Analyseur multicanal MCA avec détecteur de spectroscopie gamma NaI(Tl) : 5 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Salut, Bienvenue à tous ceux qui s'intéressent à la spectroscopie gamma de loisir. Dans ce court article, je veux juste partager mon processus de journal de travail pour créer un détecteur de spectroscopie gamma fait maison avec MCA. Ce n'est pas un guide, je ne partage que des photos du processus.

Lorsque j'ai commencé le projet, j'ai décidé de fabriquer un appareil portable fonctionnant sur batterie avec une bonne linéarité et une résolution FWHM% inférieure à 8%. Le circuit développe une haute tension pour un tube photomultiplicateur, il possède une électronique analogique pour traiter la forme des impulsions et une électronique numérique pour compter les impulsions et analyser les spectres.

Étape 1: fabrication du détecteur NaI(Tl)

Le détecteur est construit avec un tube photomultiplicateur Hamamtsu R9420 et un cristal à scintillation NaI(Tl) de 30x40mm. Le cristal est couplé optiquement à la fenêtre de la photocathode du tube. Le tube est recouvert de plusieurs couches de ruban électrique pour empêcher les photons de lumière externe d'entrer dans la photo-cathode. Lorsqu'un rayon gamma frappe le cristal, il produit un micro flash lumineux destiné à être détecté par le tube PMT. L'intensité du flash lumineux est constituée d'informations sur l'énergie du rayon gamma.

Pour conduire le tube PMT, nous avons besoin de haute tension. J'ai créé un convertisseur élévateur 5V à 1000V miniature et stabilisé. Lorsque vous traitez de la spectroscopie gamma, vous avez besoin d'une haute tension strictement régulée avec une bonne compensation de température et une stabilité à long terme. Les composants électroniques modernes permettent de créer ce design.

Le pilote comprend également un diviseur de tension pour les dynodes et un amplificateur sensible à la charge à traitement d'impulsions installé directement sur le fil d'anode. Cette conception compacte a un signal à faible bruit et permet d'éviter les boucles de masse.

Le boîtier fabriqué avec un tube en aluminium sur une machine de tour domestique. Je ne suis pas une CNC professionnelle, tout se fait à la main.

Sous le couvercle (non visible sur les photos) j'ai installé une petite carte supplémentaire avec batterie LiPO, chargeur et indicateur LED. Le détecteur s'allume automatiquement lorsque le câble est connecté. La charge de la batterie peut être effectuée avec le même câble et n'importe quel adaptateur 5V.

Vous pouvez voir l'écran de portée de forme d'impulsion typique du détecteur. Tel quel, il peut être utilisé avec n'importe quel logiciel MCA sur ordinateur, par exemple PRA, Theremino ou BecqMonitor2011. Ces logiciels utilisent un chariot audio pour analyser le signal.

Après 2 ou 3 soirées que j'ai passées à régler les détecteurs pour trouver les réglages optimaux de la haute tension et de l'amplificateur, cela se termine avec une assez bonne linéarité et ~ 7,30% FWHM% sur 662 keV

Pour le test du détecteur, j'ai utilisé le logiciel gratuit BecqMonitor2011 avec un adaptateur audio 24 bits.

Étape 2: Création d'un MCA portable

Parce que j'avais prévu d'utiliser mon détecteur comme un appareil portable, j'ai créé un analyseur multicanal qui peut capturer le signal et enregistrer les spectres sur le chariot uSD au format CSV.

J'ai utilisé le boîtier MHH-95A et créé la conception PCB de mon MCA qui correspond à ce boîtier. Le MCA dispose d'un microprocesseur PIC18 8 bits avec des canaux ADC 1024 10 bits.

L'affichage 128x64 n'affiche que des informations partielles sur les spectres. Les données complètes de 1024 bacs sont enregistrées dans le panier SD et peuvent être ouvertes ultérieurement par BecqMonitor2011.

L'électronique MCA alimentée par 2 piles AA. Il a 2 boutons pour contrôler le logiciel et un bouton pour On/Off.

Étape 3: Résultats

L'ensemble de la configuration peut détecter l'énergie gamma dans une plage de 20 keV-3000 keV, a une bonne linéarité et ~ 7,30% FWHM% à 662 keV.

Le premier spectre est de 1 heure d'échelle log. Cs-137. Vous pouvez également voir Ka-40 à 1460keV

Le deuxième spectre est une montre au radium antique Ra-226 échelle linéaire 30 minutes

Le troisième spectre est le journal Ra-226 de la montre au radium antique. échelle 30 minutes

Le quatrième spectre est le journal Th-232 du manteau de lanterne thorié. échelle 30 minutes

J'espère que cet article pourra vous inspirer pour votre prochaine construction !

Étape 4: Conclusions et coût

Le projet n'est PAS bon marché. Je n'ai pas de récapitulatif exact des coûts pour chaque pièce que j'ai utilisée dans ce projet, mais les plus chères sont:

1. Cristal de NaI(Tl). J'ai acheté cet échantillon neuf pour environ 200 $. C'est cher surtout parce qu'il a une résolution garantie et qu'il est fabriqué de nos jours. Les anciens cristaux de stock sont problématiques dans mon expérience.

2. Tube photomultiplicateur R9420. 60 $ Le tube PMT que j'ai utilisé n'est pas neuf, mais en bon état auprès d'un fournisseur de confiance.

3. Fabrication de boîtiers. Même si je le fais moi-même, cela a coûté et a besoin de beaucoup de temps. Les matériaux en petite quantité que j'achète sont chers, par exemple tube, tige d'aluminium et plastique peuvent vous coûter environ 100$ frais de port compris, il faut aussi rajouter les frais d'usinage sur les outils, inserts etc.

4. Prototypage électronique et fabrication de circuits imprimés. Le coût est élevé - $$$$, je ne peux même pas compter le nombre total d'heures, de jours et de mois que j'ai passés sur ce sujet. En plus j'essaye d'éviter les composants électroniques ebay-ali à bas prix. Le logiciel du microprocesseur MCA écrit par moi aussi. Cela m'a pris trop de ressources et de temps, en tant que créateur indépendant et étudiant, j'ai choisi de ne pas partager mes fichiers sources car cela ne couvrira jamais mes frais, désolé. Mais si vous êtes créatif et ouvert à la coopération, vous pouvez m'écrire une proposition de coopération commerciale.

5. Toutes les autres pièces comme les câbles, les prises, les batteries, les matériaux, les colles, les rubans, etc. coûtent environ 100 $, oui, les petites choses font la différence ici…

Les conclusions: À mon avis, le projet a de grandes performances. Je peux analyser des aliments, des champignons, des baies, trouver des fils de radon dans l'eau de pluie, tester des matériaux en béton ou des minéraux pour les isotopes radioactifs dans la plage d'énergie gamma 20 keV-3000 keV. Même avec un coût élevé en tant que projet de bricolage, il reste très bon marché si vous le comparez à des spectromètres gamma de qualité laboratoire professionnels. Les isotopes gamma les plus courants et les plus dangereux peuvent être facilement détectés par l'appareil.