♀️ 🤯 🦓 Produtos radioativos. Espectrômetro gama. Parte 2 🦏 📗 🥁

Na parte anterior, aprendemos como montar um espectrômetro gama. Nós aprendemos como escolher o cristal certo de iodeto de sódio e muitas outras sutilezas nesta arte espectrométrica.

A primeira parte

Em seguida, precisamos construir uma casa principal. Sua tarefa é isolar o espectrômetro do fundo natural externo.

Nós vamos precisar:

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

O próprio chumbo foi jogado para nós por um bom amigo, pesos tão pequenos são usados para equilibrar as rodas no encaixe de um pneu. O único aspecto negativo desse produto são adesivos pegajosos de um lado. Portanto, colocamos nossas calças e saímos para a natureza, você precisa queimar tudo o que é desnecessário e derreter o metal nobre. De que servem essas manobras para a natureza, aqui você pode ter um bom golpe, de fato o que fizemos durante todo o processo.

Neste momento, estamos preparando uma sopa de chumbo. Aqui você precisa remover a espuma e outras escórias, que estão no topo. Quanto mais limpos os lingotes originais, menos lixo você terá que pegar. Aquecemos o metal com uma pequena margem e começamos a derramar gradualmente no tubo de ventilação. A camada inferior deve ter cerca de 3 centímetros de altura.É importante fazer essas coisas em clima ensolarado e seco, dicas de chuva são inaceitáveis; caso contrário, o chumbo pode cuspir facilmente em seu rosto. Aprendido!

Agora é necessário instalar e centralizar com um parafuso, uma luva de tanque de 76 mm, e continuar a derramar as paredes do produto com chumbo quente. Depois de vários procedimentos entediantes e repetitivos, nossa liderança acabou. O peso total do produto é de 23 kg. Deixando os piqueniques favoritos de todos, não esqueça a carta-letra da fogueira. Depois de transportar a casa em branco, com a ajuda de uma serra para metal, cortamos tudo desnecessário.

Então, vamos relembrar a imagem dos pulsos de fundo que vimos durante a operação do espectrômetro gama. Agora vamos ver o que muda.

Da prática.Uma camada de chumbo homogêneo com uma espessura de 2 centímetros reduz o fundo gama em exatamente 10 vezes, e isso é claramente visível no programa Becquerel Monitor. Para um cristal de iodeto de sódio medindo 30 * 40 mm, o número de pulsos fora da casa será 60, e somente 6 na casa.

Certamente muitos vão se perguntar por que tantos problemas com chumbo!?
Este é um exemplo de uma captura de fundo normal com e sem proteção. No espectro, parece que não há uma dúzia de pulsos aqui, mas cem vezes mais.Com relação aos dosímetros domésticos. A varredura de rádio 701 mostra um valor de fundo de 11 micro-roentgen, 2 centímetros de chumbo reduz esse valor para 7.
Essa é a norma: na produção desses Radioskans eles mostraram um bunker inteiro feito de tijolos de chumbo, eu gostaria disso ... O

espectrômetro gama é montado e ajustado.O fotomultiplicador é alimentado por uma alta voltagem e vemos pulsos na saída do amplificador operacional. Aproximadamente 99% deles devem caber em uma amplitude de um volt. Ocasionalmente, pulsos de grande amplitude deslizam, são partículas cósmicas de alta energia que atingem nosso detector. Todos os oscilogramas que observamos na unidade de detecção são mostrados neste diagrama. Aqui está a pinagem da PMT do 85º, e o unicórnio, em geral, tudo o que você quiser.

O produto de todo o trabalho anterior é um sinal que deve ser processado em um computador. Usando um programa especial, decomponha-o no espectro de amplitude, pelo qual é possível julgar um isótopo radioativo específico na amostra de teste.

É hora de conectar o espectrômetro gama ao seu computador. Insira o conector na entrada do microfone. Alguns para esses fins usam placas de som externas, como o Orico, mas é necessário considerar que ele possui uma fiação de conector diferente.

