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碘化钠闪烁体γ能谱仪的仿制
2020/01/17
原创
IP:江苏
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。

attachment icon gdb 235 + crystal complete solution.stl 418.54KB STL 158次下载 预览


[ 修改于6年10个月前 - 2020/01/20 09:53:28 ]
6年10个月前IP:江苏
869196
2楼
引用已注销用户发表于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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6年10个月前IP:江苏
869209
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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1
6年10个月前IP:江苏
869213
7楼

IMG_20200117_200603.jpg

这是什么魔幻的信号啊

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6年10个月前IP:江苏
869217
10楼
引用已注销用户发表于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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6年10个月前IP:江苏
869221
11楼
引用已注销用户发表于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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6年10个月前IP:江苏
869224
13楼
引用已注销用户发表于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,我是这么解决的。

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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6年10个月前IP:江苏
869229
16楼

暂时搞不定。等明天PCB来了再做尝试。

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6年10个月前IP:江苏
869263
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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6年10个月前IP:江苏
869265
18楼


VID_20200118_081710.mp4  点击下载

好多了,这是负离子粉。

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1
6年10个月前IP:江苏
869289
20楼
引用已注销用户发表于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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6年10个月前IP:江苏
869349
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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6年10个月前修改于 6年10个月前IP:江苏
869356
23楼
引用已注销用户发表于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...

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。

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6年10个月前IP:江苏
869372
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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6年10个月前IP:江苏
869391
28楼

image.png

真的好奇怪。。。

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6年10个月前修改于 6年10个月前IP:江苏
869397
30楼
引用已注销用户发表于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。

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6年10个月前IP:江苏
869399
32楼
引用已注销用户发表于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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6年10个月前IP:江苏
869402
34楼
引用已注销用户发表于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,不过那种铅箱非常厚。

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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6年10个月前IP:江苏
869406
36楼
引用已注销用户发表于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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6年10个月前修改于 6年10个月前IP:江苏
869429
38楼
引用已注销用户发表于37楼的内容
楼主的thereminoMCA调试好了吗?

软件?调试不好,正在看datasheet

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6年10个月前IP:江苏
869433
40楼
引用已注销用户发表于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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6年10个月前IP:江苏
869434
41楼

image.png

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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6年10个月前IP:江苏
869437
43楼
引用已注销用户发表于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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6年10个月前IP:江苏
869439
45楼
引用已注销用户发表于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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6年10个月前IP:江苏
869442
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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6年10个月前IP:江苏
869445
49楼
引用已注销用户发表于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,但是仍然存在信号在低能部分堆积的问题。

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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6年10个月前IP:江苏
869457
51楼

image.png

貌似输入饱和了。

image.png

单个峰(不是最高的)


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6年10个月前IP:江苏
869476
53楼
引用RodTech发表于52楼的内容
这个肯定不是饱和的问题,也就个别能量饱和,整个本底能谱应该很清晰,脉冲还是太窄了。

image.png

增大了展宽电容,然而能谱还是混乱的。脉冲看起来还行

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6年10个月前IP:江苏
869479
55楼
引用RodTech发表于54楼的内容
这看起来识别到了,就是高压模块噪声巨大。把最低能量阈值提高到左边那个base完全不见就有峰了。

image.png

谢谢,还是40K,眼睛快瞎了。

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6年10个月前IP:江苏
869480
56楼

image.png

232Th,有些希望了。

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6年10个月前IP:江苏
869494
58楼
引用RodTech发表于57楼的内容
K40看不到可能是声卡增益开的太高,高能的都饱和了。声卡灵敏度很高,外面放大器不需要很强,在声卡控制面板里可以自己选择几十dB增益的。

这个232Th应该搞定了,40K还要调。

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6年10个月前IP:江苏
869504
60楼

image.png

linear equalizer 调齐了~

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6年10个月前IP:江苏
869506
62楼
引用RodTech发表于59楼的内容
从这个钍谱看,增益开得太高了,这个峰只是最左边一个大的,右边还有一堆呢,试试把高压降低100v。

的确,声卡+10dB,软件又有10的 增益,高压也开到了950V。高能估计饱和了,低能的被滤掉了。

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6年10个月前IP:江苏
869518
63楼

更新,如有错误请指正。

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6年10个月前IP:江苏
869536
64楼

attachment icon Gerber_RD-11S(V2).zip 41.81KB ZIP 46次下载

image.png

修改过的Gerber,高压电源现在可以完美插入PCB。

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6年10个月前IP:江苏
869549
65楼

换了个地方,现在不是工频干扰了,貌似是开关电源之类的。电磁屏蔽还是做的不行。也许黑心老板没给我同轴线。连接PMT的线一拔就只剩声卡的底噪。问题还是出在AV线上.

image.png

(左:拔线前            右:拔线后)

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6年10个月前IP:江苏
869553
67楼
引用虎哥发表于66楼的内容
我有一个闪烁计数器,就是样子很夸张的那种,抗干扰性能极差,在城区楼顶天台完全不能用,只能室内用,农村就随便哪里都能用。

