Акустика на помещение, резонанси

Звукът, който се получава в помещение, зависи не само от характеристиките на апаратурата, но и от акустиката на самото помещение.

За правилно възпроизвеждане на тембъра е необходимо цялата система, включително акустичните системи (тонколоните) да имат равна честотна характеристика - всички честоти да се просвирват с еднаква сила.

Когато такъв звук с правилно съотношение на честотите се възпроизвежда, на някои честоти звукът ще се усили и ще се получи неравномерност на честотната характеристика, поради акустичните свойства на самото помещение.

Собствени честоти

В зависимост от своята форма и размери всяко помещение има определен набор резонансни честоти (Room modes), на които звукът се усилва. За правоъгълно помещение с твърди стени тези честоти се намират по формулата за собствените честоти:

 

където f е честотата в Hz, C е скоростта на звука в m/s; n_x, n_y, n_z са произволни три цели числа, l_x,l_y,l_z са размерите на помещението в m.

Честотни области

Собствените резонансни честоти на помещението влияят най-много в нискочестотната област. Най-ниската резонасна честота на помещението се определя по формулата:

f_l = C/(2L)

където f_l е най-ниската резонасна честота в Hz, C е скоростта на звука в m/s, L е най-дългата страна на помещението в m.

Звукът с по-ниска от тази честота f_l се проявява като промени на налягането. Звуците с по-високи честоти (докато дължината на вълната е сравнима с размерите на помещението), се променят поради появата на резонанси на собствените честоти.

Изчисляване на собствените честоти

Написах програма на Python, която изчислява собствените честоти (Room modes) по дадени размери на помещението:

import math

W = 3.45     # широчина на стаята, [m]
D = 4.95     # дълбочина на стаята, [m]
H = 2.61     # височина на стаята, [m]
fLow = 250.0 # условна граница на ниските честоти, [Hz]
C = 344.0    # скорост на звука, [m/s]
nxmax = 300
nymax = 300
nzmax = 300

Lr = max(W, D, H)
fpz = C / (2.0 * Lr)

fla = []
for nx in range(nxmax):
    for ny in range(nymax):
        for nz in range(nzmax):
            f = C*math.sqrt(\
              (float(nx)/W)*(float(nx)/W)+\
              (float(ny)/D)*(float(ny)/D)+\
              (float(nz)/H)*(float(nz)/H))/2.0
            fla.append(f)

fla = sorted(fla[1:])

fl = []
for f in fla:
    if f < fLow:
        fl.append(f)

print('Широчина на стаята:', W, 'm')
print('Дълбочина на стаята:', D, 'm')
print('Височина на стаята:', H, 'm')
print('Честотен диапазон на налягането:','<',round(fpz,1),'Hz')
print('Резонансни честоти в диапазона от 0.0 до',fLow,'Hz:\n',\
  ', '.join([str(round(f,1)) for f in fl]), 'Hz')

За една конкретна стая се получиха следните резултати:

Широчина на стаята: 3.45 m
Дълбочина на стаята: 4.95 m
Височина на стаята: 2.61 m
Честотен диапазон на налягането: < 34.7 Hz
Резонансни честоти в диапазона от 0.0 до 250.0 Hz:
 34.7, 49.9, 60.8, 65.9, 69.5, 74.5, 82.6, 85.5, 89.6, 95.8,
 99.7, 104.2, 105.6, 108.0, 115.6, 119.5, 121.5, 123.3, 124.5,
 131.8, 133.0, 136.3, 138.3, 139.0, 140.9, 144.3, 145.1, 147.7,
 149.0, 149.6, 153.5, 153.8, 157.1, 158.6, 161.7, 163.4, 164.9,
 165.3, 167.1, 168.0, 168.9, 171.1, 173.7, 175.3, 177.6, 179.3,
 180.7, 182.3, 183.3, 185.8, 191.5, 192.4, 193.9, 195.4, 197.7,
 197.9, 199.4, 199.4, 200.3, 200.7, 202.4, 202.4, 203.9, 204.2,
 206.8, 208.5, 209.6, 210.0, 210.9, 211.1, 211.2, 212.9, 214.4,
 214.5, 215.4, 215.9, 218.1, 218.7, 221.2, 221.4, 223.5, 223.7,
 224.1, 224.3, 225.0, 225.0, 229.0, 229.2, 231.1, 232.1, 234.5,
 238.5, 239.0, 239.8, 240.3, 241.6, 241.7, 243.0, 243.1, 243.2,
 244.7, 246.7, 246.8, 247.9, 248.3, 248.9, 249.3 Hz

