碘化钠闪烁体γ能谱仪的仿制
GiroPetrenko 2020-1-17原创 核辐射探测器
中文摘要
试制一台γ能谱仪

0. 前言

最近伽马能谱仪在论坛上很流行,于是萌生了仿制的想法。由于采用了二手受潮闪烁体以及电子管变压器高压电源,第一次(未发帖)实验则是完全的失败。这次用比较现代的元器件重新仿制一台。


1. 材料准备

1-1:闪烁体探头

- 碘化钠闪烁体,新,30x25mm,参考价格300~500RMB

- 光电倍增管,1977年生产,GDB-35型。推荐使用仍在生产的GDB-235型,参考价格400~500RMB.

- 管座,新,淘宝上专门有配套此光电倍增管的管座。

- 遮光套管,3D打印,配铝箔胶与电工胶避光。STL文件在文章末尾。

- 分压电阻,电容。采用1/4W的电阻即可。搭棚焊接在管座上。

- 铅板(盒),可选的配件,用来过滤低能射线的干扰。

1-2:高压电源以及信号处理

- 成品高压电源,1000V 1mA 最大,参考价格200~300RMB。

- 信号处理(MCA以及前置放大器),Theremino方案,采用全贴片元器件。

2. 安装

image.png

3D打印的套管可以直接安装闪烁体以及光电倍增管。插入,用硅胶灌封即可。

注意闪烁体和光电阴极需要涂抹光学介质,此处采用的是甘油。尽量采用与玻璃折射率相同的液体。


3. 电路部分

image.png

光电倍增管的分压电阻,供GDB-235以及GDB-35型使用。尤其注意在最后几级倍增级上,要安装吸收电容。

此处使用的负载电阻为100K。在满脉冲输出时可以有5V的脉冲(参考值)

image.png

这是另外一种电路,高压电源与脉冲输出共用一根连接线。不推荐使用,因为存在脉冲幅度过小的情况。

image.png

脉冲展宽电路。调节C10,C11来调节脉冲宽度。BC237能用S9014替代。

因为涉及到了小信号处理,光电倍增管以及展宽电路需要用同轴线连接,有条件的可以使用BNC,SHV,或SMA接口的专用连接线,作者在此没有条件进行,于是用之前做功放的库存RCA接口连接。老板良心,给了一条同轴线。

IMG_20200119_105649.jpg

整套设备,后期声卡的隔直电容采用了0.1uF (104)的独石电容。

4. MCA,采样

十分令人困扰的部分。

image.png

最初的“能谱”,脉冲不太对。

image.png

不够宽的脉冲。

image.png

后期经过(我也记不住)的处理,得到232Th的能谱,不过40K的峰被漏掉了,仍需改进。

gdb 235 + crystal complete solution.stl
419k
STL
19次下载


[修改于 1 个月前 - 2020-01-20 09:53:28]

来自:项目专题 / 核辐射探测器
2020-1-17 16:05:34
1楼

套管建议做下磁屏蔽,不知楼主用什么做MCA ,声卡还是专业的模块?

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GiroPetrenko(作者)
2楼
引用 Membrane 发表于 1 楼的内容:
套管建议做下磁屏蔽,不知楼主用什么做MCA ,声卡还是专业的模块?

Theremino方案,只不过采用成品高压电源

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3楼

感觉顶上那个缝有必要再贴一下

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4楼
引用 GiroPetrenko 发表于 2 楼的内容:
Theremino方案,只不过采用成品高压电源

PMT专用电源模块要注意输出电流

如果输出电流太小的话分压器都带不动,我买了一个0.1mA的模块接上分压器输出电压只有300v,1mA的模块还能凑合用,后来买了块10mA的。。。。。

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GiroPetrenko(作者)
5楼

1ma的,带载电压稳定。

pmt出了些问题,稍后需检查

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6楼
引用 GiroPetrenko 发表于 5 楼的内容:
1ma的,带载电压稳定。pmt出了些问题,稍后需检查

我最初用只用一根同轴线+电容耦合的方案,结果发现PMT信号太弱,隔直电容没有输出信号。

后来我采用了一根同轴线供电,一根同轴线传输信号的方法才解决了这个问题。

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GiroPetrenko(作者)
7楼

IMG_20200117_200603.jpg

这是什么魔幻的信号啊

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8楼
引用 GiroPetrenko 发表于 7 楼的内容:
这是什么魔幻的信号啊

