Analisador multicanal MCA com detector de espectroscopia gama NaI (Tl): 5 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Oi, Bem-vindo a todos os interessados em espectroscopia gama de passatempo. Neste breve artigo, quero apenas compartilhar meu processo de registro de trabalho de criação de um detector caseiro de espectroscopia gama DIY com o MCA. Não é um guia, compartilho apenas fotos do processo.

Quando comecei o projeto, decidi fazer um dispositivo portátil operado por bateria com boa linearidade e resolução FWHM% inferior a 8%. O circuito desenvolve alta voltagem para um tubo fotomultiplicador, tem eletrônica analógica para processar a forma do pulso e tem eletrônica digital para contar os pulsos e analisar espectros.

Etapa 1: Fazendo o Detector de NaI (Tl)

O detector é construído com tubo fotomultiplicador R9420 Hamamtsu e cristal de cintilação NaI (Tl) 30x40mm. O cristal é acoplado opticamente à janela do fotocátodo do tubo. O tubo é coberto com várias camadas de fita isolante para evitar que quaisquer fótons de luz externos entrem no fotocátodo. Quando um raio gama atinge o cristal, ele produz um micro-flash de luz que deve ser detectado pelo tubo PMT. A intensidade do flash de luz consiste em informações sobre a energia do raio gama.

Para acionar o tubo PMT, precisamos de alta tensão. Criei um conversor elevador 5V para 1000V em miniatura e estabilizado. Quando você lida com espectroscopia gama, você precisa de alta voltagem estritamente regulada com boa compensação de temperatura e estabilidade de longo prazo. Os componentes eletrônicos modernos permitem criar este design.

O driver também inclui divisor de tensão para dinodos e amplificador sensível a carga de processamento de pulso instalado diretamente no fio do ânodo. Este design compacto tem baixo sinal de ruído e ajuda a evitar loops de terra.

O invólucro feito com tubo de alumínio na máquina de torno doméstico. Não sou profissional CNC, tudo é feito com trabalho manual.

Sob a capa (não mostrada nas fotos) instalei uma pequena placa adicional com bateria LiPO, carregador e indicador LED. O detector liga automaticamente quando o cabo é conectado. O carregamento da bateria pode ser feito com o mesmo cabo e qualquer adaptador 5V.

Você pode ver a tela de osciloscópio de forma de pulso típica do detector. Como está, pode ser usado com qualquer software MCA baseado em computador, por exemplo PRA, Theremino ou BecqMonitor2011. Este software usa carrinho de áudio para analisar o sinal.

Depois de 2 ou 3 noites que passei em ajustes de detector para encontrar as configurações ideais de alta tensão e amplificador, acabou com uma linearidade muito boa e ~ 7,30% FWHM% em 662keV

Para o teste do detector, usei o freeware BecqMonitor2011 com adaptador de áudio de 24 bits.

Etapa 2: fazendo MCA portátil

Como planejei usar meu detector como um dispositivo portátil, criei um analisador multicanal que pode capturar o sinal e salvar os espectros no carrinho uSD em formato CSV.

Usei o gabinete MHH-95A e criei o design PCB do meu MCA que se encaixava nele. O MCA possui microprocessador PIC18 de 8 bits com 1024 canais ADC de 10 bits.

A exibição de 128x64 mostra apenas informações parciais dos espectros. Dados completos de 1024 bins são salvos no carrinho SD e podem ser abertos posteriormente pelo BecqMonitor2011.

Os componentes eletrônicos do MCA são alimentados por 2 baterias AA. Possui 2 botões para controlar o software e um botão para ligar / desligar.

Etapa 3: Resultados

Toda a configuração pode detectar energia gama na faixa de 20keV-3000keV, tem boa linearidade e ~ 7,30% FWHM% em 662keV.

O primeiro espectro é de 1 hora de Cs-137 log.scale. Você também pode ver Ka-40 em 1460keV

O segundo espectro é um relógio de rádio antigo em escala linear Ra-226 de 30 minutos

O terceiro espectro é o registro Ra-226 do relógio de rádio antigo. escala 30 minutos

O quarto espectro é o log Th-232 do manto da lanterna thoriated. escala 30 minutos

Espero que este artigo possa inspirar sua próxima construção!

Etapa 4: Conclusões e Custo

O projeto NÃO é barato. Não tenho um resumo de custo exato para cada peça que usei neste projeto, mas as mais caras são:

1. Cristal NaI (Tl). Comprei esta amostra nova por cerca de $ 200. É caro principalmente porque tem resolução garantida e é fabricado na atualidade. Na minha experiência, cristais antigos são problemáticos.

2. Tubo fotomultiplicador R9420. $ 60 O tubo PMT que usei não é novo, mas está em boas condições de um fornecedor confiável.

3. Fabricação de gabinetes. Mesmo eu fazendo isso sozinho, custou e preciso de muito tempo. Os materiais em pequenas quantidades que compro são caros, por exemplo tubo, haste de alumínio e plástico podem custar cerca de US $ 100 incluindo frete, você também precisa adicionar custos de usinagem em ferramentas, pastilhas etc.

4. Prototipagem eletrônica e fabricação de PCBs. O custo é alto - $$$$, nem consigo contar o total de horas, dias e meses que gastei neste assunto. Além disso, tento evitar componentes eletrônicos ebay-ali de baixo custo. O software do microprocessador MCA também foi escrito por mim. Levei muitos recursos e tempo para mim, como um criador autônomo e estudante, eu escolho não compartilhar meus arquivos de origem porque isso nunca irá cobrir meus custos de fato, desculpe. Mas se você for criativo e aberto à cooperação, pode me escrever uma proposta de cooperação empresarial.

5. Todas as outras partes como cabos, tomadas, baterias, materiais, colas, fitas e etc custam cerca de US $ 100, mas pequenas coisas fazem diferença aqui …

As conclusões: Na minha opinião o projeto tem um ótimo desempenho. Posso analisar alimentos, cogumelos, bagas, encontrar filhas de radônio na água da chuva, testar materiais de concreto ou minerais para isótopos radioativos na faixa de energia gama 20keV-3000keV. Mesmo com todo o alto custo como um projeto DIY, ainda é muito barato se você compará-lo com espectrômetros gama de laboratório profissional. Os isótopos gama mais comuns e perigosos podem ser facilmente detectados pelo dispositivo.