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【参赛】伽马(γ)射线能谱仪

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发表于 2020-1-21 09:28:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
【前言】:
在矿坛已经好几年了,看着一届届的大赛心中十分羡慕。无奈前几届没有拿得出手的玩意,这次终于赶上了,把伽马射线能谱仪制作,调试完成。我也算是矿坛最小的一批用户了吧,就来些新鲜的玩意。注:本此制作也在科创论坛上发布,一个ID,无抄袭。

【原理】:

如图,带有高能量的伽马射线打入闪烁体中,转化成可见光谱的光子。后端接光电倍增管,由于光电效应微量的光子被转换成电子,经过倍增级的一遍遍放大,最终打在阳极上,产生微弱的电流。伽马射线的能量与输出脉冲的幅度成正比,而伽马射线的剂量与计数率有关。可以认为这是一个带有能量信息的盖革计数器。
pmt_assy.jpg
安装中。最左边的是30x25mm的闪烁体,中间是3D打印的套管与电工胶带避光,右边是GDB-35型光电倍增管。组装,密封。
pmt probe.jpg
闪烁体探头完成了。剩下的是脉冲展宽电路以及高压电源。
theremino.png
脉冲展宽,基线修正电路。设计者是Theremino. 三极管用的是S9014.
453702288.jpg
完成的整套设备。
226Ra.png
调试可花了不少功夫。这是来自一个老电台的夜光电压表。核素是226Ra。
232th.png
所谓的“负离子”粉,害人不浅的玩意。核素是232Th。
整体完成了,但是无法鉴别如40K之类的高能射线。
     
发表于 2020-6-12 15:03:53 | 显示全部楼层
本帖最后由 net_elves 于 2020-6-12 15:08 编辑

楼主您好,我之前的工作是在一家做光谱仪的公司,我们之前设计过用于探测拉曼散热的单光子计数电路系统,以及紫外分光光度计的倍增管电路系统,因此我有几个疑问,1,您使用的倍增管在不制冷的情况下如何实现了如此精密的光子计数,2,您的ADC使用了多大的采样率实现了对入射伽马射线光子的计数的同时还能 精确采集到计数脉冲的峰值的。3,您对数据的处理使用了什么器件。
我们当时使用了AD9230-170+FPGA+DSP的方案也仅仅是勉强能对每秒不多于2000个光量子的光强分辨其能量,且频谱分辨率非常粗糙,就算伽马射线的量子效率较高,我也不认为您现在的装置能够做出如此精细的能谱图来。更不用说以您绘制的这个电路,参数我先不说,没有使用微带线结构仅仅靠单面连线不做阻抗匹配,您的这块板子根本也无法实现高速脉冲测量幅值和计数。
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发表于 2020-1-21 12:46:00 | 显示全部楼层
小巧的光电倍增管,携带一定很方便,我用的是GDB44型的直径大约50多毫米,匹配的碘化钠晶体要加硅油耦合,装入铅套井型后重量都好几十公斤。
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 楼主| 发表于 2020-1-21 12:56:16 | 显示全部楼层
黑风 发表于 2020-1-21 12:46
小巧的光电倍增管,携带一定很方便,我用的是GDB44型的直径大约50多毫米,匹配的碘化钠晶体要加硅油耦合, ...

谢谢,与一只强光手电筒差不多大,稍微重些。碘化钠晶体用甘油做了耦合。
我这个没有铅屏蔽,所以测低活度的样品时会受到背景的严重干扰。
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发表于 2020-2-3 18:01:31 | 显示全部楼层
伽马(γ)射线能谱仪
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发表于 2020-2-23 17:45:12 | 显示全部楼层
请查看相应的比赛章程,介绍,详细的电路,原理 。
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 楼主| 发表于 2020-2-23 19:12:20 | 显示全部楼层
好奇的晶体管 发表于 2020-2-23 17:45
请查看相应的比赛章程,介绍,详细的电路,原理 。

