Gamma能谱仪之NaI:Tl闪烁体探测器DIY
justinpiggy 2019-12-29原创 核辐射探测器物理极客实验
关键词
能谱仪碘化钠(铊)伽马射线探测器高压电源光电倍增管
NaI:TlScintillatorGamma RayDetectorHigh voltage power supplyPhoto-multiplier Tube

好久没冒泡了。


最近大家都在关注负离子粉的新闻。可惜现在人在国外,没有办法购得样品进行测试。盖格计数器只能检测电离辐射的强度和定性地确定辐射的种类。如果要确定样品中的核素,必须要对辐射的能谱进行测量。


借此机会,分享一下手上的两个Gamma谱仪的情况。现在手头上用于Gamma能谱测量的主要是一台DIY的NaI:Tl  Gamma能谱仪,还有一台高纯锗(HPGe)Gamma能谱仪。鉴于HPGe的价格较为高昂,并且需要低温才能工作,不适合一般爱好者使用,本文主要着重于这台NaI:Tl闪烁体能谱仪。


NaI:Tl作为闪烁体外加PMT算是最简单的业余Gamma谱仪了,也非常适合爱好者DIY。在此简单介绍一下我手上DIY的这台的具体性能和过程。


此NaI:Tl闪烁体通过eBay购自某俄罗斯卖家,价格大约是150美元。 晶体大小为63mm直径圆柱体,63mm高,已封装在带有白色反射涂层的铝制外壳内,并且有玻璃覆盖通光侧,防止晶体潮解。

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为了有效耦合闪烁体荧光到光电倍增管(PMT),此处选用比晶体截面略大的3英寸端窗PMT。PMT型号为Hamamatsu R10133-02。此PMT的峰值量子效率约为30%,并且峰值在400nm附近,和NaI:Tl闪烁体的荧光峰值较为接近。由于空气和玻璃折射率的差异,荧光经过界面时有一部分会被反射,所以需要用和玻璃折射率相近的透明硅脂填充缝隙,保证光子收集效率。

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PMT的各dynode电压由一个高阻高压分压电阻串构成,这里直接焊接在PMT引脚上,并使用了datasheet推荐的分压比(datasheet见下图)。在最后的几个dynode上增加了电容防止高计数时这几个dynode的电压变化过大。这里设计使用正高压供电,信号在正高压上,需要通过高压陶瓷电容耦合出来,才能进入示波器或者多道分析仪(MCA)。

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安装时,必须要保证PMT避光,否则环境光会导致PMT饱和,无信号输出甚至损坏PMT。这里我用多层铝箔包裹了整个PMT和闪烁体的组装体,再用泡沫塑料包裹一层防震,最后用黑色热缩管包裹。

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既然是DIY,当然高压电源也要DIY了咯。这里使用LT1534-1作为PWM控制器,控制一个Royer振荡器驱动CCFL变压器,由于输出为正弦波,滤波后能得到相当低的噪声。高压输出由分压器分压后反馈到PWM控制器,闭环稳压,防止长时间采集时高压漂移,导致PMT增益漂移,能谱分辨率恶化。这款DIY高压电源的输出纹波和稳定性基本秒杀市面上的高压模块,甚至比不少实验室内的高压电源性能更好,用在我这个PMT上实属overkill。

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至此,如果加上高压,PMT应该能够输出脉冲,如下图所示。我这里高压加了700V,增益已经足够得到干净的信号。注意PMT的工作电压不一定要达到datasheet上的电压,过高的增益在高计数的时候不是好事。

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此时就要请出校准源了。我手上有两个Disk source,分别是1uCi的Cs-137和1uCi的Co-60,两者在美国都是豁免源,无需注册,报废时也可以当作普通垃圾处理。

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同时,我们这里用Redpitaya作为MCA。Redpitaya上有一个最初版本的MCA(见http://pavel-demin.github.io/red-pitaya-notes/mcpha/)基本思路就是ADC直采,数字滤波,然后计算峰高以及做基线恢复。由于这个版本的使用不是很方便,后来有人使用最初版本的FPGA bitstream,外挂了web界面(见 https://github.com/sefffal/redpitaya-multichannelanalyser)。这里我就使用新版带web界面的版本。可以清楚地看到Co-60 1173keV(6900道附近)和1332keV(7800道附近)的Gamma峰,以及Cs-137的662keV(4000道附近) Gamma峰和32keV(200道附近)的X-ray峰。同时也可以清楚地看到康普顿坪(1300道至2700道)以及背散射峰(1300道处)。这里Cs-137的662keV峰大概是7%的能量分辨率,和晶体的datasheet基本符合。(一般晶体体积越大,探测效率越高,但是分辨率会稍差)。

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至此,这台NaI:Tl闪烁体能谱仪已经完全正常工作。当然我不会满足于NaI:Tl的能量分辨率,所以下一篇将介绍我的HPGe能谱仪。


来自:核与粒子束 / 极客实验数学物理 / 物理项目专题 / 核辐射探测器
 
5
2019-12-29 21:09:40
1楼

能否解释一下闪烁体的发射波长和不同能量的gamma峰之间的关系,MCA是如何分辨不同的gamma峰的?根据PMT的波长响应不同吗?

