Домашнее консерви...Тьфу, домашняя гамма-спектроскопия или просто о сложном.

Автор: Максим
Опубликовано 13.09.2012
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2012!"

О, опять микроконТРОЛЛИНГ наступает. Рядовые коты без дела сидят.

Из конкурсных статей сайта «радиокот».

В этой статье я расскажу вам как в домашних условиях с небольшими затратами за пару вечеров сделать самый настоящий гамма-спетрометр. Наш прибор будет принципиально отличаться от большинства профессиональных сцинтилляционных аппаратов лишь максимальной скоростью счёта, но я надеюсь что никто из нас не столкнётся с ситуациями где потребуется чтобы прибор обрабатывал несколько тысяч импульсов в секунду. Сделать его может каждый, кто имеет хотя бы небольшое представление об аналоговых схемах и импульсных преобразователях напряжения. Практически все детали имеют массу вариантов замены и найдутся в закромах среднего радиолюбителя.

 Немного теории.

Живо по коням - в погоню за квантами!

В. Высоцкий.

При попадании квантов ионизирующего излучения в особые вещества — сцинтилляторы — возникают короткие (как правило меньше микросекунды) вспышки света. Количество выделившихся фотонов пропорционально энергии поглощённого кванта и имеет небольшой (единицы процентов) разброс. Порядок величины — десятки тысяч фотонов на МЭВ энергии поглощённого кванта, зависит от вида сцинтиллятора. Принимая импульсы света чувствительным ФЭУ или хорошим фотодиодом можно получать информацию о спектральном составе и интенсивности ионизирующего излучения, попадающего в сцинтиллятор.

 А теперь практика.

-Петрович, подкинь-ка коксу в четвёртый, остывает же. Да не бойся ты, смелее давай!

Из разговоров около пульта управления чернобыльской АЭС, 26 апреля 1986г., около часа ночи.

Самое труднодоставаемое что нам понадобится - сам сцинтилляционный кристалл. Его можно купить новый (дорого) или поискать на форумах, «молотке» или ebay.com. Чем больше кристалл — тем он дороже, тем за меньшее время мы сможем получить адекватную картину спектра при малой активности исследуемого вещества, тем до больших энергий он будет эффективно работать, и тем больший диаметр фотокатода ФЭУ нам понадобится. Я использовал кристалл йодида натрия, активированного таллием, диаметром 30 и высотой 40 мм.

Как выбирать на рынке арбу...тьфу, как выбирать сцинтилляционные кристаллы.

Кристалл должен быть идеально прозрачным, без трещин, помутнений и желтизны. Если к кристаллу есть паспорт — очень хорошо, если в нём написано спектрометрическое разрешение данного экземпляра — ещё лучше. Чем это число в процентах меньше, тем качественнее кристалл. Лучшие кристаллы имеют категорию СПО (спектрометрический отборный). На фото выше — хороший кристалл. И да, нам подойдут кристаллы йодистого натрия и йодистого цезия, активированные таллием.

При транспортировке кристалла соблюдайте осторожность, оберегайте его от ударов и резких перепадов температуры. Если вы пришли с кристаллом домой зимой — пусть полежит в родной упаковке полдня, целее будет. Также нам понадобится ФЭУ практически любого типа с плоским круглым входным окном с диаметром фотокатода максимально близким к диаметру кристалла. У меня нашёлся ФЭУ-85 с диаметром фотокатода 25мм.

 Для питания ФЭУ понадобится источник высокого напряжения. Я использовал обратноходовый ШИМ-преобразователь на ставшей классической микросхеме TL494. Трансформатор изготавливается в домашних условиях на ферритовом сердечнике от компьютерного блока питания, сердечник собирается с зазором 0.5мм. Для того чтобы легко разобрать такой трансформатор его надо поварить минут 10-15 в кипящей воде, после чего медленно двумя пассатижами вытащить половинки сердечника. Первичная обмотка содержит 10 витков провода диаметром 0.6 — 0.8мм, вторичная — 300 витков провода диаметром 0.15 — 0.25 мм. Вторичную обмотку следует мотать очень аккуратно, виток к витку, обеспечивая хорошую изоляцию между слоями с помощью прокладок. Мой источник расчитывался на будущие эксперименты с ФЭУ, требующими анодное напряжение до 2500 вольт. Если вашему ФЭУ столько не нужно то можно уменьшить количество диодов в высоковольтном выпрямителе, число витков во вторичной обмотке трансформатора и максимальное напряжение конденсаторов C10, C11. Выходное напряжение регулируется многооборотным подстроечным резистором R7. При указанных на схеме номиналах деталей одному вольту на движке этого резистора соответствуют 500 вольт выходного напряжения.

Перед первым включением рекомендуется поставить R7 в минимальное положение. При правильной сборке схема запускается сразу и обеспечивает высокое качество стабилизации выходного напряжения и низкий уровень пульсаций. При выходном напряжении 1 кВ потребляемый ток составляет не более 50 мА.

Для обеспечения рабочих напряжений на динодах ФЭУ понадобится простой резистивный делитель. Для работы с ФЭУ-85 делитель приведён на схеме, при использовании других типов ФЭУ делитель будет отличаться, но не принципиально. Схема делителя всегда есть в паспорте на ФЭУ или справочнике.

