Produtos radioativos. Espectrômetro gama. Parte 1
Hamsters recebê-los amigos.O post de hoje será dedicado à espectrometria gama de cintilação e ao estudo do mundo invisível na linguagem dos quanta gama. Muitas coisas que nos cercam na vida cotidiana podem conter isótopos radioativos; elas podem ser de origem natural ou artificial. Ao decair, eles emitem radiação alfa, beta ou gama. Estamos interessados no último camarada da lista de suspeitos. Hoje vamos pegá-lo, transformar e calcular o isótopo insidioso com base em traços de energia. No curso, consideraremos como montar um espectrômetro gama e como configurá-lo. Aprendemos como escolher o cristal de iodeto de sódio correto e muitas outras sutilezas nesta técnica espectrométrica.
Imagine a situação: você está andando pelo mercado de alimentos, e aqui no bolso um dosímetro é acionado e avisa quando a radiação de fundo é excedida. Pergunta: como você sabe qual isótopo radioativo infectou os tomates de Baba Rai? É simples, para isso é necessário colocar o objeto em uma casa de chumbo especial e examiná-lo usando um espectrômetro gama. Após algumas horas dos picos de energia característicos, descobrimos que os tomates estão infectados com o isótopo radioativo do césio-137 e sua filha decaem o produto do bário-137 . Baba Rai provavelmente tem um reator nuclear em casa! O guia de início rápido é bastante abrangente, então vamos ver como tudo começa e como tudo funciona.
Fundo. No distante ano de 2017, no site da RadioKOT me deparei com um artigo interessante sobre espectrometria gama. Seu autor é Maxim. Como se vê depois, este é o criador dos dispositivos da série Atom. O artigo é bastante simples, diz em detalhes o que é necessário para construir este dispositivo, os diagramas são desenhados. Existem explicações sobre algumas das nuances do ajuste e do trabalho com um espectrômetro gama caseiro. Como eu pensava com dois dedos, e depois de uma semana em minha mesa, havia todos os componentes necessários para trabalhar no projeto.O elemento mais exótico de toda a estrutura é o cristal de iodeto de sódio. A procura desse artefato levou principalmente a Eugene Nagurny, um vendedor que vende esses aparelhos em quase todos os fóruns. Nós ligamos para ele, eu disse que ia fazer um espectrômetro gama. Por seu lado, ele aconselhou a encontrar um fotomultiplicador FEU-85A, vaselina técnica como lubrificante óptico para este projeto, e recomendou a compra de um cristal de cintilação de sódio de 30 * 70 mm. É mais do que no artigo, o que significa que o dispositivo deve sair mais sensível. Um homem tão bonito veio até mim. A única coisa que causou dúvidas foi um estranho tom amarelado. Escrevi ao vendedor sobre a cor, à qual ele respondeu que se o cristal fosse limpo, transparente e visível no fundo, seria de excelente qualidade. "É bom!"
Todos os componentes estão à mão, o trabalho está turvo, as rodas estão girando. Como apenas o esquema é fornecido no artigo original, você mesmo deve criar o quadro. Algumas noites, e os primeiros esboços começaram a aparecer no papel. Aqui e assentos para seus elementos de rádio, e as dimensões são tais que o dispositivo inteiro se encaixa em um tubo de papelão para facilitar o uso. Usando o método fotorresistente, transferimos as faixas para a fibra de vidro. Corroemos a placa e soldamos microcircuitos, resistores, capacitores e outros componentes, cuja colocação é fornecida com antecedência. Um amplificador de áudio foi adicionado para detectar cliques de raios gama que entram no cristal do cintilador. Também é adicionado um conversor dc-dc, que permite alimentar todo o dispositivo a partir de um banco de energia convencional de 5 volts.Arquivar com arquivos gerber e outros utilitários
O circuito está montado e configurado. Na tela do osciloscópio, pulsos de diferentes amplitudes são claramente visíveis, o que indica o desempenho do espectrômetro gama. Tudo ficaria bem, mas quando você conecta o dispositivo a um computador, o programa que analisa o sinal recebido na entrada da placa de som mostra alguns solavancos estranhos que não têm nada a ver com os espectros de fontes de controle conhecidas anteriormente. Os meses seguintes, tentando descobrir a causa do problema, não levaram a nada de bom. Nesta fase, marquei um parafuso grande e grosso e comecei a trabalhar em outros projetos ...
