Многоканальный анализатор MCA с гамма-спектроскопическим детектором NaI (Tl): 5 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Привет, Добро пожаловать всем, кто интересуется гамма-спектроскопией. В этой короткой статье я просто хочу поделиться своим рабочим процессом создания самодельного детектора гамма-спектроскопии DIY с MCA. Это не руководство, я делюсь только фотографиями процесса.

Когда я начал этот проект, я решил сделать портативное устройство с батарейным питанием с хорошей линейностью и разрешением FWHM% менее 8%. Схема вырабатывает высокое напряжение для фотоумножителя, в ней есть аналоговая электроника для обработки формы импульса и цифровая электроника для подсчета импульсов и анализа спектров.

Шаг 1. Изготовление детектора NaI (Tl)

Детектор построен с фотоумножителем R9420 Hamamtsu и сцинтилляционным кристаллом NaI (Tl) 30x40 мм. Кристалл оптически связан с окном фотокатода трубки. Трубка покрыта несколькими слоями изоленты для предотвращения попадания фотонов внешнего света на фотокатод. Когда гамма-излучение попадает на кристалл, он производит микровспышку, которая должна быть обнаружена трубкой ФЭУ. Интенсивность световой вспышки состоит из информации об энергии гамма-излучения.

Для управления лампой ФЭУ нам потребуется высокое напряжение. Я создал миниатюрный и стабилизированный повышающий преобразователь с 5В на 1000В. Когда вы имеете дело с гамма-спектроскопией, вам необходимо строго регулируемое высокое напряжение с хорошей температурной компенсацией и долговременной стабильностью. Современные электронные компоненты позволяют создать такую конструкцию.

Драйвер также включает в себя делитель напряжения для динодов и чувствительный к заряду усилитель с импульсной обработкой, установленный непосредственно на анодном проводе. Эта компактная конструкция имеет низкий уровень шума и помогает избежать контуров заземления.

Корпус из алюминиевой трубы на бытовом токарном станке. Я не профессиональный ЧПУ, все делается вручную.

Под крышкой (на фотографиях не показана) я установил дополнительную небольшую плату с LiPO аккумулятором, зарядным устройством и светодиодным индикатором. Детектор автоматически включается при подключении кабеля. Зарядить аккумулятор можно одним и тем же кабелем и любым адаптером на 5 В.

Вы можете видеть типичный экран осциллографа формы импульса с детектора. Как есть, его можно использовать с любым компьютерным программным обеспечением MCA, например PRA, Theremino или BecqMonitor2011. Это программное обеспечение использует аудиотележку для анализа сигнала.

Через 2 или 3 вечера я потратил на настройку детектора, чтобы найти оптимальное высокое напряжение и настройки усилителя, в итоге получилась довольно хорошая линейность и ~ 7,30% FWHM% на 662 кэВ.

Для тестирования детектора я использовал бесплатную программу BecqMonitor2011 с 24-битным аудиоадаптером.

Шаг 2. Создание портативного MCA

Поскольку я планировал использовать свой детектор в качестве портативного устройства, я сделал многоканальный анализатор, который может захватывать сигнал и сохранять спектры в тележку uSD в формате CSV.

Я использовал корпус MHH-95A и создал дизайн печатной платы своего MCA, который подходит к этому корпусу. MCA имеет 8-битный микропроцессор PIC18 с 10-битным АЦП на 1024 канала.

Дисплей 128x64 показывает только частичную информацию о спектрах. Полные данные из 1024 бункеров сохраняются в SD-тележке и могут быть открыты позже с помощью BecqMonitor2011.

Электроника MCA питается от 2 батареек AA. Он имеет 2 кнопки для управления программным обеспечением и одну кнопку для включения / выключения.

Шаг 3: результаты

Вся установка может обнаруживать гамма-энергию в диапазоне от 20 кэВ до 3000 кэВ, имеет хорошую линейность и ~ 7,30% FWHM% при 662 кэВ.

Первый спектр - 1 час в логарифмической шкале Cs-137. Вы также можете увидеть Ка-40 на 1460кэВ.

Второй спектр - старинные радиевые часы Ра-226 с линейной шкалой 30 минут.

Третий спектр - старинные радиевые часы Ra-226 log. масштаб 30 минут

Четвертый спектр - торированный фонарь мантии Th-232. масштаб 30 минут

Надеюсь, эта статья послужит источником вдохновения для вашей следующей сборки!

Шаг 4: выводы и стоимость

Проект НЕ дешевый. У меня нет точной информации о стоимости каждой детали, которую я использовал в этом проекте, но самые дорогие из них:

1. Кристалл NaI (Tl). Я купил этот образец новым примерно за 200 долларов. Дорогой в основном потому, что имеет гарантированное разрешение и выпускается в наши дни. По моему опыту, старые стандартные кристаллы проблематичны.

2. Фотоэлектронный умножитель R9420. 60 долларов. Трубка ФЭУ, которую я использовал, не новая, но в хорошем состоянии от проверенного поставщика.

3. Изготовление корпусов. Даже я сам делаю это дорого и требует много времени. Материалы в небольшом количестве, которые я покупаю, дорогие, например, труба, алюминиевый стержень и пластик могут стоить вам около 100 долларов, включая доставку, вам также нужно добавить затраты на обработку инструментов, вставок и т. Д.

4. Изготовление прототипов электроники и изготовление печатных плат. Стоимость высока - $$$$, я даже не могу сосчитать, сколько часов, дней и месяцев я потратил на эту тему. Кроме того, я стараюсь избегать дешевых электронных компонентов ebay-ali. Программное обеспечение микропроцессора MCA, написанное мной тоже. Мне потребовалось слишком много ресурсов и времени, как самозанятый производитель и студент, я решил не делиться своими исходными файлами, потому что это никогда не покроет мои расходы, извините. Но если вы креативны и открыты к сотрудничеству, вы можете написать мне предложение о деловом сотрудничестве.

5. Все остальные детали, такие как кабели, разъемы, батареи, материалы, клеи, ленты и т. Д., Стоят около 100 долларов, да, здесь разница в мелочах…

Выводы: На мой взгляд, у проекта отличная производительность. Я могу анализировать продукты питания, грибы, ягоды, находить дочерей радона в дождевой воде, тестировать бетонные материалы или минералы на наличие радиоактивных изотопов в диапазоне гамма-энергии 20–3000 кэВ. Несмотря на высокую стоимость самостоятельного проекта, он все равно очень дешев, если сравнивать его с профессиональными гамма-спектрометрами лабораторного класса. Наиболее распространенные и опасные гамма-изотопы легко обнаруживаются устройством.