📏 🌌 🤵🏻 放射性产品。伽玛光谱仪。第1部分 🌙 🙍🏿 🥁

仓鼠欢迎您的朋友。

今天的帖子将专门介绍闪烁伽马能谱和研究伽马量子语言中的不可见世界。日常生活中围绕我们的许多事物可能包含放射性同位素；它们可以是天然或人造来源。衰减时，它们会发射α，β或γ射线。我们对嫌犯名单中的最后一位同志感兴趣。今天，我们将抓住他，进行变换，并根据能量迹线计算其潜在的同位素。在课程中，我们将考虑如何组装伽马能谱仪以及如何进行设置。我们将学习如何在这种光谱技术中选择正确的碘化钠晶体和许多其他细微之处。

想象一下这种情况：您正在食品市场上漫步，剂量计在您的口袋中触发，并在超过背景辐射时通知您。问题：您如何知道巴巴莱的西红柿感染了哪些放射性同位素？很简单，为此，有必要将对象放置在特殊的铅屋中，并使用伽马能谱仪对其进行检查。几个小时后，从特征能量峰发现，番茄被铯137的放射性同位素及其钡137的子代衰变产物所感染。巴巴莱可能在家中有一个核反应堆！快速入门指南非常全面，因此让我们看看它是如何开始的以及它们如何工作。

背景。在遥远的2017年，我在RadioKOT网站上看到了一篇有关伽玛光谱的有趣文章。其作者是马克西姆。后来证明，这是Atom系列设备的创建者。本文非常简单，详细说明了构建此设备所需的条件，并绘制了图表。有一些关于调整以及与自制伽马光谱仪一起使用的细微差别的说明。正如我用两根手指想的那样，在一周后的办公桌上放着进行该项目所需的所有必要组件。

整个结构中最奇特的元素是碘化钠晶体。对这种人工制品的搜索主要导致~~Eugene Nagurny~~，几乎在所有论坛中都出售此类小玩意的卖家。我们打电话给他，我告诉他我要做一个伽马能谱仪。就他自己而言，他建议找到一个FEU-85A光电倍增管，工业凡士林作为该项目的光学润滑剂，并建议从他那里购买30 * 70毫米钠闪烁晶体。它比文章中的要多，这意味着该设备应该更灵敏。这么英俊的男人来找我。唯一引起怀疑的是淡黄色。我给卖方写了有关颜色的信息，如果晶体干净，透明并且在底部可见，他会回答这种颜色，那么质量就很好。 “很好！”

所有组件都在手上，工作泥泞，车轮在旋转。由于在原始文章中仅给出了方案，因此您需要自己选拔董事会。几个晚上，第一个草图开始出现在纸上。在这里和它们的无线电元件的座位，其尺寸应使整个装置安装在纸板管中，以方便使用。使用光刻胶方法，我们将迹线转移到铝箔玻璃纤维上。我们蚀刻电路板，并在其上焊接微电路，电阻器，电容器和其他组件，这些器件的位置已预先提供。添加了一个音频放大器，以检测进入闪烁体晶体的伽马射线的喀哒声。还添加了一个dc-dc转换器，使您可以通过传统的5伏移动电源为整个设备供电。

使用gerber文件和其他实用程序进行存档

电路已组装和配置。在示波器屏幕上，清晰可见不同幅度的脉冲，这反过来表明了伽马能谱仪的性能。一切都会好起来的，但是当您将设备连接到计算机时，分析声卡输入处接收到的信号的程序会显示一些奇怪的颠簸，这些颠簸与以前已知的控制源的频谱无关。接下来的几个月试图找出问题的原因并没有带来任何好处。在这个阶段，我打了一个粗大的螺栓，然后继续进行其他项目……

一段时间后，一个陌生人问我：

“你好吗！？”
- 我说：没办法;
“他就是那样：是的，然后保留正确的转换板的gerber文件。”

这个陌生人原来是迪玛·诺维科夫（Dima Novikov），他是一名无线电爱好者和经验丰富的光谱仪。他在这个方向上引起了第二阵风，工作又开始沸腾了。另一个任务是转向中文，并从他们那里订购印刷电路板。

大约半个星期后，一个干净的疏散包装到达了，里面有10个木板。你为什么要问这么多！库存口袋不按！现在您可以安装无线电元素。一开始，我们先用吹风机吹大块的零件，然后再用烙铁吹小块的零件。整个安装过程不超过30分钟，然后出现一个可调节的负高压转换器，通过它我们将向光电倍增管供电。但是，我觉得我们以某种方式分散了，而且我敢肯定，现在很多人都不明白是什么。我会尽力解释。