Програмата дава резонансните честоти (закръглени до един знак след десетичната точка) в диапазона до една условна горна граница на нискочестотния диапазон от 250 Hz.

При повишаване на честотата броят на резонансите във всеки интервал нараства и те се разполагат така близо по честота, че започват да се сливат:

Поради това сливане на резонансите във високочестотната област честотната характеристика се изглажда и там вече няма да има толкова резки върхове и спадове.

Шумови характеристики на аудиоинтерфейс

Измерих някои основни шумови характеристики на USB аудиоинтерфейс Steinberg UR22C.

Без да включвам нищо на входовете (без кабели) записах четири файла със сигнал: gain0.wav, gain50.wav, gain80.wav, gain100.wav при различни нива на усилването на входа. Записвах при точност 24-bit/96000 Hz.
Така се получиха файлове, съдържащи само собствения шум на аудиоинтерфейса.

За всеки файл измерих средноквадратичното ниво на целия сигнал за левия и десния стереоканали:

Файл	GAIN, [%]	Продължителност, [s]	L RMS, [dBFS]	R RMS, [dBFS]
gain0.wav	0	58.0	-103.6	-103.6
gain50.wav	50	57.0	-99.8	-99.4
gain80.wav	80	57.0	-88.6	-89.2
gain100.wav	100	58.0	-69.5	-69.7

Мерната единица на нивото е dBFS, където 0 съответства на максималната числова стойност на цифровия сигнал, когато всички битове са единици.

След това в програмата Audacity разгледах спектрите на шумовите сигнали от файловете. За целта първо увеличих нивото на всеки сигнал със +40 dB.
Избрах ширина на прозореца на преобразуванието на Фурие 8192 точки, защото тогава при честотата на дискретизация 96000 Hz се получава приемлива минимална честота на анализа 96000/8192 = 11.71875 Hz. За изглаждане на спектъра използвах прозоречната функция "Hanning window".

Ето как изглеждат спектрите на файловете със шум:

Собственият шум при GAIN 0%

 

При ниски нива на усилването и ниски честоти до около 200 Hz шумът е близък до розов шум. Това се вижда най-ясно на участъка от 40 до 80 Hz, където графиката спада от -79 dB до около -82 dB. Теоретически спектърът на розовия шум (Pink Noise) трябва да има графика, спадаща с 3.01 dB на октава.

 

Собственият шум при GAIN 50%

 

 

Собственият шум при GAIN 80%

При високи нива на усилването в състава на шума, особено при високи честоти над 200 Hz, започва да преоблaдава бял шум с равномерен спектър.

Собственият шум при GAIN 100%

Вижда се, че в собственият шум на входа на този аудиоинтерфейс има две компоненти: при малко усилване на входа и ниски честоти - розов шум, а при увеличaване на усилването и високи честоти - бял шум. Има и неголям пик при 50 Hz - мрежов брум. Над около 16000 Hz силата на шума спада рязко.

Розовият шум, наричан още 1/f шум, има голямо значение за акустиката и електронната музика. Това е най-музикалният шум, естествено генериран от различни природни системи. На слух звукът на розовия шум прилича на шума от бушуването на някакъв водопад.

За генеративната музика

Музиката представлява организирана система от звуци, която предизвиква определени реакции.

