How to make DIY Gamma Spectroscopy Detector for iPad or Computer Audio Card

Собираем спектрометрическую приставку для компьютера и iPad

Любительской гамма спектрометрией я увлекся в начале 2015, когда измерять уровень радиации обычным дозиметром стало уже не интересно и захотелось получить возможность идентифицировать энергию распада. Сразу оговорюсь, что представленный в статье прибор не является профессиональным лабораторным гамма-спектрометром так как имеются некоторые ограничения. Но, несмотря на это, с помощью такой приставки можно легко определять радионуклиды излучающие гамму в пределах 13кеВ-1700кеВ или даже тестировать продукты питания, если соблюсти несколько основных правил и процедур измерения.

Основным компонентом прибора является кристалл-сцинтиллятор Иодид-Натрия активированный Таллием NaI(Tl). Кристалл - вещь достаточно дорогая и хрупкая. На этот раз я использовал небольшой экземпляр в корпусе 25х30мм. Размер самого кристалла меньше изза толщины стенок и примерно составляет 18х20мм. Обычно я не советую брать б/у кристаллы так как их реальные параметры  весьма не предсказуемы и можно легко попасть на внешне идеальный чистый кристалл, но по факту получить счетный экземпляр с плохим энергетическим разрешением. Поэтому по возможности желательно немного переплатить, купив новый с завода, с паспортом и гарантией. Так как представленный в этой статье экземпляр прибора собирался не в коммерческих целях то я выбрал купленный б/у кристалл который уже был у меня в наличии. 

NaI(tl) Crystal

Вторым шагом было подобрать подходящий по размерам и параметрам фотоумножитель. Поиск по местным источникам привел меня к CampaignGO основанной доктором Lahav Gan Ph.D из Техниона. В штучных количествах у них можно приобрести достаточно хорошие трубки PMT. Я купил Photonis XP3112. Трубка была списана с научного стенда и поэтому качество обещало быть хорошим. Я разобрал имеющийся на трубке заводской низкоомный делитель который не подходил для моих целей, аккуратно залудил выводы и подпаял короткие провода на все выводы динодов, фотокатода и анод. Процесс снятия заводского делителя я не сфотографировал,  так в принципе там ничего интересного, и с помощью ножа и паяльника он был легко снят. Потом я залил все выводы изолирующим компаундом чтобы придать больше жесткости креплению.

XP3112 PMT Tube

Перед скреплением кристалла и трубки все поверхности были тщательно обезжирены.

Далее я намазал каплю оптической смазки для улучшения передачи света между стеклом корпуса кристалла и фотоумножителя и крепко закрепил трубку на кристалле с помощью алюминиевой клейкой ленты. Сверху была напаяна плата высокоомного делителя напряжения. На этой плате также установлен пред-усилитель для снятия сигнала с анода трубки. 

Фотоумножителю для работы требуется высокое напряжение около -1000В которое подается на фотокатод. Предварительно я спаял миниатюрный высоковольтный преобразователь и еще одну плату с зарядкой для литиевого аккумулятора. Для спектрометрии качество стабилизации высокого напряжение напрямую влияет на энергетическое разрешение, поэтому я подобрал компоненты преобразователя так чтобы получить как можно меньше шумов на выходе и свести температурный дрейф к разумному минимуму.  Как показала практика, дрейф напряжение в 1-2 вольта может очень сильно ухудшить результат, поэтому подойти к качеству стабилизации высокого напряжение нужно очень серьезно. 

Portable Spectrometer Assembly

Когда вся электроника была собрана и установлена, я намотал поверх трубки еще несколько слоев черной изоленты. Для тех, кто знаком с принципом работы фотоумножителя, такая тщательная светоизоляция вполне понятна. Дело в том что фотоумножитель очень чувствителен к свету и способен регистрировать единичные фотоны света, поэтому его надо тщательно изолировать от любого внешнего освещения и допустить попадания фотонов света только из сцинтиллятора.

Теперь эта конструкция должна быть протестирована, поэтому ее надо обмотать во что-нибудь плотное и черное, подключить осциллограф и убедится в наличии импульсов. Подстройкой высокого напряжения нужно добиться оптимального усиления. Далее можно подключать к линейному входу звуковой карты компьютера и дать около 20 минут на прогрев электроники. Следом за этим нужно настроить программу BecqMoni и можно набирать спектр цезия Cs-137. Это нужно для того чтобы оценить энергетическое разрешение датчика. Чем меньше FWHM в процентах тем лучше, с NaI(Tl) обычно нормальным считается разрешение 9%, ниже этого считается очень хорошим результатом, а выше 12% уже не годится для спектрометрии.

