伽玛能谱仪 的 原理 & DIY
伽玛能谱仪,是用来测量丙种射线能量谱的仪器。
伽玛射线的能量,是由同位素决定的。
知道能量,查表可得这个伽玛粒子是什么元素放出来的。
可以用于分析砖头/矿石中钍链与钾40等放射性元素的活度。



一年多前的老DIY了,整理下发出来,供各位参考。


能谱仪一些特点:
比蓋革计数管灵敏3到5个数量级,
同样活度,快速出结果,检出阈值活度低得多。
可以测得能谱,不是单纯计数。
可以测得实际人体吸收值Sv
(Sv跟能量有关,蓋革计数管的cpm与Sv转换只能适用于标定所用的元素,不能用于混合源,而闪烁体由于已知响应曲线,又能测出每个闪烁成功的粒子能量,则可以推算出实际能谱,并按照能谱算出实际Sv值,不管是宇宙射线还是混合源,都能够准确。)



核心:闪烁体,将伽玛光子转换成420nm左右中心波长的蓝紫色光,同时,射入粒子能量与输出光子数基本呈正比关系。


背景杂散的负信号脉冲,高度乱七八糟:
20160224_182200.jpg
单能量伽玛光子造成的负信号脉冲,高度基本均一:
20160224_180944.jpg

PMT.png
具体原理 与 康普顿散射本底干扰等信息参考:
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/teaching/courses/Modern_lab_manual/XXXXXXXXXXXXXXXml



闪烁体重要技术性能指标:
Cs-137(662KeV)峰的半高度位置的峰宽度(FWHM),
越窄越好,窄不仅能在短时间,少计数的条件下产生高质量能谱,还可以分辨一些相近的峰值。
下图为高纯锗半导体探测器,FWHM 5.7kev/662kev得分辨率0.86%:
CZTspectrum.png

下面是一些优秀性能闪烁体之间的对比,除了碘化钠,其他都极贵,不做讨论,仅供理解FWHM小的优点。
003196_10_fig2.jpg

scintillator_graph.jpg
imaget6.jpg


闪烁体有很多选择:


NaI(Tl):分辨率比较好(7%),价格便宜,最常用,光效率很高,但极容易潮解。尺寸可以很大。

nai.PNG
潮解的NaI:

20160228_163837-1.jpg
夸张演示:

20151017_221915.jpg
在10R/h的x-ray下,闪烁体发光,注意看照片布满噪点,显然不是UV等激励。



CsI(Tl):分辨率跟NaI类似,价格一般,闪烁中心波长恰好与硅光电池匹配,是便携式设备常用的选择,不容易潮解,尺寸一般较小。
csi.PNG



LaBr3:Ce:分辨率极好(3%),价格极贵,光效率较差。尺寸可以很大,然而由于成本,一般较小。

labr.PNG


塑料闪烁体:bicron的BC408/BC412之类型号,性质有所不同,总体来说分辨率极差,但价格
极便宜,是碘化钠的1/10,常做计数用,一般不用于能谱分析。
plas.PNG


本DIY选取50mm直径,50mm厚度的圆柱形碘化钠闪烁体,

IMG20150930130754.jpg
Off-the-shelf PMT & scintillator assembly from Bicron:
IMG20150930224207.jpg


一体化封装产品很常见,右边为井型的,挖了一个坑,使得试管可以完全放进去,尽量测得准确的4Pi总辐射:
20160227_150533.jpg
20160228_133431.jpg
不选取更小的,
是因为小体积灵敏度差,
对于低活度样品,
采集时间过长,

不选取更大的,

一是价格贵,
二是由于体积增大,反射情况增多,
晶体不同部位产生的光,
到达光探测器处强度不同,
导致分辨率下降。




光电转换:
硅光电池:
体积小,灵敏度差,驱动电路简单,但输出信号较弱,放大后噪声大。
光电倍增管:体积一般比较大,灵敏度和线性都很好,但是增益温度稳定性不好,驱动电路要高压,但输出信号比较强,放大简单。


关于PMT,Hamamatsu公司有极好的文档:

attachment icon book-PMT.rar 2.82MB RAR 192次下载

本DIY选取光电倍增管(PMT),性能更好,且配套参考文档较多,更重要的是,大大小小我有一堆。

20150830_175659.jpg

Low ripple SMPS programmable HV PSU:

20160228_133053.jpg
可用matsusada/Hamamatsu等公司的PMT专用高压电源代替,需要极好的温度稳定性和时间稳定性,因为高压波动,直接导致谱线偏移,谱峰变宽。


晶体与光探测器耦合:由于空气折射率小,存在全反射,降低了效率。需要用一层薄薄的硅胶驱赶耦合面内的空气,达到光的高效利用。


脉冲经过放大,需要用多道分析仪(MCA)把脉冲高度按照ADC的bit数,分成比如1024道,将每个脉冲,按照高度的adc count放入相应bin内,经过一段时间累计,得到能谱。

MCA有很多实现方法,这里只介绍直采,不介绍峰保持等纯模拟电路的实现:

20151010_170641.jpg


当代MCA,是ADC采集原始脉冲后,所有峰识别/统计/滤波等都用软件实现。最简单的MCA,便是手机/电脑的声卡MIC input,有许多开源MCA软件,将PMT输出经过pre-amp,脉冲展宽(声卡带宽不够,原始脉冲上升沿1us太窄了)后直接送入手机或者笔记本的MIC in,用开源软件进行峰识别统计,甚至能量校准/元素识别等工作。
然而,专用硬件也很好做,带1MSPS,12bit以上ADC的开发板/开源示波器,可以通过自己写固件来实现一体化MCA。