Обикновено музикалните звуци са тонове с определена височина и трайност, но се правят не малко експерименти с използване на произволни звуци и шумове, от които се изграждат музикални композиции (или поне звукови композиции).

Така музикалното произведение се строи от определен звуков материал - тонове или шумове. Композиторът организира този материал в осмислена система от звуци, които прозвучават последователно или едновременно.

Повторението е най-простия начин да се получи организирана система.
В следващия пример с програма съм получил случайна последователност от 5 тона, която се повтаря 8 пъти:

Пограмата, с която генерирах този пример, е написана на езика на системата LilyPond:

\version "2.18.2"
nnotes = 5   % брой ноти в мотива
duration = 2
% 0-цели, 1-половини, 2- четвъртини, 3-осмини, 4 - шестнадесетини, 5-тридесетивторини
ambitus = 24
randomNotes =
  {
    $(let ((random-state (seed->random-state (current-time))))
      (make-sequential-music
        (map (lambda (x)
               (let ((idx (random ambitus random-state)))
                 (make-event-chord
                   (list
                     (make-music 'NoteEvent
                                 'duration (ly:make-duration duration 0 1/1)
                                 'pitch (ly:make-pitch
                                   (quotient idx 7)
                                   (remainder idx 7)
                                   0))))))
              (make-list nnotes))))
  }
motiv = \randomNotes
\score {
  \new StaffGroup <<
    \new Staff {
      \set Staff.midiInstrument = #"acoustic grand"
      \tempo 4 = 240
      \time 5/4
      \motiv
      \motiv
      \motiv   
      \motiv
      \motiv
      \motiv   
      \motiv
      \motiv   
      \bar "|."
    }
  >>
  \layout {
    \context {
      \Score
      \remove "Timing_translator"
      \remove "Default_bar_line_engraver"
    }
    \context {
      \Staff
      \consists "Timing_translator"
      \consists "Default_bar_line_engraver"
    }
  }
 \midi { }
}
 

Тази програма чертае нотния запис и създава MIDI файл, който може да бъде изсвирен от виртуален или хардуерен инструмент.

Еднотактовият мотив сам по себе си представлява просто 5 случайни ноти. Но, когато започне да се повтаря, възниква някаква музикална логика.

Философско отклонение

Не е задължително композиторът да бъде човек. Възможно е компютърна програма да създава музикални произведения по определени правила. Тези правила могат да бъдат целенасочено измислени или да бъдат в някаква степен случайни или подчиняващи се на математически или други закономерности, взети извън музиката.

Например, правен е опит очертанията на една планина със своите върхове да бъдат изтълкувани като мелодична линия, задаваща промяната на височината на тоновете във времето.

Генеративната музика (Generative music) се създава непосредствено в процеса на изпълнението от компютър или друга автоматична система (например аналогова моделираща система, модулен синтезатор или други устройства). Правилата за автоматично генериране на тоновете могат да съдържат в различни пропорции определеност или случайност.

Генеративното музикално произведение може постоянно да варира, никога да не се повтаря точно и да звучи потенциално безкрайно.

По начало се предполага, че музиката освен форма има и някакво съдържание, смисъл. Когато композиторът е човек, може да се очаква, че той предава някакъв смисъл със своето произведение. Но когато музиката се генерира автоматично какъв е нейният смисъл ?

Възможен отговор дава природата. Какъв е смисълът на някоя планина или друг красив природен пейзаж ? Тях не ги е създал нарочно някой човек с цел да бъдат красиви или да предават някакъв смисъл. Въпреки това и красотата на природата, както изкуството, може да предизвиква емоционална реакция у човека. Така изглежда, че това са родствени феномени.

Практически опити

Направих прости софтуерни системи, които пораждат автоматично мелодични последователности. В един експеримент използвах нееднородна система: в Linux стартира семпъл-плейъра timidity, в който съм заредил свои семпли; по-нататък във виртуалния модулен синтезатор VCV Rack се генерира последователност от MIDI ноти, които се подават на timidity да ги изсвири.

