Малогабаритный гамма-спектрометр

[Maniak003]

Предлагаю к обсуждению малогабаритный гамма-спектрометр с bluetooth интерфейсом. Статья с описанием здесь: https://www.radiokot.ru/artfiles/6632/

Материал опубликован с целью поделиться наработками и возможно, найти желающих поучавствовать в дальнейшем улучшении прибора. Проект распространяется под лицензией GPLv3.

[Maniak003]

Добавлена поддержка bluetooth модуля FSC BT691. Потребление снизилось до 570uA. Тип модуля определяется по gatt сервису, по этому ничего дополнительно настраивать не нужно.


JDY-19 vs BT691

[otest]

Статьи обсуждаются здесь https://radiokot.ru/forum/viewforum.php?f=25

[Maniak003]

[uquote="otest",url="/forum/viewtopic.php?p=4090154#p4090154"]Статьи обсуждаются здесь https://radiokot.ru/forum/viewforum.php?f=25[/uquote]

Спасибо, не знал. Поскольку правила форума не разрешают дублировать темы, пусть лежит в этом разделе.

[Maniak003]

Сравнение кристаллов SrI2:Eu и NaI:Tl



Возможности SrI2:Eu раскрыты пока не в полном объеме, но разница уже ощутимая.

Процесс набора спектра:

[ArtDen]

Делал почти такой-же очень-очень давно. Не понятно почему не используется встроенный в МК операционный усилитель. С ним схема была бы проще
PS: открыл проект на гитхабе. Походил по папкам, ничего не понятно. Куча временных файлов валяется, которых там не должно быть

Добавлено after 1 minute 33 seconds:
Из статьи:

Схама прибора собрана на двух транзисторах...

Это вообще как?!

[Maniak003]

А для чего в этой схеме ОУ ? Как компаратор не годиться - быстродействия не достаточно, Gain bandwidth of 1.6 MHz.

На github выложены каталоги с проектом целиком, что бы гарантировано открылись в AndroidStudio и stm32cubeide.

Про два транзистора - это шутка... хотя схема действительно простая.

Встроенный компаратор тоже не подходит: на максимальном быстродействии от 80nS и при этом потребляет до 100uA.

[ArtDen]

Насчёт ОУ понятно. Я тогда использовал STM32L1-серию. Мне хватало и встроенного ОУ (3 МГц) и встроенного компаратора, чтобы успевать запускать АЦП для оцифровки импульса от частицы. Видимо у L4-серии с этим похуже

[Maniak003]

Вот такой импульс формируется с microFC60035:



МК запитан от 3v, соответственно диапазон АЦП ограничен этим пределом (для выбранного МК), по этому амплитуда входящих с SiPM импульсов не должна его превышать. Амплитуду можно изменить резистором R2 (нагрузка SiPM). В свою очередь номинал резистора определяет длительность фронта импульса. Т.е. по факту номинал резистора определяется временем высвечивания кристалла и питанием контроллера. Оптимально в моем случае 2.2к. При таком номинале и кристалле NaI:Tl, значение импульса близкое к максимальному мы получим через 300 - 800 nS от его начала. За указанное время мы должны выполнить семплирование. Теперь посчитаем: Задержка на компараторе -- 40nS, задержка старта АЦП -- 1.5 такта, время семплирования можно выбирать, но сильно короткое не подходит, поскольку внутренне сопротивление источника сигнала слишком велико и УВХ не успевает зарядиться, в итоге нужно не менее 3.5 тактов на частоте АЦП 8МГц. Частота АЦП в свою очередь выбирается исходя из потребления по питанию. В итоге получаем 665nS.

[ArtDen]

С усилителем такая хитрость. Обычно для гамма-спектрометрии предусилитель представляет собой дифференциатор+интегратор+фильтр, чтобы импульсы были стандартной формы, а также чтобы чётко выделять наложившиеся друг на друга импульсы. Такой усилитель состоит из нескольких каскадов и выходной сигнал у него задержан относительно входа. А компаратор у меня подключен не к выходу усилителя, а к выходу ФЭУ и его чувствительности хватает, чтобы работать без усилителя. Поэтому когда запускается АЦП, есть ещё время до начала регистрации импульса, т.к. после усилителя они приходят с мелкой задержкой в несколько микросекунд.

