เครื่องวิเคราะห์หลายช่องสัญญาณ MCA พร้อม Gamma Spectroscopy NaI(Tl) Detector: 5 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

สวัสดี, ยินดีต้อนรับทุกท่านที่สนใจงานอดิเรก Gamma Spectroscopy ในบทความสั้น ๆ นี้ ฉันแค่อยากจะแบ่งปันกระบวนการบันทึกการทำงานของฉันในการสร้างเครื่องตรวจจับรังสีแกมมา DIY แบบโฮมเมดด้วย MCA ไม่ใช่คู่มือ ฉันแบ่งปันเฉพาะภาพถ่ายของกระบวนการ

เมื่อฉันเริ่มโครงการ ฉันตัดสินใจสร้างอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่แบบพกพาที่มีความเป็นเส้นตรงที่ดีและความละเอียด FWHM% น้อยกว่า 8% วงจรนี้พัฒนาไฟฟ้าแรงสูงสำหรับหลอดโฟโตมัลติเพลเยอร์ โดยมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบแอนะล็อกเพื่อประมวลผลรูปร่างพัลส์ และมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลเพื่อนับพัลส์และวิเคราะห์สเปกตรัม

ขั้นตอนที่ 1: การสร้างตัวตรวจจับ NaI(Tl)

เครื่องตรวจจับสร้างด้วยหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ R9420 Hamamtsu และคริสตัลเรืองแสงวาบ NaI(Tl) 30x40 มม. คริสตัลเชื่อมต่อกับหน้าต่างโฟโตแคโทดแบบออปติคัล หลอดถูกหุ้มด้วยเทปไฟฟ้าหลายชั้นเพื่อป้องกันไม่ให้โฟตอนแสงจากภายนอกเข้าสู่ photo-cathode เมื่อรังสีแกมมากระทบคริสตัล จะทำให้เกิดแสงแฟลชขนาดเล็กโดยตั้งใจให้หลอด PMT ตรวจจับได้ ความเข้มของแสงแฟลชประกอบด้วยข้อมูลเกี่ยวกับพลังงานของรังสีแกมมา

ในการขับเคลื่อนท่อ PMT เราต้องใช้ไฟฟ้าแรงสูง ฉันสร้างตัวแปลง 5V เป็น 1000V แบบย่อขนาดและเสถียร เมื่อคุณจัดการกับแกมมาสเปกโทรสโกปี คุณจะต้องใช้ไฟฟ้าแรงสูงที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวดพร้อมการชดเชยอุณหภูมิที่ดีและความเสถียรในระยะยาว ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยช่วยให้สามารถสร้างการออกแบบนี้ได้

ไดรเวอร์ยังมีตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าสำหรับไดโนดและแอมพลิฟายเออร์ที่ไวต่อการชาร์จในการประมวลผลพัลส์ซึ่งติดตั้งโดยตรงบนสายแอโนด การออกแบบที่กะทัดรัดนี้มีสัญญาณรบกวนต่ำและช่วยหลีกเลี่ยงลูปกราวด์

ตัวเครื่องทำด้วยท่ออลูมิเนียมบนเครื่องกลึงที่บ้าน ฉันไม่ใช่ CNC มืออาชีพ ทุกอย่างทำด้วยฝีมือช่าง

ใต้ฝาครอบ (ไม่แสดงในรูปภาพ) ฉันติดตั้งบอร์ดขนาดเล็กเพิ่มเติมพร้อมแบตเตอรี่ LiPO เครื่องชาร์จและไฟ LED เครื่องตรวจจับจะเปิดขึ้นโดยอัตโนมัติเมื่อเชื่อมต่อสายเคเบิล การชาร์จแบตเตอรี่สามารถทำได้ด้วยสายเคเบิลเดียวกันและอะแดปเตอร์ 5V ใดๆ

คุณสามารถดูหน้าจอขอบเขตรูปร่างพัลส์ทั่วไปได้จากเครื่องตรวจจับ สามารถใช้กับซอฟต์แวร์ MCA ที่ใช้คอมพิวเตอร์ได้ เช่น PRA, Theremino หรือ BecqMonitor2011 ซอฟต์แวร์เหล่านี้ใช้รถเข็นเสียงเพื่อวิเคราะห์สัญญาณ

หลังจาก 2 หรือ 3 เย็น ฉันใช้เวลาไปกับการปรับเครื่องตรวจจับเพื่อค้นหาการตั้งค่าแรงดันสูงและแอมพลิฟายเออร์ที่เหมาะสมที่สุด มันจบลงด้วยความเป็นเส้นตรงที่ค่อนข้างดีและ ~7.30% FWHM% บน 662keV

สำหรับการทดสอบเครื่องตรวจจับ ฉันใช้ฟรีแวร์ BecqMonitor2011 พร้อมอะแดปเตอร์เสียง 24 บิต

ขั้นตอนที่ 2: การสร้าง MCA. แบบพกพา

เนื่องจากฉันวางแผนที่จะใช้เครื่องตรวจจับเป็นอุปกรณ์พกพา ฉันจึงสร้าง Multi Channel Analyzer ที่สามารถจับสัญญาณและบันทึกสเปกตรัมไปยังรถเข็น uSD ในรูปแบบ CSV