真巧我也遇到过,是工频干扰。

改成双线的话就好多了。

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9楼
引用 GiroPetrenko 发表于 7 楼的内容:
这是什么魔幻的信号啊

还有就是要检查下光电倍增管的避光,如果避光不好的话会接收到节能灯的光信号,也会形成类似的波形。

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GiroPetrenko(作者)
10楼
引用 Membrane 发表于 9 楼的内容:
还有就是要检查下光电倍增管的避光,如果避光不好的话会接收到节能灯的光信号,也会形成类似的波形。

谢谢,估计节能台灯就是罪魁祸首了,我再研究一下避光。

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GiroPetrenko(作者)
11楼
引用 Membrane 发表于 9 楼的内容:
还有就是要检查下光电倍增管的避光,如果避光不好的话会接收到节能灯的光信号,也会形成类似的波形。

避光做了,老样子。恐怕是工频干扰,即使不通电示波器也有正弦波。。。

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12楼
引用 GiroPetrenko 发表于 11 楼的内容:
避光做了,老样子。恐怕是工频干扰,即使不通电示波器也有正弦波。。。

用两根同轴线,信号传输线的内外层间连接一个合适阻值的电阻,阻值要恰好把工频信号抵消又不影响脉冲信号,我是这么解决的。

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GiroPetrenko(作者)
13楼
引用 Membrane 发表于 12 楼的内容:
用两根同轴线,信号传输线的内外层间连接一个合适阻值的电阻,阻值要恰好把工频信号抵消又不影响脉冲信号,.....

示波器表笔应该是同轴线,电阻能给个参考值吗?或者计算公式.

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14楼
引用 GiroPetrenko 发表于 13 楼的内容:
示波器表笔应该是同轴线,电阻能给个参考值吗?或者计算公式.

没有参考值,我是在十几KΩ~220KΩ试出来的。

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15楼
引用 GiroPetrenko 发表于 5 楼的内容:
1ma的,带载电压稳定。pmt出了些问题,稍后需检查

声卡能接受的计数率那么低不需要用很小的分压电阻的,每级10兆都没问题。


我以前一般用这种成品模块,电压温飘很稳定。


20200115_181238.jpg



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GiroPetrenko(作者)
16楼

暂时搞不定。等明天PCB来了再做尝试。

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2020-01-18 07:41:18
GiroPetrenko(作者)
17楼

IMG_20200118_074053.jpg

工频干扰尚未解决,不过已经有脉冲了。

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GiroPetrenko(作者)
18楼


好多了,这是负离子粉。

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19楼
引用 GiroPetrenko 发表于 18 楼的内容:
video好多了,这是负离子粉。

似乎需要脉冲展宽

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GiroPetrenko(作者)
20楼
引用 Membrane 发表于 19 楼的内容:
似乎需要脉冲展宽

是的,但是定的pcb还是没有到。

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GiroPetrenko(作者)
21楼

IMG_20200118_220932.jpg

pcb搞定了,展宽很不错,原来示波器.1ms档才能看得清的脉冲现在可以用10ms档。

问题又来了,脉冲信号一接电脑mic口,就消失的无影无踪。耳机插上,密密麻麻的脉冲像噪音一样,看来不是信号幅度的关系。

猛然想起mic的偏置电源之类的玩意。买了块usb声卡,等吧。

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22楼
引用 GiroPetrenko 发表于 21 楼的内容:
pcb搞定了,展宽很不错,原来示波器.1ms档才能看得清的脉冲现在可以用10ms档。问题又来了,脉冲.....

楼主测过脉冲的下降沿时间了吗,似乎展得过宽了,我试过500μs的脉冲就能被声卡接收,脉冲过宽会影响计数率的。

我最近在制造另一台伽马能谱仪(之前的只是样机),采用了32bit数字声卡配合24bitADC模块,通过i2s接口连接,脉冲采样相比一般的声卡好得多,除声卡外所有供电采用低纹波电源(纹波1mV),运放、ADC、脉冲展宽电路均放在屏蔽罩内,可以有效抑制噪声并提高计数率。

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GiroPetrenko(作者)
23楼
引用 Membrane 发表于 22 楼的内容:
楼主测过脉冲的下降沿时间了吗,似乎展得过宽了,我试过500μs的脉冲就能被声卡接收,脉冲过宽会影响计.....

期待你的新设计。好奇大概会用什么芯片方案?