本DIY中,使用了电脑声卡+开源软件,

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/~marek/pra/
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/software-downloads
theremino.PNG
并实验了示波器+matlab从原理上实现MCA

>> uiopen('*.csv',1)
data=filter(ones(1,3)/3,1,datacsv);
data(data<0)=0;
[pks,locs] = findpeaks(data,'MinPeakDistance',10);
hist(pks,1024)

使用国外爱好者基于国产垃圾口袋示波器DSO201(竟然内置adc是12bit)的MCA固件。
Bicron probe:
20160228_133016.jpg
isotope id:
20160224_183815.jpg
tapping signal from handheld device (CsI-PMT config):
20160224_183320.jpg
HPGe detector:
20160224_130908.jpg
校准,使用一坨钾盐,天然K40峰度很高,放在旁边,等K40峰升起来,算出每千电子伏特多少道,或者找一个老的夜光表,或者u矿石,甚至用砖头房子本底钍链的Bi 214峰校准。

[修改于 6 年前 - 2016-02-29 19:43:14]

来自:仪器与装备 / 核技术与仪器
 
1
ne555
5年8个月前
1楼
长见识了
有一个疑问,碘化钠为啥会潮解,闪烁体没有玻璃吗?
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RodTech作者
5年8个月前
2楼
引用 ne555:
长见识了
有一个疑问,碘化钠为啥会潮解,闪烁体没有玻璃吗?
环氧密封玻璃盖子,不少有漏气的
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fuwen0202
5年8个月前
3楼
咦 y射线的闪烁荧光体也能在x光下发光诶。。。那医院使用的x光片甲中的闪烁荧光纸可以用么?
另外,硅光电池或者光电三极管+闪烁荧光体有测试过么?噪声真的很大?
还有,如果只是检测强度的话,闪烁磷光体怎么样?(磷光体容易造成边界模糊,如果只是检测强度的话应该没什么关系。。。)
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RodTech作者
5年8个月前
4楼
引用 fuwen0202:
咦 y射线的闪烁荧光体也能在x光下发光诶。。。那医院使用的x光片甲中的闪烁荧光纸可以用么?
另外,硅光电池或者光电三极管+闪烁荧光体有测试过么?噪声真的很大?
还有,如果只是检测强度的话,闪烁磷光体怎么样?(磷光体容易造成边界模糊,如果只是...
医院现在DR平板,一般用的就是碘化铯闪烁体阵列。
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fuwen0202
5年8个月前
5楼
引用 RodTech:
医院现在DR平板,一般用的就是碘化铯闪烁体阵列。
DR不同,电子跃迁发光的波长只要DR的传感器能采集到就行,不需要肉眼可见的吧?
以前的老式的x光机使用胶片的,我记得是一张白纸一样的东西,,估计是纸基的荧光体。。
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fuwen0202
5年8个月前
6楼
淘宝搜了下,叫增感屏。。有蓝光和绿光之分。。。
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RodTech作者
5年8个月前
7楼
引用 fuwen0202:
DR不同,电子跃迁发光的波长只要DR的传感器能采集到就行,不需要肉眼可见的吧?
以前的老式的x光机使用胶片的,我记得是一张白纸一样的东西,,估计是纸基的荧光体。。
增感屏diy的,见我的帖子。
dr传感器就是cmos之类的,跟眼睛响应没啥区别,红外很差,紫外比较差,选择可见光闪烁的比较多。
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zca123
5年8个月前
8楼
本科的时候用纯模拟方法DIY了一个,现在想用数字的方法来实现一次,可惜没有那个条件了。
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虎哥
5年8个月前
9楼
引用 zca123:
本科的时候用纯模拟方法DIY了一个,现在想用数字的方法来实现一次,可惜没有那个条件了。
做一个玩玩吧,并不需要太多条件,都能买到,当心尽量别买俄罗斯退役闪烁体。
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zca123
5年8个月前
10楼
引用 虎哥:
做一个玩玩吧,并不需要太多条件,都能买到,当心尽量别买俄罗斯退役闪烁体。
没有高分辨率的探头
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kcltxinshou
5年7个月前
11楼
闪烁体似乎可以用来做电镜
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154454496
2年11个月前
12楼
引用虎哥发表于9楼的内容
引用 zca123:本科的时候用纯模拟方法DIY了一个,现在想用数字的方法来实现一次,可惜没有那个条...

挖个坟,为啥不买俄罗斯退役的?

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虎哥
2年11个月前
13楼
引用154454496发表于12楼的内容
挖个坟,为啥不买俄罗斯退役的?

俄罗斯是一个核大国,退役的辐射试验装置很多。不巧的是,俄罗斯管理混乱,常常没有对相关装置进行检测和规范的处理,因此沾染放射性物质的装置零件时不时流向淘宝卖家。

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yeager
2年10个月前
14楼

  几年前用过nal和Labr3的晶体加上滨松的倍增管,不过后来换成SDD半导体探头,灵敏度高太多了

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RodTech作者
2年10个月前
15楼
引用yeager发表于14楼的内容
  几年前用过nal和Labr3的晶体加上滨松的倍增管,不过后来换成SDD半导体探头,灵敏度高太多了

SDD是远远没有闪烁体灵敏度高的,连铍窗配1mm厚的薄碘化钠都远远比SDD SI-PIN和GeLi高效,因为体积大。

SDD看起来效率高,是因为deadtime很短,thruput可以开得很大,同样的计数率碘化钠的脉冲早就重叠了

效率是靠整个接收部分的质量和体积决定的,SDD的硅才那么小一片,depletion layer更是小了,只有HPGe的效率能比。

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robinsondong
2年2个月前
16楼

塑料闪烁体能玩不,我有好几个塑料闪烁体

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