Productos radiactivos. Espectrómetro de rayos gamma. Parte 1
Los hámsters les dan la bienvenida amigos.El post de hoy estará dedicado a la espectrometría de centelleo gamma y al estudio del mundo invisible en el lenguaje de gamma quanta. Muchas cosas que nos rodean en la vida cotidiana pueden contener isótopos radiactivos; pueden ser de origen natural o artificial. Cuando se descomponen, emiten radiación alfa, beta o gamma. Estamos interesados en el último compañero de la lista de sospechosos. Hoy lo atraparemos, transformaremos y calcularemos el isótopo insidioso en función de los rastros de energía. En el curso consideraremos cómo ensamblar un espectrómetro de rayos gamma y cómo configurarlo. Aprendemos cómo elegir el cristal de yoduro de sodio correcto y muchas otras sutilezas en esta nave espectrométrica.
Imagine la situación: está caminando por el mercado de alimentos, y aquí el dosímetro se activa en su bolsillo y le notifica cuando se excede la radiación de fondo. Pregunta: ¿cómo saber qué isótopo radiactivo infectó los tomates de Baba Rai? Es simple, para esto es necesario colocar el objeto en una casa de plomo especial y examinarlo con un espectrómetro de rayos gamma. Después de unas horas desde los picos de energía característicos, descubrimos que los tomates están infectados con el isótopo radiactivo del cesio 137 y su producto de descomposición hija del bario 137 . ¡Baba Rai probablemente tenga un reactor nuclear en casa! La guía de inicio rápido es bastante completa, así que veamos cómo comienza todo y cómo funciona.
Antecedentes. En el distante año 2017, en el sitio web de RadioKOT me encontré con un interesante artículo sobre espectrometría gamma. Su autor es Maxim. Como resulta más tarde, este es el creador de los dispositivos de la serie Atom. El artículo es bastante simple, dice en detalle lo que se necesita para construir este dispositivo, se dibujan los diagramas. Hay explicaciones de algunos de los matices de la sintonización y el trabajo con un espectrómetro de rayos gamma casero. Como lo pensé con dos dedos, y después de una semana en mi escritorio yacía todos los componentes necesarios para trabajar en el proyecto.El elemento más exótico de toda la estructura es el cristal de yoduro de sodio. La búsqueda de este artefacto condujo principalmente a Eugene Nagurny, un vendedor que vende tales artilugios en casi todos los foros. Lo llamamos por teléfono, le dije que iba a hacer un espectrómetro de rayos gamma. Por su parte, aconsejó encontrar un fotomultiplicador FEU-85A, vaselina técnica como lubricante óptico para este proyecto, y recomendó comprarle un cristal de centelleo de sodio de 30 * 70 mm. Es más que en el artículo, lo que significa que el dispositivo debería ser más sensible. Un hombre tan guapo vino a mí. Lo único que causó dudas fue un extraño tinte amarillento. Le escribí al vendedor sobre el color, a lo que respondió que si el cristal es limpio, transparente y visible en la parte inferior, entonces es de excelente calidad. "¡Es bueno!"
Todos los componentes están disponibles, el trabajo es turbio, las ruedas giran. Dado que solo el esquema se da en el artículo original, debe criar el tablero usted mismo. Un par de noches, y los primeros bocetos comenzaron a aparecer en papel. Aquí y asientos para sus elementos de radio, y las dimensiones son tales que todo el dispositivo cabe en un tubo de cartón para facilitar su uso. Usando el método de fotorresistencia, transferimos las pistas a la lámina de fibra de vidrio. Corrosamos la placa y soldamos microcircuitos, resistencias, condensadores y otros componentes en ella, cuya colocación se proporciona de antemano. Se ha agregado un amplificador de audio para detectar clics de rayos gamma que ingresan al cristal del centelleador. También se agrega un convertidor CC-CC, que le permite alimentar todo el dispositivo desde un banco de energía convencional de 5 voltios.Archivo con archivos gerber y otras utilidades
El circuito está ensamblado y configurado. En la pantalla del osciloscopio, los pulsos de diferentes amplitudes son claramente visibles, lo que a su vez indica el rendimiento del espectrómetro de rayos gamma. Todo estaría bien, pero cuando conecta el dispositivo a una computadora, el programa que analiza la señal recibida en la entrada de la tarjeta de sonido muestra algunos bultos extraños que no tienen nada que ver con los espectros de las fuentes de control previamente conocidas. Los siguientes meses de intentar descubrir la causa del problema no condujeron a nada bueno. En esta etapa, obtuve un gran perno grueso y pasé a trabajar en otros proyectos ...