我这个恐怕是分压电阻或者线材受到了干扰。今天在办公室就完全被干扰了。

昨晚在床边,关着灯就测出了232Th的低端能谱。

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6年10个月前IP:江苏
869589
68楼

image.png

电压调到800V,还是没有40K。也许标着Pb212的是?不太可能。

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6年10个月前IP:江苏
869592
71楼
引用已注销用户发表于69楼的内容
计数率不够啊,等累积几千的计数再找也不迟

还是怀疑有问题,因为在测试中没有一个超过1300的。

引用
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6年10个月前IP:江苏
869597
74楼
引用已注销用户发表于73楼的内容
用示波器测一下展宽电路输出的脉冲有多少,如果信号脉冲很多而软件接收不到脉冲可以考虑进一步展宽(损失计数)或换一个专业的录音声卡,一些录音声卡的采样率可以调的很高。

感觉还是干扰的关系。示波器上看,信号脉冲在正弦干扰上飘。

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6年10个月前IP:江苏
869600
76楼
引用虎哥发表于75楼的内容
正弦?检查接地是否规范。

这个接地是否要接到“大地”?

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6年10个月前IP:江苏
869604
78楼
引用虎哥发表于77楼的内容
不需要。接地不良,不等电位,有大环路等,会引入50Hz工频干扰。

有可能又是**的同轴,屏蔽线问题。明天剪一根真的同轴线试试。

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6年10个月前IP:江苏
869614
79楼

image.png

军机的夜光电压表,也正常。就是40K之类的高能射线测不出来。

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6年10个月前IP:江苏
869634
83楼
引用已注销用户发表于80楼的内容
我有一个设想:可否在PMT上安装半导体制冷片来降低打拿极的热电子发射,从而提高能谱质量?

越来越高级了啊。我认为还是先把基本能谱搞定再说,靠近闪烁体标称的分辨率。

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6年10个月前IP:江苏
869637
85楼
引用已注销用户发表于84楼的内容
闪烁体和PMT受温度影响比较大,如果能恒温当然最好了。

对于你的设备应该还好,我的这个加上恒温装置体积马上就增大许多。现在跟一只LED手电筒差不多大,略重些。

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6年10个月前IP:江苏
869651
88楼
引用justinpiggy发表于87楼的内容
在奇思妙想前先搞清楚。。。到底什么是闪烁体探测器的能谱分辨率瓶颈。。。还有随随便便就提出了“热电子发射”,你是否清楚热电子发射的原理和计算,它到底贡献PMT里多少的噪声?没搞清楚这个就在那里奇思妙想,...

请教一下,没有校准源,如何判断分辨率?

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6年10个月前IP:江苏
869676
92楼
引用RodTech发表于89楼的内容
你发的这个状态,距离评判分辨率还远着。。。。等K40和钍链能够清晰看见再考虑怎么评估分辨率吧,用k40或者钍链可以对比推测出cs137分辨率

明白了谢谢。

现在我这个状态(知识水平/设备),恐怕是无法完成这套设备了。还得多多学习,多看书,找到问题后再做改进。

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6年10个月前IP:江苏
869711
93楼

问题好像找着了,应该是展宽电路出了问题。

image.png

看起来就很正经的脉冲,因为红圈里的东西过不了baseline test

image.png

这个能过baseline test

image.png


魔幻。伴随着巨大的底噪。现在展宽电容已经到了12nF了。

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6年10个月前修改于 6年10个月前IP:江苏
869717
95楼
引用已注销用户发表于94楼的内容
这个负脉冲是每个大幅度信号前都有吗?

基本上是的。只有大幅度的脉冲才有,使得软件无法识别。

引用
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6年10个月前修改于 6年10个月前IP:江苏
869731
97楼
引用已注销用户发表于96楼的内容
用示波器观察展宽后的脉冲可以看到吗,我用示波器并没有观察到这种现象。

看过了。感觉闪烁体探头坏了,大多数是负脉冲,但是有时甚至出现了正脉冲。

波形与上图差不多。不是声卡的关系。


测试过了,高压电源的波纹为200khz左右的正弦,10mV左右

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6年10个月前IP:江苏
869734
99楼
引用已注销用户发表于98楼的内容
闪烁体探头不容易坏的,检查下分压器,电缆和电路板有没有漏电。

之前的奇怪问题全都解决了,罪魁祸首竟然是光学耦合的甘油干了,脉冲幅度变得超小。但是K40等等还是有问题。

现在还是软件问题,盯着示波器好久了,脉冲宽度约200uS。放了一袋低钠盐,大多数脉冲均为10~30mV(本底的低能射线?),偶尔有大约100-150mV的脉冲(K40?),但是软件调不好。还是搞不清楚theremino MCA的mV和keV的关系,baseline test 也调不好。

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我也是有底线的