您好,方便告诉我缺少哪一个部分吗?谢谢~
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发表于 2020-2-24 21:52:44 | 显示全部楼层
你图片上显示用的是PCB,没有看见相应的设计图片。如果是套件组装要注明的。电脑上位机的介绍也没有,你放心吧这种极冷门的没有人会商业仿制的。这种也做不到商业级的性能要求。
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 楼主| 发表于 2020-2-24 23:01:22 | 显示全部楼层
好奇的晶体管 发表于 2020-2-24 21:52
你图片上显示用的是PCB,没有看见相应的设计图片。如果是套件组装要注明的。电脑上位机的介绍也没有,你放 ...

好的谢谢,我一会就添加。
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 楼主| 发表于 2020-2-24 23:09:06 | 显示全部楼层
PCB以及电路图均用立创EDA绘制,如下图。打样后才发现高压电源的引脚不能合适的插入PCB,于是改了第二版,未使用。
dear pcb.png
其中高压电源使用成品模块,电压可调,约800~1000V。信号处理部分是之前的电路图。
软件上位机使用的是现成的软件“Theremino MCA”,使用声卡采样。
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发表于 2020-2-29 14:32:53 来自手机 | 显示全部楼层
有个杂志曾经说过,将摄像头的ccd CMOS用黑纸蒙上,也能感应到射线
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 楼主| 发表于 2020-6-12 21:34:54 | 显示全部楼层
net_elves 发表于 2020-6-12 15:03
楼主您好,我之前的工作是在一家做光谱仪的公司,我们之前设计过用于探测拉曼散热的单光子计数电路系统,以 ...

您是专业的,而我这个是业余的。无法做比较!
贵公司是否使用了碘化钠闪烁体?若是直接“光子计数”,对于爱好者来说,太难!
微带线,阻抗,高速采样一类,在我这应用里统统不需要。碘化钠闪烁体的“余辉”很长,加上适当的脉冲展宽电路,声卡都能正常采样。
您可以看看国内外各个爱好者的作品,大多数跟我这种电路相似。
至于频谱。。。我这个设计里有点问题,分辨率很低。即使是业余情况下,做的好的也可以几乎把碘化钠闪烁体完全利用。
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发表于 2020-6-12 21:44:47 | 显示全部楼层
本帖最后由 net_elves 于 2020-6-12 22:18 编辑

所以说碘化钠闪烁晶体的特性您既然都懂那就不用我多说了,这种情况应该是无法判断伽马射线光子的能谱的,因为收到的将会是连续的电平而不是分立的脉冲计数,因此怎么判断接收到的伽马射线流的能量呢?说实话我也没听说过能用长余辉碘化钠晶体做伽马射线能谱仪的。所以你要是说你做的这个是伽马射线探测器的话我倒是比较认同,但是你一直说是伽马射线能谱仪,而且还给出了通过计数才能得到的能谱结果我就有点疑问了。
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发表于 2020-6-12 22:17:15 | 显示全部楼层
我又想起一个事情来,我记得碘化钠闪烁晶体是空气中潮解的,好像不能这么直接用吧?你确定你那个是碘化钠晶体吗?我们之前用过碘化铊晶体,那个不潮解不过剧毒不说价格比同质量的黄金都贵。
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 楼主| 发表于 2020-6-12 22:50:49 | 显示全部楼层
net_elves 发表于 2020-6-12 22:17
我又想起一个事情来,我记得碘化钠闪烁晶体是空气中潮解的,好像不能这么直接用吧?你确定你那个是碘化钠晶 ...

碘化钠闪烁体的输出,就是一个个的光脉冲。脉冲的光强代表能量(也就是示波器上的电压),记录每个脉冲的电压峰值即可得出能级。
碘化钠潮解这个问题留给厂家解决。他们把晶体放在一个金属壳的罐子里,有一面是透明的,整体密封性很强。
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