Като семпли записах тоновете на калимба. Използвах диатонична алт-калимба Bolf Kalimbas с 15 пластини в сол мажор. Тази калимба има тяло във вид на плътна дъска от орех. Пластините са от пружинна стомана и са доста ниско над тялото, но при тихо и внимателно свирене звукът е изключителен.

Общият брой на пластините и строя са от значение за звука, защото когато се удря една пластина зазвучава не само тя, но едновременно и някои от другите, които са в резонанс със нейните обертонове. Така се формира много богата обща звучност.

Получи се такава последователност от тонове:

Nikolay Tsvetkov · Generative session 3

Част от нея в нотен запис изглежда така (с темпо 60 четвъртини в минута):

Системата от модули на VCV Rack, с която е генериран този пример, изпълнява само функциите да създава последователността от MIDI ноти. Най-общо, чрез модул генератор на шум и модул Sample&hold се генерират случайно променящи се височини на ноти; с нискочестотни осцилатори LFO и генератори на шум се модулира силата на тоновете. Накрая получената последователност от MIDI ноти се подава на работещия като сървър семпъл-плейър timidity.

Софтуерният модулен синтезатор VCV Rack е удобен и за живо изпълнение. Чрез модула MIDI-MAP с хардуерен MIDI контролер или клавиатура може да се управляват различни параметри на другите модули. А модулът CV-MIDI може да управлява освен виртуални инструменти и външни хардуерни синтезатори.

Флажолети в електронната музика

Най-важната характеристика на звука в музиката е неговата височина, която представлява възприемана характеристика на честотата на трептенията. Колкото честотата е по-голяма, толкова по-висок изглежда звукът.

От гледна точка на физиката, честотата на звука може да се изменя непрекъснато. Но от всичките възможни честоти за използване в музиката се избира система от малко на брой звуци - тоновете от някаква гама. Така всъщност се преминава от непрекъснатост към квантуване - система от дискретни честоти на тоновете.

Както е известно, гама се нарича последователността от звуци на някаква музикална система (лад), разположени, започвайки от основния тон по нарастване или намаляване на височината.

Звуците в музикалната система са свързани помежду си с определени зависимости: едни от тях изглеждат неустойчиви, и се стремят към други - устойчиви. Първата степен на лада е тониката - най-устойчивата степен.

Музикален строй се нарича математическото представяне на определена система от отношения на звукови височини.

Питагоров строй

Още в древността са открити математически закономерности, обосноваващи защо в музиката са избрани точно определените тонове от всички възможни звуци, които могат да съществуват на света.

Законите на Питагор-Архит, върху които се основава питагорейската теория на музиката могат да бъдат формулирани така:

1) Височината на тона (честотата на колебанията f) на звучаща струна е обратно пропорционална на нейната дължина l

f = a/l,

където a е коефициент, зависещ от физическите свойства на струната (дебелината, материала от който е направена);

2) Две звучащи струни дават консонанс само тогава, когато техните дължини се отнасят като цели числа, съставящи така нареченото триъгълно число 10=1+2+3+4, т.е като 1:2, 2:3, 3:4.

Тези интервали са съвършените консонанси:
октава 1/2
квинта 2/3
кварта 3/4

Ако разделим струната на 12 части, различен брой от нейните части ще образуват с цялата струна съзвучията:

октава - 6 части (6/12=1/2, струната е разделена на две)
квинта - 8 части (8/12=2/3)
кварта - 9 части (9/12=3/4)
унисон - 12 части (12/12=1, цялата струна)

Тези четири звука и определящите ги числа 6, 8, 9, 12 се наричат тетрада (четворка). Питагорейците са считали, че терадата е "тази гама, по която пеят сирените".

Отношението на височините квинта/кварта=(2/3)/(3/4)=(2.4)/(3.3)=8/9 се нарича "тон". От тук произлиза наименованието на интервала "цял тон" (един тон), който е дисонансен.

