Хомяки приветствуют вас, друзья.
Сегодняшний пост будет посвящен сцинтилляционной гамма-спектрометрии и изучению невидимого мира на языке гамма-лучей.
Многие вещи, окружающие нас в повседневной жизни, могут содержать радиоактивные изотопы; они могут иметь как природное, так и техногенное происхождение.
При распаде они испускают альфа-, бета- или гамма-излучение.
Нас интересует последний товарищ из списка подозреваемых.
Сегодня мы его поймаем, преобразуем и по энергетическим следам вычислим коварный изотоп.
В курсе мы рассмотрим, как собрать гамма-спектрометр и как его настроить.
Мы научимся правильно выбирать кристаллы йодида натрия и многим другим тонкостям этого спектрометрического ремесла.
Представьте ситуацию: вы идете по продовольственному рынку, и тут дозиметр в вашем кармане срабатывает и оповещает вас о превышении радиационного фона.
Вопрос: как узнать, каким радиоактивным изотопом заражены помидоры Бабы Рая? Все просто, для этого нужно поместить объект в специальный свинцовый домик и исследовать его с помощью гамма-спектрометра.
Через несколько часов по характерным пикам энергии мы узнаем, что помидоры заражены радиоактивным изотопом.
цезий-137 , и его дочерний продукт распада барий-137 .
У Бабы Рай дома наверняка есть ядерный реактор! Краткое руководство пользователя довольно подробное, поэтому давайте посмотрим, с чего все начинается и как все работает. 
Фон.
Еще в 2017 году на сайте РадиоКОТ я наткнулся на интересную статью о гамма-спектрометрия.
Ее автор – Максим.
Как позже выяснится, это создатель устройств серии Atom. Статья достаточно простая, подробно описано, что необходимо для сборки данного устройства, и нарисованы схемы.
Приводятся пояснения некоторых нюансов настройки и работы с самодельным гамма-спектрометром.
Как два пальца подумал я, и уже через неделю все необходимые компоненты для работы над проектом лежали у меня на столе.
Самый экзотический элемент всей конструкции – кристалл йодида натрия.
Поиски этого артефакта в основном привели к Евгению Нагурному, продавцу, который продает подобные вещи практически на всех форумах.
Мы позвонили ему, я сказал, что собираюсь сделать гамма-спектрометр.
Со своей стороны он посоветовал нам найти для этого проекта фотоумножитель ФУ-85А, технический вазелин в качестве оптической смазки и порекомендовал купить у него сцинтилляционный кристалл йодида натрия размером 30*70 мм.
Он больше, чем в статье, а значит прибор должен быть более чувствительным.
Этот красавец пришел ко мне.
Единственное, что вызывало сомнения, это странный желтоватый оттенок.
Написала продавцу по поводу цвета, на что он ответил, если кристалл чистый, прозрачный и виден снизу, то он отличного качества.
"Это хорошо!" 
Все комплектующие в руках, работа мутная, колеса крутятся.
Поскольку в оригинальной статье представлена только схема, вам придется подключить плату самостоятельно.
Пара вечеров, и на бумаге начали появляться первые эскизы.
Имеются посадочные места для ваших радиоэлементов, а размеры таковы, что все устройство для удобства использования помещается в картонный тубус.
Методом фоторезиста переносим дорожки на фольгированный стеклотекстолит. Травим плату и паяем на нее микросхемы, резисторы, конденсаторы и другие компоненты, размещение которых предусмотрено заранее.
Здесь добавлен усилитель звуковой частоты для обнаружения щелчков гамма-лучей, попадающих в кристалл сцинтиллятора.
Также добавлен DC-DC преобразователь, который позволяет питать все устройство от обычного 5-вольтового павербанка.
Архив с Gerber-файлами и другими полезными вещами
Схема собрана и настроена.
На экране осциллографа хорошо видны импульсы различной амплитуды, что, в свою очередь, свидетельствует о работоспособности гамма-спектрометра.
Все бы ничего, но при подключении устройства к компьютеру программа, анализирующая сигнал, поступающий на вход звуковой карты, показывает какие-то странные неровности, не имеющие ничего общего со спектрами ранее известных источников управления.
Следующие несколько месяцев попыток выяснить причину проблемы ни к чему хорошему не привели.
На этом этапе я забил большой толстый болт и перешел к работе над другими проектами.
Через некоторое время незнакомец спросил меня:
- Как дела!?
— Я говорю: никак;
- Он такой: да, ну тогда сохраняйте гербер-файлы нужной платы конвертера.
