🌻 🛅 🚷 Productos radiactivos. Espectrómetro de rayos gamma. Parte 2 🌈 🚣🏾 💪🏾

En la parte anterior, aprendimos cómo ensamblar un espectrómetro de rayos gamma. Aprendimos a elegir el cristal correcto de yoduro de sodio y muchas otras sutilezas en esta nave espectrométrica.

La primera parte

A continuación, necesitamos construir una casa de plomo. Su tarea es aislar el espectrómetro del fondo natural externo.

Necesitaremos:

120 .
76- . 1941. , 60 , .
. .

Un buen amigo nos arrojó el plomo, se usan pesas tan pequeñas para equilibrar las ruedas de un neumático. Lo único negativo de dicho producto son las etiquetas adhesivas en un lado. Por lo tanto, nos ponemos los pantalones y nos adentramos en la naturaleza, es necesario quemar todo lo superfluo y derretir el metal noble. De qué sirven estas salidas a la naturaleza, aquí puede tener un buen golpe, de hecho, lo que hicimos durante todo el proceso.

En este momento, estamos preparando una sopa de plomo. Aquí debe eliminar la espuma y otras escorias, que están en la parte superior. Cuanto más limpios sean los lingotes originales, menos basura tendrá que recoger. Calentamos el metal con un pequeño margen y comenzamos a verterlo gradualmente en el tubo de ventilación. La capa inferior debe tener unos 3 centímetros de alto.Es importante hacer esas cosas en un clima seco y soleado, no son aceptables toques de lluvia, de lo contrario, el plomo puede escupir fácilmente en la cara. ¡Aprendido!

Ahora es necesario instalar y centrar con un tornillo, una manga del tanque de 76 mm, y continuar vertiendo las paredes del producto con plomo caliente. Después de varios procedimientos repetitivos y aburridos, nuestro liderazgo ha terminado. El peso total del producto es de 23 kilogramos. Dejando los picnics favoritos de todos, no olvides la carta-carta a la hoguera. Tras transportar la casa en blanco, con la ayuda de una sierra para metales, cortamos todo lo innecesario.

Entonces, recordemos la imagen de los pulsos de fondo que vimos durante la operación del espectrómetro de rayos gamma. Ahora veamos qué cambios.

De la práctica.Una capa de plomo homogéneo con un grosor de 2 centímetros reduce el fondo gamma exactamente 10 veces, y esto es claramente visible en el programa Becquerel Monitor. Para un cristal de yoduro de sodio que mide 30 * 40 mm, el número de pulsos fuera de la casa será de 60, y en la casa solo 6.

Seguramente muchos se preguntarán por qué tantos problemas con el plomo.
Este es un ejemplo de una toma de fondo normal con y sin protección. En el espectro parece que no hay una docena de pulsos aquí, sino cien veces más, con respecto a los dosímetros domésticos. La exploración de radio 701 muestra un valor de fondo de 11 micro-roentgen, 2 centímetros de plomo reduce este valor a 7.
Esta es la norma, en la producción de estos Radioskans mostraron un búnker completo hecho de ladrillos de plomo, me gustaría ... El

espectrómetro de rayos gamma está montado y ajustado.El fotomultiplicador está alimentado por un alto voltaje, y vemos pulsos en la salida del amplificador operacional. Aproximadamente el 99 por ciento de ellos debe caber en una amplitud de un voltio. Ocasionalmente, se filtrarán pulsos de gran amplitud, estas son partículas cósmicas de alta energía que llegan a nuestro detector. Todos los oscilogramas que observamos en la unidad de detección se muestran en este diagrama. Aquí está el pinout del PMT del 85, y el unicornio, en general, todo lo que quieras.

El producto de todo el trabajo anterior es una señal que debe procesarse en una computadora. Usando un programa especial, descomponerlo en el espectro de amplitud, por el cual es posible juzgar un isótopo radiactivo particular en la muestra de prueba.

Es hora de conectar el espectrómetro de rayos gamma a su computadora. Inserte el conector en la entrada del micrófono. Algunos para estos fines utilizan tarjetas de sonido externas como Orico, pero debe tener en cuenta que tiene un cableado de conector diferente.