Después de un tiempo, un extraño me preguntó:"¿Cómo estás?"- Yo digo: de ninguna manera;"Él es así: sí, luego guarde los archivos gerber de la placa convertidora correcta".Este extraño resultó ser Dima Novikov , un radioaficionado y un espectrómetro con experiencia. Él despertó un segundo viento en esta dirección, y el trabajo comenzó a hervir nuevamente. Otra tarea consistía en recurrir a los chinos y pedirles placas de circuito impreso .Después de aproximadamente una semana y media, llegó un paquete evacuado ordenado en el que había 10 tablas. ¿Por qué preguntas tanto? ¡El bolsillo común no presiona! Ahora puedes instalar elementos de radio. Al principio, soplamos partes masivas con un secador de pelo, y luego pequeñas con un soldador. Todo el procedimiento de instalación no lleva más de 30 minutos, después de lo cual aparece un convertidor de alto voltaje negativo ajustable, con el que alimentaremos el fotomultiplicador. Pero, siento que de alguna manera nos dispersamos, y estoy seguro de que muchos ahora no entienden qué es qué. Trataré de explicar con los dedos.
El espectrómetro de rayos gamma consta de cinco partes, todas ellas ahora se presentan en sus pantallas.A la izquierda hay una toma de baquelita con un divisor de voltaje para el tubo fotomultiplicador. El siguiente es el suministro de energía de alto voltaje que acabamos de armar. En el centro vemos un cristal centelleador, es una sustancia en la que la radiación gamma invisible se convierte en luz visible. Entra en el multiplicador fotoelectrónico y se amplifica, dando la información de salida que procesaremos más. La pieza de hierro más a la derecha es permalloy, es necesaria para proteger el PMT de las influencias electromagnéticas externas.
En el marco de este proyecto, se utilizaron exclusivamente cristales de yoduro de sodio activados por talio NaJ (TI).Esta muestra en una hermosa envoltura soviética cuesta alrededor de 70 dólares. El placer no es barato. Estos centelleadores son los más comunes, tienen una alta eficiencia de absorción de rayos gamma y rayos X, alta salida de luz, buena resolución de energía y un tiempo de flash bastante corto. Este cristal literalmente brilla en rayos X con una hermosa luz azul cuya longitud de onda se encuentra en la región de 415 nm.En general, para una demostración más cruda de este fenómeno, puede tomar sal de cocina común y encenderla con una radiografía. Como resultado, también centelleará en el rango visible de luz, pero no puede usarse para espectrometría gamma, ya que tiene una estructura de banda y se emitirán muy pocos fotones durante un proceso de desintegración. El yoduro de sodio puro también es imposible de usar para estos fines, porque el cristal se activa con talio. Cambia la estructura del compuesto, creando niveles de energía adicionales, por lo que el material terminado se caracteriza por una alta eficiencia de luminiscencia.Idealmente, el número de fotones emitidos por el centelleador debe ser proporcional a la energía absorbida, esto permitirá obtener espectros de energía de radiación. En términos generales, cuanto mayor es la energía de un rayo gamma que ha entrado en el cristal, mayor es el destello de luz, más fotones entrarán en el multiplicador de electrones fotográficos. Todo es simple
Ahora veamos a qué debe prestar atención al elegir un cristal de yoduro de sodio activado con talio.¡Lo primero y más importante es el color! El cristal debe ser perfectamente transparente, no debe tener color amarillento, turbidez ni grietas. Las principales diferencias son claramente visibles en este marco. También debe examinar cuidadosamente la ventana óptica de donde vendrá la luz, no debe haber manchas o signos de desprendimiento de cristal del vidrio, tales defectos solo se pueden ver con buena luz. Dado que el yoduro de sodio es muy higroscópico, se debe prestar atención a la estanqueidad del recipiente de aluminio, que evita el contacto con la humedad del medio ambiente.La mayoría de las muestras que se pueden encontrar a la venta, lanzadas en la lejana Unión Soviética. Este tamaño de muestra de 30 * 70 mm nació en octubre de 1985. Al comprar, puede concentrarse en el pasaporte, que indica la salida de luz. Este documento es muy importante, le prestaremos especial atención. A continuación, en blanco y negro, está escrito que los detectores permanecen operativos durante 12 meses a partir de la fecha de envío por parte del fabricante. En general, este pasaporte ha expirado por al menos 30 años, así que lo dejaré ir para su propósito previsto) ¡Nadie canceló la evaluación visual! Observamos cuidadosamente el color y sospechamos de la amarillez. Según una teoría, este color indica una violación de la tecnología de producción, como resultado de lo cual el polvo reflectante mal secado, que se encuentra entre el recipiente de aluminio y el cristal, reaccionó de alguna manera con yoduro de sodio.
