Главная Каталог товаров Форум Галерея Новости Статьи Чат FAQ Контакты

Статьи и обзоры

25 апреля 2007

Радиоактивная картонка низкого разрешения.

Генри Шеппард

"Тяжелая физика", которая связана в первую очередь с легкими частицами, как правило вызывает отнюдь не легкую оторопь у новичка. Загадочные названия, неудобоваримые правила сведения формул и совершенно ненормальные прилагательные сбивают с толку даже самых стойких. Последний фактор, кажется, пугает больше всего: описывать очередную частицу как "красивую", "очаровательную" или "очарованную" - выше понимания среднестатистического человека. Но это еще мелочи с полувековыми попытками признания своего гения каждым физиком. Планк добился уважения только в предпенсионном возрасте, когда слава уже не радует. Супруги Кюри наверняка стонали под гнетом счетов от врача, который хоть и не знал ничего об облучении, но деньги несомненно любил. Известный каждому школьнику Резерфорд успел воспитать более полусотни учеников, но где теперь они - ау! Их имена знают только посвященные. Вас это может впечатлить, а вот меня - нет. Проблема всех этих несомненно гениальных ученых заключается в полном непонимании основ менеджмента. Какая может быть польза от тяжелой формы лейкемии или других последствий облучения? В лучшем случае чисто медицинская и иногда политико-демографическая, но это уже входит в область преступлений против человечества.

Нас же интересует практическое применение радиации. Вы не "очитались": на самом деле радиация страшна только в газетных заметках или на территории ядерных полигонов, где она заботливо культивируется. Но студентов, будущих талантливых членов общества, совершенно бессовестно заставляют с ней сталкиваться.

Например вторая или третья классическая лабораторная работа для первокурсников на всех факультетах ФизТеха связана с подсчитыванием "космических" alpha-частиц. Дикость этих мероприятий можно описать парой слов: на протяжении 2-3х часов проведения этой экзекуции лабораторный зал оглашается звуками "мяу", "гав", и "ку-ка-ре-ку!". На самом деле радиация здесь ни при чем - уставшие студенты быстро делились на пары: при отлове очередной заблудшей частицы первый студент тут же озвучивал это событие мяуканьем или кукареканьем, чтобы второй мог поставить очередную галочку, не отрываясь от кроссворда. Данные сохранены с точностью до долей секунды, преподаватель рад четко рассчитанной работе, а студент после эйфории от первой сданной "лабы" начинает ломать голову о том, а зачем это было нужно?!

Классический антураж лаборатории ФизТеха. Лазерная установка (черная трубка справа) мирно соседствует со страшными плакатами и дипломами прошлого тысячелетия. На самом деле лазеру тоже наберется два десятка лет, если не больше.

Многоцелевой блок питания для подкачки. Такой аппарат с некоторыми оговорками "потянет" небольшой беватрон.

 

 



На самом деле никакой пользы из этой процедуры я не вынес. Как студент я понял, что посещение лабораторных работ чревато скукой, а непосещение - проблемами с деканатом, но все же технические возможности лаборатории щекотали нервы. Попытка устроиться охранником на полставки увенчалась успехом и дала возможность поподробнее поковыряться в технике 70х годов. Первое впечатление: непревзойденный шедевр гигантизма! Второе - а что с этим делать? Третье - а почему это еще и так дорого и секретно?

Однако один раз мне удалось добиться если не настоящего Джа, то хотя бы некоторого просветления: альфа-частицы хоть и негде приложить в быту в изначальном виде, но они все же являются источником энергии, пусть очень малой. Немного ночной возни со страшилами-агрегатами без преподавателя над душой подтвердили жизнеспособность некоторых моих глупостей.

Джа

В первую очередь для нашего полурелигиозного экстаза потребуется источник радиации. В нашем случае самый простой способ не попасться на краже плутония - обойтись старыми стеклянными "флуоресцентными" фигурками, которые очень часто оккупируют бабушкины серванты. Еще очень помогают командирские часы старой закалки со светящимся циферблатом. Оба варианта обеспечили меня одним из неопасных изотопов радия, который довольно щедро добавляли в подобную бижутерию. Отличить радиоактивную безделушку от люминесцентной можно и без счетчика Гейгера: достаточно поместить испытуемый предмет в темное место на ночь. Настоящий люминофор, который содержится в более современных поделках, перестает светиться через 3-7 часов, после чего его необходимо "подзаряжать" на свету. Никакой радиацией тут и не пахнет. Радий же будет дружелюбно пощелкивать счетчиком еще полсотни лет. Испытывать панический ужас перед излучением не стоит, ведь это альфа-радация, к тому же настолько слабая, что она полностью экранируется стеклянной дверцей того же серванта или крышкой на часах.