Добавлено after 24 minutes 5 seconds:
И ещё. После запуска АЦП, оно у меня измеряет 10 значений подряд с максимально возможной скоростью. На этих 10 значениях я нахожу максимум и по нескольким соседним от максимума точкам нахожу максимум импульса.
Я так понял, у тебя только один замер происходит?

[Maniak003]

Да, все верно, превращая входной импульс в Гауссоиду, упрощается обмер. Впрочем как Вы видите и в случае отказа от входного усилителя получается хороший результат. Операционник очень много потребляет, по этому входная часть сделана без них.

Импульс меряется один раз. При таком подходе кроме экономии в потреблении есть существенный прирост в скорости. Мне ненужно растягивать импульс.

[ArtDen]

Тогда другой вопрос. А зачем спектр измерять непрерывно? Это же довольно редкая ситуация, когда нужно знать энергетический состав излучения. Обычно такие приборы используются просто как поисковые или как дозиметры, а спектр - это как правило дополнительная функция

[Maniak003]

Да, есть надежда, что получится все таки доделать энергокомпенсацию. Возможно уйду от этой идеи и сделаю дозиметр с автоматической (по ахтунгам) или ручной функцией спектрометра - это если нужно будет проверить, что то малоактивное.

[ArtDen]

Для энергокомпенсации при расчёте дозы не обязательно задействовать АЦП! Достаточно измерять длительность импульса от частицы, т.к. она зависит от амплитуды (а перед этим откалибровать зависимость "амплитуда->длина импульса"). Фактически в этом случае, нам не нужен, ни АЦП, ни усилитель. Используется только компаратор + таймер МК для замеры длительности

[Maniak003]

Был эксперимент с тем, что бы измерять длительность, а не амплитуду сигнала, но разрешение при этом получилось вообще никакое. Чем дальше от порога компаратора амплитуда, тем больше погрешность и требуется выше часота таймера. Я использовал 32-х битный таймер -- плохо. А вот с pin диодом -- это отлично работает.

[ArtDen]

Да, всё верно. Разрешение при этом ниже чем при прямом измерении амплитуды. Но при обычном замере дозы для энергокомпенации высокое разрешение и не нужно. Там +-5кэВ погоды не сделают.

[Maniak003]

Тут я совсем не в теме, пока пытаюсь разобраться. Одни говорят, что энергокомпенсация -- это не нужная опция и в основном дозиметры без нее обходяться, а другие настаивают, что без нее все -- это не дозиметры, а трещетки... Так, что какя нужна погрешнось и вообще имеет ли это смысл, мне еще предстоит выяснить.

Сейчас энергокомпенсация работает только для выравнивания спектра. Дозу я калибровал по разным дозиметрам , а потом вынес коэффициент в настройки, каждый под свой кристалл сможет настроить.

Вот как работает:

[ArtDen]

Ну типа с энергокомпенсацией дозиметр круче. Хотя для самоделок это не принципиально )))

И для поискового режима энергия частиц тоже полезна. Можно быстро строить упрощённую спектрограмму фона, а потом при поиске её вычитать. Говорят, что это довольно полезная функция. Я её у себя реализовал, но так и не понял в чём её польза, т.к. и без неё прекрасно всё работает )

ЗЫ: самодельный дозиметр гораздо более полезен в качестве поискового прибора, а не для расчёта дозы. Для дозы я бы всё-таки использовал промышленные устройства, т.к. от неё зависит здоровье.

[Maniak003]

[uquote="ArtDen",url="/forum/viewtopic.php?p=4104718#p4104718"]И для поискового режима энергия частиц тоже полезна. Можно быстро строить упрощённую спектрограмму фона, а потом при поиске её вычитать. Говорят, что это довольно полезная функция. Я её у себя реализовал, но так и не понял в чём её польза, т.к. и без неё прекрасно всё работает[/uquote]

Вычитание, наложение фона нужная функция, но для накопления фона нужно потратить время.

Вот спектр в самолете во время ночного перелета с наложением фона:

[ArtDen]

В случае с поисковым режимом я имел ввиду не полноценный спектр, а очень грубый (по всему диапазону, но всего несколько зон)