Отношението кварта/тон=(3/4)/(8/9)=(3/4)/((8.8)/(9.9))=(3/4)/(64/81)=243/256 се нарича полутон и се получава при разделяне приблизително на две на частта от струната, отговаряща на един цял тон.

На тези интервални отношения се основава канонът на Питагор, по който според преданието е била настроена лирата на Орфей.

Питагоровият строй се състои от тонове със следните височини:
до 1 (основен тон)
ре 9/8 (питагоров цял тон нагоре)
ми 81/64
фа 4/3 (кварта нагоре)
сол 3/2 (квинта нагоре)
ла 27/16
си 243/128 (полутон под горната октава)
до 2 (октава над основния тон)

Интервалите между тоновете в питагоровия строй са:
ре-до (9/8)/1=9/8 (цял тон)
ми-ре (81/64)/(9/8)=9/8 (цял тон)
фа-ми (4/3)/(81/64)=(4.64)/(3.81)=256/243 (полутон)
сол-фа (3/2)/(4/3)=9/8 (цял тон)
ла-сол (27/16)/(3/2)=9/8 (цял тон)
си-ла (243/128)/(27/16)=9/8 (цял тон)
до-си 2/(243/128)=256/243 (полутон)

Обертонове

Според физическите закони трептящата струна се колебае едновременно не само с цялата си дължина, но и с отделните си части - половини, третини, четвъртини и т.н. Поради това струната издава звук не само с основната честота, но и звуци с 2,3,4, и т.н. пъти по-високи честоти.
Звукът с основна честота се нарича основен тон на струната, а останалите звуци с кратни по-високи честоти - обертонове или хармонични. Обертоновете, сливайки се в едновременно звучене с основния тон, образуват тембъра на звука. В зависимост от различната интензивност на обертоновете се получават различни тембри.

При свирене на струнен инструмент чрез леко допиране на струната на определено място може да се направи така, че да зазвучат само някои от всичките обертонове. Това се нарича свирене с флажолети, защото получаващите се особени, нежни звуци приличат по тембър на старинния дървен духов инструмент флажолет.

Трептящата струна издава цял звукоред от обертонове с честоти, отнасящи се като целите числа 1:2:3:4... който се нарича натурален звукоред.

Тоновете от натуралния звукоред образуват помежду си някои от известните от питагоровия строй интервали:

основният тон има честота f и може да бъде наречен първи обертон;
вторият обертон с честота 2f е на октава (2/1) по-високо от основния тон;
третият обертон с честота 3f е на квинта (3/2) по-високо от втория обертон;
четвъртият обертон с честота 4f е на кварта (4/3) по-високо от третия;
деветият обертон с честота 9f е на питагоров цял тон (9/8) по-високо от осмия.

Свирене с обертонове в електронната музика

В електронната музика като източници на звук се използват електронни устройства, вместо трептящи струни или други подобни материални тела. Но законите на природата са такива, че колебанията на електрическия сигнал на генератора на един аналогов синтезатор се подчиняват на подобни математически закономерности като трептенията на някакво материално тяло. Най-важната от тези закономерности е, че колебанията могат се разглеждат като сума от хармонични с честоти 1f, 2f, 3f, ...

Това дава възможност да се свири със флажолети на аналогов синтезатор. За да покажа тази идея, записах една импровизирана демонстрация на свирене с флажолети (обертонове) със синтезатор Behringer Model D. Най-ясно звучене на флажолетите успях да постигна някъде около средата на записа.

 
Идеята е, че един осцилатор на синтезатора генерира непрекъснато неизменен основен тон с достатъчно богата на хармонични форма на сигнала. С пренастройване на VCF филтъра на синтезатора се усилват или подтискат някои от хармоничните, при което се получават флажолетни тонове, разположени по височините на натуралния звукоред.

