Mehrkanalanalysator MCA mit Gammaspektroskopie-NaI(Tl)-Detektor - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Hi, Willkommen an alle, die sich für die Hobby-Gammaspektroskopie interessieren. In diesem kurzen Artikel möchte ich nur meinen Arbeitsprotokollprozess zur Erstellung eines hausgemachten DIY-Gammaspektroskopie-Detektors mit MCA teilen. Es ist keine Anleitung, ich teile nur Fotos des Prozesses.

Als ich das Projekt begann, entschied ich mich, ein tragbares batteriebetriebenes Gerät mit guter Linearität und einer FWHM%-Auflösung von weniger als 8% herzustellen. Die Schaltung erzeugt Hochspannung für eine Photomultiplier-Röhre, sie verfügt über eine analoge Elektronik zur Verarbeitung der Pulsform und über eine digitale Elektronik zum Zählen von Pulsen und zur Analyse von Spektren.

Schritt 1: Herstellung des NaI(Tl)-Detektors

Der Detektor ist mit R9420 Hamamtsu Photomultiplier-Röhre und 30x40mm NaI(Tl) Szintillationskristall aufgebaut. Der Kristall ist optisch an das Röhren-Photokathodenfenster gekoppelt. Die Röhre ist mit mehreren Schichten Isolierband bedeckt, um zu verhindern, dass externe Lichtphotonen in die Photokathode eindringen. Wenn ein Gammastrahl auf den Kristall trifft, erzeugt er einen Mikrolichtblitz, der von der PMT-Röhre erkannt werden soll. Die Intensität des Lichtblitzes besteht aus Informationen über die Energie der Gammastrahlung.

Um die PMT-Röhre anzutreiben, benötigen wir Hochspannung. Ich habe einen Miniatur- und stabilisierten Aufwärtswandler von 5 V auf 1000 V erstellt. Bei der Gammaspektroskopie benötigen Sie eine streng geregelte Hochspannung mit guter Temperaturkompensation und Langzeitstabilität. Moderne elektronische Komponenten ermöglichen dieses Design.

Der Treiber enthält auch einen Spannungsteiler für Dynoden und einen impulsverarbeitenden ladungsempfindlichen Verstärker, der direkt auf dem Anodendraht installiert ist. Dieses kompakte Design hat ein rauscharmes Signal und hilft, Erdschleifen zu vermeiden.

Das Gehäuse aus Aluminiumrohr auf Heimdrehmaschine. Ich bin kein CNC-Profi, alles wird mit Handarbeit gemacht.

Unter der Abdeckung (auf den Fotos nicht zu sehen) habe ich zusätzlich ein kleines Board mit LiPO-Akku, Ladegerät und LED-Anzeige verbaut. Der Detektor schaltet sich automatisch ein, wenn das Kabel angeschlossen ist. Das Aufladen des Akkus kann mit dem gleichen Kabel und einem beliebigen 5V-Adapter erfolgen.

Sie können vom Detektor aus einen typischen Bildschirm des Pulsform-Skops sehen. So kann es mit jeder computerbasierten MCA-Software verwendet werden, zum Beispiel PRA, Theremino oder BecqMonitor2011. Diese Software verwendet einen Audiowagen, um das Signal zu analysieren.

Nach 2 oder 3 Abenden, die ich mit Detektoreinstellungen verbracht habe, um optimale Hochspannungs- und Verstärkereinstellungen zu finden, endet es mit einer ziemlich guten Linearität und ~7,30% FWHM% bei 662keV

Für den Detektortest habe ich die Freeware BecqMonitor2011 mit 24bit Audioadapter verwendet.

Schritt 2: Erstellen eines tragbaren MCA

Da ich vorhatte, meinen Detektor als tragbares Gerät zu verwenden, habe ich einen Multi Channel Analyzer entwickelt, der Signale erfassen und Spektren im CSV-Format auf einem uSD-Wagen speichern kann.

Ich habe das MHH-95A-Gehäuse verwendet und ein PCB-Design meines MCA erstellt, das zu diesem Gehäuse passt. Der MCA verfügt über einen 8-Bit-PIC18-Mikroprozessor mit 10-Bit-ADC-1024-Kanälen.