Depois de algum tempo, um estranho me perguntou:“Como você está?!”- eu digo: de jeito nenhum;"Ele é assim: sim, então mantenha os arquivos gerber da placa conversora correta."Esse estrangeiro era Dima Novikov , um amador de rádio e um espectrômetro com experiência. Ele despertou um segundo vento nessa direção, e o trabalho começou a ferver novamente. Uma outra tarefa era recorrer aos chineses e pedir placas de circuito impresso a eles .Após cerca de uma semana e meia, chegou um pacote limpo e evacuado, no qual havia 10 pranchas. Por que você pergunta tanto!? O bolso de estoque não pressiona! Agora você pode instalar elementos de rádio. No início, sopramos partes maciças com um secador de cabelo e depois peças pequenas com um ferro de soldar. Todo o processo de instalação não leva mais de 30 minutos, após o qual aparece um conversor de alta tensão negativa ajustável, com o qual alimentaremos o fotomultiplicador. Mas sinto que de alguma forma estamos dispersos e tenho certeza que muitos agora não entendem o que é o quê. Vou tentar explicar nos dedos.
O espectrômetro gama consiste em cinco partes, todas elas agora são apresentadas em suas telas.À esquerda, há um soquete de baquelite com um divisor de tensão para o tubo fotomultiplicador. A seguir, é apresentada a fonte de alimentação de alta tensão que acabamos de montar. No meio, vemos um cristal cintilador, é uma substância na qual a radiação gama invisível é convertida em luz visível. Ele entra no multiplicador fotoeletrônico e amplifica, fornecendo as informações de saída que iremos processar mais adiante. O pedaço de ferro mais à direita é o permalloy, é necessário para proteger o PMT de influências eletromagnéticas externas.
No âmbito deste projeto, foram utilizados exclusivamente cristais de iodeto de sódio ativados pelo NaJ (TI) de tálio.Esta amostra em uma bela embalagem soviética custa cerca de 70 dólares. Prazer não é barato. Esses cintiladores são os mais comuns, possuem alta eficiência de absorção de raios gama e raios X, alta emissão de luz, boa resolução de energia e um tempo de flash bastante curto. Este cristal brilha literalmente em raios-x com uma bela luz azul cujo comprimento de onda fica na região de 415 nm.Em geral, para uma demonstração mais grosseira desse fenômeno, você pode tomar sal comum da cozinha e acendê-lo com um raio-x. Como resultado, ele também cintilará na faixa visível da luz, mas não pode ser usado para espectrometria gama, uma vez que possui uma estrutura de banda e poucos fótons serão emitidos durante um processo de decaimento. O iodeto de sódio puro também é impossível de ser usado para esses fins, porque o cristal é ativado com tálio. Ele altera a estrutura do composto, criando níveis adicionais de energia, para que o material acabado seja caracterizado por alta eficiência de luminescência.Idealmente, o número de fótons emitidos pelo cintilador deve ser proporcional à energia absorvida, o que permitirá obter espectros de energia da radiação. Grosso modo, quanto maior a energia de um raio gama que chega em um cristal, maior o flash de luz, mais fótons entram no multiplicador de elétrons da foto. Tudo é simples.