ฉันใช้กล่องหุ้ม MHH-95A และสร้างการออกแบบ PCB ของ MCA ที่พอดีกับกล่องหุ้มนี้ MCA มีไมโครโปรเซสเซอร์ PIC18 8 บิตพร้อมช่อง ADC 1024 10 บิต

จอแสดงผล 128x64 แสดงข้อมูลสเปกตรัมเพียงบางส่วนเท่านั้น ข้อมูลถังขยะทั้งหมด 1024 ช่องถูกบันทึกลงในรถเข็น SD และสามารถเปิดได้ในภายหลังโดย BecqMonitor2011

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ MCA ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ 2xAA มีปุ่มควบคุมซอฟต์แวร์ 2 ปุ่ม และปุ่มเปิด/ปิด 1 ปุ่ม

ขั้นตอนที่ 3: ผลลัพธ์

การตั้งค่าทั้งหมดสามารถตรวจจับพลังงานแกมมาในช่วง 20keV-3000keV มีความเป็นเส้นตรงที่ดีและ ~7.30% FWHM% ที่ 662keV

สเปกตรัมแรกคือ 1 ชั่วโมงของ Cs-137 log.scale คุณยังสามารถดู Ka-40 ได้ที่ 1460keV

สเปกตรัมที่สองคือนาฬิกาเรเดียมโบราณ Ra-226 สเกลเชิงเส้น 30 นาที

สเปกตรัมที่สามเป็นนาฬิกาเรเดียมโบราณ Ra-226 log ขนาด 30 นาที

สเปกตรัมที่สี่คือเสื้อคลุมโคมไฟ thoriated Th-232 log ขนาด 30 นาที

หวังว่าบทความนี้จะเป็นแรงบันดาลใจให้กับงานสร้างครั้งต่อไปของคุณ!

ขั้นตอนที่ 4: ข้อสรุปและต้นทุน

โครงการไม่ถูก ฉันไม่มีสรุปต้นทุนที่แน่นอนสำหรับทุกส่วนที่ฉันใช้ในโปรเจ็กต์นี้ แต่ส่วนที่แพงที่สุดคือ:

1. NaI(Tl) คริสตัล ฉันซื้อตัวอย่างใหม่นี้ในราคาประมาณ $200 ส่วนใหญ่มีราคาแพงเพราะรับประกันความละเอียดและผลิตในทุกวันนี้ คริสตัลสต็อกเก่ามีปัญหาในประสบการณ์ของฉัน

2. R9420 Photomultiplier หลอด 60 ดอลลาร์ หลอด PMT ที่ฉันใช้ไม่ใช่ของใหม่ แต่อยู่ในสภาพดีจากซัพพลายเออร์ที่เชื่อถือได้

3. การผลิตสิ่งที่แนบมา แม้จะทำเองก็ยังมีค่าใช้จ่ายและต้องใช้เวลาอีกมาก วัสดุในปริมาณน้อยที่ฉันซื้อมีราคาแพง เช่น หลอด แท่งอลูมิเนียม และพลาสติก อาจมีราคาประมาณ 100 เหรียญสหรัฐฯ รวมค่าขนส่ง คุณต้องเพิ่มต้นทุนการตัดเฉือนในเครื่องมือ เม็ดมีด ฯลฯ

4. การสร้างต้นแบบอิเล็กทรอนิกส์และการผลิต PCB ค่าใช้จ่ายสูง - $$$$ ฉันไม่สามารถนับชั่วโมงวันและเดือนทั้งหมดที่ฉันใช้ไปกับเรื่องนี้ได้ นอกจากนี้ ฉันพยายามหลีกเลี่ยงส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ ebay-ali ที่มีต้นทุนต่ำ ซอฟต์แวร์ไมโครโปรเซสเซอร์ MCA เขียนโดยฉันด้วย ต้องใช้ทรัพยากรและเวลามากเกินไปสำหรับฉัน ในฐานะผู้ผลิตอิสระและนักเรียน ฉันเลือกที่จะไม่แชร์ไฟล์ต้นฉบับเพราะจะไม่ครอบคลุมค่าใช้จ่ายของฉันจริงๆ ขอโทษ แต่ถ้าคุณมีความคิดสร้างสรรค์และเปิดรับความร่วมมือ คุณสามารถเขียนข้อเสนอสำหรับความร่วมมือทางธุรกิจ

5. ส่วนอื่นๆ ทั้งหมด เช่น สายเคเบิล แจ็ค แบตเตอรี่ วัสดุ กาว เทป และอื่นๆ มีราคาประมาณ 100 ดอลลาร์ ใช่สิ่งเล็กๆ ที่สร้างความแตกต่างที่นี่…

ข้อสรุป: ในความคิดของฉัน โครงการนี้มีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ฉันสามารถวิเคราะห์อาหาร เห็ด ผลเบอร์รี่ ค้นหาลูกเรดอนในน้ำฝน ทดสอบวัสดุคอนกรีตหรือแร่ธาตุสำหรับไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีในช่วงพลังงานแกมมา 20keV-3000keV แม้ว่าโครงการ DIY จะมีค่าใช้จ่ายสูง แต่ก็ยังถูกมากหากคุณเปรียบเทียบกับแกมมาสเปกโตรมิเตอร์ระดับมืออาชีพในห้องปฏิบัติการ อุปกรณ์สามารถตรวจจับไอโซโทปแกมมาที่อันตรายและพบได้บ่อยที่สุด