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Misure con Webcam Particle Detector

particles

In questo post descriviamo le misure fatte  con una Webcam utilizzata come “Particle Detector” mediante l’applicazione “Theremino Particle Detector”.
Le misure sono state fatte collocando la sorgente a stretto contatto con la Webcam, la figura sotto presenta il tipico setup utilizzato.

MisuraSource

Sono state effettuate misurazioni sulle sorgenti più comuni :

  • Reticella toriata
  • Ceramiche con smalto all’uranio
  • Lancette con vernice al radio
  • Uraninite – 0,05 μCi
  • Isotopo Americio 241 – 0,9 μCi da sensore di fumo
  • Isotopo Cesio 137 – 0,25 μCi quantitativo esente da licenza
  • Isotopo Sodio 22 – 1 μCi quantitativo esente da licenza
  • Isotopo Stronzio 90 – 0,1 μCi quantitativo esente da licenza

sorgenti

Misure

Americio 241

L’americio è l’elemento chimico di numero atomico 95. Il suo simbolo è Am. L’americio è un elemento metallico sintetico della famiglia degli attinidi, ottenuto bombardando il plutonio con neutroni. Decade Alfa in Nettunio-237 con una vita media di circa 400 anni, nel suo decadimento emette anche radiazione gamma a 59keV e a circa 26keV.

Americio_1uC

Sorgente = Americio (241Am) 1μCi
Time = 3600s
Particles = 1211
CPS = 0,336
Il sensore CMOS non rileva le particella alfa, quindi i punti che si vedono nella immagine sono dovuti ai raggi gamma emessi dalla sorgente di americio da 1μCi oppure dagli elettroni secondari.

Cesio 137

cesiodecay

Cesio-137 è un isotopo radioattivo del cesio che si forma come uno dei più comuni prodotti di fissione dalla fissione nucleare dell’ uranio-235. Decade Beta nel Bario con una vita media di circa 30 anni. Gli elettroni vengono emessi con una energia massima di 512keV per il 94% e di 1,174MeV per il 5,4%, vi è poi un fotone gamma a 662keV.

Cesio137

cesioTraceSorgente = Cesio (137Cs) 0,25μCi
Time = 3600s
Particles = 1364
CPS = 0,379
Lunghezza Traccia = 20px * 6μm = 120 μm
Il sensore CMOS rileva principalmente la radiazione beta emessa dalla sorgente di Cesio. Nella figura a lato si vede l’immagine ingrandita della traccia di un elettrone.

Sodio 22

sodiodecay

L’isotopo Na-22 decade (nel 99.95% dei casi) con emivita di 2,6 anni, per emissione di positroni o cattura elettronica verso il primo stato eccitato del 22Ne a 1.274MeV (il quale successivamente si rilassa per emissione di fotone gamma). I positroni emessi dalla sorgente  hanno energia massima di 544keV e quando si annichilano producono due fotoni gamma da 511keV.

Sodio22

sodioTrace1

Sorgente = Sodio (22Na) 1μCi
Time = 3600s
Particles = 2376
CPS = 0,66
Lunghezza Traccia = 24px * 6μm = 144 μm
Il sensore CMOS rileva principalmente la radiazione beta (positroni) emessa dalla sorgente di Sodio. Nella figura a lato si vede l’immagine ingrandita della traccia di un positrone.

Stronzio 90

StrontiumDecay

Lo Stronzio-90 è un isotopo dello stronzio prodotto dalla fissione nucleare dell’uranio, avente un’emivita radioattiva di 28,8 anni. Va incontro a decadimento β− trasformandosi in ittrio-90 , con un’energia di decadimento di 0,546 MeV . Il decadimento beta dello stronzio 90 da luogo alla emissione di particelle beta con energia massima di 0,546MeV e di 2,28Mev.

Stronzio

stronzioTrace1

Sorgente = Stronzio (90Sr) 0,1μCi
Time = 3600s
Particles = 4971
CPS = 1,38
Lunghezza Traccia = 33px * 6μm = 198 μm
Il sensore CMOS rileva la radiazione beta emessa dalla sorgente di Stronzio.
Nella figura a lato si vede l’immagine ingrandita della traccia di un elettrone.