伽马能谱仪由五个部分组成，所有这些都现在显示在屏幕上。左侧是一个胶木插座，带有一个用于光电倍增管的分压器。接下来是我们刚刚组装的高压电源。在中间，我们看到了一个闪烁体晶体，它是一种将不可见的伽马射线转化为可见光的物质。它进入光电倍增器并放大，提供输出信息，我们将进一步处理。最右边的铁是坡莫合金，需要使用它来保护PMT免受外部电磁影响。

在该项目的框架内，仅使用了由NaJ（TI）活化的碘化钠晶体。在一个漂亮的苏联包装纸中制作的这个样品的价格约为70美元。快乐并不便宜。这些闪烁体是最常见的，它们具有高的γ和X射线吸收效率，高的光输出，良好的能量分辨率和相当短的闪烁时间。该晶体从字面上说来是带有X射线的美丽蓝光，其波长在415 nm范围内。

通常，对于这种现象的更粗略的证明，您可以服用普通的厨房盐，并用X射线对其进行照明。结果，它也将在可见光范围内闪烁，但由于它具有能带结构，并且在一个衰变过程中将发射很少的光子，因此无法用于伽马射线光谱分析。也不能将纯碘化钠用于这些目的，因为晶体是用al活化的。它改变了化合物的结构，产生了额外的能级，因此成品材料的特点是发光效率高。

理想情况下，闪烁体发射的光子数量应与吸收的能量成比例，这将允许获得辐射的能谱。粗略地讲，流进晶体的伽马射线能量越大，光的闪光越大，越有更多的光子进入光电倍增器。一切都很简单。

现在让我们看看选择choosing活化的碘化钠晶体时需要注意的事项。首先也是最重要的是颜色！晶体应完全透明，不应发黄，浑浊或任何裂纹。主要区别在此框架上清晰可见。您还应仔细检查光将来自的光学窗口，玻璃上不应有任何斑点或晶体分离的迹象，只有在良好的光线下才能看到此类缺陷。由于碘化钠极易吸湿，因此应注意铝制容器的密封性，以防止与环境中的水分接触。

大部分可以出售的样本都在遥远的苏联发行。样本尺寸为30 * 70毫米，出生于1985年10月。购买时，您可以专注于护照，它指示光的输出。该文件非常重要，我们将特别注意它。下面用黑白写明，检测器自制造商发货之日起可使用12个月。一般而言，这本护照已过期至少30年，因此我将其用于预期目的。

没有人取消目视评估！我们仔细观察颜色，并对黄色感到怀疑。根据一种理论，该颜色表示违反了生产技术，结果，位于铝质容器和晶体之间的反射性差的干燥粉末与碘化钠发生了反应。

这最终导致什么！黄色会妨碍光线的良好通过，从而导致最终分辨率显着降低，因此不应期望此类样品超过14％。例如，透明的8％晶体的光谱以绿色显示，所有单独的能量峰在此处清晰可见，而黄色晶体（黑色光谱）将整个图像合并成一个连续的混乱。黄色的晶体就像白内障；似乎可以看到世界，但看不到细节。这样的样本仅适用于仅脉冲的存在很重要的计算设备。在这些情况下，这些蛋黄无疑将起作用。

闪烁体的特征。如果用紫外线照射它（它对底部透明，但晶体为黄色阴影），则它将立即变得浑浊，并且外观上看起来像牛奶。但是，一个好的闪烁体的主要规则是完全吸收电离辐射，并完全跳过自己的闪烁光的闪光。例如，显示了一个好的晶体，它在日光和紫外线下都是透明的，而没有混浊。

另一个有趣的参数是余辉。好的晶体在暴露于紫外线后会产生相当长的余辉，这在此镜框中清晰可见。奇怪的是，黄色晶体根本没有这个参数。为了引起兴趣，我什至尝试在曝光后立即对两个样品进行30秒的曝光。一切都在这里得到很好的展示。

破裂的闪烁体的行为类似。它保持完全透明，并通过它检查所有裂缝。余辉在这里不是很明显，但是在快门速度较长的照片中也清晰可见。许多人说，外部暴露于光线下的晶体必须在黑暗中保存几天，以使其平静下来。在实践中，在使用紫外线灯残酷地欺凌后仅半小时，照射前后的光谱实际上是相同的。如果一个频谱叠加在另一频谱上，则可以清楚地看到。在这里，连引线室中的背景脉冲数量也保持不变。

