Multi Channel Analyzer MCA With Gamma Spectroscopy NaI (Tl) Detector: 5 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Γεια, Καλώς ορίσατε σε όλους όσους ενδιαφέρονται για χόμπι Gamma Spectroscopy. Σε αυτό το σύντομο άρθρο θέλω απλώς να μοιραστώ τη διαδικασία καταγραφής εργασίας μου για τη δημιουργία σπιτικού ανιχνευτή φασματοσκοπίας γάμμα DIY με το MCA. Δεν είναι οδηγός, μοιράζομαι μόνο φωτογραφίες της διαδικασίας.

Όταν ξεκίνησα το έργο, αποφάσισα να φτιάξω φορητή συσκευή με μπαταρία με καλή γραμμικότητα και ανάλυση FWHM% μικρότερη από 8%. Το κύκλωμα εξελίσσεται υψηλής τάσης για έναν σωλήνα φωτοπολλαπλασιαστή, έχει αναλογικά ηλεκτρονικά για την επεξεργασία του σχήματος παλμών και διαθέτει ψηφιακά ηλεκτρονικά για την καταμέτρηση των παλμών και την ανάλυση φασμάτων.

Βήμα 1: Δημιουργία ανιχνευτή NaI (Tl)

Ο ανιχνευτής κατασκευάζεται με σωλήνα φωτοπολλαπλασιαστή R9420 Hamamtsu και κρύσταλλο σπινθηρισμού NaI (Tl) 30x40mm. Ο κρύσταλλος συνδέεται οπτικά με το παράθυρο φωτο-καθόδου του σωλήνα. Ο σωλήνας καλύπτεται με πολλά στρώματα ηλεκτρικής ταινίας για να αποτρέψει την είσοδο εξωτερικών φωτονίων φωτός σε κάθοδο. Όταν μια ακτίνα γάμμα χτυπά τον κρύσταλλο, παράγει μικροφωτισμό που προορίζεται να ανιχνευθεί με σωλήνα PMT. Η ένταση της λάμψης αποτελείται από πληροφορίες για την ενέργεια της ακτίνας γάμμα.

Για να οδηγήσουμε τον σωλήνα PMT χρειαζόμαστε υψηλή τάση. Δημιούργησα μικροσκοπικό και σταθεροποιημένο μετατροπέα 5V σε 1000V. Όταν ασχολείστε με φασματοσκοπία γάμα χρειάζεστε αυστηρά ρυθμισμένη υψηλή τάση με καλή αντιστάθμιση θερμοκρασίας και μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά εξαρτήματα επιτρέπουν τη δημιουργία αυτού του σχεδίου.

Το πρόγραμμα οδήγησης περιλαμβάνει επίσης το διαχωριστή τάσης για τις διόδους και τον ενισχυτή με ευαισθησία φόρτισης με παλμό εγκατεστημένο απευθείας στο καλώδιο ανόδου. Αυτός ο συμπαγής σχεδιασμός έχει χαμηλό σήμα θορύβου και βοηθά στην αποφυγή βρόχων γείωσης.

Το περίβλημα από σωλήνα αλουμινίου στο σπιτικό τόρνο. Δεν είμαι επαγγελματίας CNC, όλα γίνονται με χειρωνακτική εργασία.

Κάτω από το κάλυμμα (δεν φαίνεται στις φωτογραφίες) εγκατέστησα επιπλέον μικρή πλακέτα με μπαταρία LiPO, φορτιστή και ενδεικτική λυχνία LED. Ο ανιχνευτής ενεργοποιείται αυτόματα όταν είναι συνδεδεμένο το καλώδιο. Η φόρτιση της μπαταρίας μπορεί να γίνει με το ίδιο καλώδιο και οποιονδήποτε προσαρμογέα 5V.

Μπορείτε να δείτε τυπική οθόνη εύρους σχήματος παλμού από τον ανιχνευτή. Όπως είναι, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με οποιοδήποτε λογισμικό MCA που βασίζεται σε υπολογιστή, για παράδειγμα PRA, Theremino ή BecqMonitor2011. Αυτό το λογισμικό χρησιμοποιεί κάρρο ήχου για την ανάλυση του σήματος.

Μετά από 2 ή 3 βράδια πέρασα σε ρυθμίσεις ανιχνευτή για να βρω τις βέλτιστες ρυθμίσεις υψηλής τάσης και ενισχυτή καταλήγει με αρκετά καλή γραμμικότητα και ~ 7,30% FWHM% στα 662keV

Για τη δοκιμή ανιχνευτή χρησιμοποίησα δωρεάν λογισμικό BecqMonitor2011 με προσαρμογέα ήχου 24bit.

Βήμα 2: Δημιουργία φορητού MCA

Επειδή σχεδίαζα να χρησιμοποιήσω τον ανιχνευτή μου ως φορητή συσκευή, έφτιαξα έναν πολυκαναλικό αναλυτή που μπορεί να καταγράψει σήμα και να αποθηκεύσει φάσματα στο καλάθι uSD σε μορφή CSV.

Χρησιμοποίησα περίβλημα MHH-95A και δημιούργησα σχεδιασμό PCB του MCA μου που ταιριάζει σε αυτό το περίβλημα. Το MCA διαθέτει μικροεπεξεργαστή PIC18 8 bit με 10-bit ADC 1024 κανάλια.

