неделя, 3 ноември 2019 г.

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:

Метеорит 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:

Гама-спектър на метеорит Chelyabinsk

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:

Метеорит 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):

Гама-спектър на метеорит Košice

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:

Метеорит 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:

Гама-спектър на метеорит Almahata Sitta

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:

Метеорит 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:

Гама-спектър на метеорит Kobe

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:

Метеорит 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):

Гама-спектър на метеорит Neagari

Източник: Akira ISHIWATARI's Home Page

Метеорит Oslo


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

Метеорит Oslo

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:

Гама-спектър на метеорит Oslo

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:

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.

събота, 29 юни 2019 г.

Музикални композиции

Преди години се занимавах с музика, но от 2005 година досега бях напълно изоставил това. Напоследък реших да извадя от небитието някои мои композиции.

Това са малки инструментални откъси, които съм създавал с мой софтуер: https://soundcloud.com/nikolay-tsvetkov-7/

(Картинките към композициите са от случайни снимки, предимно на диви места, където съм минавал.)

Първата програма, която съм използвал, е за композиране. Нейната най-нова версия написах на език Python. В тази програма се задават множество параметри на композицията:
- обща тематична структура (мелодични теми, къде встъпват)
- полифонична структура (гласове, правила на контрапункта)
- хармонична структура (лад, тоналност, хармонични функции, акорди)
- метроритмични параметри (размер, сила на времената, ритмични фигури)

След задаването на параметрите програмата генерира музикален откъс, като има възможност да спази точно зададените правила и параметри, или да се отклони в известна степен от тях, като построява различни музикални вариации.

Ето например част от партитурата на полифонична музика, която съм създал с тази програма някъде около 2003 година:

Композиция "Като канон 1"

Втората основна програма, която използвам, също съм написал на Python. В тази програма се задават правилата, по които нотите се превръщат в музика:
- динамика
- темпо
- артикулация, фразиране (легато, стакато)
- правила за оживяване на нотите

Най-общо казано, с тази програма нотите се превръщат в жива музика. Без нея композицията би останала проста безжизнена схема с механично изредени ноти.

неделя, 31 март 2019 г.

Стабилност на тона на аналогов синтезатор

Класическият аналогов синтезатор Minimoog Model D е произвеждан между 1970 и 1981 г. През тези години в електронната музика господстват аналоговите синтезатори.

Minimoog Model D е известен със своя уникален филтър със стръмност 24dB/oct, патентован през 1966 г. (US Patent 3,475,623 Electronic High-pass and Low-pass Filters Employing the Base to Emitter Diode Resistance of Bipolar Transistors Robert A. Moog October 10, 1966).

Параметрите на аналоговите синтезатори имат известна нестабилност. Например честотата на генераторите, управлявани с напрежение (VCO) се променя с течение на времето, като дрейфува по свой си начин в зависимост от температурата и други фактори. Поради това аналоговият синтезатор трябва при всяко включване да загрява известно време  и да се настройва. Обаче малките вариации на честотата на аналоговите генератори дават характерно живо звучене на синтезатора. Разликата между аналоговия и цифровия звук е като разликата между живото, което се колебае и движи и мъртвото, което е точно и неподвижно.

Измерване честотата на сигнала


Фирмата Behringer произвежда свой клонинг (като прототип представен през 2017г) на легендарния синтезатор Model D, който е с намалени размери в Eurorack формат без клавиатура.

Тъй като ме интересуваше не само да разбера каква е устойчивостта на строя на този синтезатор, но и музикалното значение на отклоненията във височината на тона, извърших свои измервания. При измерванията използвах следната конфигурация на синтезатора Behringer Model D:

Конфигурация на синтезатора

Идеята е да бъде включен само първият генератор OSCILLATOR-1, като е избрана най-бедна на хармоници форма на сигнала - триъгълна. После сигналът се доизглажда с филтъра чрез настройване на CUTOFF FREQUENCY, докато се получи практически синусоида:

Изходен сигнал на синтезатора

Започнах измерванията 15 минути след включването на синтезатора. Изсвирваше се тона ла от първа октава без да бъде настроен предварително по камертон. Измервах честотата на сигнала със свой Python скрипт, който преброява периодите на сигнала в течение на 6 s. При това измерване беше достигната точност ± 0.166 Hz (± 0.661 цента). През цялото време на измерванията температурата бавно се колебаеше в границите от 24.7 до 25.0 °C. Получените резултати са показани на графиката:

Промени на честотата във времето

 

Мерки за интервали на тона


В теорията на музиката най-малкият интервал между два тона при равномерно темперирания строй се нарича "полутон". Големината на интервал 1/100 от полутона се нарича "цент". Два полутона образуват цял тон, равен на 200 цента.

Даже професионални музиканти с вроден абсолютен слух могат да определят височината на тона само приблизително с точност ±20 цента.

При мелодично настройване на интервали (последователно прослушване на опорен и настройван звук) професионални музиканти са достигали точност ±5 цента.

В мелодия човешкият слух въобще може да различи два тона, когато разликата във височините им е 1 цент или повече.

Диапазон на унисона


По Шефер и Гутман при унисон разликата във височините на тоновете трябва да бъде не по-голяма от:
  • 200 цента в голяма октава
  • 100 цента в малка октава
  • 30 цента в първа октава
  • 20 цента във втора октава
  • 14 цента в трета октава.

Според изследванията на Гарбузов и Корсунски при хорово пеене допустимите интервали, при които гласовете се възприемат като унисон са:
  • 40 - 140 цента при сопран
  • 0 - 130 цента при алт
  • 0 - 90 цента при тенор
  • 0 - 70 цента при бас

Микроинтервали кома


В теорията на музиката разликата във височините на два тона, които се възприемат като приблизително равни по височина се нарича "кома".

Музикалните микроинтервали кома са с размер около 1/7 - 1/10 от целия тон или по малък, като например:
  • Изкуствена кома (арабска кома) - интервал между две съседни височини на тона при делене на октавата на 53 равни части (1200/53=22.6415 цента)
  • Дидимова кома - около 21.51 цента
  • Питагорова кома - около 21.46 цента (отношение на честотите на тоновете 312 / 219 = 531441/524288)
  • Кома на Меркатор  - около 3.6150 цента (353 / 284)

Изменението на височината на тоновете с микроинтервал кома може да се използва за придаване на изразителност на музиката.

Изводи


Измерването на вариациите на височината на тона на аналоговия синтезатор Behringer Model D показа, че 45 минути след включването честотата на първия генератор се колебае вече слабо, вмествайки се в интервал по-малък от ±3.6 цента (кома на Меркатор). Тези изменения са музикално съвсем приемливи и практически не нарушават строя на инструмента, нито излизат извън теоретичните граници на звученето в унисон.