Этот незнакомец оказался Дима Новиков , опытный радиолюбитель и спектрометрист. У него пробудилось второе дыхание в этом направлении, и работа снова закипела.
Следующей задачей было связаться с китайцами и заказать у них.
Примерно через полторы недели ко мне под дверь прибыла аккуратная вакуумная упаковка, содержащая 10 досок.
Почему ты так много спрашиваешь!? Акция не повредит вашему карману! Теперь можно устанавливать радиоэлементы.
Сначала паяем феном массивные детали, а затем мелкие — паяльником.
Вся процедура установки занимает не более 30 минут, после чего появляется регулируемый преобразователь отрицательного высокого напряжения, с помощью которого мы будем питать фотоумножитель.
Но, мне кажется, что мы как-то заторопились, и я уверен, что многие сейчас не понимают, что к чему.
Попробую объяснить на пальцах.
Гамма-спектрометр состоит ровно из пяти частей, каждая из которых теперь представлена на ваших экранах.
Слева бакелитовая панелька с делителем напряжения для трубки фотоумножителя.
Далее идет высоковольтный блок питания, который мы только что собрали.
В середине мы видим кристалл-сцинтиллятор; это вещество, в котором невидимое гамма-излучение преобразуется в видимый свет. Он поступает в фотоумножитель и усиливается, давая на выходе информацию, которую нам придется обрабатывать в будущем.
Самая правая железка - пермаллоевая, она нужна для защиты ФЭУ от внешних электромагнитных воздействий.
В рамках данного проекта использовались исключительно активированные таллием кристаллы йодида натрия NaJ(TI).
Этот образец в красивой советской обертке стоил около 70 баксов.
Допустим, удовольствие не из дешевых.
Эти сцинтилляторы являются наиболее распространенными; они обладают высокой эффективностью поглощения гамма- и рентгеновского излучения, высокой светоотдачей, хорошим энергетическим разрешением и достаточно коротким временем экспозиции.
Этот кристалл буквально светится в рентгеновских лучах красивым синим светом, длина волны которого составляет около 415 нм.
А вообще, для более грубой демонстрации этого явления можно взять обычную кухонную соль и осветить ее рентгеновскими лучами.
В результате он также будет мерцать в видимом диапазоне света, но его нельзя использовать для гамма-спектрометрии, так как он имеет зонную структуру, и за один процесс распада выделится очень мало фотонов.
Чистый йодид натрия также нельзя использовать для этих целей, поэтому кристалл активируют таллием.
Он меняет структуру соединения, создавая дополнительные уровни энергии, поэтому готовый материал имеет высокую эффективность люминесценции.
В идеале количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором, должно быть пропорционально поглощенной энергии, это позволит получить энергетические спектры излучения.
Грубо говоря, чем больше энергия гамма-кванта, пришедшего в кристалл, тем сильнее будет вспышка света, тем больше фотонов попадет в фотоэлектронный умножитель.
Это просто.
Теперь давайте рассмотрим, на что нужно обратить внимание при выборе кристалла йодида натрия, активированного таллием.
Первое и самое главное – это цвет! Кристалл должен быть идеально прозрачным, не должно быть желтизны, помутнения и каких-либо трещин.
На этом кадре наглядно показаны основные различия.
Также следует внимательно осмотреть оптическое окно, откуда будет выходить свет; не должно быть пятен и следов отслаивания хрусталя от стекла; такие дефекты можно увидеть только при хорошем освещении.
Поскольку йодид натрия очень гигроскопичен, следует уделить внимание герметизации алюминиевой тары во избежание контакта с влагой окружающей среды.
Большинство образцов, которые можно найти в продаже, были произведены в далеком Советском Союзе.
Этот образец размером 30*70 мм родился в Октябрь 1985 г.
.
При покупке могут обратить внимание на паспорт, где указана светоотдача.
Этот документ очень важен, мы будем уделять ему особое внимание.
Ниже черным по белому написано, что извещатели сохраняют работоспособность в течение 12 месяцев с момента отправки производителем.
В общем срок действия этого паспорта истек как минимум 30 лет, так что пойду использовать его по назначению) Визуальную оценку никто не отменял! Внимательно смотрим на цвет и с подозрением относимся к желтизне.
По одной из версий, такой цвет свидетельствует о нарушении технологии производства, в результате которого плохо высушенный светоотражающий порошок, находящийся между алюминиевой тарой и кристаллом, каким-то образом прореагировал с йодидом натрия.
К чему это в итоге приведет!? Желтизна препятствует хорошему пропусканию света, что приводит к значительному ухудшению конечного разрешения, и ожидать от такого образца более 14% не следует. Например, спектр прозрачного 8%-ного кристалла показан зеленым цветом, здесь хорошо видны все отдельные пики энергии, а желтый кристалл (черный спектр) слил всю картину в одну сплошную кашу.