 

Decadimento Torio

Catena di decadimento del Torio 232 con indicazione dell’energia particelle alfa e particelle beta.

Th232

Decadimento Uranio

Catena di decadimento dell’Uranio 238 con indicazione dell’energia particelle alfa e particelle beta.

U238_decay_chain

Torio

Il torio è un elemento chimico con simbolo Th e numero atomico 90. Un metallo radioattivo della serie degli attinidi, il torio è uno dei soli tre elementi radioattivi presenti ancora in quantità significative in natura come elemento primordiale (gli altri due sono di bismuto e uranio). Il decadimento della catena del torio produce particelle alfa, particelle beta e radiazione gamma. In particolare le particelle beta emesse sono caratterizzate da energia abbastanza elevate.

torio

torioTrace1

Sorgente = Torio (reticella toriata)
Time = 3600s
Particles = 988
CPS = 0,274
Lunghezza Traccia = 26px * 6μm = 156 μm
Il sensore CMOS rileva la radiazione beta emessa dal decadimento del Torio. Nella figura a lato si vede l’immagine ingrandita della traccia di un elettrone.

Uranio – Uraninite

Uranio è un elemento chimico con simbolo U e numero atomico 92. È un metallo bianco-argenteo nella serie degli attinidi della tavola periodica. Un atomo di uranio ha 92 protoni e 92 elettroni, di cui 6 elettroni di valenza. L’uranio è debolmente radioattivo, perché tutti i suoi isotopi sono instabili (con emivita dei 6 isotopi noti, dall’uranio-233 all’uranio-238, che variano tra i 69 anni e 4,5 miliardi di anni). Gli isotopi più comuni dell’uranio sono uranio-238 (che ha 146 neutroni e rappresenta quasi il 99,3% dell’uranio presente in natura) e uranio-235 (che ha 143 neutroni, pari al 0,7% dell’elemento naturale).
Uraninite o Pechblenda è un minerale fortemente radioattivo, ed è una delle principali fonti naturali di uranio.

PB

uraniniteTrace1

Sorgente = Ossido di Uranio (Uraninite)
Time = 3600s
Particles = 1074
CPS = 0,298
Lunghezza Traccia = 40px * 6μm = 240 μm
Il sensore CMOS rileva la radiazione beta emessa dal decadimento dell’Uranio. Nella figura a lato si vede l’immagine ingrandita della traccia di un elettrone.

Uranio – FiestaWare

L’uranio veniva in passato utilizzato per dare un colore acceso agli smalti per ceramiche. L’uranio contenuto nello smalto ha la particolarità di essere stato raffinato, pertanto non contiene tutti i prodotti del decadimento a partire da radio fino al piombo e bismuto. Per questo motivo gli isotopi a partire da Radio in poi sono presenti solo in minima parte.

uranioFiesta

fiestaTrace

 

Sorgente = Smalto all’Uranio
Time = 3600s
Particles = 1116
CPS = 0,31
Lunghezza Traccia = 59px * 6μm = 354 μm
Il sensore CMOS rileva la radiazione beta emessa dal decadimento dell’Uranio. Nella figura a lato si vede l’immagine ingrandita della traccia di un elettrone.

Radio

Il radio è un elemento chimico con simbolo Ra e numero atomico 88. È il sesto elemento nel gruppo 2 della tavola periodica, noto anche come i metalli alcalino-terrosi. Il colore di radio puro è quasi bianco puro, ma si ossida facilmente se esposto all’aria e diventa di colore nero. Tutti gli isotopi del radio sono altamente radioattivi, l’isotopo più stabili è il radio-226, che ha un tempo di dimezzamento di 1600 anni e decade in radon.

radio

radioTrace1

Sorgente = Lancette con vernice al Radio
Time = 3600s
Particles = 4464
CPS = 1,24
Lunghezza Traccia = 56px * 6μm = 336 μm
Il sensore CMOS rileva la radiazione beta emessa dal decadimento del Radio. Nella figura sopra si vede l’immagine ingrandita della traccia di un elettrone.