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2楼
引用 脉冲宽度 发表于 1 楼的内容:
能否解释一下闪烁体的发射波长和不同能量的gamma峰之间的关系,MCA是如何分辨不同的gamma峰的.....

闪光的亮度和γ能量有关。

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3楼
引用 虎哥 发表于 2 楼的内容:
闪光的亮度和γ能量有关。

哦,那同种辐射样品不同辐射强度导致的闪光亮度不同和由γ射线能量不同导致的亮度是如何区别的?

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4楼

这个应该需要一点高级知识,不能简单的说一个γ光子对应着若干次级光子吧。实际观察中两次闪光准确重叠的现象很不常见,即使产生二倍错误响应,在累积以后所占比例也应该是极少的。反而电子对效应导致的二分之一响应更可能发生。

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2019-12-30 01:17:13
justinpiggy(作者)
5楼
引用 脉冲宽度 发表于 1 楼的内容:
能否解释一下闪烁体的发射波长和不同能量的gamma峰之间的关系,MCA是如何分辨不同的gamma峰的.....

闪烁体发射的波长基本和gamma射线能量没有关系。gamma射线光子进入闪烁体后,被闪烁体散射吸收能量,激发闪烁体中的原子到激发态,然后放出光子。不同闪烁体材料产生一个光子所需要的gamma射线能量不一样,比如NaI:Tl大概是38 photons/keV。这样的话,每接收到一个gamma光子,产生一堆可见光光子的脉冲,这个脉冲里包含的可见光光子数正比于gamma光子的能量。PMT的脉冲高度正比于可见光光子数,从而可以通过把脉冲的高度做histogram(MCA的工作)来得到gamma能谱。


至于辐射强度,闪烁体探测器本身还是一个计数器,某个gamma谱线辐射强度越强,当然是单位时间里探测器收到那种能量的gamma光子数越多,最后体现在探测器输出上就是某个高度的PMT脉冲出现得越频繁。

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2
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6楼
引用 justinpiggy 发表于 5 楼的内容:
闪烁体发射的波长基本和gamma射线能量没有关系。gamma射线光子进入闪烁体后,被闪烁体散射吸收能.....

非常感谢如此详尽的解答!!!

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2020-01-01 20:24:31
2020-1-1 20:24:31
7楼

我看了那个网站,他们的FPGA采集卡也不便宜,直接在ebay上买个二手多道

[修改于 2 个月前 - 2020-01-01 20:43:50]

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2020-01-02 10:50:53
justinpiggy(作者)
8楼
引用 超密度氢 发表于 7 楼的内容:
我看了那个网站,他们的FPGA采集卡也不便宜,直接在ebay上买个二手多道

不知道你说的eBay二手MCA是什么。DIY类的MCA性能都很差,给NaI:Tl用勉强凑活,给HPGe使用完全不行。真正仪器级别的带有现代接口的二手MCA价格也并不便宜。


另,Redpitaya用处不只是MCA,可以玩出很多其他花样。只是给NaI:Tl用的话,其实声卡都够了。。。

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9楼
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justinpiggy(作者)
10楼
引用 yeager 发表于 9 楼的内容:
https://www.amptek.com/products/sdd-x-ray-detector.....

SDD探测器能量分辨率高很多,但是它是平面探测器,探测体积很小,并且由于很薄,对于高能(比如大于100keV)的Gamma射线探测效率很低,主要用于X射线能谱测量。SDD可以说是现在一般爱好者能搞到的测X射线能谱最好的探测器了,配合合适的X射线源能得到很高分辨率的X射线荧光(XRF)结果,但是并不适合Gamma能谱测量。我本来买了个SDD探测器,但是运输过程中铍窗被破坏,现在手上只有一个Si-PIN,性能要差不少(210eV vs 125eV@Fe-55 5.9keV),但是作为一般XRF用途也足够了。


如果要做个比较,SDD探测器是半导体探测器,高能光子直接在半导体内产生电子空穴对。这个帖子提到的NaI:Tl为闪烁体探测器,高能光子产生一连串可见光光子,再被PMT探测,原理不一样。Gamma能谱测量这里的半导体探测器最流行的是HPGe,我会在接下来一周更新我的HPGe相关信息。

[修改于 2 个月前 - 2020-01-02 13:45:30]

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