Η οθόνη 128x64 εμφανίζει μόνο μερικές πληροφορίες φασμάτων. Πλήρη δεδομένα 1024 κάδων αποθηκεύονται στο κάρρο SD και μπορούν να ανοίξουν αργότερα από το BecqMonitor2011.

Τα ηλεκτρονικά MCA τροφοδοτούνται από μπαταρίες 2xAA. Διαθέτει 2 κουμπιά για τον έλεγχο του λογισμικού και ένα κουμπί για On/Off.

Βήμα 3: Αποτελέσματα

Ολόκληρη η εγκατάσταση μπορεί να ανιχνεύσει ενέργεια γάμμα σε εύρος 20kV-3000keV, έχει καλή γραμμικότητα και ~ 7,30% FWHM% στα 662keV.

Το πρώτο φάσμα είναι 1 ώρα Cs-137 log.scale. Μπορείτε επίσης να δείτε Ka-40 στα 1460keV

Δεύτερο φάσμα είναι το παλαιό ραδιόφωνο ραδιόφωνο Ra-226 γραμμική κλίμακα 30 λεπτών

Το τρίτο φάσμα είναι το παλαιό ρολόι ραδίου Ra-226 log. κλίμακα 30 λεπτά

Το τέταρτο φάσμα είναι θωρακισμένος μανδύας φανάρι Th-232 log. κλίμακα 30 λεπτά

Ελπίζω ότι αυτό το άρθρο μπορεί να εμπνεύσει την επόμενη κατασκευή σας!

Βήμα 4: Συμπεράσματα και κόστος

Το έργο ΔΕΝ είναι φθηνό. Δεν έχω ακριβή περίληψη κόστους για κάθε μέρος που χρησιμοποίησα σε αυτό το έργο, αλλά τα πιο ακριβά είναι:

1. κρύσταλλο NaI (Tl). Αγόρασα αυτό το νέο δείγμα για περίπου $ 200. Είναι ακριβό κυρίως επειδή έχει εγγυημένη ανάλυση και κατασκευάζεται στις μέρες μας. Οι παλιοί κρύσταλλοι είναι προβληματικοί στην εμπειρία μου.

2. Σωλήνας φωτοπολλαπλασιαστή R9420. $ 60 Ο σωλήνας PMT που χρησιμοποίησα δεν είναι καινούργιος, αλλά σε καλή κατάσταση από αξιόπιστο προμηθευτή.

3. Κατασκευή περιβλήματος. Ακόμα και εγώ το κάνω μόνος μου έχει κόστος και χρειάζεται πολύ χρόνο. Τα υλικά σε μικρή ποσότητα που αγοράζω είναι ακριβά, για παράδειγμα σωλήνας, ράβδος αλουμινίου και πλαστικό μπορεί να σας κοστίσει περίπου $ 100 συμπεριλαμβανομένων των μεταφορικών, πρέπει επίσης να προσθέσετε κόστος κατεργασίας σε εργαλεία, ένθετα κ.λπ.

4. Ηλεκτρονική πρωτοτυπία και κατασκευή PCB. Το κόστος είναι υψηλό - $ $ $, δεν μπορώ ακόμη να υπολογίσω τις συνολικές ώρες, ημέρες και μήνες που πέρασα σε αυτό το θέμα. Επιπλέον, προσπαθώ να αποφύγω τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα ebay-ali χαμηλού κόστους. Το λογισμικό μικροεπεξεργαστή MCA που γράφτηκε από μένα επίσης. Μου πήρε πάρα πολλούς πόρους και χρόνο, ως αυτοαπασχολούμενος κατασκευαστής και φοιτητής επιλέγω να μην μοιραστώ τα αρχεία προέλευσης γιατί δεν θα καλύψει ποτέ το κόστος μου, συγνώμη. Αλλά αν είστε δημιουργικοί και ανοιχτοί στη συνεργασία, μπορείτε να μου γράψετε μια πρόταση για επιχειρηματική συνεργασία.

5. Όλα τα άλλα μέρη όπως καλώδια, βύσματα, μπαταρίες, υλικά, κόλλες, κασέτες κλπ κοστίζουν περίπου 100 δολάρια, τα μικρά πράγματα κάνουν τη διαφορά εδώ…

Τα συμπεράσματα: Κατά τη γνώμη μου το έργο έχει εξαιρετική απόδοση. Μπορώ να αναλύσω τρόφιμα, μανιτάρια, μούρα, να βρω κόρες ραδονίου στο νερό της βροχής, να δοκιμάσω υλικά από σκυρόδεμα ή ανόργανα άλατα για ραδιενεργά ισότοπα σε εύρος ενέργειας γάμμα 20 kV-3000 kV. Ακόμη και με όλο το υψηλό κόστος ως έργο DIY, εξακολουθεί να είναι πολύ φτηνό αν το συγκρίνετε με επαγγελματικά φασματόμετρα γάμμα εργαστηριακής ποιότητας. Τα πιο κοινά και επικίνδυνα ισότοπα γάμμα μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν από τη συσκευή.