Сигнал с анода ФЭУ поступает на трансимпедансный усилитель, выполненный на операционном усилителе U2. RC-цепочка в его обратной связи обеспечивает некоторое растягивание импульсов с тем чтобы они могли обрабатываться обычной звуковой картой компьютера. Напряжение в пике импульса пропорционально заряду, пришедшему на инверсный вход операционного усилителя с анода ФЭУ. Оно-то нас и интересует, ибо этот заряд пропорционален числу фотонов, пришедших на фотокатод ФЭУ, а оно в свою очередь пропорционально энергии поглощённой сцинтиллятором частицы.

 После сборки схемы необходимо соединить вместе наш ФЭУ и сцинтиллятор. Выходное окно сцинтиллятора надо прижать к входному окну ФЭУ, предварительно капнув на него каплю глицерина для улучшения оптического контакта. Получившуюся сборку надо очень хорошо изолировать от света: чувствительность ФЭУ к свету поражает воображение.

После изоляции ФЭУ от света перед первым включением желательно подождать полчаса-час.

Итак, включаем. Смотрим сигнал на выходе операционного усилителя U2. Плавно поднимаем напряжение, пока не появятся импульсы. Их будет довольно много, количество в единицу времени зависит от радиационного фона и размера кристалла и для кристалла 30*40мм и 0.1 мкЗвч составляет порядка пятидесяти в секунду. Это наша установка регистрирует естественный радиационный фон. Отрегулируем напряжение питания ФЭУ таким образом чтобы примерно 99% импульсов не вызывали ограничения по линейному входу звуковой карты компьютера. Вид сигнала получится примерно таким:

Этот сигнал записан с помощью звукового редактора. Я использовал старинный goldwave, можно использовать любой.

Редко будут появляться импульсы с амплитудой, намного превышающей среднюю. Это космические частицы высоких энергий долетают до нашего детектора и вызывают сильные вспышки света в нём.

Обработка импульсов и калибровка.

Запад нам поможет.

«12 стульев».

Скачиваем программу PRA по ссылке https://www.physics.usyd.edu.au/~marek/pra/index.html и запускаем. Программа бесплатная и не требует установки. Отключаем от компьютера микрофон, если он был подключен, так как он может являться источником помех. Нажимаем на View – Settings и устанавливаем начальные установки:

После нажимаем Action – Start pulse shape acquisition и ждём несколько секунд. Программа выполняет автонастройку на форму импульсов, идущих с нашего детектора. Процесс сопровождается увеличением числа принятых программой импульсов, выводимого в верхней строке основного окна. Останавливаем процесс через несколько секунд нажатием на Action – Stop data acquisition. Теперь если запустить процесс обработки, нажав на Action – start data acquisition и открыть окно амплитудного спектра View – Pulse hight histogram мы увидим амплитудный спектр импульсов, приходящих с детектора.

Обычно гамма-спектрометры калибруют, используя контрольный источник из изотопа цезий-137. Он даёт две спектральные гамма-линии: 32 кЭв и 662 кЭв. Так как такой источник нам никто просто так здесь не продаст приходится снова обращаться за помощью к иностранным гражданам, готовым недорого обогатить нас небольшим количеством этого чудесного изотопа. Идём, например, по ссылке https://www.ebay.com/itm/CK1097-12-Spark-Gap-Tubes-Cs137-Check-Source-Valve-NOS-Raytheon-/251143909641?pt=UK_Sound_Vision_Valves_Vacuum_Tubes&hash=item3a7957f109 и покупаем очаровательный разрядник, содержащий меньше микрокюри так необходимого нам в домашнем хозяйстве цезия-137. Этого вполне хватит нам для наших задач, такое количество абсолютно безопасно для хранения и работы без создания каких-либо специальных условий.

Кладём разрядник вплотную к нашему детектору, нажимаем Action – start data acquisition. Ждём пока наберётся несколько тысяч импульсов и картинка спектра оформится в подобную этой:

Первый пик на ней соответствует энергии 32 кЭв, последний — 662 кЭв.

В установках программы PRA ставим галочку на use energy calibration и подбираем коэффициенты такие чтобы первый пик встал на 32 кЭв, а второй — на 662. Не забываем после каждого изменения нажимать apply.

Пока подбираем — у нас там ещё импульсов поднабралось, спектр стал поровнее.

Что же мы получили?

-Ну и чё?

Часто можно услышать в тёмных дворах.

А получили мы простой, но очень чувствительный инструмент радиационного контроля. Дополнив его свинцовым домиком для экранирования пробы и детектора от естественного радиационного фона можно измерять активность радионуклидов в продуктах. А реализовав функции программы PRA на микроконтроллере можно...Ой! Я же ещё в самом начале думал что никаких микроконтроллеров не будет. Пусть сегодня вместо них будут картинки.

 Гамма — спектр тория (в качестве образца взят фитиль от газовой горелки с нанесённой солью тория)

Гамма-спектр урановой глазури, которой покрывали тарелки в Америке в сороковых годах

Ну и просто картинка, радующая глаз в этот очаровательный осенний день.

На этом всё. Низкого радиационного фона вам и чистых вкусных продуктов. И мяса побольше!

Все вопросы в Форум.