La parte del software. Al principio, tenemos que ir al menú de sonido. En la configuración del micrófono encontramos la sección de mejora. En él, debe desactivar todos los efectos de sonido que puedan interferir con el trabajo posterior. También aquí puede escuchar el sonido que llega a la entrada del micrófono. Asegúrate de que todo funcione.

Ahora necesitamos una casa de plomo. Para mayor confiabilidad, colocaremos una placa de cobre en la parte inferior de la funda. Para lo que es necesario y cómo aparece la fluorescencia de rayos X del plomo en el espectro, lo consideraremos un poco más adelante. Ahora necesitamos obtener una fuente radiactiva.

Lo más simple que se puede usar son los interruptores antiguos o un reloj con una masa de luz de corriente constante basada en radio 226. Mantener esa mierda en casa no es del todo legal, porque esta instancia será puramente demostrativa por naturaleza, después de lo cual me la comeré. Broma. Ponemos esta muestra infernal de mentes frágiles de la época en el fondo de nuestra casa y bajamos el espectrómetro de rayos gamma allí.

Ahora nuestra tarea es configurar correctamente el programa en el que trataremos el procesamiento de espectros. Se llama Becquerel Monitor.

En este punto, quiero expresar un agradecimiento especial a Evgeny Soloviev , quien ayudó a configurar el software y explicó en un lenguaje sencillo muchos de los procesos que tienen lugar en esta difícil tarea.¡Él es un maestro del panqueque de yodo! Muchos fragmentos de este tema fueron extraídos de su rica experiencia y me fueron transferidos a mí, el joven Padawan. ¡Ahora él soy yo, yo soy tú y tú eres él!

Entonces, para empezar, haga clic en el botón de inicio en el programa y comience a recopilar el espectro. Habrá bastantes pulsos del reloj de radio en la entrada de la tarjeta de sonido, lo que significa que el hardware está funcionando. No tiene sentido recopilar el espectro ahora, ya que no hay nada configurado. Detenga el proceso con el botón de detener.

En la sección del menú de herramientas, debemos ir a la sección "cambiar la configuración del dispositivo". Aquí creamos un nombre para nuestro espectrómetro de rayos gamma "FEU-85A, yodo de sodio 30 a 40". A la derecha vemos la sección "básica". Aquí estamos interesados en dos parámetros. El primero es el tiempo de medición, por defecto cuesta 3600 segundos, es decir, una hora, agrega cero y aumenta el tiempo a 10 horas. El número de canales en lugar de tres mil se establece en 4-re. No tocamos el paso del canal y lo dejamos como está. En la sección "básica", eso es todo, guardamos los parámetros establecidos.

Vaya a "configuración del dispositivo", esta sección puede considerarse la principal.El dispositivo de audio que tengo es Realtek High Definition, está integrado en la placa base. Tasa de muestreo, cuanto más mejor. Ponemos 192 mil hercios. Profundidad de bits seleccionar 24 bits. Nivel de señal: marque la casilla "Sintonización automática" y use el control deslizante de la izquierda para reducir el nivel de señal a aproximadamente un 13 por ciento; su valor puede ser diferente. No toque la polaridad del dispositivo. El umbral del límite inferior se selecciona individualmente, obtengo este valor 0.7, el umbral del límite superior se deja como está, 100. El umbral tiene la forma del pulso, el valor óptimo es 60 por ciento.

Ahora, en la parte inferior, vemos una ventana separada "configurando la forma de pulso ejemplar". Al principio, establecemos el valor NRP, debe ser más alto que el nivel de ruido, se selecciona individualmente, lo tengo 1. Dejamos la pista como está, 100. Presione el botón de inicio y el programa comenzará a registrar los pulsos del modelo.

Presta atención a su forma, son bastante estrechas y afiladas. Tratemos de estirar el impulso al ancho de la ventana. Para hacer esto, necesitamos cambiar el parámetro de ancho de muestra, establecer el valor en 32 y la posición de pico, establecer 16. Al presionar el botón de grabación, puede observar cómo ha cambiado la imagen, el impulso se ha extendido a toda la ventana.