Будем считать, что немного радиации мы добыли, не преступая закон, теперь перейдем ко второй фазе, возможно чреватой административной ответственностью. Необходимо добыть люминофор. Бабушкины серванты с более современными сувенирами тут врядли помогут, так как нам нужно много рабочего вещества (Раскольников - не наш герой) - в сотни раз больше, чем можно добыть из светящихся фигурок. Придется воровать дорожные знаки!

Отличный, явно новый знак. Фары автомобиля освещают его примерно с пятидесяти метров, однако даже рассеянное излучение "слепит" объектив Ассистентка лезет на столб, чтобы откусить садовыми ножницами кусок знака. Сам я уголовщину стараюсь избегать.

 

 



Обычно дорожные указатели покрывают белой "отражающей" краской, которая на самом деле является коротковременным люминофором, а не "отражателем". Принцип эффекта люминисценции довольно прост: кванты света или излучения поглощаются веществом, точнее световая энергия поднимает электроны на более высокоэнергетические орбитали атомов (я намеренно упрощаю описание процесса, так как он нас не слишком интересует). В подавляющем большинстве случаев энергии квантов света не хватает для "подкачки" атомарных электронов, к тому же не каждый атом имеет разные уровни орбиталей с небольшой разницей в энергии. Даже если сие знаменательное событие произошло наперекор всему, то эта неустойчивая позиция тут же разрушается - электрон возвращается на внутреннюю орбиту, а высвободившаяся энергия излучается в виде кванта света. Столько всего произошло, а результат нулевой...

В свою очередь люминофоры состоят из веществ с подходящими нам свойствами, то есть могут удерживать электрон на высшей орбите некоторое время, что позволяет им накапливать световую энергию, а потом постепенно излучать ее, самостоятельно светясь. Чтобы добиться долгого и яркого свечения необходимо готовить люминофор c учетом определенных жестких условий. Например его можно приготовить из оксида цинка с чистотой максимум в 0,01 процента примесей, а легирующие добавки в виде солей серебра, марганца или золота должны добавляться в точно отмеренных микроскопических объемах, причем даже точное соблюдение пропорций и чистоты не гарантирует приемлемый результат, так как подготовленную смесь нужно выдерживать в строго заданном температурном диапазоне в 700-750 градусов в течении нескольких часов!

Как видите, кристально честный способ производства в домашних условиях нереализуем, поэтому мы и возвращаемся к дорожным знакам. Люминофорная краска, которой прорисовывают стрелки и буквы, является "короткоживущей", а потому недорогой. Время послесвечения измеряется сотыми долями секунды, зато все мы видим, как ярко эта краска "отражает" свет фар ночью. Однако тот, кто хоть мельком знаком с принципом работы подкачки в самых простых лазерах, легко поймет, куда я сейчас клоню. Увеличить время послесвечения люминофора очень трудно, но ведь пока фары автомобиля освещают знак, отраженный свет радует взор автомобилиста. Заменим постоянное видимое излучение фар невидимым диапазоном, который будет постоянно подзаряжать наш люминофор. Сразу же на ум приходит тепловое, то есть инфракрасное излучение, но люминофоры имеют одно неприятное свойство: они выдают свечение с большей длиной волны, чем "исходный" свет. Нам нужно более жесткое излучение, именно поэтому придется грабить серванты ближайших родственников. Радий выдает, конечно, не квантовую gamma-радиацию, но излучаемые тяжелые альфа-частицы при столкновении с довольно частыми примесными тяжелыми атомами в люминофоре выделяют достаточно энергии. Если смешать наш недолюминофор и радиевую соль, то мы получим источник света с внутренней подкачкой! Радий "светит" десятилетиями, так что наш люминофор будет светиться в видимом диапозоне столько же. Более того, представьте, сколько бы потребовалось энергии для калорифера в качестве подкачки, если все же попытаться воспользоваться инфракрасным спектром - этот способ абсолютно нерационален!

Ближе к реализму.

Признаюсь, что в подвал с лабораториями я забрался только потому, что не был уверен, что мои соседи вынесут жестокий запах хлорида водорода.

