Viackanálový analyzátor MCA s detektorom NaI (Tl) gama spektroskopie: 5 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Ahoj, Vítame všetkých, ktorí sa zaujímajú o hobby gama spektroskopiu. V tomto krátkom článku sa chcem podeliť o svoj pracovný denník procesu vytvárania domáceho DIY detektora gama spektroskopie s MCA. Nie je to návod, zdieľam iba fotografie postupu.

Keď som začal s projektom, rozhodol som sa vyrobiť prenosné zariadenie napájané batériami s dobrou linearitou a FWHM% rozlíšením menej ako 8%. Obvod vyvíja vysoké napätie pre fotonásobič, má analógovú elektroniku na spracovanie tvaru impulzu a má digitálnu elektroniku na počítanie impulzov a analýzu spektier.

Krok 1: Výroba detektora NaI (Tl)

Detektor je vybavený fotonásobičom R9420 Hamamtsu a scintilačným kryštálom 30x40 mm NaI (Tl). Kryštál je opticky spojený s rúrkovým fotokatódovým oknom. Trubica je pokrytá niekoľkými vrstvami elektrickej pásky, aby sa zabránilo vstupu vonkajších svetelných fotónov do fotokatódy. Keď gama lúč zasiahne kryštál, vytvorí záblesk mikro svetla, ktorý je určený na detekciu pomocou trubice PMT. Intenzita svetelného záblesku pozostáva z informácie o energii gama lúča.

Na pohon trubice PMT potrebujeme vysoké napätie. Vytvoril som miniatúrny a stabilizovaný zosilňovač 5V na 1000V. Keď sa zaoberáte gama spektroskopiou, potrebujete prísne regulované vysoké napätie s dobrou teplotnou kompenzáciou a dlhodobou stabilitou. Moderné elektronické súčiastky umožňujú vytvoriť tento dizajn.

Ovládač obsahuje aj delič napätia pre dynódy a zosilňovač citlivý na impulzné spracovanie inštalovaný priamo na anódový drôt. Tento kompaktný dizajn má signál s nízkym šumom a pomáha predchádzať vzniku zemných slučiek.

Kryt vyrobený z hliníkovej trubice na domácom sústruhu. Nie som profesionálny CNC, všetko sa robí ručnou prácou.

Pod kryt (na fotografiách nie je zobrazený) som nainštaloval ďalšiu malú dosku s batériou LiPO, nabíjačkou a LED indikátorom. Po pripojení kábla sa detektor automaticky zapne. Nabíjanie batérie je možné rovnakým káblom a akýmkoľvek 5V adaptérom.

Z detektora môžete vidieť typickú obrazovku rozsahu pulzného tvaru. Ako taký, môže byť použitý s akýmkoľvek počítačovým softvérom MCA, napríklad PRA, Theremino alebo BecqMonitor2011. Tento softvér používa na analýzu signálu zvukový košík.

Po 2 alebo 3 večeroch, ktoré som strávil na úpravách detektora, aby som našiel optimálne nastavenia vysokého napätia a zosilňovača, to skončilo s celkom dobrou linearitou a ~ 7,30% FWHM% na 662keV

Na test detektora som použil freeware BecqMonitor2011 s 24bitovým zvukovým adaptérom.

Krok 2: Vytvorenie prenosného MCA

Pretože som plánoval používať svoj detektor ako prenosné zariadenie, vyrobil som viackanálový analyzátor, ktorý dokáže zachytávať signál a ukladať spektrá do košíka uSD vo formáte CSV.

Použil som kryt MHH-95A a vytvoril som dizajn DPS mojej MCA, ktorý sa do tohto krytu hodí. MCA má 8-bitový mikroprocesor PIC18 s 10-bitovými kanálmi ADC 1024.

Displej 128x64 zobrazuje iba čiastočné informácie o spektrách. Celých 1024 košov je uložených v košíku SD a je možné ich otvoriť neskôr v BecqMonitor2011.

Elektronika MCA napájaná batériami 2xAA. Má 2 tlačidlá na ovládanie softvéru a jedno tlačidlo na zapnutie/vypnutie.

Krok 3: Výsledky

Celé nastavenie dokáže detekovať gama energiu v rozsahu 20keV-3000keV, má dobrú linearitu a ~ 7,30% FWHM% pri 662keV.

Prvé spektrá sú 1 hodina Cs-137 log.scale. Môžete tiež vidieť Ka-40 pri 1460keV

Druhým spektrom sú starožitné rádiové hodinky Ra-226 s lineárnou stupnicou 30 minút

Tretím spektrom sú starožitné rádiové hodinky Ra-226 log. stupnica 30 minút

Štvrté spektrum je toriovaný lampiónový plášť Th-232 log. stupnica 30 minút

Dúfam, že tento článok môže priniesť inšpiráciu pre vašu ďalšiu stavbu!

Krok 4: Závery a náklady

Projekt NIE JE lacný. Nemám presný súhrn nákladov na každú časť, ktorú som použil v tomto projekte, ale najdrahšie sú:

1. Kryštál NaI (Tl). Túto vzorku som kúpil novú za približne 200 dolárov. Je drahý predovšetkým preto, že má zaručené rozlíšenie a v dnešnej dobe sa vyrába. Staré zásobné kryštály sú podľa mojich skúseností problematické.

2. Fotonásobič R9420. 60 dolárov Rúrka PMT, ktorú som použil, nie je nová, ale v dobrom stave od dôveryhodného dodávateľa.

3. Výroba skrinky. Aj keď to robím sám, stojí to veľa času a potrebuje to veľa času. Materiály v malom množstve, ktoré kupujem, sú drahé, napríklad rúrka, hliníková tyč a plast vás môžu stáť asi 100 dolárov vrátane dopravy, musíte tiež pripočítať náklady na obrábanie nástrojov, vložiek atď.

4. Prototypovanie elektroniky a výroba DPS. Náklady sú vysoké - $$$$, dokonca ani nemôžem spočítať celkové hodiny, dni a mesiace, ktoré som na túto tému strávil. Navyše sa snažím vyhnúť sa lacným elektronickým komponentom ebay-ali. Tiež som napísal softvér mikroprocesora MCA. Trvalo mi to príliš veľa zdrojov a času. Ako živnostník a študent som sa rozhodol nezdieľať svoje zdrojové súbory, pretože mi to nikdy nepokryje náklady, ospravedlňujem sa. Ale ak ste kreatívni a otvorení spolupráci, môžete mi napísať návrh na obchodnú spoluprácu.

5. Všetky ostatné súčasti, ako káble, zdviháky, batérie, materiály, lepidlá, pásky a podobne, stoja približne 100 dolárov, ale malé veci tu robia rozdiel …

Závery: Podľa môjho názoru má projekt vynikajúci výkon. Dokážem analyzovať jedlo, huby, bobule, nájsť radónové dcéry v dažďovej vode, testovať betónové materiály alebo minerály na rádioaktívne izotopy v rozsahu energie gama 20keV-3000keV. Aj napriek všetkým vysokým nákladom ako projekt pre domácich majstrov je stále veľmi lacný, ak ho porovnáte s profesionálnymi laboratórnymi gama spektrometrami. Zariadenie dokáže najbežnejšie a najnebezpečnejšie izotopy gama detekovať.