Agora vamos ver o que você deve prestar atenção ao escolher um cristal de iodeto de sódio ativado por tálio.A primeira e mais importante é a cor! O cristal deve ser perfeitamente transparente, não deve ter amarelecimento, turbidez ou rachaduras. As principais diferenças são claramente visíveis nesse quadro. Você também deve examinar cuidadosamente a janela óptica de onde a luz virá; não deve haver pontos ou sinais de descolamento de cristal do vidro; esses defeitos podem ser vistos apenas com boa luz. Como o iodeto de sódio é muito higroscópico, deve-se prestar atenção ao aperto do recipiente de alumínio, o que evita o contato com a umidade do ambiente.A maioria das amostras que podem ser encontradas à venda foi lançada na distante União Soviética. Esta amostra de tamanho 30 * 70 mm nasceu em outubro de 1985. Ao comprar, você pode se concentrar no passaporte, que indica a saída de luz. Este documento é muito importante, vamos prestar atenção especial a ele. Abaixo, em preto e branco, está escrito que os detectores permanecem operacionais por 12 meses a partir da data de remessa pelo fabricante. Em geral, esse passaporte está expirado por pelo menos 30 anos, então vou deixá-lo para o objetivo a que se destina)Ninguém cancelou a avaliação visual! Observamos atentamente a cor e suspeitamos do amarelo. Segundo uma teoria, essa cor indica uma violação da tecnologia de produção, como resultado do pó reflexivo mal seco, localizado entre o recipiente de alumínio e o cristal, que de alguma forma reagiu com iodeto de sódio.
O que isso finalmente leva a!?O amarelecimento impede a boa passagem da luz, o que leva a uma deterioração significativa na resolução final, e mais de 14% dessa amostra não deve ser esperada. Por exemplo, o espectro de um cristal transparente de 8% é mostrado em verde, todos os picos de energia individuais são claramente visíveis aqui, enquanto o cristal amarelo (espectro preto) mesclou toda a imagem em uma confusão contínua. O cristal amarelo é como uma catarata, parece ver o mundo, mas não pode ver os detalhes. Tais amostras são adequadas apenas para dispositivos de cálculo, onde apenas a presença de pulsos é importante. Nesses casos, essas gemas, sem dúvida, funcionam.
Característica de cintiladores.Se você iluminá-lo com luz ultravioleta (parece transparente ao fundo, mas o cristal é amarelo na sombra), ele imediatamente fica nublado e, na aparência, parece leite. Mas a regra principal de um bom cintilador é absorver completamente a radiação ionizante e pular completamente o flash da sua própria luz de cintilação. Por exemplo, um bom cristal é mostrado, é transparente à luz do dia e no ultravioleta, enquanto não há opacidades.Outro parâmetro interessante é o pós-brilho. Bons cristais têm um pós-brilho bastante longo após a exposição à radiação ultravioleta, isso é claramente visível nesse quadro. Curiosamente, o cristal amarelo não possui esse parâmetro. Por uma questão de interesse, tentei tirar uma foto com uma exposição de 30 segundos de ambas as amostras imediatamente após a exposição. Tudo está muito bem demonstrado aqui.
