Analitzador multicanal MCA amb detector NaI (Tl) d’espectroscòpia gamma: 5 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Hola, Benvingut a tots els que estiguin interessats en l'espectroscòpia gamma d'aficions. En aquest breu article només vull compartir el meu procés de registre de treball per crear un detector casolà d’espectroscòpia gamma DIY amb MCA. No és una guia, només comparteixo fotos del procés.

Quan vaig començar el projecte, vaig decidir fabricar un dispositiu portàtil amb bateria amb una bona linealitat i una resolució FWHM% inferior al 8%. El circuit evoluciona en alta tensió per a un tub fotomultiplicador, té electrònica analògica per processar la forma del pols i té electrònica digital per comptar els impulsos i analitzar espectres.

Pas 1: fabricació del detector NaI (Tl)

El detector es construeix amb tub fotomultiplicador R9420 Hamamtsu i cristall de centelleig NaI (Tl) de 30x40mm. El cristall està òpticament acoblat a la finestra del fotocàtode del tub. El tub està cobert amb diverses capes de cinta elèctrica per evitar que els fotons de llum externa puguin entrar al fotocàtode. Quan un raig gamma impacta contra el cristall produeix un flaix de llum micro que pretén ser detectat pel tub PMT. La intensitat del flaix de llum consisteix en informació sobre l'energia del raig gamma.

Per conduir el tub PMT necessitem alta tensió. Vaig crear un convertidor step-up miniatura i estabilitzat de 5V a 1000V. Quan es tracta d’espectroscòpia gamma, es necessita una tensió alta regulada estrictament, amb bona compensació de temperatura i estabilitat a llarg termini. Els components electrònics moderns permeten crear aquest disseny.

El controlador també inclou divisor de tensió per a dinodes i amplificador sensible a la càrrega de processament de pols instal·lat directament al cable d’ànode. Aquest disseny compacte té un senyal de baix soroll i ajuda a evitar bucles de terra.

El tancament fabricat amb tub d'alumini a la màquina de torn domèstica. No sóc professional del CNC, tot es fa amb treballs manuals.

Sota la coberta (no es mostra a les fotos) he instal·lat una petita placa addicional amb bateria LiPO, carregador i indicador LED. El detector s’encén automàticament quan es connecta el cable. La càrrega de la bateria es pot fer amb el mateix cable i qualsevol adaptador de 5 V.

Podeu veure la pantalla d’abast de forma de pols típica des del detector. Tal com és, es pot utilitzar amb qualsevol programari MCA basat en ordinador, per exemple, PRA, Theremino o BecqMonitor2011. Aquest programari utilitza el carret d’àudio per analitzar el senyal.

Després de 2 o 3 vespres, vaig dedicar-me als ajustos del detector per trobar una configuració òptima d’alta tensió i amplificador, acabant amb una linealitat força bona i un ~ 7,30% FWHM% a 662keV

Per a la prova del detector he utilitzat el programa gratuït BecqMonitor2011 amb adaptador d’àudio de 24 bits.

Pas 2: fer MCA portàtil

Com que tenia previst utilitzar el meu detector com a dispositiu portàtil, vaig crear un Analitzador multicanal que pot capturar senyals i estalviar espectres al carret uSD en format CSV.

He utilitzat un recinte MHH-95A i he creat el disseny de PCB del meu MCA que s’adaptava a aquest recinte. L’MCA té microprocessador PIC18 de 8 bits amb canals ADC 1024 de 10 bits.

La pantalla de 128x64 només mostra informació parcial d’espectres. Les dades completes de 1024 contenidors es guarden al carret SD i poden ser obertes més endavant per BecqMonitor2011.

L’electrònica MCA alimentada per bateries 2xAA. Té 2 botons per controlar el programari i un botó per activar / desactivar.

Pas 3: Resultats

Tota la configuració pot detectar energia gamma en un rang de 20keV-3000keV, té una bona linealitat i un ~ 7,30% FWHM% a 662keV.

El primer espectre és d’1 hora d’escala logs Cs-137. També podeu veure el Ka-40 a 1460keV

El segon espectre és el rellotge de ràdio antic Ra-226 a escala lineal de 30 minuts

El tercer espectre és el rellotge de ràdio antic Ra-226 log. escala 30 minuts

El quart espectre és el mantell de llanterna toriat Th-232 log. escala 30 minuts

Espero que aquest article us pugui inspirar per a la vostra propera versió.

Pas 4: Conclusions i cost

El projecte NO és barat. No tinc un resum de costos exacte per a cada part que he utilitzat en aquest projecte, però les més cares són:

1. Cristall de NaI (Tl). Vaig comprar aquesta mostra nova per uns 200 dòlars. És car sobretot perquè té una resolució garantida i es fabrica actualment. Els cristalls vells d’estoc són problemàtics per la meva experiència.

2. Tub fotomultiplicador R9420. 60 dòlars El tub PMT que he fet servir no és nou, però està en bones condicions per part d’un proveïdor de confiança.

3. Fabricació de tancaments. Fins i tot ho faig sol, ha costat i necessita molt de temps. Els materials en petites quantitats que compro són cars, per exemple, el tub, la vareta d’alumini i el plàstic us poden costar uns 100 dòlars inclòs l’enviament, també heu d’afegir costos de mecanitzat a eines, insercions, etc.

4. Fabricació de prototips electrònics i fabricació de PCB. El cost és elevat: $$$$, ni tan sols puc comptar el total d'hores, dies i mesos que he passat en aquest tema. A més, intento evitar components electrònics ebay-ali de baix cost. El programari de microprocessador MCA també l’he escrit. Vaig trigar massa recursos i temps, com a fabricant i estudiant per compte propi, vaig decidir no compartir els meus fitxers font perquè mai no cobrirà els meus costos, ho sento. Però si sou creatiu i obert a la cooperació, em podeu escriure una proposta de cooperació empresarial.

5. La resta de parts, com ara cables, preses, bateries, materials, coles, cintes, etc. valen aproximadament 100 dòlars;

Les conclusions: al meu entendre, el projecte té un gran rendiment. Puc analitzar aliments, bolets, baies, trobar filles de radó a l'aigua de pluja, provar materials de formigó o minerals per trobar isòtops radioactius en un rang d'energia gamma 20keV-3000keV. Fins i tot amb un cost elevat com a projecte de bricolatge, encara és molt barat si el compareu amb espectròmetres gamma de grau professional de laboratori. El dispositiu pot detectar fàcilment els isòtops gamma més comuns i perillosos.