¿A qué conduce esto en última instancia?La amarillez impide el buen paso de la luz, lo que conduce a un deterioro significativo en la resolución final, y no se debe esperar más del 14% de dicha muestra. Por ejemplo, el espectro de un cristal transparente al 8% se muestra en verde, todos los picos de energía individuales son claramente visibles aquí, mientras que el cristal amarillo (espectro negro) fusionó toda la imagen en un desastre continuo. El cristal amarillo es como una catarata; parece ver el mundo, pero no puede ver los detalles. Dichas muestras son adecuadas solo para dispositivos de cálculo, donde solo es importante la presencia de pulsos. En estos casos, tales yemas sin duda funcionarán.
Característica de centelleadores.Si lo ilumina con luz ultravioleta (se ve transparente en la parte inferior, pero el cristal tiene una sombra amarilla), inmediatamente se volverá turbio y en apariencia se verá como la leche. Pero la regla principal de un buen centelleador es absorber completamente la radiación ionizante y omitir por completo el destello de su propia luz de centelleo. Por ejemplo, se muestra un buen cristal, que es transparente tanto a la luz del día como a la luz ultravioleta, mientras que no hay opacidades.Otro parámetro interesante es el resplandor crepuscular. Los buenos cristales tienen un brillo posterior bastante largo después de la exposición a la radiación ultravioleta, esto es claramente visible en este marco. Curiosamente, el cristal amarillo no tiene este parámetro en absoluto. En aras del interés, incluso intenté tomar una foto con una exposición de 30 segundos de ambas muestras inmediatamente después de la exposición. Todo está muy bien demostrado aquí.
Un centelleador agrietado se comporta de manera similar. Sigue siendo completamente transparente, y a través de él se examinan todas las grietas. Afterglow no es tan pronunciado aquí, pero en la foto con una velocidad de obturación larga también es claramente visible. Muchos dicen que el cristal después de la exposición externa a la luz debe mantenerse durante varios días en la oscuridad, para que se calme. Desde la práctica, solo media hora después de la brutal intimidación con el uso de una lámpara ultravioleta, los espectros antes y después de la irradiación eran prácticamente los mismos. Esto se ve claramente si un espectro se superpone a otro. Aquí, incluso el número de pulsos de fondo en la casa principal permaneció sin cambios.En cuanto al tamaño, cuanto más grande es el cristal, mayor es su área, más rayos gamma del espacio circundante caerán en él. Un tamaño de centelleador de 30 * 40 mm implica el tamaño del cristal en sí mismo, y un recipiente sellado con polvo reflectante tiene varias dimensiones grandes que se extienden 6 mm más que el tamaño especificado en altura y ancho. Si retira el contenido del recipiente sellado, el yoduro de sodio tendrá un sabor salado y dejará manchas de yodo en el fregadero. Después de lo cual se pondrá blanco, hablará y quedará inutilizable.Y así, la radiación gamma ingresa al centelleador e interactúa con él, causando destellos de luz en el cuerpo del cristal. Nuestra tarea adicional es atraparlos y convertirlos en una señal eléctrica. Para esto, se utilizan multiplicadores fotoelectrónicos.Los fotones de luz incidentes en el fotomultiplicador fotomultiplicador eliminan los fotoelectrones, que a su vez se enfocan en el primer dynode, y eliminan los electrones secundarios de él, que se enfocan y dirigen al siguiente dynode cada vez que se multiplican. Para enfocar y acelerar electrones, se aplica un alto voltaje al ánodo y a los dinodos. Como resultado de estas manipulaciones, los pulsos de corriente se registran en el ánodo PMT, que depende directamente de la energía absorbida de la radiación gamma.