Um cintilador rachado se comporta de maneira semelhante. Ele permanece completamente transparente e, através dele, todas as rachaduras são examinadas. Afterglow não é tão pronunciado aqui, mas na foto com uma velocidade de obturador longa, também é claramente visível. Muitos dizem que o cristal após a exposição externa à luz deve ser mantido por vários dias no escuro, para que se acalme. Da prática, apenas meia hora após o brutal bullying com o uso de uma lâmpada ultravioleta, os espectros antes e após a irradiação eram praticamente os mesmos. Isso pode ser visto claramente se um espectro é sobreposto a outro. Aqui, mesmo o número de pulsos de fundo na casa principal permaneceu inalterado.Quanto ao tamanho, quanto maior o cristal, maior a sua área, mais raios gama do espaço circundante cairão nele. Um tamanho de cintilador de 30 * 40 mm implica o tamanho do próprio cristal, e um recipiente selado com pó refletivo possui várias dimensões grandes que se estendem 6 mm a mais que o tamanho especificado em altura e largura. Se você remover o conteúdo do recipiente lacrado, o iodeto de sódio terá sabor salgado e deixará manchas de iodo na pia. Depois disso, ele ficará branco, converse e se tornará inutilizável.E assim, a radiação gama entra no cintilador e interage com ele, causando flashes de luz no corpo do cristal. Nossa tarefa adicional é capturá-los e convertê-los em um sinal elétrico. Para isso, são utilizados multiplicadores fotoeletrônicos.Os fótons de luz incidentes no fotomultiplicador fotomultiplicador eliminam os fotoelétrons dele, eles por sua vez focam no primeiro dínodo, e nocauteados os elétrons secundários, focalizam e são enviados para o próximo dínodo cada vez que é multiplicado. Para focar e acelerar elétrons, uma alta voltagem é aplicada ao ânodo e aos dínodos. Como resultado dessas manipulações, os pulsos de corrente são registrados no ânodo da PMT, que dependem diretamente da energia absorvida da radiação gama.
O número de elétrons que chegam ao ânodo depende diretamente do número de dínodos localizados dentro do fotomultiplicador. Além disso, sua sensibilidade espectral deve ser consistente com o comprimento de radiação do próprio cintilador.Por exemplo, o PMT-85Aa região de sensibilidade espectral máxima fica na faixa de 380-420 nm, o que é consistente com o cristal de iodeto de sódio com seu comprimento de onda de 415 nm. Também é importante considerar a resolução da amplitude, indica 10%. O número de estágios de amplificação, isto é, os nódulos 11. No contexto deste trabalho, foram comparados dois 85 PMTs, com a letra A e sem. Qual é a diferença? Alguns dizem que o PMT com a letra A tem menos corrente anódica escura, o que produz menos ruído. Outros afirmam que isso é uma rejeição da fábrica.Na prática, ao comparar as duas amostras, não houve diferença, tanto no ruído quanto na resolução. A única coisa é que o FEU-85A opera com uma tensão mais baixa de 540 volts em vez de 600. Como resultado, decidi pela letra A, quanto menor a tensão, menor o ruído no espectro.
Este é um PMT-31, sua sensibilidade espectral nos convém, mas existem apenas 8 dínodos e a resolução de amplitude é de 11%. A amostra é claramente pior no desempenho. No que diz respeito aos próprios passaportes, para o FEU-85A, garante a preservação das características técnicas por 12 anos a partir da data de produção. Em geral, esse pedaço de papel está atrasado há 20 anos. Acredite que não vale a pena, tudo precisa ser verificado no trabalho.No que diz respeito à escolha de PMT na compra de mão. Primeiro de tudo, você precisa inspecionar visualmente a garrafa de vidro quanto a rachaduras. Se houver, o amigo provavelmente está morto. Isso também será evidenciado pelo fotocatodo antimônio-césio, que ficará incolor ao reagir com oxigênio. Na verdade tudo, o restante dos parâmetros pode ser encontrado apenas ao verificar a instalação.
Para iniciar o multiplicador fotoeletrônico, é necessário aplicar alta tensão conectando os dínodos através de um divisor na forma de resistores, de acordo com o esquema de projeto. Há também um amplificador de transimpedância nesta placa , que converte a corrente de entrada em uma tensão de saída proporcional, que é alimentada diretamente na placa de som do computador.
Agora nos voltamos exclusivamente para a montagem e ajuste do espectrômetro gama. O tubo fotomultiplicador é mais convenientemente conectado através de um soquete, o que reduz o risco de danificar a garrafa de vidro. Uma dessas lâmpadas custa cerca de 40 dólares. Será uma pena se algo der errado.
Em seguida, limpe a janela de vidro do cintilador com um pano macio e puxe borracha de diâmetro adequado para o corpo. Centralizará o PMT em relação à janela. Quando perguntado sobre onde obtê-lo, este é um pedaço de borracha de uma câmera de bicicleta.