至于大小，晶体越大，其面积越大，来自周围空间的伽玛射线越多。闪烁体的尺寸为30 * 40 mm表示晶体本身的尺寸，带有反射粉的密封容器具有多个较大的尺寸，其高度和宽度比指定尺寸大6 mm。如果取出密封容器中的内容物，碘化钠的口味会变咸，并且会在水槽上留下碘渍。之后，他会变白，说话并变得无法使用。

因此，伽玛射线进入闪烁体并与之相互作用，从而在晶体体内引起闪光。我们的进一步任务是捕获它们并将其转换为电信号。为此，使用光电倍增器。入射在光电倍增管光电倍增管上的光子会从中淘汰出光电子，然后将光电子聚焦在第一个倍增极上，然后从中淘汰出二次电子，这些电子会在每次倍增时被聚焦并导向下一个倍增极。为了聚焦和加速电子，将高电压施加到阳极和倍增极。这些操作的结果是，电流脉冲记录在PMT阳极上，这直接取决于伽马射线的吸收能量。

到达阳极的电子数量直接取决于位于光电倍增管内部的倍增极的数量。同样，其光谱灵敏度应与闪烁体本身的辐射长度一致。

例如，PMT-85A最大光谱灵敏度区域在380-420nm范围内，这与碘化钠晶体的415nm波长一致。考虑幅度分辨率也很重要，它表示10％。放大级数，即倍增极数11。在这项工作的框架内，比较了两个85个PMT，带字母A和不带字母。有什么区别？有人说带有字母A的PMT具有较小的暗阳极电流，从而产生较小的噪声。其他人则声称这是工厂的拒绝。

实际上，在比较两个样本时，噪声和分辨率都没有差异。唯一的是FEU-85A在540伏而不是600伏的较低电压下工作。结果，我将字母A固定下来，电压越低，频谱上的噪声就越少。

这是PMT-31，其光谱灵敏度适合我们，但只有8个倍增极，振幅分辨率为11％。该样本的性能明显较差。关于护照本身，对于FEU-85A，它保证从生产之日起保持12年的技术特性。通常，这张纸已经过期20年了。相信这是不值得的，一切都需要在工作中进行检查。

关于从手工购买时的PMT选择。首先，您需要目视检查玻璃瓶是否破裂。如果有的话，那么朋友可能已经死了。锑铯光电阴极也可以证明这一点，因为它与氧气反应将变为无色。实际上，其余所有参数只有在检查安装后才能找到。

要启动光电倍增器，根据设计方案，必须通过倍增极通过电阻形式的分压器连接倍增极，以对其施加高压。该板上还有一个跨阻放大器，它将输入电流转换为成比例的输出电压，该电压直接馈送到计算机的声卡。

现在，我们专门介绍伽玛光谱仪的组装和调试。光电倍增管最方便地通过插座连接；这减少了损坏玻璃瓶的风险。一盏这样的灯的价格约为40美元。如果出了什么问题将是可耻的。

接下来，用软布擦拭闪烁器的玻璃窗，然后将适当直径的橡胶拉到主体上。它将使PMT相对于窗口居中。当被问到从何处获得时，这是自行车照相机中的一块橡胶。

为了确保良好的光学接触，在PMT和闪烁体之间放置了特殊的流体。哪一个？硅脂，发现的最稠。您可能会问为什么我没有使用晶体销售商推荐的工业凡士林？很简单，它不适合与紫外线的吸收结合使用，它还会吸收闪烁体的光，并且不会成为光学润滑剂，而是使输出参数恶化的障碍。药房精制的凡士林也有同样的问题。

因此，我建议自己使用硅脂；在所有实验中，硅脂都可以奏效。您无需倒很多，否则它会漏出并弄脏您的东西。您需要向下按并相对滚动元素，以挤出多余的有机硅。

太好了，我们有一个如此漂亮的构建。为了保护PMT，请用薄泡沫聚乙烯将其包裹几次，然后将其放在坡莫合金管上。坡莫合金是一种软磁材料，可以保护灯的内部不受各种外部电磁影响。在前面的一篇文章中，我们展示了磁场如何影响阴极射线管。您可以通过在旧示波器上在跳蚤市场中翻找来获得Permallah，这是我们正在寻找的东西。只有一个问题，表格在这里不适合。有必要用锤子工作。您需要对齐边缘并形成圆柱体。在变形期间，金属形成张力区域，必须通过将材料加热到深红色来释放该张力区域。

