又一个NaI(Tl)伽马能谱仪的制作
qiuzheru12023/09/05核技术与核仪器 IP:瑞士

网络上和论坛中有不少关于DIY NaI(Tl) 能谱的帖子,我也跟着DIY了一套。

考虑到个人需求主要是测量环境中较弱的,接近本底的放射线强度(以Gamma为主),设计目标首先要求的是传感器的大体积与高效率。预算范围内可选的方案主要有塑料闪烁体或者碘化钠与大口径PMT耦合,碘化钠晶体另外能够提供能量分辨,提供的信息多不少,同时密度也是常见塑料闪烁体的3倍。在ebay上比价之后,选用乌克兰产旧63mmx63mm NaI(Tl)晶体。
这么大的晶体在KC761指示本底水平约在0.065uSv/h的室内得到了约130 counts/s的计数率,令人满意。PMT选择一个比较专业的ebay卖家(iRad)的Photonics XP5312管子,3 inch (72mm)光阴极。其标称对于Co-57 PHR为8%,从420nm 100mA/W的阴极敏感性来看,量子效率也不错,性能至少不劣于大多数滨松的管子。因找不到恰好尺寸的PMT浪费了一点敏感面积(和暗电流->SNR),但中心部分敏感性均匀性可能更好。晶体与PMT间的耦合使用其他实验剩余的Thorlabs resell的Index Matching Gel (SMARTGEL OC-431A),用PTFE生料带缠绕并用电工胶带固定。算上各项支出(不算人工成本),总开销在$350左右。

IMG20230807123435.jpg IMG20230807124032.jpg IMG20230807133126.jpg

attachment icon Photonis XP5312-SN1 (G21) Datasheet(iRad)-1.pdf 396.99KB PDF 26次下载 预览

attachment icon XP5312.pdf 1.71MB PDF 14次下载 预览

PMT卖家提供了管脚pinout(SN1和标准型号不同),赠送一套电阻做分压器,省去我去farnell下单的运费。分压器接法很简单,前最前两个Dynode接两倍电阻2R,其余接一倍1R, R=220kOhm。因手头有较大电流的高压电源,选用比较小的分压电阻,可能对高计数率时性能有利。最后三个Dynode间并联0.1uF电容,采用阴极接负高压的接法,阳极对地连接240kOhm负载电阻。接头使用BNC与MHV。装好分压器后,用铝箔包裹一层,电工胶带包裹一层,再用铝箔包裹第二层,再用电工胶带包第二层,像个粽子一样。按照各PMT厂商推荐,管壁应当保持与阴极相同的电势,内层铝箔连接负高压端,而不能接地(所以一定需要做好绝缘),外层铝箔接地,做静电屏蔽并保障安全。

安装分压器的时候踩了几个坑。首先是最初给阳极输出端也接了一个0.1uF电容做交流耦合,实际上毫无必要。而且因为杂散电容造成的某些神秘效应,输出的脉冲变成了时间常数在百us的双极性脉冲(时间常数远小于预期中0.1uF*240kOhm),而非预料中的指数脉冲,拆除此电容后问题消失。另外是和光纤打交道多了,小看了这种大面积PMT对杂散光的敏感性,装好之后虽然用铝箔和白色电工胶带进行了包裹,但是仍然不够,从管脚附近漏进的微小环境光已经足以影响工作。安装的0.1uF输出电容使得没法直接测量光电流,让这个问题的调试变得更困难,观察到的症状成了脉冲之外有一个神秘的噪声 (漏光的强度噪声和shot noise)。解决办法就是用黑色电工胶带包裹,辅以黑色颜料涂抹,直至电流与噪声与外界光强无关。

还有一个潜在的坑是,在安装完成并且去掉耦合电容之后,发现加上高压后的“暗电流”巨大。直接用万用表测输出电压,或者用皮安表测量,仅需900V就能在脉冲之外有超过50nA的电流,远远超过PMT的指标。怀疑原因是安装分压器时为了省事,用热熔胶对焊在管脚上的分压器进行了灌封,而其绝缘性能不够好,加上高压时有额外的漏电流。为了验证这一点,我做了一个简单的测试,测量了不同高压电压下的偏流。偏流与高压电压间有一个近乎线性的关系,而如果这个“暗电流”是PMT不良导致的真实暗电流,则应该正比于PMT增益,与高压电压间有指数关系。同时用数据采集卡测了不同高压电压下的背景噪声,能够看到噪声与电压间有指数关系,而与这个“暗电流”并非1/2次幂关系。其可能正比于真实暗电流的shot noise,而不是这个“暗电流”对应的shot noise。这可以进一步说明这个漏电流其实并没有对信噪比造成明显的不利影响。

2.png 1.png (噪声为1kHz频点测得)

接下来是高压电源,这部分因为以前从垃圾场捡来了一些适合PMT用的商品超低噪声高压源:Bertan 2398A(性能和pinout 类似Bertan PMT系列)与Oltronix A2K5-20HR,我就偷懒不DIY了。指标上这两款电源都有个位数mV级的噪声,比SRS的优一个量级。Oltronix实测轻载时不超过0.5mV RMS。