Ahora, ¿qué sucede si el parámetro NRP es más bajo que el nivel de ruido?En principio, nada bueno, la señal se verá como una especie de cabello torcido. Aumentamos el parámetro de la central nuclear a 0.5 y vemos qué cambios. La forma del impulso se ha vuelto más bella, pero aún vemos algo de distorsión en la parte superior. No está bien. Un resultado aceptable fue un valor de uno. Recopilamos alrededor de 2 mil pulsos modelo y los guardamos en el programa. Multa. Actualiza la configuración del dispositivo.

El lienzo antiguo no es adecuado para dibujar otra obra maestra, debe limpiarse. Comencemos a recopilar un nuevo espectro y veamos qué es visible aquí.

La luz continua en horas es bastante activa, da más de doscientos pulsos por segundo. Después de aproximadamente 2 minutos, se pueden observar picos de energía individuales en el espectro que corresponde al SPD del radio, pero las energías en la escala no se distribuyen correctamente, veamos qué valor nos mostrará el último pico. Sí, 780 keV, eso es mucho. Esta colina debería corresponder exclusivamente a 609 keV de energía. Eso es mala suerte ...

Para solucionar esta situación, necesitamos abrir la ventana de "calibración de energía". Vemos tres coeficientes en él, A, B y C. Reduzca el valor del coeficiente B de tal manera que un pico con una energía de 609 keV no corresponda a la misma energía en el programa. Ampliaremos el espectro para examinar con más detalle qué y dónde estamos cambiando.

Ahora, esta es una configuración aproximada, es necesaria para comprender aproximadamente cuán diferente es el valor de dos parámetros importantes. Con una buena sintonización, el canal en la figura debería corresponder aproximadamente a la energía. Si es más grande, el espectro se recolectará por más tiempo, si no, los picos de energía no serán tan detallados. En general, jugando con el nivel de la señal de entrada, puede mover el espectro hacia arriba o hacia abajo con respecto al canal. Todo esto se ajusta individualmente para cada espectrómetro de rayos gamma. Esta configuración me llevó aproximadamente media hora.

Encienda la escala logarítmica y expanda la imagen. Aquí puede ver la región de energías máximas que el programa es capaz de procesar. Corresponden a más de 3 megavoltios-voltios. Quanta cósmico en persona!

Calibración precisa del espectro.Es habitual llevarlo a cabo de acuerdo con fuentes que tienen picos de energía únicos; el cesio-137 se usa en los clásicos. Pero, propongo una opción interesante, usar potasio-40 junto con cesio. Obtendremos una imagen según la cual puede calibrar con bastante precisión nuestro espectro para tres picos. ¿Cómo hacerlo? En la ventana debajo de los coeficientes vemos el botón "calibración multipunto". Ahora se nos ofrece elegir un canal. Pasemos de lo más pequeño a lo más grande. El primer pico es la fluorescencia de rayos X de bario en la muestra de prueba con cesio-137, el segundo pico corresponde al isótopo más radiactivo de cesio-137. El tercer cerro es potasio-40. Te diré dónde conseguir esas fuentes un poco más tarde. Mientras tanto, en la lista anterior, debe ajustar los valores con energías.

Para la fluorescencia de rayos X, el bario es de 32 keV, para el cesio 137 - 662 keV, para el potasio 40 - 1461 keV. Presione el botón para calibrar, y todo el espectro se alineará automáticamente de acuerdo con las energías. Los coeficientes A, B y C mismos determinaron los valores necesarios para ellos mismos. Ahora necesita guardar la configuración en la configuración del dispositivo. Todo, el programa está configurado y calibrado.

¿Qué tenemos al final? Esta distribución es un espectro de amplitudes de pulso obtenidas en el estudio de la radiación monoenergética. Es a partir de los parámetros de tales picos que se restablece la característica de radiación. Al final del espectro de amplitud de los pulsos, hay un pico correspondiente a la absorción total de una partícula con cierta energía por el detector.

Idealmente, el pico de absorción total debe ser infinitamente estrecho, sin embargo, incluso en el caso de un centelleador ideal, tendrá un cierto ancho medio asociado con fluctuaciones en el detector.