Raggi Cosmici

Con il sensore a Webcam si possono effettuare rilevazioni di Muoni Cosmici. E’ sufficiente mettere il sensore in posizione orizzontale in modo da massimizzare la superficie “utile” ed effettuare esposizioni di molte ore. Le due immagini riportate sotto sono relative a due misurazioni :

Cosmici3

Cosmici2

Prima misurazione : 0,00156 CPS = 0,0939 CPM
Seconda misurazione : 0,00082 CPS = 0,0492 CPM

 Le due misure sono in buon accordo tra loro. Il flusso teorico per la superficie di 9,45 mm2, tenendo conto del fatto che il flusso è di 1 CPM per una superficie di 1cm2 , vale 0,0945 CPM. Le misure sono leggermente inferiori al valore “teorico” a causa del fatto che la superficie del sensore CMOS sensibile alle particelle è sensibilmente inferiore al valore “geometrico”.

Cascate Elettromagnetiche

Con il sensore a Webcam si possono effettuare misure sulle cascate elettromagnetiche generate in materiali ad alta densità, come il piombo. L’immagine sotto riporta il setup dell’esperienza : la webcam viene posizionata sotto ad uno spessore di piombo di circa 2cm. La componente “molle” dei raggi cosmici, interagendo con il piombo, genera particelle secondarie, elettroni e positroni, che vengono rilevate dalla webcam.

IMG_20160511_075229

CosmiciCascate

Time = 38540s
Particles = 192
CPS = 0,00498 – Superiore di un ordine di grandezza al valore che si ottiene senza lastra di piombo

Raggi X

Abbiamo utilizzato il sensore a Webcam per fare una prova con un generatore di raggi X a 15kV. Nella figura a lato si vede il dettaglio della Webcam posizionata di fronte alla finestra anteriore (in berillio) del tubo. La Webcam è sensibile, anche se con bassa efficienza, ai raggi X. Sotto si vede il dettaglio di alcuni pixel attivati da fotoni X. La luminosità dei pixel è bassa a causa della bassa energia dei fotoni X.

IMG_20160506_202002

detailX

 

 

 

 

 

Time = 84s
Particles = 557
CPS = 6,6
Nella immagine sopra dettaglio dei pixel attivati dalla emissione X.

Conclusioni

I test effettuati hanno dimostrato che una webcam commerciale può essere utilizzata come un semplice rilevatore di particelle “low cost”.

La sensibilità alle particelle alfa è però fortemente limitata dallo strato protettivo trasparente del sensore CMOS. Rimuovere questa protezione renderebbe la webcam sensibile anche alla radiazione alfa, si tratta però di una operazione difficile che facilmente porta alla rottura del sensore.

La webcam ha una buona sensibilità alla più penetrante radiazione beta, la stima della lunghezza delle tracce lasciate dagli elettroni, rilevati dal sensore, può dare indicazioni sulla energia delle particelle.

tabella

Dalla tabella sopra riportata si vede come il Cesio ed il Sodio che emettono elettroni beta con energia di circa 500 keV danno luogo a tracce sensibilmente più corte rispetto a Stronzio, Uranio, Radio che emettono elettroni beta con energie anche superiori ai 2-3MeV.
Naturalmente si tratta soltanto si stime puramente qualitative.

La webcam è sensibile anche alle particelle cosmiche come i muoni, la limitata superfice del sensore ne limita però molto la possibilità di utilizzo.

La sensibilità della webcam alla radiazione gamma è limitata, probabilmente a causa della piccola probabilità di interazione all’interno della zona sensibile del sensore CMOS. Prove sono state fatte sia con radiazione gamma a bassa energia (Americio 241) e sia con raggi X “molli” a 15keV.

Da una prima analisi sembra che il sensore CMOS risponda maggiormente a radiazione gamma di bassa energia (<100keV).

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