Желтый кристалл подобен катаракте: он вроде бы видит мир, но не может разглядеть деталей.
Такие образцы пригодны только для счетных устройств, где важно только наличие импульсов.
В этих случаях такие желтки, несомненно, подойдут. 
Особенности сцинтилляторов.
Если осветить кристалл ультрафиолетом (он кажется прозрачным снизу, но имеет желтый оттенок), он сразу помутнеет и станет похож на молоко.
Но основное правило хорошего сцинтиллятора — полностью поглощать ионизирующее излучение и полностью пропускать вспышку собственного сцинтилляционного света.
В качестве примера показан хороший кристалл; он прозрачен как при дневном, так и в ультрафиолетовом свете, не имеет помутнения.
Еще один интересный параметр — послесвечение.
Хорошие кристаллы имеют достаточно длительное послесвечение после воздействия ультрафиолета, это хорошо видно на этом кадре.
Любопытно, что желтый кристалл вообще не имеет этого параметра.
Ради интереса я даже попробовал сделать фото с 30-секундной выдержкой обоих образцов сразу после экспонирования.
Здесь все очень хорошо показано.
Аналогично ведет себя треснувший сцинтиллятор.
Он остается абсолютно прозрачным, и сквозь него видны все трещинки.
Послесвечение здесь не так выражено, но на фото с длинной выдержкой оно так же хорошо видно.
Многие говорят, что после внешнего воздействия света кристалл необходимо подержать несколько дней в темноте, чтобы он успокоился.
Как показывает практика, уже через полчаса после жестокого издевательства с использованием ультрафиолетового фонарика спектры до и после облучения практически не отличались.
Это хорошо видно, если один спектр наложить на другой.
Здесь даже количество фоновых импульсов в ведущем доме осталось неизменным.
Что касается размера, то чем больше кристалл, чем больше его площадь, тем больше гамма-квантов из окружающего пространства попадет в него.
Размер сцинтиллятора 30*40 мм подразумевает размер самого кристалла, а герметичный контейнер со светоотражающим порошком имеет несколько большие размеры, которые по высоте и ширине на 6 мм больше указанного размера.
Если вы опорожните запечатанный контейнер, йодид натрия станет соленым на вкус и оставит пятна йода на раковине.
После чего он побелеет, засорится и придет в негодность.
И вот гамма-излучение попадает в сцинтиллятор и взаимодействует с ним, порождая вспышки света в теле кристалла.
Наша следующая задача — поймать их и преобразовать в электрический сигнал.
Для этой цели используются фотоумножители.
Фотоны света, падающие на фотокатод ФЭУ, выбивают из него фотоэлектроны, которые в свою очередь фокусируются на первый динод, и выбивают из него вторичные электроны, которые фокусируются и направляются на следующий динод, каждый раз размножаясь.
Для фокусировки и ускорения электронов на анод и диноды подается высокое напряжение.
В конечном результате этих манипуляций на аноде ФУУ регистрируются импульсы тока, которые напрямую зависят от поглощенной энергии гамма-излучения.
Количество электронов, поступающих на анод, напрямую зависит от количества динодов, расположенных внутри фотоумножителя.
Кроме того, его спектральная чувствительность должна соответствовать длине излучения самого сцинтиллятора.
Например, ФУ-85А Область максимальной спектральной чувствительности лежит в диапазоне 380-420 нм, что соответствует кристаллу йодида натрия с длиной волны 415 нм.
Также важно учитывать амплитудное разрешение, здесь указано 10%.
Число каскадов усиления, то есть динодов, равно 11. В рамках данной работы сравнивались два 85 FЭU, с буквой А и без нее.
В чем разница? Некоторые говорят, что ФЭУ с буквой А имеет меньший ток темнового анода, что дает меньше шума.
Другие утверждают, что это брак с завода.
На практике при сравнении обоих образцов разницы ни в шуме, ни в разрешении не было.
Единственное, ФУ-85А работает при меньшем напряжении 540 вольт вместо 600. В итоге остановился на букве А, чем меньше напряжение, тем меньше шумов будет на спектре.
Этот ФЭУ-31 , его спектральная чувствительность нас устраивает, но динодов всего 8, а амплитудное разрешение 11%.
Образец явно хуже по характеристикам.
Что касается самих паспортов, то для ФУ-85А он гарантирует сохранение технических характеристик в течение 12 лет с даты производства.