La relación entre el ancho del pico y su amplitud se denomina resolución energética del centelleador. Cuanto menor es este valor, mayor es la resolución del detector de centelleo, en este caso es del 8 por ciento. Básicamente, la resolución generalmente se mide por el pico de cesio-137, pero el pico de bismuto-210 en la base del radio, que se encuentra en la región de 609 keV, también es perfecto para esto.

Análisis de los resultados. A veces toma un día entero recolectar un espectro aceptable de muestras de radioisótopos débilmente activos. Así que esperamos, tenemos un peine incomprensible. ¿Qué es y con qué come?

Examinemos un ejemplo basado en radio 226. Cada isótopo radiactivo en su vida supera la vida media con la conversión en otro elemento químico con un peso atómico diferente. Cada desintegración se acompaña de la liberación de partículas alfa, beta o gamma.

Aquí está la cadena de vida media del radio 226. En el proceso, se convierte en radón, el radón se convierte en plomo-214, plomo en bario, y así sucesivamente hasta que se forme un elemento estable en la última cadena de esta vida media, en este caso, plomo-206. A partir de esto, está claro que estamos tratando no solo con radio-226 en horas, sino con un montón de isótopos radiactivos, que deben considerarse por separado.

Aquí el recurso NuDat puede ayudarnos .Todo este embadurnamiento en la imagen es una tabla periódica avanzada. Entre todos los isótopos posibles encontramos el radio-226. Haz click en eso. Después de que el programa cargue el elemento necesario, aparecerá una pequeña lista a continuación, estamos interesados en el elemento "radiación de descomposición" .

Se abrirá una lista de posibles energías durante la descomposición. A continuación nos interesa la sección con radiación gamma y de rayos X. Aquí vemos que con un mayor grado de probabilidad, 3.64 por ciento en nuestra desintegración, se liberará energía correspondiente a 186 kiloelectron-voltios. En el espectro, este pico está justo aquí, y corresponde a la energía muy necesaria de 186 keV. Multa.

Considere el isótopo radiactivo cesio-137.Su vida media es de 30 años. El cesio-137 en sí mismo es una fuente beta, que experimenta una desintegración beta, se convierte en un isómero de bario-137m, que vive solo 2 minutos y medio y se desintegra, escupe un espectro gamma con una energía de 662 kiloelectron-voltios, completa la cadena de desintegración y se convierte en un isótopo estable de bario-137.

Pero, en el espectro todavía hay unos tres picos.El primero, que es de 32 keV, es la fluorescencia de rayos X del bario, cuando una partícula cae en el bario durante la descomposición, produce su propio cuanto con una energía de 32 keV. Lo mismo se aplica a la segunda colina, esta es la fluorescencia de rayos X del plomo en una casa de plomo. Montículo negro grande, este es el efecto Compton. Ocurre como resultado del hecho de que no todos los gamma quanta son completamente absorbidos por el centelleador. La mayoría de ellos pierden su energía en el camino como resultado de colisiones con electrones de sustancias, y solo después de eso son absorbidos por el centelleador. En general, Compton, utilizando el cesio como ejemplo, es nuestro 662 keV que perdió energía en el camino.

Estoy seguro de que ahora muchos de ustedes tienen una pregunta sobre dónde obtener fuentes radiactivas legales para la investigación.Todo es muy simple. Por ejemplo, cesio-137, estos son hongos porcini comunes que como. Algunos de ellos fueron recolectados en el distrito de Malinsky, algunos fueron traídos de Radynka, el pueblo del distrito de Polessky, que se encuentra a 30 kilómetros de Chernobyl.

Para fijar al menos un poco de exceso en el fondo, los champiñones deben estar completamente secos y picados en un molinillo de café. Como resultado de la medición de dicha bolsa, Radioskan 701 mostró un fondo de 13 micro-roentgen, y el espectro mismo de él, tuvo que ser recogido dentro de las 10 horas.

Hay muchas fuentes similares a nuestro alrededor si sabe qué buscar.Esto es, por ejemplo, electrodos de tungsteno con dos por ciento de adición de torio-232. Puede comprarlos en cualquier tienda que venda equipos de soldadura. Para facilitar la medición, colocamos la muestra en un pequeño recipiente de plástico. El escaneo de radio con la tapa del filtro gamma cerrado muestra aproximadamente 30 micro-roentgen.

