自制低成本α粒子探测器(α粒子能谱)
TubeChip4042022/03/14原创 核技术与核仪器
中文摘要
使用容易买到且价格相对便宜的PIN光电二极管制成的α粒子探测器,电路简单,复刻容易,具有一定的能谱分辨率。
关键词
能谱仪α粒子探测器

        PIN光电二极管,例如BPW34、BPX61等型号经常被爱好者拿来做辐射探测器,但灵敏度较低,能量响应范围较窄,用来探测X γ射线效果并不理想。但用来探测α粒子就十分好用了。

        想要用PIN光电二极管探测α粒子,必须先让α粒子能够接触到PIN芯片,因为α粒子的穿透能力实在是太弱了,以至于一张纸就能挡住,而PIN管的端窗一般是透明速率或玻璃的,所以只能先移除窗口材料,BPW34这类塑封的可以使用有机溶剂来溶解塑料,露出硅片。BPX61则可以使用大力来创造奇迹(用钳子掐碎玻璃,倒出玻璃碴子),但无论使用何种方法,请务必小心不要破坏到绑定丝。

IMG_20220313_233830.jpg

        处理好PIN管之后,它就可以用来探测α粒子了,但是虽然α粒子在PIN管上产生的信号足够强,甚至不足要进行遮光就能进行探测,但信号的阻抗很高,电流非常小,仍然需要放大器来进行信号调理。这里直接给出我设计的电路图,将C10换为0Ω电阻并去掉Vbias路径的元件就是本设计的电路,除此之外,该电路还可以用于其他电荷输出型的探测器的放大,电荷放大倍数G通过C12进行调节,时间常数Tau通过R7进行调节。

QQ截图20220314112820.png

        焊接好电路后,就可以接上电进行调节了。

IMG_20220313_233738.jpg

        这里使用的喜闻乐见的烟感Am-241进行测试,在非遮光环境下,将输出连接到示波器上就能看到脉冲,若没有脉冲,可以尝试进行遮光处理,以免放大器饱和,若出现脉冲但形状诡异,可能是电路发生了震荡,则可调节电位器,让电路在不震荡的前提下达到最好的信噪比,同时要确保信号不会出现削顶和削抵的情况。

IMG_20220313_233503.jpg

        烟感Am-241的效果拔群,可以捕获到近3kcps的计数率,通过示波器的DPO功能,能够看出脉冲集中在一个特定的高度,说明该信号具有一定的能量分辨率,接收我做的多道分析仪试试看。

QQ图片20220314112945.png

        果然能看到一个峰。但Am-241在5.443MeV和5.486MeV处应该分别有峰,而在这个图谱上表现为峰的左侧有一定的拖尾线性,可能是由于探测器的分辨率不够所导致的,也可能是多道没有做基线恢复导致的(因为脉冲信号有过冲和堆叠),而且在专业的α粒子能谱测量过程中,除使用金硅面垒型探测器以外,还要将探测室抽成真空,这样才能降低α粒子在空气中因与空气分子碰撞而产生散射的能量降低,但这作为一个低成本的探测器,旨在定性为主,定量为辅。说到定性,常见的X γ β射线在该探测器上产生的脉冲十分微弱,可以通过设置阈值下限加以消除。

        这个探测器的电子学部分,由于放大倍数极大,TIA达到2V/pC,所以极易受到环境电磁波的影响,所以在使用时还是尽可能使用电池供电,并将所有的电子学部分放在金属制成的屏蔽盒中。除此之外,如果使用Vbias作为PIN的偏置电压源,需要在敏感路径上避免使用陶瓷介质的电容,避免放大器因压电效应而在收到震动时输出非期望的信号。

IMG_20220313_233659.jpg IMG_20220313_233605.jpg

        能够辐射α粒子的材料在“生活”中还是非常常见的,诸如本底钍衰变链、铀玻璃等,当然也有夺命智商税——负离子粉、独居石粉之类,甚至可以使用静电负极氡气进行测试,但总的来看,烟感Am-241是造成沾染可能性最小的,且易获得的α粒子辐射体,所以本文到目前也只使用了Am-241进行测试。有条件有想法的朋友们可以自行测量、交流、汇总结果,优化改进电路设计。


来自:物理高能技术 / 核技术与核仪器动手实践:实验报导
16
 
5
虎哥
3个月19天前 修改于 3个月19天前
1楼

居然效果这么明显。

max4477带宽有点窄,一般第一级建议使用大带宽的,J-FET输入的型号,例如OPA657、OPA818

Am241探头源有不锈钢封壳,还剩这么多α也是奇怪。不锈钢都能打穿的话,光电管前面的薄玻璃也应该不在话下。

(切勿试图破坏源壳)

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3
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gll
3个月19天前
2楼

那个拖尾应该是低能α粒子导致的

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TubeChip404作者
3个月19天前
3楼
引用虎哥发表于1楼的内容
居然效果这么明显。max4477带宽有点窄,一般第一级建议使用大带宽的,J-FET输入的型号,例如O...