 

 



Краску с дорожного указателя нужно аккуратно снять шкуркой-нулевкой, стараясь не соскрести металлическую основу знака. Чем меньше будет примесей, тем лучше. Светящуюся фигурку с радием лучше подобрать пластмассовую, но стеклянная тоже сойдет. Из пластиковой основы можно легко вытянуть соли радия любой кислотой (хоть соляной или уксусом), в то время как со стеклом придется повозиться: мало того, что придется толочь стекло до состояния пыли, так еще и оксид кремния, из которого стекло собственно и состоит, обязательно попадет в результирующую смесь в виде примеси и будет задерживать большую часть радиации. Нам это ни к чему - пластик легко натереть даже на терке. Если в наличии имеются только стеклянные фигурки, то можно попытаться найти плавиковую или ортофосфорную кислоты. Первая достаточно быстро "разъедает" стекло, и мы в результате получаем фторид радия. Ортофосфорная кислота "разъедает" стекло очень медленно. Проблема с плавиковой кислотой заключается в том, что это весьма агрессивная вещь, к тому же придется использовать пластиковую посуду, да и вообще хорошо бы иметь практический опыт хотя бы в аналитической химии - рассчитывать и даже титровать придется много. Ортофосфорная кислота не так опасна, поэтому не требует особых знаний, но как и плавиковую ее проблематично достать.

36% HCL даже в полуметре нюхать не хочется, поэтому для начала я разбавлю ее. Старая привычка обращения с серной кислотой превратилась в мнительность - я лью кислоту в воду, а не наоборот.

Теперь выливаем раствор кислоты в колбу с бывшим украшением бабушкиного серванта и...

... прячемся за всеми мыслимыми средствами индивидуальной защиты. Руки защищать необязательно, так как раствор соляной кислоты им повредить серьезно не может (вообще 10% HCl содержится даже в желудке человека), но глаза защитить необходимо. В моем случае фигурка содержала металлические вставки - реакция была бурной.

 

 



С пластиковой фигуркой процедура попроще: достаточно ее растолочь, натереть в стружку или в пыль (в зависимости от пластика), после чего залить соляной кислотой. Весьма злой 30% раствор HCl за несколько минут вытянет хлорид радия. Соляная кислота не является стратегическим веществом, поэтому ее нетрудно найти в хозяйственных магазинах. Главное ее преимущество заключается в том, что кислота представляет собою раствор газа HCL в воде. Полученный после реакции раствор достаточно медленно выпарить - вода и возможные остатки HCL просто выпарятся. Но необходимо соблюдать осторожность с парами HCL, так как они очень едкие и ненамного отличаются по физиологическому действию от чистого хлора, зарекомендовавшего себя как неплохое боевое отравляющее вещество во время первой Мировой войны. Проще всего провести процедуру выпаривания на открытом воздухе. Стоит отойти на пару метров, пока вся жидкость не выкипет, так как запах выделяющегося HCl быстро испортит настроение. Его концентрация абсолютно неопасна, но несколько очень неприятных минут для слишком любопытных будут обеспечены. Я же использовал химический респиратор и защитные очки при открытых окнах. Холодно, но мне не привыкать.

При добавлении воды заметны мелкие пузырьки - не все выпарилось, хотя я просто поосторожничал, боясь того, что мой толстостенный тигль не выдержит неуправляемой температуры пламени. Лучше промыть лишний раз, чем лишиться результата двухчасовой возни

А вот и то, ради чего мы испортили фигурку и часы. Где-то в этих солях содержатся соли радия. Знать их концентрацию нет необходимости - чистота реактивов нас мало интересует.

 

 



Полученную солевую выпарку растворяем в теплой воде и смешиваем со соскобленной краской-люминофором. На дне соберется нерастворимый осадок, который нужно хорошенько переболтать, чтобы раствор с солями попал даже в самые мелкие поры осадка-люминофора. После этого раствор снова выпариваем, причем теперь особых мер безопасности не потребуются. Полученную белую массу крошим, растирая смесь в пыль. Экономить время на этой процедуре не стоит: от нее будет зависеть равномерность свечения.

Обычную свечку без красителей крошим и избавляемся от фитиля. Это, конечно, не категория Ч.Д.А., но наш эксперимент и так больше похож на шаманство, чем на современный опыт с чистыми реактивами.

Медная проволока от силового кабеля легко образует удобный захват.