El uranio-238 se encuentra en cualquier vidrio de uranio en forma de sales disueltas allí. Estos botones se compraron en el mundo infantil local, puedes encontrar tanta belleza con la ayuda de una linterna ultravioleta.

Relojes con radio fósforo de acción constante. Esta muestra se encontró usando un dosímetro en un mercado de pulgas, el vendedor ni siquiera sospechaba la existencia de tales artefactos. No te aconsejo que lo guardes en casa, de lo contrario necesitarás un abogado.

Americio 241.Puede elegir entre un detector de humo de incendio en el que forma parte de una cámara de ionización. Dicha fuente muestra un fondo gamma del orden de 87 microroentgen. Entonces escribimos en una hoja de papel, 86 μR.

Potasio 40. Este es un nitrato de potasio ordinario, que se vende en tiendas de flores y se usa como fertilizante. Las indicaciones son 13 micro-roentgen. Casi todas las muestras enumeradas anteriormente están disponibles para la venta, y difieren en su variedad de espectros que pueden estudiarse y analizarse en la práctica. La radiactividad aquí es "extremadamente pequeña", y lleva mucho tiempo discernir al menos algún resultado del mismo cesio.

La espectrometría de rayos gamma es en su mayor parte un viaje al mundo de los misterios, aquí tendrá que resolver los chismes en la pantalla del monitor con la esperanza de saber qué tipo de energía está emitiendo los isótopos.

Para simplificar su tarea, puede hacer una biblioteca de espectros de los isótopos más comunes, como se muestra en este ejemplo. Ahora vemos una escala lineal, aquí la energía es proporcional en toda la escala. Al activar la escala logarítmica, veremos un espectro que es proporcional a un cierto logaritmo de la proporción de cantidades; es fácil discernir en él una gama de alta energía, que generalmente vuela hacia el centelleador con menos probabilidad. En esta hermosa nota, nos movemos suavemente de lo tedioso a la parte más interesante. Experimentos, observaciones, intrigas e investigaciones ...

Temperatura.Para mejorar la precisión de las mediciones realizadas por el espectrómetro, se deben tener en cuenta algunos puntos. Un cristal de yoduro de sodio cambia el espectro cuando cambia la temperatura ambiente. Esto es especialmente evidente en la mañana y en la tarde, cuando la temperatura ambiente difiere en un par de grados. Por lo tanto, cuanto mayor sea esta extensión durante la medición, mayor será la deriva, cuanto más se extienda el espectro en una escala, más porcentaje habrá una resolución final, ¡lo cual no es bueno!

La posición del espectrómetro en una casa de plomo. Es aconsejable realizar todas las mediciones en la misma posición, para esto recomiendo hacer etiquetas. Permalloy, aunque protege el PMT de diferentes campos magnéticos, pero esto no siempre da el resultado deseado. El espectro también puede moverse en una dirección u otra.

Muchas mediciones en las etapas iniciales se realizaron conectando un cable largo y blindado. Si lo acorta a un metro y examina bien el espectrómetro, entonces, siempre que la temperatura en la habitación sea estable, puede observar una mejora en la resolución del cesio en el espectro, lo mejor que recibió fue del 7 por ciento, pero la fuente está débilmente activa. No estoy seguro si las lecturas son correctas. Siguiendo una simple recomendación, puede hacer un instrumento de medición de centelleo profesional a partir de un conjunto de componentes electrónicos que le permite determinar la composición isotópica de los materiales radiactivos.

Ahora, alguien puede preguntar, ¿por qué necesitas cobre entre el espectrómetro y el plomo?Hagamos un experimento simple. Medimos el fondo de la casa con y sin plomo. En el espectro, se puede observar un aumento de la fluorescencia de rayos X del plomo en la región de 80 keV, si una imagen se superpone a otra, la diferencia es muy notable. El cobre ayuda a suprimir este efecto parasitario.

Me llevó mucho tiempo comprender las características de los centelleadores. Un cristal, como dicen, es un cristal en África. Pero, el yoduro de sodio activado con talio no es fácil.

