innymi komputerowymi zagadnieniami) ukończenie budowy drugiego urządzenia byłoby wg mnie wątpliwe.

Szklane rury są wewnątrz wypełnione gazem szlachetnym (w tym przypadku argonem). Projekt przewidywał wykonanie aparatury o trzech takich rurkach, ustawionych równolegle względem siebie („jedna pod drugą”) w odstępach ok. 10 cm i zamontowanych w drewnianej obudowie. Wewnątrz rur znajdował się drut pod napięciem blisko 1500V. Cząstki wtórnego promieniowania kosmicznego, jako bardzo przenikliwe, przychodzą do nas z góry i przenikają przez wszystkie trzy lampy licznika jednocześnie. I przy tym jonizują zawarty w nich gaz szlachetny. Układ posiada trzy (a nie jedną) lampę GM, aby zapobiec przypadkowym zliczeniom (np. z innych źródeł promieniowania). Tylko promieniowanie kosmiczne jest na tyle przenikliwe i pada pionowo z góry, że jest w stanie przeniknąć potrójny układ jednocześnie (w małym ułamku sekundy). Powstały impuls elektryczny zostaje następnie uformowany i przesłany do tzw. układu koincydencyjnego. Koincydencja- to znaczy równoczesność. Specjalnie zaprojektowana płytka elektroniczna (zawierająca trzy połączone ze sobą układy scalone) miała za zadanie „przepuścić dalej”, odnotować wyłącznie te impulsy, które powstały jednocześnie na trzech lampach GM. Ilość zliczeń była widoczna na liczniku oraz poprzez interfejs przesyłana do komputera (w celu zapisu danych na dysku- do dalszych analiz). Jak już wspomniałam, teleskop z liczników GM był zasilany wysokim napięciem. Źródłem tego napięcia były połączone ze sobą: generator impulsów, transformator i powielacz napięcia. Generator był budowany przez nas, w oparciu o układ scalony NE555. Użyliśmy transformatora, który został wymontowany z telewizora znalezionego przy śmietniku.

W 2004 rozpoczęła się moja przygoda z prelekcjami. W ramach projektu Maze, IPJ zorganizował siedem tzw. sesji naukowych poświęconych projektowi. Byłam na wszystkich konferencjach. Również na ostatniej w 2008, kiedy byłam już w trakcie studiów. Podczas spotkań prezentowaliśmy nasze dotychczasowe osiągnięcia uczniom z różnych szkół.

Niestety, sesja naukowa w 2008 roku okazała się być ostatnią. Z jakiego powodu? Nie wiem. Jedno natomiast mogę w tej kwestii powiedzieć: brałam udział w badaniach promieniowania kosmicznego, z pomocą profesorów z IPJ oraz starszych kolegów, a później również i sama miałam tą wspaniała okazję aby budować urządzenia pomiarowe. Widziałam i zapisywałam wyniki pomiarów, poddawałam je analizie i próbom interpretacji. Obserwowałam zależność intensywności promieniowania od aktywności słonecznej, a także zaczerpnęłam podstaw elektryki i elektroniki- także tej praktycznej.  Poznałam grono wspaniałych osób. Zdecydowanie było warto. Nigdy  tamtych chwil nie zapomnę.

108 views