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DIY闪烁体探测器
radio 2018-2-12 21:55:06


原理: 射线进入闪烁体中,可以使闪烁体中的原子/分子激发,当激发的原子/分子退激时,可以发出闪光。闪烁体中产生闪光脉冲的强度与入射射线的能量成正比。据此可以对射线进行计数并且计算出射线的能量。 闪光非常微弱,因此需要高灵敏度的传感器进行探测,这里使用光电倍增管。当微弱的光照射到光电倍增管后,由于光电效应,会产生光电子。光电子随后被其中的电场加速,高速打在倍增极上,从而轰击出更多的电子,经过再次加速之后打在下一个倍增极上,电子数量逐级倍增。经过十几级的倍增后,最后电子到达阳极时,数量可以倍增约\(10^9\)倍,从而达到探测微弱闪光的目的。 闪烁体产生闪光后,闪光衰减为零需要一定时间,对于无机闪烁体来说,这个时间在小于微秒的级别。(碘化钠闪烁体0.6微秒)。而光电倍增管受到闪光照射后,由于存在上述的倍增过程,电子需要经过较长的路径,而且各个电子经过的路径并不一致,到达阳极的时间最终会相差数十ns。并且考虑到其中分布的电容的影响,最终形成的信号为宽度略小于1us的脉冲,而高度与射线能量成正比。

材料: 闪烁体使用最常用也最好买的碘化钠闪烁体。光电倍增管使用某宝上的古董苏联管子,比较便宜,但是datasheet是俄文的,并且是纸质版,把它敲进谷歌翻译费了一些功夫。

正面是管子的构造和应用电路图,背面是表格,包含了管子在各个电压下的灵敏度(阳极)、光阴极本身的灵敏度、响应的光波长、使用温度(最低能到负50度,果然是苏联产品)等等。按照手册上的数据,电压加到1080v时的灵敏度为1000A/lm。

闪烁体和倍增管:
装在一起:
闪烁体和光电倍增管之间需要加入折射率与玻璃相近的液体,否则其中的缝隙存在折射率较低的空气的话,会导致一部分光在传输中由于折射发生损耗。这里用显微镜的香柏油(用在显微镜上也是同样的作用),但是放久了会干掉,变成松香一样的东西,不适合长期使用。

显然,由于这是探测微光的设备,外界光照会导致干扰甚至损坏光电倍增管,(电流过大导致倍增极上的碱金属蒸发)因此用铝箔包严实,引线引出处和管子壁上包多层并用胶带粘住,杜绝光线进入。

这种配套的陶瓷管座比管子还要贵,于是用接线的接线端子和热熔胶DIY一个:


光电倍增管需要高压驱动,高压电源使用液晶高压板,整流之后用运放作反馈实现稳压。纹波有些大,但可以轻松达到1.3kV,并同时驱动几mA的负载。

放大电路使用如图的一个运放电路。同时考虑到需要的速度和价格,选择lm318运放。虽然电路比较简单,但是脉冲上升下降时间不足1us,用洞洞板做出来基本没有效果,还出现了自激的现象,于是用PCB重新制作。使用电位器是为了方便调节输出幅度。

测试: 放射源使用烟雾传感器中的Am-241。


(现在烟感器都是光电式的了没有放射源...不过某宝倒是有专门卖中间这个含有放射源的零件的2333)
查表可知其主要放出gamma射线的能量为59.5keV,可以以此作为基准利用Am-241的脉冲高度进一步推算出其他脉冲所对应的能量。

将运放输出接入示波器,由于脉冲宽度不到us,所以在模拟示波器上非常暗,需要将示波器亮度调到最高,并将绿色的水平亮线(基线)调到示波器框框外面才能够拍摄到。


可以看到在最下面大约1个多格子处整齐的Am-241的59.5keV脉冲。

[修改于 9 个月前 - 2018-02-13 14:09:33]

2018-2-12 22:45:31
1楼
脉冲非常漂亮,如果示波器有触发的话,展宽看看下降时间。话说记得楼主是在外资企业从事电子相关工作的呀,怎么会没有高速示波器。
然后就是ADC采样,做多道分析仪了。老外有用声卡采的,还有开源程序,但可想而知效果不会太好。

[修改于 9 个月前 - 2018-02-12 22:46:26]

radio(作者)
2楼
引用 虎哥:
囧...我现在还在读高三...您大概是把我跟谁记混了...
这个模拟示波器没有单次触发功能,调成norm模式上升沿触发并把扫描速度拉到最大肉眼可以勉强看见脉冲(毕竟示波器有一定的余辉时间),脉冲的半高宽大概在1.5us左右的样子,相机就基本拍摄不到了(因为脉冲间隔的时间比此时扫描一次的时间太长了,触发并不能起到增强亮度的作用,反而使图像显得一闪一闪的)。
如果做成多道分析仪的话,adc大概需要1Msps,位数16bit以上的才行。用声卡的话估计可以用模拟展宽电路来把脉冲展宽成一定宽度后再输入声卡,不过貌似会损失计数率。。目前暂时没空弄了。。

[修改于 9 个月前 - 2018-02-13 01:43:01]