El número de electrones que llegan al ánodo depende directamente del número de dinodos ubicados dentro del fotomultiplicador. Además, su sensibilidad espectral debe ser consistente con la longitud de radiación del centelleador en sí.Por ejemplo, el PMT-85ALa región de máxima sensibilidad espectral se encuentra en el rango de 380-420 nm, que es consistente con el cristal de yoduro de sodio con su longitud de onda de 415 nm. También es importante tener en cuenta la resolución de amplitud, indica 10%. El número de etapas de amplificación, es decir, dinodos 11. En el marco de este trabajo, se compararon dos 85 PMT, con la letra A y sin ella. ¿Cuál es la diferencia? Algunos dicen que el PMT con la letra A tiene menos corriente de ánodo oscuro, lo que da menos ruido. Otros afirman que esto es un rechazo de la fábrica.En la práctica, al comparar ambas muestras, no hubo diferencia, tanto en ruido como en resolución. Lo único es que el FEU-85A funciona a un voltaje más bajo de 540 voltios en lugar de 600. Como resultado, me decidí por la letra A, cuanto más bajo es el voltaje, menos ruido en el espectro.
Este es un PMT-31, su sensibilidad espectral nos conviene, pero solo hay 8 dinodos y la resolución de amplitud es del 11%. La muestra es claramente peor en rendimiento. Con respecto a los pasaportes mismos, para el FEU-85A, garantiza la preservación de las características técnicas durante 12 años a partir de la fecha de producción. En general, este pedazo de papel está retrasado desde hace 20 años. Cree que no vale la pena, todo debe verificarse en el trabajo.Con respecto a la elección de PMT al comprar a mano. En primer lugar, debe inspeccionar visualmente la botella de vidrio en busca de grietas. Si hay alguno, entonces el amigo probablemente esté muerto. Esto también se evidenciará por el anticatodo de antimonio-cesio, que se volverá incoloro al reaccionar con el oxígeno. En realidad todo, el resto de los parámetros solo se pueden encontrar al verificar la instalación.
Para iniciar el multiplicador fotoelectrónico, es necesario aplicarle un alto voltaje conectando los dinodos a través de un divisor en forma de resistencias, de acuerdo con el esquema de diseño. También hay un amplificador de transimpedancia en esta placa , que convierte la corriente de entrada en un voltaje de salida proporcional, que se alimenta directamente a la tarjeta de sonido de la computadora.
Ahora nos dedicamos exclusivamente al montaje y ajuste del espectrómetro de rayos gamma. El tubo fotomultiplicador está más convenientemente conectado a través de un zócalo; esto reduce el riesgo de dañar la botella de vidrio. Una de esas lámparas cuesta alrededor de 40 dólares. Será una pena si algo sale mal.
A continuación, limpie la ventana de vidrio del centelleador con un paño suave y tire de goma de un diámetro adecuado sobre el cuerpo. Centrará el PMT en relación con la ventana. Cuando se le preguntó dónde conseguirlo, este es un pedazo de goma de una cámara de bicicleta.