“看得清”指的是能明显的观察到一条垂直条纹。展宽前脉冲宽度估计不大于50us(保守估计,忘记了),而展宽后脉冲大约为500-1000us,宽度刚刚好。

这次问题就出在电脑声卡上了,theremino的电路里没有隔直电容,原因是教程内会改声卡,使得可以一个usb供电。我偏偏忘记这回事了,设计pcb时没有考虑,mic口的偏置电压彻底把三极管搞乱了。

等usb 声卡到了,我也打算改装一下声卡,把mic改成line in。

[修改于 1 个月前 - 2020-01-18 23:30:24]

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2020-01-19 03:13:38
24楼
引用 Membrane 发表于 22 楼的内容:
楼主测过脉冲的下降沿时间了吗,似乎展得过宽了,我试过500μs的脉冲就能被声卡接收,脉冲过宽会影响计.....

这个方向是错误的。。。。bit数完全不需要这么高,毫无意义。就算是高纯锗探测器用12bit都绰绰有余。

应该大幅提高采样率,尽量减少展宽电路对峰高非线性的贡献,这样才能提高分辨率。一个很好的例子就是使用14bit 125Msps的redpitaya开发板进行采集。

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25楼
引用 RodTech 发表于 24 楼的内容:
这个方向是错误的。。。。bit数完全不需要这么高,毫无意义。就算是高纯锗探测器用12bit都绰绰有余.....

是否需要配上驱动能力足够的运放,将输入阻抗提高到kΩ级别。倍增管的输出阻抗似乎不低,100欧左右的ADC或50欧的采样系统,可能会存在问题。

如果想偷懒一点峰值估计算法都不做,一点脉冲展宽都不做,可能需要12位500M采样,只用看上升沿就可以找峰了,而且看起来可以用电压绝对值,不用做基线恢复,大幅简化算法。不知这样可行不。

[修改于 1 个月前 - 2020-01-19 04:51:25]

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26楼

的确需要匹配,不然带不动载或者产生奇怪的振铃。我最近闹了大乌龙,拆了一个完好的成品的闪烁体。。。就是因为它的输出做成了无源的50欧,脉冲奇小无比我还以为受潮了。。。

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GiroPetrenko(作者)
27楼

image.png

试运行,感觉不太对。工频噪声还没解决,刚刚线没接好,先把pcb装进壳子再说。

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GiroPetrenko(作者)
28楼

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真的好奇怪。。。

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29楼
引用 GiroPetrenko 发表于 28 楼的内容:
真的好奇怪。。。

我同样遇到了这个问题,至今没有解决。

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GiroPetrenko(作者)
30楼
引用 Membrane 发表于 29 楼的内容:
我同样遇到了这个问题,至今没有解决。

也许需要拿烟感里的241Am测测。232Th太杂乱了,40K又太微量。

[修改于 1 个月前 - 2020-01-19 11:09:02]

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31楼
引用 GiroPetrenko 发表于 30 楼的内容:
也许需要拿烟感里的241Am测测。232Th太杂乱了,40K又太微量。

40K就算微量但也应该有反应才对,在旁边放一袋低钠盐试试,有条件的话最好用铅皮做个测试舱减少本底干扰。

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GiroPetrenko(作者)
32楼
引用 Membrane 发表于 31 楼的内容:
40K就算微量但也应该有反应才对,在旁边放一袋低钠盐试试,有条件的话最好用铅皮做个测试舱减少本底干扰.....

用了,一大袋。啥都没有。

铅皮盒的主意不错,之前的x射线机被我拆了,留下一堆铅板。

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33楼
引用 GiroPetrenko 发表于 32 楼的内容:
用了,一大袋。啥都没有。铅皮盒的主意不错,之前的x射线机被我拆了,留下一堆铅板。

实验室的低本底伽马能谱仪都配有一个屏蔽铅箱,探头和被测物体放进去能有效减少自然本底的干扰,不过那种铅箱非常厚。

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GiroPetrenko(作者)
34楼
引用 Membrane 发表于 33 楼的内容:
实验室的低本底伽马能谱仪都配有一个屏蔽铅箱,探头和被测物体放进去能有效减少自然本底的干扰,不过那种铅.....