A parte do software. No começo, precisamos ir ao menu de som. Nas configurações do microfone, encontramos a seção de melhoria. Nele, é necessário desativar todos os efeitos sonoros que possam interferir em outros trabalhos. Também aqui você pode ouvir o som que chega à entrada do microfone. Certifique-se de que tudo funcione.

Agora precisamos de uma casa principal. Para maior confiabilidade, colocaremos uma placa de cobre na parte inferior da manga. Para o que é necessário e como a fluorescência de raios X do chumbo aparece no espectro, consideraremos um pouco mais tarde. Agora precisamos obter uma fonte radioativa.

A coisa mais simples que pode ser usada são interruptores antigos ou um relógio com uma massa de luz de corrente constante baseada no rádio-226. Manter essas coisas em casa não é totalmente legal, porque esse exemplo será puramente demonstrativo por natureza, depois do qual eu o comerei. Piada. Colocamos essa amostra infernal de mentes frágeis da época no fundo de nossa casa e abaixamos o espectrômetro gama lá.

Agora, nossa tarefa é configurar corretamente o programa no qual lidaremos com o processamento de espectros. É chamado Becquerel Monitor.

Neste momento, quero expressar um agradecimento especial a Evgeny Soloviev , que ajudou na configuração do software e explicou em linguagem simples muitos dos processos que ocorrem nessa difícil tarefa.Ele é um mestre em iodo, caramba! Muitos fragmentos desta edição foram extraídos de sua rica experiência e foram transferidos para mim, o jovem Padawan. Agora ele sou eu, eu sou você, e você é ele!

Portanto, para iniciantes, clique no botão Iniciar do programa e comece a coletar o espectro. Haverá muitos pulsos do relógio de rádio na entrada da placa de som, o que significa que o hardware está funcionando. Não faz sentido coletar o espectro agora, já que nada está configurado. Pare o processo com o botão Parar.

Na seção do menu de ferramentas, precisamos ir para a seção "alterar configuração do dispositivo". Aqui criamos um nome para nosso espectrômetro gama "FEU-85A, iodo de sódio 30 a 40". À direita, vemos a seção "básica". Aqui estamos interessados em dois parâmetros. O primeiro é o tempo de medição, por padrão custa 3600 segundos, ou seja, uma hora, adiciona zero e aumenta o tempo para 10 horas. O número de canais em vez de três mil é definido como 4-re. Não tocamos na etapa do canal e deixamos como está. Na seção "básico", é tudo, salvamos os parâmetros definidos.

Vá para "configurações do dispositivo", esta seção pode ser considerada a principal.O dispositivo de áudio que tenho é o Realtek High Definition, ele está embutido na placa-mãe. Taxa de amostragem, quanto mais, melhor. Colocamos 192 mil hertz. A profundidade dos bits seleciona 24 bits. Nível do sinal - marque a opção “Auto tuning” e use o controle deslizante à esquerda para diminuir o nível do sinal para cerca de 13%; seu valor pode ser diferente. Não toque na polaridade do dispositivo. O limite inferior é selecionado individualmente, recebo esse valor 0,7, o limite superior é deixado como está, 100. O limite está na forma do pulso, o valor ideal é de 60%.

Agora, na parte inferior, vemos uma janela separada "definindo a forma de pulso exemplar". No início, definimos o valor NRP, ele deve ser maior que o nível de ruído, é selecionado individualmente, eu o tenho 1. Deixamos a pista como está, 100. Pressione o botão Iniciar e o programa começará a registrar os pulsos do modelo.

Preste atenção à sua forma, eles são bastante estreitos e afiados. Vamos tentar esticar o momento para a largura da janela. Para fazer isso, precisamos alterar o parâmetro de largura da amostra, definir o valor para 32 e a posição do pico, definir 16. Pressionando o botão de gravação, você pode perceber como a imagem mudou, o impulso foi estendido para toda a janela.