128x64-Display zeigt nur Teilinformationen von Spektren. Die vollständigen 1024 Bins-Daten werden im SD-Warenkorb gespeichert und können später von BecqMonitor2011 geöffnet werden.

Die MCA-Elektronik wird mit 2xAA-Batterien betrieben. Es hat 2 Tasten zur Steuerung der Software und eine Taste für Ein/Aus.

Schritt 3: Ergebnisse

Das gesamte Setup kann Gammaenergie im Bereich von 20keV-3000keV erkennen, hat eine gute Linearität und ~7,30% FWHM% bei 662keV.

Das erste Spektren ist 1 Stunde Cs-137 log.scale. Sie können auch Ka-40 bei 1460 keV sehen

Zweite Spektren sind antike Radiumuhr Ra-226 lineare Skala 30 Minuten

Drittes Spektrum ist eine antike Radiumuhr Ra-226 Log. 30 Minuten skalieren

Viertes Spektren ist ein thorierter Laternenmantel Th-232 log. 30 Minuten skalieren

Ich hoffe, dieser Artikel kann Inspiration für Ihren nächsten Build bringen!

Schritt 4: Schlussfolgerungen und Kosten

Das Projekt ist NICHT billig. Ich habe nicht eine genaue Kostenübersicht für jedes Teil, das ich in diesem Projekt verwendet habe, aber die teuersten sind:

1. NaI(Tl)-Kristall. Ich habe dieses Muster neu für etwa 200 $ gekauft. Es teuer vor allem, weil es eine garantierte Auflösung hat und heutzutage hergestellt wird. Altbestandskristalle sind meiner Erfahrung nach problematisch.

2. R9420 Photomultiplier-Röhre. $60 Die von mir verwendete PMT-Röhre ist nicht neu, aber in gutem Zustand von einem vertrauenswürdigen Lieferanten.

3. Gehäuseherstellung. Selbst ich mache es selbst, es kostet und braucht viel Zeit. Die Materialien, die ich in kleinen Mengen kaufe, sind teuer, zum Beispiel können Rohre, Aluminiumstangen und Kunststoff etwa 100 US-Dollar einschließlich Versand kosten, Sie müssen auch Bearbeitungskosten für Werkzeuge, Einsätze usw.

4. Elektronik-Prototyping und PCB-Herstellung. Die Kosten sind hoch - $$$$, ich kann nicht einmal die gesamten Stunden, Tage und Monate zählen, die ich für dieses Thema aufgewendet habe. Außerdem versuche ich, kostengünstige elektronische Komponenten von ebay-ali zu vermeiden. Die MCA-Mikroprozessor-Software hat auch von mir geschrieben. Es hat für mich zu viele Ressourcen und Zeit gekostet, als selbstständiger Macher und Student entscheide ich mich, meine Quelldateien nicht weiterzugeben, weil es meine Kosten in der Tat niemals decken wird, sorry. Aber wenn Sie kreativ und offen für eine Zusammenarbeit sind, können Sie mir gerne einen Vorschlag für eine geschäftliche Zusammenarbeit schreiben.

5. Alle anderen Teile wie Kabel, Buchsen, Batterien, Materialien, Klebstoffe, Klebebänder usw. kosten etwa 100 US-Dollar, ja, kleine Dinge machen hier einen Unterschied…

Die Schlussfolgerungen: Meiner Meinung nach hat das Projekt eine großartige Leistung. Ich kann Lebensmittel, Pilze, Beeren analysieren, Radon-Tochter in Regenwasser finden, Betonmaterialien oder Mineralien auf radioaktive Isotope im Bereich der Gammaenergie 20keV-3000keV testen. Selbst bei allen hohen Kosten als DIY-Projekt ist es immer noch sehr günstig, wenn Sie es mit professionellen Gammaspektrometern in Laborqualität vergleichen. Die häufigsten und gefährlichsten Gamma-Isotope können mit dem Gerät leicht erkannt werden.