3楼
可能我记错了,看你的帖子挺专业的,完全不像高中。。。
目前流行的多道分析仪只有12位,16位那就大炮打蚊子了。考虑探测器的能量分辨率,更高的位数似乎没有太大意义,16位也许高纯锗才用得上。
但是1M采样率不够,现在ADC很便宜,所以不在乎快一点,以便直接采到峰值,减少后期插值的工作量。
建议12位20M或者12位40M,这个有便宜的ADC。数据预处理可能需要FPGA。
作为DIY,其实很多单片机自带的ADC都能上10M,买个STM32F7的开发板就能解决。
用声卡的话需要一个脉冲保持电路。过去缺乏高速ADC和数据处理芯片,核工业上诞生了大量的与脉冲展宽电路有关的论文,可兹参考。
考虑到高三比较特殊,就不给楼主挖坑了😅
4楼
请参考一下国外爱好者的diy,这个信号经过展宽,直接送电脑声卡,就可以获得相当好的能谱分辨率了,我用淘宝的碘化钠,配合笔记本内置烂声卡,做到了6.3%,代价就是脉冲用RC展得很宽,导致比商品多道吞吐量低得多,源要放很远。。。。

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5楼
然后我那个电容耦合出来 下降延大概125nS, 上升延345uS,差3000倍。。。要把两个延展开到近ms量级声卡才能准确的采到顶
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就算不展宽,原始闪烁体的余晖亮度已经很容易堆叠了。。。要做数字信号处理,或者参考上古mca的模拟脉冲处理技术,才能榨干剩余的90%性能,达到高计数率的同时,不损失分辨率也不谱拖尾
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6楼
这是差不多一年前仪表局实验室测试的样子
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7楼
光电倍增管不需要恒流工作吗
radio(作者)
8楼
引用 RodTech:
直接用rc电路展宽用示波器看的话是这个样子
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重叠会导致基线偏移,要加上基线恢复器才行(这好像是“上古方法”?现代的做法是全部数字处理了么......下过一本80年代的《核电子学》,里头有全部模拟的基线恢复/脉冲展宽/幅度甄别/符合反符合等等电路实现,还有16bit ADC取12bit来增加线性度之类的做法,大概现在已经用不上了吧。。。除了对速度要求比较高的一些场合)
引用 qwe:
光电倍增管的灵敏度会随着所加电压的变化而大幅变化,因此要保证测量的线性得使用恒压驱动。

[修改于 9 个月前 - 2018-02-15 04:11:29]

9楼
引用 radio:
展宽了大概是这样子,thermino这类软件都有个基线恢复的功能,您下一个玩一玩,其实已经很好了,可以在界面上看到每个脉冲基线恢复,识别出来的基线参考点那些

比较现代的pdf,有IAEA出的那篇


还有比如这本书
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2018-2-22 11:09:26
10楼
光耦合是不是可以用无影胶,用于粘玻璃等透明东西的,用uv固化。在这里用可以不固化,就作为光耦合介质。
另外光电倍增管大概多少钱,给个链接
11楼
还有遮光还是用黑布或者吸光绒好些,做天文望远镜的有卖
12楼
引用 music:
这个似乎最好是反射,而不是吸收。能多一点进光电管就多一点。
radio(作者)
13楼
引用 music:
这个管子我买的时候一共三只,被我买完了。价格大概是70一只。不过淘宝上这个价位还有其他型号的古董管子,可以搜一搜。
无影胶应当是可以的,但无影胶也有许多折射率不同的品种,建议使用用来黏合玻璃镜片的那种。其实只要能够排除接触面中的空气,固不固化没什么关系。其次还可以使用液体石蜡或是硅油。

[修改于 9 个月前 - 2018-02-22 18:34:22]

14楼
引用 radio:
不要用无影胶,uv固化过程会损伤光阴极,而且pmt的壳子只有某些很小的角度能透过去看到晶体界面,很难用uv照透。。挑选粘稠额硅油即可,固定采取别的办法好了
radio(作者)
15楼
引用 RodTech:
好吧,这样的话确实没法固化。。
不过楼上不固化使用应该没啥问题。。无影胶固化前后折射率相差不大
16楼
引用 radio:
何必用无影胶。。有那么多折射率高的液体。。。我买了ebay分装的耦合硅油,感觉黏度有点小,难用。。建议楼主找下有什么硅油黏度大点的279999

radio(作者)
17楼
引用 RodTech:
无影胶是10楼的用法,我用的是香柏油(见主贴),感觉黏度还可以。。就是容易干。。
18楼
引用 radio:
香柏油在生物领域据wiki说,早在60年代就淘汰了。。。同时由于会干和带颜色,很可能对闪烁体的蓝光有比较强的吸收,考虑用现代的浸镜油,比如SIGMA 56822,黏度100mPa.s,一样是1.516折射率。

同时,这些immersion oil都是几种组分带溶剂配出来的,肯定会挥发,而闪烁体封装为了二次防潮,应该彻底密封。所以国外爱好者和厂家都用不怎么挥发的硅油。。

[修改于 9 个月前 - 2018-02-24 09:22:50]

19楼
http://www.logwell.com/tech/servtips/optical_coupling_grease.html

此贴讲得很详细,给出了各种适合pmt耦合到闪烁体的硅油的公司和型号
radio(作者)
20楼
引用 RodTech:
看来我火星了。。
看了下这个文章,综合价格等方面,感觉DC200应该不错
2018-11-5 23:58:18
21楼

我是做闪烁体材料的,如果实验室要搭一套简单的X射线激发闪烁发光光谱仪,需要哪些设备呢

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