Multi Channel Analyzer MCA met gammaspectroscopie NaI(Tl)-detector - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Hoi, Welkom aan iedereen die geïnteresseerd is in hobby Gamma Spectroscopie. In dit korte artikel wil ik alleen mijn werklogboekproces van het maken van zelfgemaakte doe-het-zelf-gammaspectroscopiedetector met MCA delen. Het is geen gids, ik deel alleen foto's van het proces.

Toen ik aan het project begon, besloot ik om een draagbaar, op batterijen werkend apparaat te maken met een goede lineariteit en een FWHM%-resolutie van minder dan 8%. Het circuit ontwikkelt hoogspanning voor een fotomultiplicatorbuis, het heeft analoge elektronica om de pulsvorm te verwerken en het heeft digitale elektronica om pulsen te tellen en spectra te analyseren.

Stap 1: NaI(Tl)-detector maken

De detector is gebouwd met R9420 Hamamtsu fotomultiplicatorbuis en 30x40mm NaI(Tl) scintillatiekristal. Het kristal is optisch gekoppeld aan het fotokathodevenster van de buis. De buis is bedekt met verschillende lagen elektrische tape om te voorkomen dat externe lichtfotonen de fotokathode binnendringen. Wanneer een gammastraal het kristal treft, produceert het een microlichtflits die bedoeld was om te worden gedetecteerd door een PMT-buis. De intensiteit van de lichtflits bestaat uit informatie over de energie van de gammastraal.

Om de PMT-buis aan te drijven hebben we hoogspanning nodig. Ik heb een miniatuur en gestabiliseerde step-up 5V naar 1000V-converter gemaakt. Wanneer u zich bezighoudt met gammaspectroscopie, heeft u strikt gereguleerde hoogspanning nodig met een goede temperatuurcompensatie en stabiliteit op lange termijn. Moderne elektronische componenten maken het mogelijk om dit ontwerp te creëren.

De driver bevat ook een spanningsdeler voor dynodes en een pulsverwerkende ladingsgevoelige versterker die direct op de anodedraad is geïnstalleerd. Dit compacte ontwerp heeft een laag ruissignaal en helpt aardlussen te voorkomen.

De behuizing gemaakt met aluminium buis op een draaibankmachine. Ik ben geen professionele CNC, alles wordt met de hand gedaan.

Onder de kap (niet getoond op de foto's) heb ik een extra klein bord met LiPO-batterij, oplader en LED-indicator geïnstalleerd. De detector wordt automatisch ingeschakeld wanneer de kabel is aangesloten. Het opladen van de batterij kan met dezelfde kabel en elke 5V-adapter.

U kunt het typische pulsvormige scoopscherm van de detector zien. Zoals het is, kan het worden gebruikt met elke computergebaseerde MCA-software, bijvoorbeeld PRA, Theremino of BecqMonitor2011. Deze software gebruikt een audiokar om het signaal te analyseren.

Na 2 of 3 avonden besteedde ik aan detectoraanpassingen om optimale hoogspannings- en versterkerinstellingen te vinden, het eindigde met een redelijk goede lineariteit en ~7.30% FWHM% op 662keV

Voor de detectortest heb ik freeware BecqMonitor2011 met 24-bit audioadapter gebruikt.

Stap 2: Draagbare MCA maken

Omdat ik van plan was mijn detector als een draagbaar apparaat te gebruiken, heb ik een Multi Channel Analyzer gemaakt die signalen kan vastleggen en spectra kan opslaan in een uSD-kar in CSV-formaat.

Ik heb de MHH-95A-behuizing gebruikt en een PCB-ontwerp van mijn MCA gemaakt dat in deze behuizing past. De MCA heeft een 8-bit PIC18-microprocessor met 10-bit ADC 1024-kanalen.

128x64 display toont slechts gedeeltelijke informatie over spectra. De volledige gegevens van 1024 bakken worden opgeslagen in de SD-kaart en kunnen later worden geopend door BecqMonitor2011.

De MCA-elektronica werkt op 2xAA-batterijen. Het heeft 2 knoppen om de software te bedienen en een knop voor aan/uit.

Stap 3: Resultaten

De hele opstelling kan gamma-energie detecteren in het bereik van 20keV-3000keV, heeft een goede lineariteit en ~7.30% FWHM% bij 662keV.

De eerste spectra zijn 1 uur Cs-137 logschaal. Je kunt Ka-40 ook zien op 1460keV

Tweede spectra is antiek radium horloge Ra-226 lineaire schaal 30 minuten

Derde spectra is antiek radium horloge Ra-226 log. schaal 30 minuten

Vierde spectra is thoriated lantaarnmantel Th-232 log. schaal 30 minuten

Ik hoop dat dit artikel inspiratie kan bieden voor je volgende build!

Stap 4: Conclusies en kosten

Het project is NIET goedkoop. Ik heb geen exacte kostenoverzicht voor elk onderdeel dat ik in dit project heb gebruikt, maar de duurste zijn:

1. NaI(Tl)-kristal. Ik heb dit exemplaar nieuw gekocht voor ongeveer $ 200. Het is duur, vooral omdat het een gegarandeerde resolutie heeft en het tegenwoordig wordt geproduceerd. Oude voorraad kristallen zijn problematisch in mijn ervaring.

2. R9420 fotomultiplicatorbuis. $ 60 De PMT-buis die ik heb gebruikt, is niet nieuw, maar in goede staat van een vertrouwde leverancier.

3. Productie van behuizingen. Zelfs als ik het alleen doe, kost het veel en kost het veel tijd. De materialen in kleine hoeveelheden die ik koop zijn duur, bijvoorbeeld buis, aluminium staaf en plastic kunnen je ongeveer $ 100 kosten inclusief verzending, je moet ook bewerkingskosten toevoegen aan gereedschappen, wisselplaten enz.

4. Elektronica-prototyping en PCB-productie. De kosten zijn hoog - $$$$, ik kan zelfs de totale uren, dagen en maanden die ik aan dit onderwerp heb besteed niet tellen. Daarnaast probeer ik goedkope ebay-ali elektronische componenten te vermijden. De MCA-microprocessorsoftware is ook door mij geschreven. Het kostte me te veel middelen en tijd, als zelfstandige maker en student kies ik ervoor om mijn bronbestanden niet te delen omdat het mijn kosten inderdaad nooit zal dekken, sorry. Maar als u creatief bent en openstaat voor samenwerking, kunt u mij een voorstel voor zakelijke samenwerking schrijven.

5. Alle andere onderdelen zoals kabels, aansluitingen, batterijen, materialen, lijmen, tapes en dergelijke kosten ongeveer $ 100, ja kleine dingen maken hier een verschil …

De conclusies: Naar mijn mening heeft het project geweldige prestaties. Ik kan voedsel, paddenstoelen, bessen analyseren, radondochters vinden in regenwater, betonmaterialen of mineralen testen op radioactieve isotopen in het bereik van gamma-energie 20keV-3000keV. Zelfs met alle hoge kosten als doe-het-zelf-project, is het nog steeds erg goedkoop als je het vergelijkt met professionele gammaspectrometers van laboratoriumkwaliteit. De meest voorkomende en gevaarlijke gamma-isotopen kunnen gemakkelijk door het apparaat worden gedetecteerd.