Para garantir um bom contato óptico, um fluido especial está localizado entre o PMT e o cintilador. Qual? Graxa de silicone, a mais grossa encontrada. Você pode perguntar por que não usei a vaselina técnica recomendada pelo vendedor do cristal? É simples, não é adequado em relação à absorção da radiação ultravioleta, também absorve a luz do cintilador e se torna um lubrificante óptico, mas um obstáculo que piora os parâmetros de saída. A geleia de petróleo refinada de farmácia tem o mesmo problema.Portanto, eu recomendo a graxa de silicone por conta própria; durante todos os experimentos, funcionou com um estrondo. Você não precisa derramar muito, caso contrário, ele vazará e o sujará com alguma coisa. Você precisa pressionar e rolar os elementos entre si para comprimir o excesso de silicone.
Ótimo, temos uma construção tão bonita.Para proteger o PMT, envolvemos-no várias vezes com polietileno de espuma fina e colocamos em cima um tubo de permalloy - um material magnético macio que protege o interior da lâmpada de várias influências eletromagnéticas externas. Como um campo magnético pode afetar os tubos de raios catódicos, mostramos em um dos posts anteriores. Você pode obter permallah vasculhando um mercado de pulgas, a partir do antigo osciloscópio, em torno dele é o que estamos procurando. Só há um problema, o formulário não se encaixa aqui. É necessário trabalhar com um martelo. Você precisa alinhar as arestas e formar um cilindro. Durante a deformação, o metal forma zonas de tensão, que devem ser liberadas aquecendo o material com uma cor carmesim.Quando aquecido, pode-se observar o chamado ponto curie, que caracteriza a mudança na transição de fase de segunda ordem. Simplificando, um metal após uma certa temperatura deixa de ser magnetizado por um ímã, bastante interessante! Em geral, procure permalloy onde quiser. Ele é necessário, sem ele é como ir ao banheiro sem papel.
Agora a fonte de alimentação é de alta tensão negativa. Aqui, todos os detalhes são facilmente acessíveis, com exceção do driver de chave IR2121, encontrado apenas no pacote DIP maciço, e no transformador de alta tensão que você precisa para se enrolar. Tenho certeza de que, nesta fase, metade das pessoas no salão se levanta e começa a deixar o cinema, mas, ei, é simples.No layout do mercado mais próximo, onde tudo tem 10 rublos cada, encontramos um isqueiro elétrico chinês, dentro dele é um excelente transformador seccional. A tarefa é desenrolar seu enrolamento secundário e enrolar um novo fio de 0,2 mm. Gira aproximadamente 200-250. Não tocamos a bobina primária em ferrita. Após o enrolamento, impregnam o transformador acabado com cera ou epóxi. O processo leva cerca de 20 minutos quando você sabe o que fazer.Demorei alguns meses para resolver esse problema. Dezenas de tipos diferentes de transformadores de alta tensão foram experimentados, incluindo opções de lâmpadas fluorescentes para retroiluminação de monitores e terminando com transformadores em minúsculas de TVs antigas, como TVS. Mas havia muito barulho com tudo isso.A mais simples e mais confiável foi a opção de fabricação própria. Também dele havia um leve ruído, mas era mínimo.
Revisão. Um amortecedor é adicionado ao circuito, um filtro que suprime emissões indutivas espúrias e vibrações durante transientes. Em resumo, esta é uma cadeia seqüencial de resistor e capacitor, que é selecionada individualmente em cada circuito. A instalação de um filtro desse tipo permite reduzir a ondulação da fonte de alimentação na parte de alta tensão.Se, sem as pulsações do amortecedor a 600 volts, atingir 1 volt, o filtro as reduz para meia volt. O resultado é 2 vezes óbvio.O artigo recomenda que, quando você ligar o conversor pela primeira vez, desaparafuse o resistor de sintonia na posição mínima, isso é importante. Negligenciar esse item aumenta o risco de falha da parte de potência do circuito.A regulação da tensão no circuito é realizada usando um controlador PWM TL494. Alterando a resistência do resistor, pode-se observar como o ciclo de trabalho do controle pulsa. A tensão máxima que pode ser obtida com esse conversor é de aproximadamente 3 kV. Se mais de 2 não levantou, não havia necessidade.