Cs-137 Gamma Spectrum

В моем случае получилось меньше 9% FWHM. Значит все собрано хорошо. Теперь можно приступать к подготовке корпуса.

Корпус можно сделать на небольшом токарном станке. Для этого закрепляем алюминивую трубу подходящей длины и диаметра в патроне и подпираем задним центром для жесткости. Стараемся получить как можно меньше биений. Делаем несколько проходов на автоматической подаче и завершаем чистовым прогоном обильно полив поверхность смазкой для обработки алюминия. Отрезаем все лишнее по краям и получаем основную деталь будущего корпуса. Так как моя заготовка изначально была немного коротка, мне пришлось компенсировать недостачу длины с помощью нижней и верхней крышки.

Aluminum tube for PMT

Далее растачиваем нижний пластиковый стакан для фиксации кристалла. Плотный пластик будет отлично фильтровать бета-излучение и уменьшать эффект тормозного излучения в корпусе кристалла. К тому же, при использовании отрицательного высокого напряжения требуется хорошо изолировать корпус кристалла от корпуса прибора. Поэтому пластиковая деталь тут как раз кстати. Примеряем что паз стакана плотно заходит в корпус и стакан имеет достаточно пространства внутри для крепления кристалла. По высоте все внутренние элементы прибора должны помещаться с небольшим запасом. У меня получилось почти впритык, поэтому придется делать высокую крышку сверху чтобы разьемы для кабеля и кнопки не задевали плату.

installing electronics into detector enclosure

Верхнюю крышку вытачиваем из цельного блока алюминия. Этот процесс довольно долгий, нудный и энергоемкий даже несмотря на то что в этот раз у меня была подходящая по размеру заготовка и мне не пришлось долипивать "кругляк" вручную. Я не заснял на видео все этапы изготовления корпуса, иначе пришлось бы потратить в четыре раза больше времени на его изготовление, по пару ключевых этапов можно посмотреть в этом коротком видео. 

Далее размечаем и просверливаем отверстия для нужных разьемов на крышке. Делаем боковые отверстия на корпусе и нарезаем резьбу для боковых крепежных винтов. Внутрь нужно поместить хотябы один слой отожженного пермаллоя по всей длине корпуса где находится трубка. Пермаллой выполняет функцию магнитного экрана. Остается только припаять все нужные выводы к крышке, плотно закрепить все внутри и установить электроизолюрующую термоусадку на платы и можно закрывать. Корпус готов.

Finished Enclosure for Portable Gamma Ray Spectrometer

Для подключение к iPad я спаял небольшой переходник. Дело в том что уровень линейного аудио входа компьютера выше чем микрофонный вход у Apple, поэтому в переходнике можно подстроить сигнал до нужного уровня Geiger Bot. К тому же распайка аудио штекера для компьютера отличается от распайки TRRS. Поэтому я подумал что переходник будет самым простым решением и позволит использовать один кабель SMA-Mono. 

Я не буду углубляться в тонкости настройки софта для iPad или компьютера так как это выйдет за рамки ознакомительной статьи. Прилагаю спекты нескольких изотопов для примера возможностей:

Am-241 gamma spectrum

Eu-152 gamma spectrum

Ba-133 Gamma Spectrum

И пару скриншотов с программы Geiger Bot установленной в iPad:

iPad Cs-137 Gamma Spectrum

iPad Eu-152 Gamma Spectrum

Такой детектор удобно использовать дома или на выездных измерениях. Вместе с iPad он помещается в небольшую сумку. Для прибора любительского уровня у него достаточно хорошие характеристики по чувствительности и разрешению. Чувствительность к гамма излучению у сцинтилляционных приборов больше в десятки раз чем у газоразрядных счетчиков. К тому же, такая гамма-спектрометрическая приставка позволяет оценить энергии гамма спектра и дает возможность безошибочно определить тип радионуклида в пробе.

Portable Gamma Ray Spectrometer with iPad

Copyright © 2012-2018 RH Electronics (aka RadioHobbyStore). All Rights Reserved.