В общем, эта бумажка просрочена лет на 20. Не стоит ей доверять, все нужно проверять на работе.
Что касается выбора ФУУ при покупке б/у.
Прежде всего, нужно визуально осмотреть стеклянную тару на наличие трещин.
Если таковые имеются, то товарищ, вероятно, мертв.
Об этом также будет свидетельствовать сурьмяно-цезиевый фотокатод, который обесцвечивается при реакции с кислородом.
Вот и все, остальные параметры можно будет узнать только при проверке при установке.
Чтобы запустить фотоумножитель, на него необходимо подать высокое напряжение, подключив диноды через делитель в виде резисторов, согласно схеме проекта.
Эта доска также содержит трансимпедансный усилитель , он преобразует входной ток в пропорциональное выходное напряжение, которое подается непосредственно на звуковую карту компьютера.
Теперь займемся исключительно сборкой и настройкой гамма-спектрометра.
Удобнее всего подключать фотоумножитель через розетку; это снижает риск повреждения стеклянной тары.
Одна такая лампа стоит около 40 баксов.
Будет обидно, если что-то пойдет не так.
Далее протрите стеклянное окно сцинтиллятора мягкой тканью и натяните на корпус резину подходящего диаметра.
Это центрирует FЭU относительно окна.
На вопрос, где его взять, ответили, что это кусок резины от велосипедной камеры.
Для обеспечения хорошего оптического контакта между УФ и сцинтиллятором находится специальная жидкость.
Какая именно? Силиконовая смазка, самая густая, которую я смог найти.
Вы можете спросить, почему я не использовал технический вазелин, который рекомендовал продавец кристаллов? Все просто, он не подходит из-за поглощения ультрафиолета, он также поглотит свет сцинтиллятора, и станет не оптической смазкой, а помехой, ухудшающей выходные параметры.
Та же проблема возникает у аптечного очищенного вазелина.
Вот почему я рекомендую силиконовую смазку; он отлично работал на протяжении всех экспериментов.
Не нужно наливать его много, иначе оно вытечет и испачкает вас чем-нибудь.
Нужно немного придавить и прокрутить элементы относительно друг друга, чтобы выдавить излишки силикона.
Это здорово, у нас такая красивая постройка.
Для защиты лампы обматываем ее несколько раз тонким пенополиэтиленом, а сверху кладем трубку из пермаллоя – магнитомягкого материала, защищающего внутреннюю часть лампы от различных внешних электромагнитных воздействий.
Как магнитное поле может влиять на электронно-лучевые трубки, мы показали в одном из предыдущих постов.
Добыть пермаллой можно, покопавшись на барахолке, из старого осциллографа, вокруг него есть то, что мы ищем.
Вот только проблема, форма сюда не подходит. Нужно работать молотком.
Вам нужно выровнять края и сформировать цилиндр.
При деформации металл образует зоны напряжения, которые необходимо ослабить, нагрев материал примерно до малинового цвета.
При нагревании можно наблюдать так называемую точку Кюри, характеризующую изменение фазового перехода второго рода.
Проще говоря, после определенной температуры металл перестает намагничиваться, что довольно интересно! В общем, ищите пермаллой где хотите.
Оно вам нужно, без него это как сходить в туалет без бумаги.
Теперь источник питания имеет отрицательное высокое напряжение.
Здесь все детали легко доступны, за исключением драйвера ключа IR2121, который нашелся только в массивном DIP-корпусе, и высоковольтного трансформатора, который нужно мотать самостоятельно.
Я уверен, что в этот момент половина людей в театре встанет и начнет выходить из театра, но подождите, это же просто.
На макете ближайшего рынка, где все стоит 10 рублей, находим китайскую электрическую зажигалку, внутри нее отличный секционный трансформатор.
Задача — размотать его вторичную обмотку и намотать новую проводом 0,2 мм.
Обороты примерно 200-250. Первичную обмотку на феррите не трогаем.
После намотки пропитываем готовый трансформатор воском или эпоксидной смолой.
Процесс занимает около 20 минут, если вы знаете, что делать.
Мне потребовалось пару месяцев, чтобы решить эту проблему.
Были опробованы десятки различных типов высоковольтных трансформаторов, начиная от вариантов люминесцентных ламп для подсветки мониторов и заканчивая линейными трансформаторами от старых телевизоров типа ТВС.
Но от всего этого было слишком много шума.
Самым простым и надежным вариантом оказался самодельный вариант. Шум от него тоже был небольшой, но он был минимальный.
Завершение.
В схему добавлен демпфер-фильтр, подавляющий паразитные индуктивные всплески и колебания при переходных процессах.