第一级用MAX4477是因为在美信官网上有个用4477做X-ray探测器的例子,当时买了一些,就沿用了。链接:GAMMA-PHOTON RADIATION DETECTOR

烟感的源是在一个小片片上镀的,探测烟雾主要就靠α粒子了,因为它实在是太容易被阻挡了。

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TubeChip404作者
3个月19天前
4楼
引用gll发表于2楼的内容
那个拖尾应该是低能α粒子导致的

也有可能,毕竟没有抽真空。

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虎哥
3个月19天前
5楼
引用TubeChip404发表于3楼的内容
第一级用MAX4477是因为在美信官网上有个用4477做X-ray探测器的例子,当时买了一些,就沿用...

我孤陋寡闻了,怪不得豁免条件是不允许拆开探头。

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2
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gll
3个月18天前 修改于 3个月18天前
6楼
引用TubeChip404发表于4楼的内容
也有可能,毕竟没有抽真空。

而且没抽真空的情况下改变距离应该会改变峰的位置

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gll
3个月18天前
7楼
引用虎哥发表于1楼的内容
居然效果这么明显。max4477带宽有点窄,一般第一级建议使用大带宽的,J-FET输入的型号,例如O...

它是靠测量α粒子引起的气体电离所产生的电流来工作的,实际α粒子连穿透空气的距离都是厘米级的

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巨大橘子
3个月18天前
8楼

非常感谢大佬的设计,回头就照着做来玩(不是

实际大概是这样,烟感的源到现在也基本上是AmO2混合银粉轧制为主要工艺的,结果相当近似于将坚硬的氧化物颗粒镶嵌于柔软的银基质上,再镀上一层保护金属,这种工艺决定了它很难作为定标用源。

K]1LFC}CR4OIO{4`4L6]K2L.png

图片是附件参考文献里关于这一部分的截图,文章有点老了,随便看看就好,不过感觉上还是没什么大改变。

最后是没确认的胡乱写写:定标似乎用的是那些很薄层的电镀源(纯/混合),这样可以减少α粒子在源内部的能量损耗;但在另一些陶瓷α源(大概是玻璃粉釉基质,表面热解一层TiO2)的案例中,还是有人用α谱仪分辨出了可供识别的峰,他们使用纸巾拭去了源表面的沾染,相当于也是一种薄层和直接暴露的源,这样似乎也行。不过还是以安全为第一。


不好意思,手机QQ实在找不到文件去哪了,是一篇在知网的:

241Am感烟探测源α能谱鉴定[J].成金泰,从慧玲,姚纯炳,苏胜宇. 同位素. 1988(02)


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巨大橘子
3个月18天前
9楼
引用虎哥发表于1楼的内容
居然效果这么明显。max4477带宽有点窄,一般第一级建议使用大带宽的,J-FET输入的型号,例如O...

源的大致情况如上,那层不锈钢是个很不错的对内对外双重保护壳,对外防物理刮擦,对内哪怕源表面破坏,这个下凹的碗结构也能延缓减轻泄露的程度(最常见的就是一些陈年烟感表面已经发黑甚至掉粉)

α源肯定要有发射窗嘛,5MeV在固体里最多走几十μm,在不锈钢里大概只有几μm。

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虎哥
3个月18天前
10楼
引用巨大橘子发表于9楼的内容
源的大致情况如上,那层不锈钢是个很不错的对内对外双重保护壳,对外防物理刮擦,对内哪怕源表面破坏,这个...

负离子粉发挥作用的时候又到了

1647278751030.png

不妨想点办法测这个 sticker

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巨大橘子
3个月18天前
11楼
引用虎哥发表于10楼的内容
负离子粉发挥作用的时候又到了不妨想点办法测这个

哈哈,这下真的变成测氡仪啦


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TubeChip404作者
3个月18天前
12楼
引用虎哥发表于10楼的内容
负离子粉发挥作用的时候又到了不妨想点办法测这个

已经在筹备钍、镭、钚的测试工作了,不过钍的测试可能会用含钍汽灯罩来做,负离子粉太细了,万一沾染就不好了。

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TubeChip404作者
3个月18天前
13楼
引用巨大橘子发表于11楼的内容
哈哈,这下真的变成测氡仪啦

关于测氡,这个文章里给出了一个办法,使用电场进行富集:Some Alpha and Beta Spectra : )


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qwe
1个月21天前 修改于 1个月21天前
15楼

这个东西是否可以依靠不同质量原子核反射的α离子能量不同而做成光谱仪?不知pin的分辨率和市售Am源的剂量是否足够

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巨大橘子
1个月21天前
16楼
引用qwe发表于15楼的内容
这个东西是否可以依靠不同质量原子核反射的α离子能量不同而做成光谱仪?不知pin的分辨率和市售Am源的...


可能对分辨率和影响分辨率和能量的其他诸多因素要求有点高,而且就按动量守恒的思路看下去的话似乎原子序数稍高一点就基本没办法分辨了。

不过用α源激发的先例是有的,用高能氦核激发元素产生特征的次级X射线,对于低原子序数元素大多是K线为主,对于高原子序数元素是能量较低的LX和MX。

这类α源的活度在37MBq量级左右。

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