плавим парафин и доводим до кипения, после чего сбавляем огонь. На медленном огне примеси воды испарятся, а "мусор" либо осядет, либо всплывет. Охлаждаем и срезаем верхнюю и нижнюю части застывшей формы с примесями. Чем больше будет повторена эта процедура (которую можно сравнить с "зонной плавкой"), чем чище и равномернее будет свечение.

 

 



Теперь можно позаботиться о вяжущем веществе. Обычно в его качестве выступает парафин, но, после того как вы размешаете нашу смесь в расплавленном парафине, попробуйте размазать полученный брикет по максимально большой поверхности - площадь покрытия получится минимальной. Хотя карандаш из такого парафина - отличная вещь. Для равномерного покрытия светящимся составом больших поверхностей удобнее превратить наш порошок в краску, для чего его нужно безжалостно высыпать в банку с белой гуашью (белый цвет краски достигается при помощи оксида цинка, а ведь это основа люминофоров - два зайца просто расстреляны из пулемета!).

В кипящий чистый парафин кидаем предварительно растертую смесь люминофора и солей радия и хорошо размешиваем. Если парафин успеет загустеть, то нужно разогреть его - температура плавления и даже кипения парафина в разы меньше "проблемной" для люминофора температуры.

Теперь выливаем взвесь люминофора в парафине на лист бумаги. Можно просто дать остыть парафину в форме, чтобы потом пользоваться им как карандашом.

 

 



Теперь можно творить. Любой белый лист ватмана с пористой структурой нужно покрыть парой слоев нашей краски или натереть куском парафина с люминофором, собрать пару десятков таких листов и обклеить ими потолок. Свечения этой конструкции должно хватить вам на 20-30 лет, так что о ночных кошмарах и монстрах в темных углах можно забыть. Интенсивность излучения очень мала в двух смыслах: как в видимом диапазоне, так и с точки зрения радиационной безопасности.

Это - наш лист бумаги, покрытый примерно миллиметровым слоем нашего чудо-парафина, при электрическом свете

А это - тот же лист бумаги через три дня "выдержки" в абсолютно темном помещении. Отлично светится. Фотоаппарат даже отметил, что клейкая лента, которой закреплен лист, задерживает заметную часть излучения (это связано не с задержкой видимого диапазона, а с тем, что часть поверхности взвешенного люминофора под пленкой "недополучает" энергии от частиц.

 

 


Днем покрашенная люминофором бумага будет выглядеть как обычный, причем очень аккуратный и добротный, мелованный потолок, а свечение будет заметно только в темное время суток, хотя его будет достаточно, чтобы легко распознавать предметы в комнате и даже читать. Счетчик Гейгера перестает регистрировать хоть что-нибудь уже на расстоянии полуметра от потолка, но особенно мнительные граждане могут прикрыть потолочную бумагу слоем прозрачного пластика. К зеленому свечению в стиле злых алиенов с Марса вы быстро привыкнете.

Последняя проверка на безопасность, чтобы успокоить ваших родственников. Портативный счетчик на расстоянии 15 см оценивает уровень радиации как безопасный. Он немного превышен на 0.375 относительно естественного фона, но на расстоянии 20 см фон гарантированно будет естественным.

 

 



Антиглобалистская визуализация

Размалевать потолок зелеными разводами - невелика заслуга. Этим развлекаются толпы бездельников школьного возраста, иногда даже выказывая некоторый художественныв вкус, несмотря на заборность своей графики. Но я был бы не я, если бы остановился на банальной мазне и не попытался в очередной раз разоблачить непомерную жадность и лень производителей компьютерной техники.

На этот раз мы убедимся, что траты японцев на разработку тонких гибких жидкокристаллических панелей являются банальным надувательством и раздуванием фондов. После успешного завершения опытов я из любопытства пошуровал в старом архиве пресс-материалов, которые мне присылали из лаборатории Токийского технического Университета. Исследователи получали от отечественных и корейских корпораций очень немалые гранты на разработку гибких ЖК экранов - общая сумма на состояние 2002го года достигла астрономической сыммы в 25 млрд иен, что составляет около 220 млн долларов США. Нули замучаешься выписывать! Судя по всему каких-то серьезных сдвигов за последние три года не наблюдается. Наверняка еще десяток миллиардов японских рублей было потрачено на бесполезные изыскания, когда мне достаточно было двух недель и суммы, эквивалентной кружке хорошего пива.