Agora, o que acontece se o parâmetro NRP for menor que o nível de ruído?Em princípio, nada de bom, o sinal parecerá algum tipo de cabelo torto. Aumentamos o parâmetro da NPP para 0,5 e vemos o que muda. A forma do impulso tornou-se mais bonita, mas ainda vemos alguma distorção no topo. Não é bom. Um resultado aceitável foi o valor de um. Coletamos cerca de 2 mil pulsos de modelo e os salvamos no programa. Bem. Atualize a configuração do dispositivo.

A tela antiga não é adequada para esboçar outra obra-prima, deve ser limpa. Vamos começar a coletar um novo espectro e ver o que é visível aqui.

A luz contínua em horas é bastante ativa, produz mais de duzentos pulsos por segundo. Após cerca de 2 minutos, podem ser observados picos de energia individuais no espectro que correspondem ao SPD do rádio, mas as energias na escala não são distribuídas corretamente, vamos ver qual o valor que o último pico nos mostrará. Sim, 780 keV, isso é demais.Este morro deve corresponder exclusivamente à energia de 609 keV. Isso é azar ...

Para resolver essa situação, precisamos abrir a janela "calibração de energia". Vemos três coeficientes, A, B e C. Reduz o valor do coeficiente B a tal ponto que um pico com uma energia de 609 keV não corresponde à mesma energia no programa. Expandiremos o espectro para examinar com mais detalhes o que e para onde estamos mudando.

Agora, essa é uma configuração aproximada, é necessário para entender aproximadamente quanto difere o valor de dois parâmetros importantes. Com uma boa sintonia, o canal na figura deve corresponder aproximadamente à energia. Se for maior, o espectro será coletado por mais tempo; se menor, os picos de energia não serão tão detalhados. Em geral, tocando com o nível do sinal de entrada, você pode mover o espectro para cima ou para baixo em relação ao canal. Tudo isso é ajustado individualmente para cada espectrômetro gama. Essa configuração levou cerca de meia hora.

Ligue a escala logarítmica e expanda a imagem. Aqui você pode ver a região de energia máxima que o programa é capaz de processar. Eles correspondem a cerca de 3 ou mais megaelétrons-volts. Quanta cósmica em pessoa!

Calibração precisa do espectro.É habitual fazê-lo de acordo com fontes que possuem picos de energia únicos; o césio-137 é usado nos clássicos. Mas, proponho uma opção interessante, usar potássio-40 junto com césio. Obteremos uma imagem de acordo com a qual você pode calibrar com precisão nosso espectro para três picos. Como fazer isso? Na janela abaixo dos coeficientes, vemos o botão "calibração multiponto". Agora somos oferecidos a escolher um canal. Vamos do menor para o maior. O primeiro pico é a fluorescência de bário por raios X na amostra de teste com césio-137, o segundo pico corresponde ao isótopo mais radioativo do césio-137. A terceira colina é o potássio-40. Vou lhe dizer onde conseguir essas fontes um pouco mais tarde. Enquanto isso, na lista acima, você precisa ajustar os valores com energias.

Para a fluorescência de raios X, o bário é 32 keV, para o césio 137 - 662 keV, para o potássio 40 - 1461 keV. Pressione o botão para calibrar, e todo o espectro é alinhado automaticamente de acordo com as energias. Os coeficientes A, B e C determinaram os valores necessários para si. Agora você precisa salvar as configurações na configuração do dispositivo. Tudo, o programa está configurado e calibrado.

O que temos no final!? Essa distribuição é um espectro de amplitudes de pulso obtidas no estudo da radiação monoenergética. É a partir dos parâmetros de tais picos que a característica de radiação é restaurada. No final do espectro de amplitude dos pulsos, há um pico correspondente à absorção total de uma partícula com uma certa energia pelo detector.

Idealmente, o pico de absorção total deve ser infinitamente estreito; no entanto, mesmo no caso de um cintilador ideal, ele terá uma certa meia largura associada a flutuações no detector.

A razão entre a largura do pico e a sua amplitude é denominada resolução de energia do cintilador. Quanto menor esse valor, maior a resolução do detector de cintilação, neste caso, é 8%. Basicamente, a resolução é geralmente medida pelo pico de césio-137, mas o pico de bismuto-210 na base do rádio, que fica na região de 609 keV, também é perfeito para isso.