Para garantizar un buen contacto óptico, se encuentra un fluido especial entre el PMT y el centelleador. ¿Cúal? Grasa de silicona, la más espesa que se encontró. Puede preguntar por qué no utilicé la vaselina técnica recomendada por el vendedor del cristal. Es simple, no es adecuado en relación con la absorción de radiación ultravioleta, también absorberá la luz del centelleador y no se convertirá en un lubricante óptico, sino en un obstáculo que empeora los parámetros de salida. La vaselina refinada de farmacia tiene el mismo problema.Por lo tanto, recomiendo la grasa de silicona por mi cuenta; durante todos los experimentos, funcionó con una explosión. No necesita verter mucho, de lo contrario se escapará y lo ensuciará con algo. Debe presionar hacia abajo y desplazar los elementos entre sí para exprimir el exceso de silicona.
Genial, tenemos una construcción tan hermosa.Para proteger el PMT, lo envolvemos varias veces con polietileno fino espumado y colocamos encima un tubo de permalloy, un material magnético suave que protege el interior de la lámpara de diversas influencias electromagnéticas externas. Cómo un campo magnético puede afectar los tubos de rayos catódicos, mostramos en una de las publicaciones anteriores. Puede obtener permallah hurgando en un mercado de pulgas, desde el viejo osciloscopio, a su alrededor es lo que estamos buscando. Solo hay un problema, el formulario no cabe aquí. Es necesario trabajar con un martillo. Debe alinear los bordes y formar un cilindro. Durante la deformación, el metal forma zonas de tensión, que deben liberarse calentando el material a un color carmesí.Cuando se calienta, se puede observar el llamado punto curie, que caracteriza el cambio en la transición de fase de segundo orden. En pocas palabras, un metal después de cierta temperatura deja de ser magnetizado por un imán, ¡bastante interesante! En general, busque permalloy donde quiera. Es necesario, sin él es como ir al baño sin papel.
Ahora la fuente de alimentación es de alto voltaje negativo. Aquí, se puede acceder fácilmente a todos los detalles, con la excepción del controlador de llave IR2121, que se encontró solo en el paquete DIP masivo, y el transformador de alto voltaje que necesita enrollar usted mismo. Estoy seguro de que en esta etapa la mitad de las personas en el salón se levantarán y comenzarán a salir del cine, pero bueno, es simple.En el diseño del mercado más cercano donde todo es de 10 rublos cada uno, encontramos un encendedor eléctrico chino, dentro de él hay un excelente transformador seccional. La tarea es desenrollar su devanado secundario y enrollar un nuevo cable de 0.2 mm. Gira aproximadamente 200-250. No tocamos la bobina primaria en ferrita. Después del devanado, impregnamos el transformador terminado con cera o epoxi. El proceso dura unos 20 minutos cuando sabes qué hacer.Me tomó un par de meses resolver este problema. Se probaron docenas de diferentes tipos de transformadores de alto voltaje, incluidas las opciones de lámparas fluorescentes para la retroiluminación de los monitores, y terminando con transformadores en minúsculas de televisores antiguos como TVS. Pero había demasiado ruido de todo esto.La más simple y confiable fue la opción hecha a sí misma. De él también, hubo un ligero ruido, pero fue mínimo.
Revisión. Se agrega un amortiguador al circuito, un filtro que suprime las emisiones y vibraciones inductivas espurias durante los transitorios. En resumen, esta es una cadena secuencial de resistencia y condensador, que se selecciona individualmente en cada circuito. La instalación de dicho filtro permite reducir la ondulación de la fuente de alimentación en la parte de alto voltaje.Si las pulsaciones sin amortiguador a 600 voltios alcanzaron 1 voltio, entonces el filtro las reduce a medio voltio. El resultado es 2 veces obvio.El artículo recomienda que cuando encienda el convertidor por primera vez, desenrosque la resistencia de sintonización a la posición mínima, esto es importante, descuidar este elemento aumenta el riesgo de falla de la parte de alimentación del circuito.La regulación de voltaje en el circuito se lleva a cabo utilizando un controlador PWM TL494. Al cambiar la resistencia de la resistencia, se puede observar cómo cambia el ciclo de trabajo de los pulsos de control. El voltaje máximo que se puede obtener de dicho convertidor es de aproximadamente 3 kV. Él mismo más de 2 no subió, no había necesidad.