Совершенно случайно на глаза мне попалась небольшая статейка про создание экономических промышленных осветительных приборов. В этот класс входят не только разнообразные лампы, но и индикаторы, которые должны работать в агрессивных средал или просто неудобных для обслуживания местах. В частности статья мелком упомянула, что в аэропорту Хитроу начали испытывать ночную разметку на базе краски, которая светится при наличии разницы потенциалов. Простота и изящество идеи отлично пересекаются с моей светящейся краской. В статье упоминалось, что основа для разметки тоже представляла собою достаточно простой люминофор с очень небольшой примесью растворимых солей слаборадиоактивных металлов. В качестве связующего вещества использовался прозрачный пластик с гелевой основой внутри, роль которого в моем опыте выполняет парафин.

Несложно догадаться, что растворимость соли и гель требуется для того, чтобы небольшая диссоциация позволяла обеспечить слабый ток при наличии разности потенциалов. В моем случае задача облегчается тем, что хлориды большинства металлов сами по себе гигроскопичны, так что даже несмотря на парафин диссоциация будет иметь место (обычный свечной парафин не является смесью чистых предельных парафинов, а содержит не только влагу, но и кучу примесей в виде альдегидов или хотя бы углеводородов с двойными связями - все это позволяет удерживать в веществе до полупроцента влаги).

Первый же опыт с куском ватмана, пальчиковой батарейкой и парой проводов показал, что яркость свечения незначительно увеличивается . Чтобы увеличить количество влаги в своей "краске" я добавил немного поваренной соли и сахара в расплав парафина. Хлорид натрия увеличит проводимость за счет увеличения ионов, а сахар отличается потрясающей гигроскопичностью: попробуйте оставить сахарницу открытой - кристаллы слипнутся, а через неделю могут вообще превратиться в стеклообразную патоку. Теперь свечение отлично заметно даже при электрическом освещении.

Свечение заметно даже при электрическом освещении, хотя еще недостаточно яркое. Это один из промежуточных опытов, когда в парафин не была добавлена сахарная пудра.

 

 



Дальше - дело техники. Разлиновываю ватман, капаю в клетки по капле парафина с люминофором, подвожу к каждой пару проводов по принципу светодиодных панелей, а затем жгут выводов подвожу к простейшему контроллеру. Большинство контроллеров используют рабочее напряжение в пределах от 1,5 до 5 Вольт, чего за глаза хватает нашему детищу. В результате получаем монитор-индикатор с копеечным разрешением, который можно мять, крутить, запитывать прямо от контроллера и вообще собирать за пару часов в полевых условиях. Пористость ватмана позволяет провести некоторые косметические изменения. Например я закапывал клетки в теплой духовке, чтобы парафин быстро пропитал ватман насквозь: это позволило подвести провода к одной стороне листа, а наблюдать свечение с другой - маленькая косметическая правка позволила сделать удобный индикатор.

Состав "люминофора" доведен до ума. Испытания проходят при помощи контроллера, который я использовал в одном из прошлых "Лабораторий". Это довольно сложное устройство, поэтому я продолжил упрощать идею.

 

 



Однако даже ужасающие величины dpi трудно назвать недостатком - из нескольких таких лисиов можно составлять большие индикаторные панели. Единственным серьезным недостатком можно считать только монохромность, хотя еще совсем недавно монохромные Palm'ы были популярны. Сложность создания цветных панелей заключается в том, что придется повозиться с контроллерами и их программированием (потребуется по одному на каждый из компонентов R, G и B), а также в поиске легирующих примесей, которые дадут необходимые синий и крассный оттенки свечения. Например найти соли кобальта, кадмия или осмия в нашем насквозь антитеррористическом мире стало в десятки раз сложнее, чем каких-то пять лет назад.

Чудо сэра Синклера отличается простотой и легкостью программирования. Управление самодельной символьной таблицей, пайка выводов и подключение к шине данных - два дня. На "мониторе" отлично различаются надписи "ТЕСТ" и "Z80".

...



Чтобы окончательно довести идею до абсурда я использовал в качестве контроллера легендарное чудовище Z80, для которого не паял контроллеры только ленивый. Простое программирование, огромное количество схем и возможность делать отводы прямо от шины данных позволяют собрать "моноблок" минимальными силами. Как видите, хоть шедевра не получилось, но теперь я могу чувствовать себя круче создателя первого Apple: я не только сам спаял "Синклер", но и собрал к нему монитор.

Мнение авторов статьи может не совпадать с мнением OOO КолорКрафт

 К анонсам статей >>