对于MCA,首先尝试用声卡采集,利用其他项目剩余的ADA4625-1运放(低噪声JFET)搭建一级电荷放大,接一级带极零相消的CR微分器拉快时间常数,缓冲后接一级RC整形。(运放选型仅从废物利用环保角度考虑,不作为参考)

naiamp.png

后接带Line Input的声卡采集(Focusrite),脉冲除了有点太慢之外,看上去还不错

PULSE_SHAPE_2023_08_27_12_12_38.png

等效噪声在3 keVpp左右,还算满意

PULSE_SHAPE_2023_08_27_01_33_40.png

事实上与不加PMT高压时采集比较,可知此时噪声被PMT暗电流噪声主导,电子学噪声小到可以忽略。

nainoise.png

用含天然Lu的LYSO晶体与一块铀玻璃作为校准源。

hist2.png

另做一次测量粗略估计Lu176 306keV峰分辨率在8.3%上下(源很弱,计数率其实不到背景水平,还没有仔细扣背景测量),基本满意。

另外手头有两块NI USB采集卡(M与X系列multifunction DAQ),使用单通道时ADC有1Msps或2Msps,16bits的性能。我也尝试用其作为MCA试了试。不加前放,脉冲直接送给采集卡。此时的脉冲时间常数应该受电缆与采集卡内放大器输入电容限制,另外并联一个220kOhm负载电阻加快一点(至15us左右)。LabVIEW拖了些框框,用内置函数实现了寻峰,简单逻辑实现了类似TherminoMCA那样的基线检测,实现了一个MCA(代码以后有空整理再发,现在随手拖的摊成了大饼,太献丑了)。

labviewmca.png

分辨率上也与声卡差不多,高计数率性能上可能更优

hist3.png

[修改于 7个月13天前 - 2023/09/05 05:16:27]

+1  学术分    虎哥    2023/09/05 一个中规中矩的正向DIY范例。
来自:物理高能技术 / 核技术与核仪器动手实践:实验报导
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~~空空如也
RodTech
7个月13天前 IP:英国
925080

Lyso能测成这样 挺不错

楼主的gel给得太吝啬 而且涂法容易出气泡。。

我去cern的时候学习到了一种土得不行的方法,他们喜欢把裸露的CsI用uv胶 noa61之类 直接怼pmt上,性能没有人吐槽 应该那点固化的365剂量对pmt没什么伤害

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qiuzheru1作者
7个月13天前 IP:瑞士
925084
引用RodTech发表于1楼的内容
Lyso能测成这样 挺不错楼主的gel给得太吝啬 而且涂法容易出气泡。。我去cern的时候学习到了一...

Gel确实可能太少了,装的时候扭了扭。从PMT缝隙里看,貌似没有气泡,但是的确很难保证。装好之后自己也开始担心这个问题,但是包得太结实,已经不忍心拆开了。。

我也考虑过用Norland UV胶,或者其他Epotek的UV固化环氧(组里天天用,一堆快过期或者过期的)。但是如此大面积,不知道中心部分是否容易固化。而且小时候一直听说碘化x要避光保存,先入为主的害怕UV会损伤晶体。

(OT: 组里一般用Thorlabs的那个365 UV LED灯固化, 其实实测淘宝上的UV手电筒效果也很好,AliExpress买到的功率居然没有虚标,多快好省)

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RodTech
7个月13天前 IP:英国
925086
引用qiuzheru1发表于2楼的内容
Gel确实可能太少了,装的时候扭了扭。从PMT缝隙里看,貌似没有气泡,但是的确很难保证。装好之后自己...

noa61过期三年常态😂

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qiuzheru1作者
7个月12天前 IP:瑞士
925104

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找来一篇关于NaI(Tl)晶体能量分辨率的文章,讨论了固有分辨率和统计分辨率的贡献。从个别能认出来的能量点来看,DIY的探测器的分辨率与其中报道的数值差不多。

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qiuzheru1作者
7个月2天前 IP:瑞士
925334

将此探头放在一个用铅皮搭成的小棚子里,能看到被背景辐射或者铀玻璃激发出的Pb Ka和Kb线X射线荧光峰(74.97, 72.80, 84.94keV)。探测系统对于这么低的能量的分辨率已经比较差(10%到13%),仅能勉强看出双峰结构。

PbXRF.png broad.png

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qiuzheru1作者
5个月2天前 修改于 5个月1天前 IP:瑞士
926990

100 g La2O3 积分81800 s得到的谱。天然La中放射性同位素La138的比活度很低,100 g样品只有70 Bq左右。得益于大探测器比较大的灵敏度,就算没有良好的屏蔽,也能测出一个小小的峰。

Untitled.png

更新:额,似乎ebay卖家过于良心,买了100 g,给我发了差不多160 g。。。所以应该是110 Bq左右。


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qiuzheru1作者
23时30分前 修改于 23时10分前 IP:瑞士
931244

估计LabVIEW代码整理要无限期鸽下去了,今天趁着测试捡来的前放模块的机会,发出来供参考吧。(License: Public Domain)

attachment icon lvdaqmca-fasthist-integ-pa-fast.vi 1.46MB VI 0次下载

后来还另外针对采集卡焊了一组电荷放大器和脉冲整形放大器,效果如图(横轴单位(5e-7 s))。用的元件参数忘记了,只记得脉冲整形级的运放是AD797。

Untitled.png

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