Análise dos resultados. Às vezes, leva um dia inteiro para coletar um espectro aceitável de amostras de radioisótopos fracamente ativas. Então esperamos, conseguimos um pente incompreensível. O que é e com o que ele come?

Vamos examinar um exemplo baseado no rádio-226. Cada isótopo radioativo em sua vida supera a meia-vida com a conversão em outro elemento químico com um peso atômico diferente. Cada decaimento é acompanhado pela liberação de partículas alfa, beta ou gama.

Aqui está a cadeia de meia-vida do rádio-226. No processo, ele se transforma em radônio, o radônio se transforma em chumbo-214, chumbo em bário e assim por diante até que um elemento estável seja formado na última cadeia dessa meia-vida, neste caso, chumbo-206. A partir disso, fica claro que estamos lidando não apenas com o rádio 226 em horas, mas também com um monte de isótopos radioativos, que devem ser considerados separadamente.

Aqui, o recurso NuDat pode nos ajudar .Todo esse pique na imagem é uma tabela periódica avançada. Entre todos os isótopos possíveis, encontramos o rádio-226. Clique nisso. Após o programa carregar o elemento necessário, uma pequena lista será exibida abaixo, e estamos interessados no item “radiação decadente” .

Ele abrirá uma lista de possíveis energias durante a decadência. Abaixo, estamos interessados na seção com radiação gama e raios-x. Aqui vemos que, com um maior grau de probabilidade, 3,64% em nosso decaimento, será liberada energia correspondente a 186 quiloelétrons-volts. No espectro, esse pico está bem aqui e corresponde à energia muito necessária de 186 keV. Bem.

Considere o isótopo radioativo césio-137.Sua meia-vida é de 30 anos. O próprio césio-137 é uma fonte beta, em decomposição beta, transforma-se em um isômero de bário-137m, que vive apenas 2 minutos e meio e decai, cospe um quantum gama com uma energia de 662 quiloelétrons-volts, completando a cadeia de decaimento e se transformando em um isótopo estável de bário-137.

Mas, no espectro, ainda existem cerca de três picos.O primeiro, que é de 32 keV, é a fluorescência de bário por raios-X, quando uma partícula cai no bário durante a decomposição, produz seu próprio quantum com uma energia de 32 keV. O mesmo se aplica à segunda colina, esta é a fluorescência de raio-x do chumbo em uma casa de chumbo. Grande monte preto, este é o efeito Compton. Isso ocorre devido ao fato de que nem todos os gama quanta são completamente absorvidos pelo cintilador. A maioria deles perde energia ao longo do caminho como resultado de colisões com elétrons de substâncias, e somente depois disso são absorvidos pelo cintilador. Em geral, Compton, usando o césio como exemplo, é nosso 662 keV que perdeu energia ao longo do caminho.

Estou certo de que agora muitos de vocês têm uma pergunta sobre onde obter fontes radioativas legais para pesquisa!?.Tudo é muito simples. Por exemplo, césio-137, estes são cogumelos porcini comuns que eu como. Alguns deles foram coletados no distrito de Malinsky, outros foram trazidos de Radynka, a vila do distrito de Polessky, localizada a 30 quilômetros de Chernobyl.

Para fixar pelo menos algum excesso no fundo, os cogumelos devem ser completamente secos e picados em um moedor de café. Como resultado da medição dessa bolsa, o Radioskan 701 mostrou um histórico de 13 micro-roentgen, e o próprio espectro a partir dele teve que ser coletado em 10 horas.

Existem muitas fontes semelhantes ao nosso redor, se você souber o que procurar.Por exemplo, eletrodos de tungstênio com adição de 2% de tório-232. Você pode comprá-los em qualquer loja que venda equipamentos de solda. Para facilitar a medição, colocamos a amostra em um pequeno recipiente de plástico. A varredura de rádio com a tampa do filtro gama fechada mostra cerca de 30 micro-roentgen.

