The Nuke Clock

Представляю Вам проект первых на планете ядерных часов на изотопе Америций-241.

У человечества уже достаточно разработано атомных часов, но я еще не встречал ядерных часов на Am-241, а значит пора-бы исправить этот маленький но очень досадный недочет! blush

 

Период полураспада Америция-241 составляет 432.6(6) лет, это означает, что за указанный срок активность его распада снизится на 50%. Не сложная математика показывает, что за 1 день изменение его активности составит  -4,391 ppm. Причем, как говорит современная физика — повлиять на скорость распада изотопа исключительно сложно. rtfm

Из этого вытекает тот факт, что если подсчитать количество распадов изотопа за несколько дней, количество распадов каждого последующего дня от дня предыдущего будет меньше на 4,391 ppm.

По сути, изменение активности в 4,391 ppm совсем не большое, и если преобразовать частоту распада во время (1/распад/сек), то можно получить по сути часы.Тут мне пришла мысль, исследовать применимость этого высоко-стабильного и предсказуемого процесса для создания часов. Естественно, распад атома это истинно случайный процесс, и предсказать возможно только вероятность распада атома за период времени, что и иллюстрирует понятие «полураспад». Но при взятии обратной функции от регистрации достаточно большого факта распадов за достаточно большой срок, можно с достаточно высокой точностью судить о том сколько времени прошло за время регистрации. Короче — получается эдакий сферически-вакуумныйядерный мат.статический конь. laugh

Подсчет количества распадов прямыми методами осуществить нельзя, но есть косвенные методы, основанные на регистрации частиц испускаемых изотопом в процессе распада.

Самое простое, что можно было-бы предположить — разместить изотоп напротив датчика СБМ-20, и подсчитать количество импульсов с датчика. Но к сожалению СБМ-20 очень чувствителен к гамма и бета излучению и будет регистрировать не только частицы испускаемые Америцием-241 но и естественный радиационный фон(ЕРФ).

Однако в моей лаборатории есть уникальный датчик Д2.5, который абсолютно не чувствителен ни к гамма ни к бета-излучению, а значит ЕРФ не будет влиять. А альфа-составляющую ЕРФ можно отсечь помещением детектора в металлический гермобокс.

Остается дело техники — собрать блок подсчета, состоящий из детектора, источника и предусилителя.

Поскольку существует множество влияющих на подсчет факторов, как-то:

  • Температурная зависимость детектора.
  • Зависимость питающего напряжения детектора от эффективности регистрации частиц.
  • Пробег альфа-частиц в воздухе.
  • Деградация детектора.
  • Температурная зависимость предусилителя.

Было решено построить стенд для сравнения физики с цезиевыми часами и максимально минимизировать нестабильности вносимые внешними блоками. Для этого была собрана установка состоящая из источника HIS-07, детектора Д2.5, предусилителя, блока питания, системы синхронизации по цезиевым часам, частотомера и логгера :

И был произведен замер. crazy

В мире мат.статистики есть хороший метод дядюшки Девида, названный в его честь — Дисперсия(девиация) Аллана разработанный для анализа стабильности частоты обусловленной шумовыми характеристиками. В данной задаче он, как ни что другое хорошо подходит, чтобы оценить эффект усреднения шума обусловленного тру-рандомным распределением фактов распада атомов во времени. rtfm

Поскольку мы живем в далеко не идеальном мире, по перегибам графика дисперсии Аллана можно оценить точки в которых начинают влиять те или иные факторы шумовых процессов. В данном случае первый перегиб графика дисперсии покажет когда шум обусловленный тру-рандомным распределением снизится на столько, что начнут влиять другие паразитные факторы и какой вообще стабильности можно достичь при каком времени измерения. Это позволит увидеть насколько блок детекции по своим шумовых характеристикам подходит для задачи.

Средняя выходная частота блока физики составила 234.4063Гц, однако по результатам анализа дисперсии, видно, что достичь стабильности выше чем 1.7kppm даже на весьма большом интервале усреднения 4096 секунд не получится. dash

Вывод: идея интересна сама по себе, но практическая ее реализация указанным выше методом не имеет особого смысла, поскольку даже с помощью не термостатированного кварцевого резонатора можно добиться намного лучших результатов. Не говоря уже о том, что в среднем, если такими часами отсчитывать интервалы не из тысяч секунд, а подсчитывать каждую  секунду, то даже средняя ошибка отсчета секундного тика будет огромной(0,065сек). Не говоря уже о том что пик-ту-пик шум при таком секундном отсчете составит 0,55 секунд. wacko