Estabilidade.O circuito mantém perfeitamente a tensão definida, independentemente da potência de entrada na faixa de 8 a 14 volts. O mesmo vale para a estabilidade climática. É importante que a tensão não mude com as mudanças na temperatura ambiente, caso contrário, isso levará a uma deterioração na rarefação dos espectros de energia resultantes. Este circuito foi aquecido com um secador de cabelo. A 57 graus, o indicador de cristal líquido no termômetro ficou preto, mas a tensão na fonte de alimentação é quase estacionária. Nível!Quando configurado corretamente, a 600 volts, o circuito consumirá apenas 33 mA. A montagem de 18650 baterias com uma corrente de 3 amperes é suficiente para a operação contínua do dispositivo por 90 horas.
De fato, o esquema é bastante simples e, com a montagem adequada, funcionará na primeira vez. Para facilitar a configuração, todas as formas de onda mostradas anteriormente no filme estão listadas aqui.Portanto, a fonte de alimentação está pronta. Resta soldar o fio do sinal na saída do amplificador operacional. Deve ser blindado. Pode ser um cabo de áudio ou a versão soviética com uma trança prateada.
Como resultado, devemos obter esse conjunto, composto por uma placa conversora de tensão e uma placa divisória com um amplificador operacional, no qual existe um soquete de baquelite.A parte eletrônica está pronta e aguarda a reunião com a unidade de detecção.Ajudaremos isso a acontecer e colocaremos o painel na bunda da PMT. Além disso, não esqueça de conectar o permalloy à saída geral do circuito com uma fiação fina. Um ponto importante, a placa multiplicadora não deve conter resíduos de fluxo e outros produtos eletrônicos de atividade vital. Talvez algo para romper. Para maior confiabilidade, a unidade de detecção é unida por faixas elásticas. Você não precisa ser zeloso; caso contrário, pode atravessar a janela óptica do cintilador, danificar a PMT ou qualquer outra coisa. Isso é tudo. O espectrômetro gama está pronto para funcionar.
O tubo fotomultiplicador é muito sensível e pode literalmente sair da escala. Em geral, parei em um tubo de papelão. Juventude na moda elegante.Definimos a tensão do conversor na região de 600 volts e examinamos o sinal que recebemos da saída do amplificador operacional. No osciloscópio, observaremos pulsos com diferentes amplitudes. Isso tudo é radiação de fundo. Radiação natural na forma de raios gama presos em um cristal cintilador.Os pulsos de corrente provenientes do ânodo PMT são bastante curtos, porque o amplificador operacional os estica à força para cerca de 200 microssegundos, tornando mais fácil processá-los com uma placa de som.Se você levar para o cintilador um interruptor com uma massa de luz de corrente constante baseada no rádio 226 , haverá muitos pulsos. Os osciloscópios digitais são uma coisa boa, mas em alguns modos de operação eles são tão burros que às vezes você quer bater com a cabeça na parede.Na versão soviética, os pulsos são visíveis em tempo real, são simplesmente excelentes ...Rádio fobia, você ainda não pressionou uma cadeira diante da visão de um fundo normal de radiação? A radiação natural existe em toda parte, você não pode se esconder dela, ioniza e destrói suas células de DNA. Medo? Eu também! De alguma forma, devemos lidar com isso. Vamos construir uma casa principal. Sua tarefa é isolar o espectrômetro do fundo natural externo.
A segunda parte de
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