Estabilidad.El circuito mantiene perfectamente el voltaje establecido independientemente de la potencia de entrada en el rango de 8 a 14 voltios. Lo mismo ocurre con la estabilidad climática. Es importante que el voltaje no cambie con los cambios en la temperatura ambiente, de lo contrario, esto conducirá a un deterioro en la rarefacción de los espectros de energía resultantes. Este circuito se calentó con un secador de pelo. A 57 grados, el indicador de cristal líquido en el termómetro incluso se volvió negro, pero el voltaje en la fuente de alimentación es casi estacionario. ¡Nivel!Cuando se configura correctamente, a 600 voltios, el circuito consumirá solo 33 mA. El ensamblaje de baterías 18650 con una corriente de 3 amperios es suficiente para el funcionamiento continuo del dispositivo durante 90 horas.
De hecho, el esquema es bastante simple, y con un ensamblaje adecuado funcionará la primera vez. Para facilitar la configuración, todas las formas de onda que se mostraron anteriormente en la película se enumeran aquí.Entonces, la fuente de alimentación está lista. Queda por soldar el cable de señal a la salida del amplificador operacional. Debe estar protegido. Puede ser un cable de audio o la versión soviética con una trenza plateada.
Como resultado, deberíamos obtener dicho conjunto, que consiste en una placa de conversión de voltaje y una placa divisoria con un amplificador operacional, en el que hay un zócalo de baquelita.La parte electrónica está lista y espera reunirse con la unidad de detección.Ayudaremos a que esto suceda y colocaremos el panel en el culo del PMT. Además, no olvide conectar el permalloy a la salida general del circuito con un cableado delgado. Un punto importante, la placa multiplicadora no debe contener residuos de fundente y otros productos electrónicos de actividad vital. Tal vez algo para romper. Para mayor fiabilidad, la unidad de detección se une con bandas elásticas. No necesita ser celoso, de lo contrario puede empujar a través de la ventana óptica del centelleador, dañar el PMT u otra cosa. Eso es todo. El espectrómetro gamma está listo para funcionar.
El tubo fotomultiplicador es muy sensible y, literalmente, puede salir de escala. En general, me detuve en un tubo de cartón. Moda juvenil con estilo.Establecemos el voltaje del convertidor en la región de 600 voltios y observamos qué señal obtenemos de la salida del amplificador operacional. En el osciloscopio observaremos pulsos con diferentes amplitudes. Todo esto es radiación de fondo. Radiación natural en forma de rayos gamma atrapados en un cristal centelleador.Los pulsos de corriente que provienen del ánodo PMT son bastante cortos, porque el amplificador operacional los estira por la fuerza a unos 200 microsegundos, por lo que será más fácil procesarlos con una tarjeta de sonido.Si lleva al centelleador un interruptor con una masa de luz de corriente constante basada en radio 226 , entonces habrá muchos pulsos. Los osciloscopios digitales son algo bueno, pero en algunos modos de operación son tan tontos que a veces quieres golpearte la cabeza contra la pared.En la versión soviética, los pulsos son visibles en tiempo real, simplemente son excelentes ...Fobia a la radio, ¿todavía no se ha presionado contra una silla al ver un fondo de radiación normal? La radiación natural existe en todas partes, no puedes esconderte de ella, ioniza y destruye tus células de ADN. ¿Con miedo? ¡Yo también! De alguna manera debemos lidiar con esto. Construiremos una casa de plomo. Su tarea es aislar el espectrómetro del fondo natural externo.
La segunda parte de
Archivo con archivos gerber y otras utilidadesVideo completo del proyecto en YouTubeNuestro Instagram Source: https://habr.com/ru/post/undefined/
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