铅箱没条件做,不过熔铸一个铅探头罩在diy条件下是可能的。可惜手头没有任何设备,于是只好简陋的做做样子了。

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35楼

业余条件下熔铸铅怕是会吸入铅蒸汽,不如用PVC水管做铅室外壳,铅板卷成筒塞进去,底部垫几层铅板方便些。

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GiroPetrenko(作者)
36楼
引用 Membrane 发表于 35 楼的内容:
业余条件下熔铸铅怕是会吸入铅蒸汽,不如用PVC水管做铅室外壳,铅板卷成筒塞进去,底部垫几层铅板方便些.....

3D 打印真香啊,这个的套管也是3D打印的。我正好有很多承样品的小玻璃瓶,大小刚刚好跟闪烁体匹配。可以3D打印一个带凹槽的配件,外面包铅板。

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37楼

楼主的thereminoMCA调试好了吗?

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GiroPetrenko(作者)
38楼
引用 Membrane 发表于 37 楼的内容:
楼主的thereminoMCA调试好了吗?

软件?调试不好,正在看datasheet

[修改于 1 个月前 - 2020-01-19 17:00:05]

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39楼
引用 GiroPetrenko 发表于 27 楼的内容:
试运行,感觉不太对。工频噪声还没解决,刚刚线没接好,先把pcb装进壳子再说。

thereminoMCA显示的信号脉冲波形不正常啊,可能根本不是信号脉冲,或者干扰过大。

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GiroPetrenko(作者)
40楼
引用 Membrane 发表于 39 楼的内容:
thereminoMCA显示的信号脉冲波形不正常啊,可能根本不是信号脉冲,或者干扰过大。

是有问题,感觉是baseline test之类的把40K的高峰全给滤掉了,噪声反倒被记录下来。

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GiroPetrenko(作者)
41楼

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录音软件处理

image.png

中间最高的那个峰。不知道形状对不对。

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42楼
引用 GiroPetrenko 发表于 41 楼的内容:
录音软件处理中间最高的那个峰。不知道形状对不对。

把探头线拔掉再进行noise test,这样baseline test就不会把信号过滤掉了。

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GiroPetrenko(作者)
43楼
引用 Membrane 发表于 42 楼的内容:
把探头线拔掉再进行noise test,这样baseline test就不会把信号过滤掉了。

noise test做了,然后还是老样子。

我觉得应该有个功能,能决定多少mV 对应多少 keV,不然乱七八糟的,都挤在低能端。

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44楼
引用 GiroPetrenko 发表于 43 楼的内容:
noise test做了,然后还是老样子。我觉得应该有个功能,能决定多少mV 对应多少 keV,不然.....

这个就要调下bins了,或者调下外置运放(如果有的话)

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GiroPetrenko(作者)
45楼
引用 Membrane 发表于 44 楼的内容:
这个就要调下bins了,或者调下外置运放(如果有的话)

我稍后调下bins,原来是干这个用的。

没有外置运放,换个思路,接个分压电阻。不过现在面临的问题是高能端不足,所以只能增加不能减少。

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46楼
引用 GiroPetrenko 发表于 45 楼的内容:
我稍后调下bins,原来是干这个用的。没有外置运放,换个思路,接个分压电阻。不过现在面临的问题是高能.....

调bins不行的话就加一个低噪放大器,我试过普通运放模块发现放大倍数过高时底噪和脉冲非线性非常恶劣,只能使用多级放大。

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GiroPetrenko(作者)
47楼

现在思路有些乱,想到的问题如下:

- 脉冲波形,示波器上看,未展宽之前为极短促的负脉冲,而展宽后变成了短上升沿,长下降沿的正脉冲,仍然符合闪烁体正常的输出波形。但是声卡采样后,录音软件显示差不多,可是进入theremino后变成了“半个正弦波”。

- 这些MCA软件应该都认为 电压对应能谱是从0~100,但是我这套设备0-5%多为噪音,又很少又40%以上的脉冲。

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48楼
引用 GiroPetrenko 发表于 47 楼的内容:
现在思路有些乱,想到的问题如下:- 脉冲波形,示波器上看,未展宽之前为极短促的负脉冲,而展宽后变成了.....

把信号耦合的电解电容换成瓷片电容,换个输入声道试试。我用的是独石电容,软件可以接收到脉冲信号,但是仍然存在信号在低能部分堆积的问题。

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GiroPetrenko(作者)
49楼
引用 Membrane 发表于 48 楼的内容:
把信号耦合的电解电容换成瓷片电容,换个输入声道试试。我用的是独石电容,软件可以接收到脉冲信号,但是仍.....

您说的是输入到声卡的耦合电容?的确用的比较大,一会换一下试试。

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