Un poco sobre el cristal amarillo. Todas las mediciones se llevaron a cabo al mismo voltaje en una PMT de 600 voltios. En términos generales, el cristal simplemente cambió sin ningún ajuste. Al ver la imagen, incluso a simple vista, estaba claro que todos los impulsos eran de alguna manera pequeños en amplitud,Si cree en la teoría previamente expresada por el vendedor sobre un cristal que se ha vuelto amarillo solo en las paredes, lo más probable es que suceda lo siguiente.

Ese fotón de luz que nació en las profundidades de la transparencia se absorbe en algún lugar en las profundidades del amarillo, como resultado, pocos fotones alcanzan el tubo fotomultiplicador. Se produce cualquier tipo de multiplicación, pero en la salida obtenemos una señal adecuada solo para contar.
En el modo de conteo, se registran más desintegraciones del fondo natural. En el programa vemos hasta 90 partículas por segundo.

La resolución en el pico del cesio-137 es del 14 por ciento, en este caso realmente se puede ver la silueta del cesio en el espectro. No todo es tan simple con las radios, estos montículos mono me desorientaron hace 2 años, obligándome a dejar de trabajar en esta dirección.Las sospechas estaban en el circuito convertidor defectuoso y el multiplicador fotoelectrónico. Como resultado, tuve que comprar otro PMT, otro cristal, gastar recursos y tiempo en comprender lo que sucedió.

Y sucedió lo siguiente, simplemente fui engañado. Naturalmente, quería devolver el dinero, o al menos cambiar el centelleador amarillo a la normalidad, llamé al vendedor y le conté toda la historia, a lo que él me respondió:

- La transparencia (amarillez y blancura) es una evaluación muy subjetiva, algunas personas dicen que todo está bien, todo funciona . Alguien dice que el espectrómetro no funcionará, lo llevaré al modo de conteo.

Para entender qué es un modo de conteo.Hay un radiómetro de centelleo SRP-88. El principio de su funcionamiento es amplificar cualquier impulso que provenga de un PMT a un cierto nivel, digamos hasta 5 voltios, y aplicarlo a su parte contadora del circuito. Tal radiómetro no le importa la amplitud de la señal de salida del tubo fotomultiplicador. Su tarea principal es contar! De ahí la conclusión, incluso un cristal de la basura irá por la cuenta. Aquí surge la pregunta sobre cuántos cuantos de luz se perderán en el camino hacia el PMT.

Continuación de la conversación:

- Ya ves, una persona, cuando toma un cristal de 85, 86, 87 años, está claro que no se corresponderá con las características que se encuentran en el nuevo cristal de la década de 2000;
- Es decir, ¡todos están amarillentos!
- Bueno, están en tal grado de transparencia, por así decirlo;
- ¡Venga! Aquí está el cristal de 1976, nunca se vuelve amarillo y todo el trabajo se realizó con él durante la preparación de este lanzamiento. ¡Dices que te compran cristales amarillos para tareas espectrométricas!
- Compre ...
- ¡Soy el primero en decir que el cristal amarillo no es adecuado para estos asuntos!
- Sí, la primera persona ...

Me dirigí al grupo de espectrometría con la pregunta: "¿Alguien encontró buenos cristales de este vendedor?" A lo que todos respondieron: "¡NO!"

- No me desesperaría en tu lugar ...
- No me desespero, todo está bien, dónde más ganar experiencia, excepto tratar de descubrir qué es qué.

Para referencia. La filmación de este lanzamiento tomó un récord de tres años. No todos los hámsters pudieron ver el resultado final de la investigación en esta dirección.También me gustaría agradecer a Evgeny Solovyov , Dmitry Novikov, Sergey Matyushenko , Vasily Chechyulinsky y muchos otros que ayudaron de una forma u otra en la preparación de este proyecto. Hay mucha información técnica. Si en el proceso en algún lugar se cometen errores, ¡eres bienvenido en los comentarios! No soy un espectrómetro, sino un infierno fuera del camino.

Como dijo el Maestro Yoda:
"Escucharte es muy complicado". ¿Escuchas lo que dije?
- Profesor, mover piedras es una cosa. Y aquí, ¡un asunto completamente diferente!
-¡No! ¡No otro! Otro en la cabeza solamente.

Primera parte

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Productos radiactivos. Espectrómetro de rayos gamma. Parte 2

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