Числата под нотите показват с колко цента (стотни от темперирания полутон) се различава дадения тон на натуралния звукоред от съответния тон на равномерно-темперирания строй.

При свирене с флажолети по естествен начин се използва натуралния строй, който е по-близък до самата природа на звука. Тоновете от натуралния звукоред се различават по височина от тоновете на равномерно-темперирания строй, който се използва във всички клавишни музикални инструменти.
 

Гама спектрометрия на метеорити

Метеоритите съдържат множество космогенни радионуклиди, образувани под въздействието на космическите лъчи. На практика от гама-излъчващите космогенни радионуклиди само ⁴⁴Ti (с период на полуразпад 60.4 години) и ²⁶Al (с период на полуразпад 710000 години) са достатъчно дългоживеещи, за да се запазят в отдавна паднали метеорити. В метеоритите ⁴⁴Ti има много малка активност (~ 1 dpm/kg) и е труден за откриване.

Освен естествените радионуклиди  от семейството на урана и тория и ⁴⁰K, метеоритите съдържат следните космогенни гама-излъчващи радионуклиди:

^44mSc (2.44 дни)  
⁴⁷Sc (3.35 дни)
⁵²Mn (5.59 дни)
⁵⁶Ni (6.08 дни)
⁴⁸V (16.8 дни)
⁵¹Cr (27.8 дни)
⁷Be (53.3 дни)
⁵⁸Co (70.8 дни)
⁵⁶Co (77.3 дни)
⁴⁶Sc (83.8 дни)
⁵⁷Co (272 дни)
⁵⁴Mn (312 дни)
²²Na (2.60 години)
⁶⁰Co (5.26 години)
⁴⁴Ti (60.4 години)
²⁶Al (710000 години)

Гама-излъчващите радионуклиди могат да бъдат открити чрез гама-спектрометър. Такова изследване е особено интересно за наскоро паднали метеорити, в които има богат коктейл от краткоживеещи радиоизотопи.
В резултат от измерването с гама-спектрометър се получава гама-спектъра на измервания образец. Гама-спектърът представлява графика, на която е изобразен броя кванти с различни енергии, който са регистрирани по време на измерването. Различните радиоизотопи имат характерни енергии на излъчваните гама-кванти, по които могат да се разпознаят.

Метеорит Chelyabinsk

Паднал през 2013 година (регистриран  официално). Клас Ordinary chondrite, LL5 (S4) - обикновен хондрит от група LL, петрологичен тип 5.

Снимка на измервания образец на метеорита Chelyabinsk:

Гама-спектър на образеца с маса 387.13 g от метеорита Chelyabinsk (HPGe + NaI детектор). Времето за измерване е 3052 минути (приблизително 2 денонощия и 3 часа). Измерването е започнало 158 дни след падането на метеорита:

Показва 25.2 dpm/kg активност на ²⁶Al и 24.2 dpm/kg активност на ⁴⁰K

Източник: Research Gate

Метеорит Košice

Паднал през 2010 година (регистриран официално). Клас Ordinary chondrite, H5 (S3) - обикновен хондрит от група H, петрологичен тип 5.

Снимка на фрагмент 27.25 g от метеорита Košice:

Гама-спектър на фрагмент 2370.2 g от метеорита Košice с плътност 3.50 g/cm³. Измерван 780 дни след падането с HPGe спектрометър. Време на измерването 3968 минути (2 денонощия и 18 часа):

Показва 71 dpm/kg активност на ²⁶Al.

Източник: Wiley Online Library

Метеорит Almahata Sitta

Паднал през 2008 година (регистриран официално). Клас Ureilite-an (Achondrite, ureilite, polymict, anomalous - ахондрит от групата на уреилитите с аномални свойства).