O urânio-238 é encontrado em qualquer copo de urânio na forma de sais ali dissolvidos. Esses botões foram comprados no mundo infantil local, você pode encontrar essa beleza com a ajuda de uma lanterna ultravioleta.

Relógios com ação constante de fósforo de rádio. Esta amostra foi encontrada usando um dosímetro em um mercado de pulgas, o vendedor nem suspeitava da existência de tais artefatos. Não aconselho que você guarde isso em casa, caso contrário, precisará de um advogado.

Amerício 241.Você pode escolher entre um detector de fumaça no qual ele faz parte de uma câmara de ionização. Essa fonte mostra um fundo gama da ordem de 87 microrrentens. Então, escrevemos em um pedaço de papel, 86 μR.

Potássio 40. Este é um nitrato de potássio comum, vendido em lojas de flores e usado como fertilizante. As indicações são 13 micro-roentgen. Quase todas as amostras listadas acima estão disponíveis para venda e diferem na variedade de espectros que podem ser estudados e analisados na prática. A radioatividade aqui é "extremamente pequena" e leva muito tempo para discernir pelo menos algum resultado do mesmo césio.

A espectrometria de raios gama é, em grande parte, uma jornada ao mundo dos mistérios; aqui você terá que resolver os desvios na tela do monitor na esperança de saber que tipo de energia está emitindo pelos isótopos.

Para simplificar sua tarefa, você pode criar uma biblioteca de espectros dos isótopos mais comuns, conforme mostrado neste exemplo. Agora vemos uma escala linear, aqui a energia é proporcional em toda a escala. Ao ligar a escala logarítmica, veremos um espectro proporcional a um certo logaritmo da razão de quantidades; é fácil discernir nela uma gama de alta energia, que geralmente voa para o cintilador com menos probabilidade. Nesta bela nota, passamos sem problemas da parte tediosa para a mais interessante. Experimentos, observações, intrigas e investigações ...

Temperatura.Para melhorar a precisão das medições feitas pelo espectrômetro, alguns pontos devem ser levados em consideração. Um cristal de iodeto de sódio muda o espectro quando a temperatura ambiente muda. Isso é especialmente evidente de manhã e à noite, quando a temperatura ambiente varia alguns graus. Portanto, quanto maior esse espalhamento durante a medição, maior o desvio, mais o espectro se espalha em uma escala, mais por cento haverá uma resolução final, o que não é bom!

A posição do espectrômetro em uma casa principal. É aconselhável realizar todas as medições na mesma posição, por isso eu recomendo fazer etiquetas. Permalloy, embora proteja a PMT de diferentes campos magnéticos, mas isso nem sempre dá o resultado desejado. O espectro também pode se mover em uma direção ou outra.

Muitas medições nos estágios iniciais foram feitas através da conexão de um longo fio blindado. Se você reduzi-lo para um metro e rastrear bem o espectrômetro, então, desde que a temperatura na sala seja estável, você poderá observar uma melhoria na resolução de césio no espectro, o melhor que o recebeu foi de 7%, mas a fonte está fracamente ativa. Não tenho certeza se as leituras estão corretas. Seguindo uma recomendação simples, você pode fazer um instrumento de medição de cintilação profissional a partir de vários componentes eletrônicos que permitem determinar a composição isotópica de materiais radioativos.

Agora, alguém pode perguntar: por que você precisa de cobre entre o espectrômetro e o chumbo!Vamos fazer um experimento simples. Medimos o fundo da casa com e sem chumbo. No espectro, pode-se observar aumento da fluorescência de chumbo por raios-x na região de 80 keV; se uma imagem é sobreposta a outra, a diferença é muito perceptível. O cobre ajuda a suprimir esse efeito parasitário.

Demorou muito tempo para entender as características dos cintiladores. Um cristal, como se costuma dizer, é um cristal na África. Mas o iodeto de sódio ativado por tálio não é fácil.

Um pouco sobre o cristal amarelo. Todas as medições foram realizadas na mesma voltagem em um PMT de 600 volts. Grosso modo, o cristal simplesmente mudou sem nenhum ajuste. Observando a foto, mesmo a olho nu, ficou claro que todos os impulsos eram de alguma forma pequenos em amplitude,Se você acredita na teoria anteriormente expressa do vendedor sobre um cristal que ficou amarelo apenas nas paredes, provavelmente acontece o seguinte.

