Analizator wielokanałowy MCA z detektorem spektroskopii gamma NaI(Tl): 5 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Cześć, Witamy wszystkich zainteresowanych hobby Spektroskopia Gamma. W tym krótkim artykule chcę tylko podzielić się moim procesem tworzenia dziennika pracy domowej roboty detektora spektroskopii gamma z MCA. To nie przewodnik, udostępniam tylko zdjęcia procesu.

Rozpoczynając projekt postanowiłem zrobić przenośne urządzenie zasilane bateryjnie o dobrej liniowości i rozdzielczości FWHM% poniżej 8%. Obwód wytwarza wysokie napięcie dla fotopowielacza, posiada analogową elektronikę do przetwarzania kształtu impulsu oraz elektronikę cyfrową do zliczania impulsów i analizowania widm.

Krok 1: Tworzenie detektora NaI(Tl)

Detektor zbudowany jest z fotopowielacza R9420 Hamamtsu i kryształu scyntylacyjnego 30x40mm NaI(Tl). Kryształ jest optycznie sprzężony z lampowym oknem fotokatody. Tuba jest pokryta kilkoma warstwami taśmy elektrycznej, aby zapobiec przedostawaniu się fotonów światła zewnętrznego do fotokatody. Kiedy promień gamma uderza w kryształ, wytwarza mikrobłysk światła, który ma być wykryty przez lampę PMT. Intensywność błysku światła zawiera informację o energii promieniowania gamma.

Do wysterowania lampy PMT potrzebujemy wysokiego napięcia. Stworzyłem miniaturowy i stabilizowany konwerter podwyższający napięcie 5V na 1000V. Kiedy masz do czynienia ze spektroskopią gamma, potrzebujesz ściśle regulowanego wysokiego napięcia z dobrą kompensacją temperatury i długoterminową stabilnością. Nowoczesne podzespoły elektroniczne pozwalają na stworzenie tego projektu.

Sterownik zawiera również dzielnik napięcia dla dynod i impulsowy wzmacniacz czuły na ładunek zainstalowany bezpośrednio na przewodzie anodowym. Ta kompaktowa konstrukcja zapewnia niski poziom szumów i pomaga uniknąć pętli uziemienia.

Obudowa wykonana z rury aluminiowej na domowej tokarce. Nie jestem profesjonalnym CNC, wszystko robię ręczną pracą.

Pod osłoną (nie pokazana na zdjęciach) zamontowałem dodatkową małą płytkę z akumulatorem LiPO, ładowarką i wskaźnikiem LED. Detektor włącza się automatycznie po podłączeniu kabla. Ładowanie akumulatora można wykonać tym samym kablem i dowolnym adapterem 5V.

Z detektora można zobaczyć typowy ekran oscyloskopu w kształcie impulsu. Tak jak jest, może być używany z dowolnym komputerowym oprogramowaniem MCA, np. PRA, Theremino czy BecqMonitor2011. Oprogramowanie to wykorzystuje wózek audio do analizy sygnału.

Po 2 lub 3 wieczorach spędziłem na regulacji detektora, aby znaleźć optymalne ustawienia wysokiego napięcia i wzmacniacza, kończy się to całkiem dobrą liniowością i ~7,30% FWHM% przy 662keV

Do testu detektora użyłem darmowego programu BecqMonitor2011 z 24-bitową przejściówką audio.

Krok 2: Tworzenie przenośnej MCA

Ponieważ planowałem używać swojego detektora jako urządzenia przenośnego, wykonałem analizator wielokanałowy, który może przechwytywać sygnał i zapisywać widma na karcie uSD w formacie CSV.

Użyłem obudowy MHH-95A i stworzyłem projekt PCB mojego MCA pasujący do tej obudowy. MCA posiada 8-bitowy mikroprocesor PIC18 z 10-bitowymi kanałami ADC 1024.

Wyświetlacz 128x64 pokazuje tylko częściowe informacje o widmach. Pełne dane 1024 pojemników są zapisywane na karcie SD i mogą być później otwierane przez BecqMonitor2011.

Elektronika MCA zasilana bateriami 2xAA. Posiada 2 przyciski do sterowania oprogramowaniem i jeden przycisk do włączania/wyłączania.

Krok 3: Wyniki

Cały układ może wykryć energię gamma w zakresie 20keV-3000keV, ma dobrą liniowość i ~7,30% FWHM% przy 662keV.

Pierwsze widma to 1 godzina Cs-137 log.scale. Widać również Ka-40 przy 1460 keV

Drugie widmo to antyczny zegarek radowy Ra-226 w skali liniowej 30 minut

Trzecie widmo to antyczny zegarek radowy Ra-226 log. skala 30 minut

Czwartym widmem jest kłoda torowanego płaszcza latarni Th-232. skala 30 minut

Mam nadzieję, że ten artykuł może przynieść inspirację do następnej budowy!

Krok 4: Wnioski i koszt

Projekt NIE jest tani. Nie mam dokładnego zestawienia kosztów dla każdej części, której użyłem w tym projekcie, ale najdroższe to:

1. Kryształ NaI(Tl). Kupiłem tę nową próbkę za około 200 USD. Jest drogi głównie dlatego, że ma gwarantowaną rozdzielczość i jest produkowany w dzisiejszych czasach. Z mojego doświadczenia wynika, że stare kryształy są problematyczne.

2. Tuba fotopowielacza R9420. 60 USD Użyta przeze mnie rura PMT nie jest nowa, ale w dobrym stanie od zaufanego dostawcy.

3. Produkcja obudowy. Nawet ja robię to sam, to kosztuje i wymaga dużo czasu. Materiały w małych ilościach, które kupuję, są drogie, na przykład rura, pręt aluminiowy i plastik mogą kosztować około 100 USD wraz z wysyłką, należy również doliczyć koszty obróbki narzędzi, wkładek itp.

4. Prototypowanie elektroniki i produkcja PCB. Koszt jest wysoki - $$$$, nie umiem nawet zliczyć godzin, dni i miesięcy, które spędziłem na tym temacie. Dodatkowo staram się unikać tanich elementów elektronicznych w serwisie eBay. Napisane przeze mnie oprogramowanie mikroprocesorowe MCA. Zajęło mi to zbyt wiele zasobów i czasu, ponieważ jako samozatrudniony twórca i student zdecydowałem się nie udostępniać moich plików źródłowych, ponieważ to naprawdę nigdy nie pokryje moich kosztów, przepraszam. Ale jeśli jesteś kreatywny i otwarty na współpracę, możesz napisać do mnie propozycję współpracy biznesowej.

5. Wszystkie inne części, takie jak kable, gniazda, baterie, materiały, kleje, taśmy itp. Kosztują około 100 USD, tak małe rzeczy tutaj robią różnicę…

Wnioski: Moim zdaniem projekt ma świetne wyniki. Potrafię analizować żywność, grzyby, jagody, znajdować córki radonu w wodzie deszczowej, badać materiały betonowe lub minerały pod kątem izotopów promieniotwórczych w zakresie energii gamma 20keV-3000keV. Nawet przy wszystkich wysokich kosztach projektu DIY, nadal jest bardzo tani, jeśli porównasz go z profesjonalnymi spektrometrami gamma klasy laboratoryjnej. Urządzenie może łatwo wykryć większość powszechnych i niebezpiecznych izotopów gamma.