Analizzatore multicanale MCA con rivelatore di spettroscopia gamma NaI(Tl): 5 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Ciao, Benvenuti a tutti coloro che sono interessati alla spettroscopia gamma per hobby. In questo breve articolo voglio solo condividere il mio processo di log di lavoro per creare un rilevatore di spettroscopia gamma fai-da-te fatto in casa con MCA. Non è una guida, condivido solo le foto del processo.

Quando ho iniziato il progetto, ho deciso di realizzare un dispositivo portatile a batteria con una buona linearità e una risoluzione FWHM% inferiore all'8%. Il circuito sviluppa alta tensione per un tubo fotomoltiplicatore, ha un'elettronica analogica per elaborare la forma degli impulsi e ha un'elettronica digitale per contare gli impulsi e analizzare gli spettri.

Passaggio 1: realizzazione del rilevatore NaI(Tl)

Il rivelatore è costruito con tubo fotomoltiplicatore Hamamtsu R9420 e cristallo di scintillazione NaI(Tl) 30x40mm. Il cristallo è accoppiato otticamente alla finestra del fotocatodo del tubo. Il tubo è ricoperto da diversi strati di nastro isolante per evitare che fotoni luminosi esterni entrino nel fotocatodo. Quando un raggio gamma colpisce il cristallo, produce un micro lampo di luce che dovrebbe essere rilevato dal tubo PMT. L'intensità del lampo luminoso consiste in informazioni sull'energia del raggio gamma.

Per pilotare il tubo PMT abbiamo bisogno dell'alta tensione. Ho creato un convertitore step-up da 5V a 1000V miniaturizzato e stabilizzato. Quando si ha a che fare con la spettroscopia gamma è necessaria un'alta tensione rigorosamente regolata con una buona compensazione della temperatura e stabilità a lungo termine. I moderni componenti elettronici consentono di creare questo design.

Il driver include anche un divisore di tensione per dinodi e un amplificatore sensibile alla carica con elaborazione degli impulsi installato direttamente sul filo dell'anodo. Questo design compatto ha un segnale a basso rumore e aiuta ad evitare loop di massa.

L'involucro realizzato con tubo di alluminio su tornio domestico. Non sono CNC professionista, tutto viene fatto con lavoro manuale.

Sotto il coperchio (non mostrato nelle foto) ho installato una piccola scheda aggiuntiva con batteria LiPO, caricabatterie e indicatore LED. Il rilevatore si accende automaticamente quando il cavo è collegato. La ricarica della batteria può essere effettuata con lo stesso cavo e qualsiasi adattatore 5V.

È possibile vedere la tipica schermata dell'oscilloscopio a forma di impulso dal rilevatore. Così com'è, può essere utilizzato con qualsiasi software MCA basato su computer, ad esempio PRA, Theremino o BecqMonitor2011. Questi software utilizzano il carrello audio per analizzare il segnale.

Dopo 2 o 3 serate ho speso per le regolazioni del rivelatore per trovare l'alta tensione ottimale e le impostazioni dell'amplificatore si finisce con una linearità abbastanza buona e ~7,30% FWHM% su 662keV

Per il test del rilevatore ho utilizzato il freeware BecqMonitor2011 con adattatore audio a 24 bit.

Passaggio 2: creazione di MCA portatile

Poiché avevo pianificato di utilizzare il mio rilevatore come dispositivo portatile, ho realizzato un analizzatore multicanale in grado di acquisire il segnale e salvare gli spettri sul carrello uSD in formato CSV.

Ho usato la custodia MHH-95A e ho creato il design PCB del mio MCA che si adattava a questa custodia. L'MCA ha un microprocessore PIC18 a 8 bit con 1024 canali ADC a 10 bit.

Il display 128x64 mostra solo informazioni parziali degli spettri. I dati completi di 1024 contenitori vengono salvati nel carrello SD e possono essere aperti in seguito da BecqMonitor2011.

L'elettronica MCA è alimentata da 2 batterie AA. Ha 2 pulsanti per controllare il software e un pulsante per On/Off.

Passaggio 3: risultati

L'intera configurazione può rilevare l'energia gamma nell'intervallo 20keV-3000keV, ha una buona linearità e ~7,30% FWHM% a 662keV.

Il primo spettro è di 1 ora di Cs-137 log.scale. Puoi anche vedere Ka-40 a 1460keV

Il secondo spettro è un orologio al radio antico Ra-226 scala lineare 30 minuti

Il terzo spettro è il registro Ra-226 dell'orologio al radio antico. scala 30 minuti

Il quarto spettro è il log Th-232 del mantello della lanterna toriata. scala 30 minuti

Spero che questo articolo possa portare ispirazione per la tua prossima build!

Fase 4: Conclusioni e Costo

Il progetto NON è economico. Non ho un riepilogo esatto dei costi per ogni parte che ho usato in questo progetto, ma i più costosi sono:

1. Cristallo NaI(Tl). Ho acquistato questo campione nuovo per circa $ 200. È costoso soprattutto perché ha una risoluzione garantita e viene prodotto al giorno d'oggi. I vecchi cristalli di serie sono problematici nella mia esperienza.

2. Tubo fotomoltiplicatore R9420. $60 Il tubo PMT che ho usato non è nuovo, ma in buone condizioni da un fornitore di fiducia.

3. Produzione di custodie. Anche io lo faccio da solo costa e richiede molto tempo. I materiali in piccole quantità che compro sono costosi, ad esempio tubo, asta di alluminio e plastica possono costare circa $ 100 inclusa la spedizione, devi anche aggiungere i costi di lavorazione su utensili, inserti ecc.

4. Prototipazione elettronica e produzione PCB. Il costo è alto - $$$$, non riesco nemmeno a contare le ore, i giorni e i mesi totali che ho trascorso su questo argomento. Inoltre cerco di evitare componenti elettronici ebay-ali a basso costo. Anche il software del microprocessore MCA scritto da me. Mi ci sono volute troppe risorse e tempo, in quanto maker e studente autonomo ho scelto di non condividere i miei file di origine perché non copriranno mai i miei costi, mi dispiace. Ma se sei creativo e aperto alla cooperazione, puoi scrivermi una proposta di cooperazione commerciale.

5. Tutte le altre parti in giro come cavi, jack, batterie, materiali, colle, nastri e così via sono circa $ 100, sì, le piccole cose fanno la differenza qui…

Le conclusioni: Secondo me il progetto ha ottime prestazioni. Posso analizzare cibo, funghi, bacche, trovare figlie del radon nell'acqua piovana, testare materiali concreti o minerali per isotopi radioattivi nell'intervallo di energia gamma 20keV-3000keV. Anche con tutti i costi elevati come progetto fai-da-te, è ancora molto economico se lo si confronta con spettrometri gamma professionali di laboratorio. Gli isotopi gamma più comuni e pericolosi possono essere facilmente rilevati dal dispositivo.