Vícekanálový analyzátor MCA s detektorem NaI (Tl) gama spektroskopie: 5 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Ahoj, Vítejte u všech, kteří se zajímají o hobby gama spektroskopii. V tomto krátkém článku se chci podělit o svůj pracovní protokol vytváření domácího detektoru gama spektroskopie DIY s MCA. Není to průvodce, sdílím pouze fotografie postupu.

Když jsem projekt zahájil, rozhodl jsem se vyrobit přenosné zařízení na baterie s dobrou linearitou a FWHM% rozlišením menším než 8%. Obvod vyvíjí vysoké napětí pro fotonásobič, má analogovou elektroniku pro zpracování tvaru pulsu a má digitální elektroniku pro počítání impulsů a analýzu spekter.

Krok 1: Výroba detektoru NaI (Tl)

Detektor sestává z fotonásobiče R9420 Hamamtsu a scintilačního krystalu 30x40 mm NaI (Tl). Krystal je opticky spojen s tubusovým fotokatodovým oknem. Trubice je pokryta několika vrstvami elektrické pásky, aby se zabránilo vniknutí jakýchkoli vnějších světelných fotonů do fotokatody. Když gama paprsek zasáhne krystal, vytvoří záblesk mikro světla, který má být detekován trubicí PMT. Intenzita světelného záblesku obsahuje informace o energii gama paprsku.

K pohonu trubice PMT potřebujeme vysoké napětí. Vytvořil jsem miniaturní a stabilizovaný převodník 5V na 1000V. Když pracujete s gama spektroskopií, potřebujete přísně regulované vysoké napětí s dobrou teplotní kompenzací a dlouhodobou stabilitou. Moderní elektronické součástky umožňují vytvořit tento design.

Ovladač také obsahuje dělič napětí pro dynody a zesilovač citlivý na pulzní zpracování instalovaný přímo na anodový vodič. Tento kompaktní design má nízkošumový signál a pomáhá vyhnout se zemním smyčkám.

Skříň vyrobena z hliníkové trubky na domácím soustruhu. Nejsem profesionální CNC, vše se provádí ruční prací.

Pod kryt (na fotkách není zobrazen) jsem nainstaloval další malou desku s LiPO baterií, nabíječkou a LED indikátorem. Po připojení kabelu se detektor automaticky zapne. Nabíjení baterie lze provádět stejným kabelem a jakýmkoli 5V adaptérem.

Z detektoru můžete vidět typickou obrazovku rozsahu pulzního tvaru. Jak je, lze jej použít s jakýmkoli počítačovým softwarem MCA, například PRA, Theremino nebo BecqMonitor2011. Tento software používá zvukový košík k analýze signálu.

Po 2 nebo 3 večerech, které jsem strávil úpravou detektorů, abych našel optimální nastavení vysokého napětí a zesilovače, to skončilo docela dobrou linearitou a ~ 7,30% FWHM% na 662keV

Pro test detektoru jsem použil freeware BecqMonitor2011 s 24bitovým audio adaptérem.

Krok 2: Výroba přenosného MCA

Protože jsem plánoval použít svůj detektor jako přenosné zařízení, vytvořil jsem vícekanálový analyzátor, který dokáže zachytit signál a uložit spektra do košíku uSD ve formátu CSV.

Použil jsem pouzdro MHH-95A a vytvořil jsem design MCA svého MCA, který se hodí k tomuto krytu. MCA má 8bitový mikroprocesor PIC18 s 10bitovými kanály ADC 1024.

Displej 128x64 zobrazuje pouze částečné informace spekter. Plných 1024 údajů o popelnicích je uloženo do košíku SD a lze je později otevřít pomocí BecqMonitor2011.

Elektronika MCA napájená bateriemi 2xAA. Má 2 tlačítka pro ovládání softwaru a jedno tlačítko pro zapnutí/vypnutí.

Krok 3: Výsledky

Celé nastavení dokáže detekovat energii gama v rozmezí 20keV-3000keV, má dobrou linearitu a ~ 7,30% FWHM% při 662keV.

První spektra jsou 1 hodina Cs-137 log.scale. Můžete také vidět Ka-40 na 1460keV

Druhým spektrem jsou starožitné radiové hodinky Ra-226 s lineárním měřítkem 30 minut

Třetí spektra jsou starožitné radiové hodinky Ra-226 log. měřítko 30 minut

Čtvrtá spektra jsou thoriovaný plášť lucerny Th-232 log. měřítko 30 minut

Doufáme, že tento článek může přinést inspiraci pro vaši další stavbu!

Krok 4: Závěry a náklady

Projekt NENÍ levný. Nemám přesný souhrn nákladů pro každou část, kterou jsem použil v tomto projektu, ale nejdražší jsou:

1. Krystal NaI (Tl). Koupil jsem tento vzorek nový za přibližně 200 $. Je to drahé hlavně proto, že má zaručené rozlišení a vyrábí se v dnešní době. Staré zásobní krystaly jsou podle mých zkušeností problematické.

2. Fotonásobič R9420. 60 $ PMT trubice, kterou jsem použil, není nová, ale v dobrém stavu od důvěryhodného dodavatele.

3. Výroba skříně. I když to dělám sám, stojí to mnoho času a času. Materiály v malém množství, které kupuji, jsou drahé, například trubka, hliníková tyč a plast vás mohou stát asi 100 USD včetně dopravy, musíte také přidat náklady na obrábění nástrojů, destiček atd.

4. Prototypování elektroniky a výroba DPS. Náklady jsou vysoké - $$$$, dokonce ani nedokážu spočítat celkové hodiny, dny a měsíce, které jsem tomuto tématu strávil. Navíc se snažím vyhýbat levným elektronickým součástkám ebay-ali. Mikroprocesorový software MCA jsem také napsal. Trvalo mi to příliš mnoho zdrojů a času, jako samostatně výdělečně činný výrobce a student jsem se rozhodl nesdílet své zdrojové soubory, protože mi to nikdy nepokryje náklady, omlouvám se. Pokud jste ale kreativní a otevření spolupráci, můžete mi napsat návrh na obchodní spolupráci.

5. Všechny ostatní části, jako jsou kabely, zvedáky, baterie, materiály, lepidla, pásky atd., Stojí přibližně 100 USD, ale malé věci zde mají význam…

Závěry: Podle mého názoru má projekt skvělý výkon. Mohu analyzovat jídlo, houby, bobule, najít radonové dcery v dešťové vodě, testovat betonové materiály nebo minerály na radioaktivní izotopy v rozsahu energie gama 20keV-3000keV. I při všech vysokých nákladech jako DIY projekt je to stále velmi levné, pokud to porovnáte s profesionálními laboratorními gama spektrometry. Zařízení dokáže snadno detekovat většinu běžných a nebezpečných izotopů gama.