Esse fóton de luz que nasceu nas profundezas da transparência é absorvido em algum lugar nas profundezas do amarelo; como resultado, poucos fótons atingem o tubo fotomultiplicador. Qualquer tipo de multiplicação ocorre, mas na saída obtemos um sinal adequado apenas para a contagem.
No modo de contagem, mais decaimentos do fundo natural são realmente registrados. No programa, vemos até 90 partículas por segundo.

A resolução no pico de césio-137 é de 14%; nesse caso, você pode realmente ver a silhueta do césio no espectro. Tudo não é tão simples com rádios, esses mono-montes me desorientaram há 2 anos, me forçando a parar de trabalhar nessa direção.Havia suspeitas no circuito conversor defeituoso e no multiplicador fotoeletrônico. Como resultado, tive que comprar outro PMT, outro cristal, gastar recursos e tempo para entender o que aconteceu.

E aconteceu o seguinte, fui simplesmente enganado. Naturalmente, eu queria devolver o dinheiro, ou pelo menos mudar o cintilador amarelo para o normal, liguei para o vendedor e contei toda a história, para a qual ele me respondeu:

- Transparência (amarelecimento e brancura) é uma avaliação muito subjetiva, algumas pessoas dizem que está tudo bem, tudo funciona . Alguém diz que o espectrômetro não funcionará, eu o levarei ao modo de contagem.

Para entender o que é um modo de contagem.Existe um radiômetro de cintilação SRP-88. O princípio de sua operação é amplificar qualquer pulso que venha de um PMT para um determinado nível, digamos até 5 volts, e aplicá-lo à parte de contagem do circuito. Esse radiômetro não dá a mínima para a amplitude do sinal de saída do tubo fotomultiplicador. Sua principal tarefa é contar! Daí a conclusão: até um cristal do lixo será depositado na conta. Aqui surge a questão de quantos quanta de luz serão perdidos no caminho para a PMT.

Continuação da conversa:

- Veja, uma pessoa, quando ele pega um cristal de 85, 86, 87 anos, é claro que ele não corresponderá às características que estão no novo cristal dos anos 2000;
- Ou seja, todos eles são amarelados!?
- Bem, eles estão em tal grau de transparência, por assim dizer;
- Vamos! Aqui está o cristal de 1976, ele nunca fica amarelo e todo o trabalho foi realizado durante a preparação deste lançamento. Você diz que cristais amarelos são comprados de você para tarefas espectrométricas!?
- Compre ...
- Sou o primeiro a dizer que o cristal amarelo não é adequado para esses assuntos!?
- Sim, a primeira pessoa ...

Voltei-me para o grupo de espectrometria com a pergunta: "Alguém encontrou bons cristais deste vendedor?" Ao que todos juntos responderam: "NÃO!"

- Eu não me desesperaria em seu lugar ...
- Eu não me desespero, está tudo bem, onde mais ganhar experiência, exceto tentar descobrir o que é o quê.

Para referência. As filmagens deste lançamento levaram um recorde de três anos. Nem todos os hamsters foram capazes de ver o resultado final da pesquisa nessa direção.Gostaria também de agradecer a Evgeny Solovyov , Dmitry Novikov, Sergey Matyushenko , Vasily Chechyulinsky e muitos outros que ajudaram de uma maneira ou de outra na preparação deste projeto. Há muita informação técnica. Se em algum lugar do processo forem cometidos erros, você será bem-vindo nos comentários! Eu não sou um espectrômetro, mas apenas um inferno fora do caminho.

Como o Mestre Yoda disse:
"Ouvir você é muito complicado". Você ouviu o que eu disse?
- Professor, mover pedras é uma coisa. E aqui - uma questão completamente diferente!
-Não! Não outro! Outro apenas na cabeça.

Primeira parte

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Produtos radioativos. Espectrômetro gama. Parte 2

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