加热时，可以观察到所谓的居里点，该居里点表征了二阶相变的变化。简而言之，在一定温度下，金属不再被磁铁磁化，这很有趣！通常，无论您要在哪里寻找坡莫合金。需要他，没有他就好比没有纸上厕所。

现在电源为负高压。在这里，除了IR2121按键驱动器（仅在大型DIP外壳中找到）和高压变压器（您需要自行缠绕）以外，所有详细信息都易于访问。我确信在这个阶段，大厅中的一半人会起身并开始离开电影院，但是，嘿，这很简单。

在最近的市场布局中，每一个都是10卢布，我们发现了一个中国的打火机，里面是一个出色的分段变压器。任务是解开其次级绕组，并缠绕新的0.2毫米导线。转动约200-250。我们不要触摸铁氧体上的初级线圈。绕组后，我们用蜡或环氧树脂浸渍成品变压器。当您知道该怎么办时，此过程大约需要20分钟。

我花了几个月的时间解决了这个问题。尝试了数十种不同类型的高压变压器，包括监视器背光灯用荧光灯的选件，以及以旧电视（例如TVS）的小写变压器结尾的变压器。但是所有这些都带来了太多的噪音。
最简单，最可靠的是自制选项。他的声音也很小，但是很小。

修订。在电路中增加了一个缓冲器，该滤波器可抑制瞬变期间的寄生电感性发射和振动。简而言之，这是电阻器和电容器的顺序链，可在每个电路中单独选择。通过安装这样的滤波器，可以减少高压部分的电源纹波。

如果在600伏无缓冲脉冲时达到1伏，则滤波器会将其降低到半伏。结果是2倍明显。

本文建议您在首次打开转换器时，将调谐电阻旋至最小位置，这一点很重要，忽略此项会增加电路电源部分故障的风险。电路中的电压调节使用PWM控制器TL494进行。通过改变电阻器的电阻，可以观察到控制脉冲的占空比如何变化。可以从这种转换器获得的最大电压约为3 kV。他自己超过2个人没有加注，没有必要。

稳定性。无论输入功率在8到14伏之间，该电路都能完美地保持设定电压。气候稳定也是如此。重要的是，电压不要随环境温度的变化而变化，否则会导致所得能谱的稀疏性变差。该电路用吹风机加热。温度为57度时，温度计上的液晶指示器甚至变黑，但电源上的电压几乎稳定。水平！

正确配置后，在600伏时，电路仅消耗33 mA的电流。组装电流为3安培的18650电池足以使设备连续运行90小时。

实际上，该方案非常简单，并且经过适当的组装，它可以在第一时间工作。为了便于设置，此处列出了影片前面显示的所有波形。

因此，电源已准备就绪。仍然需要将信号线焊接到运算放大器的输出。必须屏蔽。它可以是音频电缆，也可以是镀银编织带的苏联版本。

结果，我们应该得到一个这样的组件，它由一个电压转换器板和一个带运算放大器的分压板组成，其上有一个胶木插座。

电子零件已准备就绪，正在等待与检测单元重聚。我们将帮助实现这一目标，并将面板放置在PMT的屁股上。同样，不要忘了用细线将坡莫合金连接到电路的总输出。重要的一点是，乘法器板不应包含助焊剂残留物和其他至关重要的电子产品。也许需要突破。为了可靠性，将检测单元与弹性带拉在一起。您无需热心，否则可以推入闪烁器的光学窗口，损坏PMT或其他东西。就这样。伽马光谱仪已准备就绪。

光电倍增管非常敏感，并且实际上可以超出刻度。一般来说，我停在一个纸板管上。时尚新潮的青年。

我们将转换器的电压设置在600伏左右，并查看从运算放大器的输出中得到的信号。在示波器上，我们将观察到具有不同幅度的脉冲。这都是背景辐射。以闪烁体晶体形式捕获的伽马射线形式的自然辐射。

来自PMT阳极的电流脉冲非常短，因为运算放大器会强制将它们延长到大约200微秒，因此使用声卡进行处理将更加容易。

如果将闪烁体的开关带到基于ra-226的恒定电流光量下，那么将会有很多脉冲。数字示波器是一件好事，但是在某些操作模式下，它们是如此笨拙，以至于有时您想将头撞在墙上。

在苏联版本中，脉冲是实时可见的，它们简直是极好的。

恐惧症，您是否还没有从正常的辐射背景视线中压入椅子？自然辐射无处不在，您无法躲避它，它会电离并破坏您的DNA细胞。害怕吗？我也是！我们必须以某种方式处理这个问题。我们将建一个铅屋。它的任务是将光谱仪与外部自然本底隔离。

第二部分

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