Если кратко, то это последовательная цепочка резистора и конденсатора, который в каждой схеме подбирается индивидуально.
Установка такого фильтра позволяет снизить пульсации источника питания в высоковольтной части.
Если без демпфера пульсации при 600 вольт достигли 1 вольта, то фильтр снижает их до полвольта.
Результат в 2 раза очевиден.
В статье рекомендуется при первом включении преобразователя выкручивать подстроечный резистор в минимальное положение; это важно; пренебрежение этим моментом увеличивает риск выхода из строя силовой части схемы.
Регулирование напряжения в схеме осуществляется с помощью ШИМ-контроллера TL494. Изменяя сопротивление резистора, можно наблюдать, как меняется скважность управляющих импульсов.
Максимальное напряжение, которое можно получить от такого преобразователя, составляет примерно 3 кВ.
Больше 2-х сам не поднимал, в этом не было необходимости.
Стабильность.
Схема прекрасно поддерживает заданное напряжение независимо от входной мощности в диапазоне от 8 до 14 вольт. То же самое касается и стабильности во время климатических испытаний.
Важно, чтобы напряжение не менялось при изменении температуры окружающей среды, иначе это приведет к ухудшению разрежения конечных энергетических спектров.
Этот контур нагревался феном.
При 57 градусах жидкокристаллический индикатор на термометре даже почернел, но напряжение на блоке питания было практически стационарным.
Уровень! При правильной настройке при напряжении 600 В схема будет потреблять всего 33 мА.
Сборки аккумуляторов 18650 с током 3 Ампера хватит для непрерывной работы устройства в течение 90 часов.
На самом деле схема довольно простая и при правильной сборке заработает с первого раза.
Чтобы упростить настройку, здесь перечислены все формы сигналов, показанные ранее в фильме.
Итак, блок питания готов.
Остается только припаять сигнальный провод к выходу операционного усилителя.
Оно должно быть экранировано.
Это может быть как аудиокабель, так и советский вариант с посеребрённой оплеткой.
В итоге у нас должна получиться вот такая сборка, состоящая из платы преобразователя напряжения и платы делителя с операционным усилителем, на котором находится бакелитовая панелька.
Электронная часть готова и ожидает воссоединения с блоком детектирования.
Давайте поможем этому случиться и поместим панель на задницу ФЭУ.
Также не забудьте подключить к общей клемме схемы тонкий провод с пермаллоем.
Важным моментом является то, что плата умножителя не должна содержать остатков флюса и других отходов электронщиков.
Это может что-то сломать.
Для надежности блок детектирования стянут резинками.
Не надо усердствовать, иначе можно проткнуть оптическое окно сцинтиллятора, повредить ФЭУ или что-то еще.
Вот и все.
Гамма-спектрометр готов к использованию.
Фотоумножитель очень чувствителен и может буквально зашкаливать.
В общем, я остановился на картонном тубусе.
Стильная модная молодежь.
Давайте выставим напряжение преобразователя примерно 600 вольт и посмотрим, какой сигнал мы получим с выхода операционного усилителя.
На осциллографе мы будем наблюдать импульсы разной амплитуды.
Это всё радиационный фон.
Естественное излучение в виде гамма-лучей, захваченных кристаллом сцинтиллятора.
Импульсы тока, поступающие с анода ФЭУ, довольно короткие, поэтому операционный усилитель принудительно растягивает их примерно до 200 микросекунд, чтобы звуковой карте было легче их обработать.
Если принести переключатель с постоянным люминофором на основе сцинтиллятора радий-226 , то импульсов будет много.
Цифровые осциллографы хороши, но в некоторых режимах работы настолько тупы, что иногда хочется биться головой о стену.
На советской версии пульсы видны в реальном времени, они просто отличные.
Радиофобы, вы еще не скорчились в кресле при виде обычного радиационного фона? Природное излучение существует повсюду, от него невозможно спрятаться, оно ионизирует и разрушает ДНК ваших клеток.
Страшный? Я тоже! Нам нужно как-то с этим бороться.
Мы построим свинцовый дом.
Его задача — изолировать спектрометр от внешнего природного фона.
Вторая часть
Архив с Gerber-файлами и другими полезными вещами Полное видео проекта на YouTube Наш Инстаграм Теги: #Научно-популярные #Электроника для начинающих #Химия #физика #Экология #Наука #электроника #дозиметр #излучение #как это работает #гамма-спектрометрия #Время хомяка
-
Найдите Для Себя Подходящие Игры Stick Man!
19 Oct, 24 -
Античная Философия
19 Oct, 24 -
О Smalltalk В России
19 Oct, 24