Снимка на фрагмент от метеорита Almahata Sitta:

Източник: Encyclopedia of Meteorites

Гама-спектър на фрагмент от метеорита Almahata Sitta (HPGe детектор). Общото време за броене е 65197 минути (приблизително 45 денонощия и 7 часа). Пиковете на космогенните радионуклиди са надписани. Означен е и анихилационния пик 511 keV. Другите пикове са от естествения фон, който се дължи предимно на калия, урана и тория, които се срещат навсякъде в природата. Пиковете ²¹⁴Bi и ²⁰⁸Tl идват от ²³⁸U и ²³²Th съответно:

Показва 62.1 dpm/kg активност на ²⁶Al.

Източник: ResearchGate

Метеорит Kobe

Паднал през 1999 година (регистриран официално). Клас CK4 (въглероден хондрит от група CK, петрологичен тип 4).

Снимка на фрагмент ~65 g от метеорита Kobe:

Източник: Encyclopedia of Meteorites

Гама-спектър на фрагмент от метеорита Kobe. Измерван в течение на 5500 минути (приблизително 3 денонощия и 20 часа). Измерването е започнало 21 часа след падането на метеорита. Спектрометър с детектор от свръхчист Ge:

Показва 38 dpm/kg активност на ²⁶Al.

Измерена е и концентрацията на уран, торий и калий:
U 29 ppb
Th 51 ppb
K 0.029%

Източник: Geochemical journal GJ 36(4) · January 2002

Метеорит Neagari

Паднал през 1995 година (регистриран официално). Клас Ordinary chondrite (L6) - обикновен хондрит от група L, петрологичен тип 6.

Снимка на фрагмент от метеорита Neagari:

Източник: Encyclopedia of Meteorites

Гама-спектър на метеорита Neagari. Фрагмент с маса 325 g е сложен на 1 cm от детектора (Ortec HPGe, XLB-GEM-10020). Измерването е започнало около 2.7 дни след времето на падане на метеорита и продължава 223621 секунди (около 2 денонощия и 14 часа):

Източник: Akira ISHIWATARI's Home Page

Метеорит Oslo

Фрагмент с маса 32.5 g от метеорита Oslo, сниман на терен:

Енергийният спектър на фрагмента 32.5 g от метеорита Oslo, измерен с детектор HPGeGX2018. Означени са космогенните радиоизотопи. Измерването е продължило към 200 часа ( 8 денонощия и 8 часа). Образецът е бил разположен на 1 cm от детектора:

Източници: Research Gate , Conference: European Planetary Science Congress 2015, At Nantes, France, Volume: Vol. 10, EPSC2015 (584)

Устройство на гама спектрометъра

В гама-спектрометрите обикновено се използва детектор от свръхчист германий (HPGe). HPGe детекторът представлява германиев диод с коаксиална геометрия на p-n прехода. Размерите на кристала на един типичен HPGe детектор са 6 cm диаметър и 7 cm дължина. При работа се подава високо обратно напрежение (> 1000 V).

При работа детекторът трябва да бъде охладен с течен азот до температура -195.65 °C. На неохладения детектор не бива да се подава напрежение.

Най-общо казано, работата на гама-спектрометъра се основава на това, че когато в детектора попадне гама квант се отделя някаква енергия, която предизвиква появата на носители на електрически заряд. Големината на този заряд се измерва от схемите на спектрометъра и се определя енергията
на уловения гама квант.

Гама фон

Гама-фонът, който винаги се регистрира от гама-спектрометъра заедно с излъчването на измервания образец, обикновено съдържа излъчванията на естествените радиоактивни изотопи ⁴⁰K, дъщерните изотопи от реда на урана и тория и анихилационното излъчване с енергия 511 keV.

Типичен гама-спектър на фона:

Този спектър е начертан с програма, която съм написал на Python за собствена употреба. Програмата чете файлове със спектри във формат ORTEC CHN, и очертава в червено някои области, които представляват интерес, като местата на спектъра, където се появяват пиковете на техногенните радиоизотопи ¹³¹I и ¹³⁷Cs, които могат да пристигнат неочаквано като продукти от човешка дейност.

При измерването на гама-излъчването на образеца фонът се изважда от резултатите.