Создание портативного гамма-спектрометра

Рис.1. Установка для измерения амплитудных спектров импульсов(1 - сцинтиллятор; 2 - ФЭУ-Enterprises 9814QSB, 3 - предусилитель, 4 - спектрометрический усилитель Ortec 570, 5 - высокоточный АЦП «Аспект» АЦП-8К-В2, 6 - персональный компьютер; 7 - блок питания ФЭУ

1. Экспериментальные результаты. По амплитудным спектрам импульсов рис.2. находятся энергетическое разрешение пика 662КэВ (табл. 1) и оценивается его величина, чем оно меньше, тем выше разрешающая способность сцинтиллятора, тем точнее можно разделить два пика с близкими энергиями. Затем поэтому спектру сравниваются значения светового выхода с данными в литературе[4] кристаллов CsI-Tl, CsI-Na по пикам полного поглощения 662КэВ и 32КэВ(табл. 2), в результате проводимого эксперимента - значения светового выхода очень близки к данным в литературе.

Рис.2. Спектр излучения сцинтилляторов CsI-Na двух образцов и NaI-Tl от источника излучения 137Cs

портативный гамма спектрометр

Таблица 1

Экспериментальные значения энергетического разрешения и световыхода кристаллов NaI-Tl и CsI-Na - двух видов от источника излучения 137Cs

Таблица 2

Экспериментальные значения энергетического разрешения кристаллов CsI-Tl, CsI-Na с источниками излучения 226Ra, 137Cs, 241Am

Была измерена зависимость положения пика (относительного светового выхода) от энергии каждого кристалла, далее нормированная на относительный световой выход сцинтиллятора при поглощённой энергии 609КэВ и тем самым получена кривая непропорциональности сцинтиллятора рис.3. Для пропорционального сцинтиллятора она будет прямой, параллельной оси абсцисс с ординатой равной единице, в нашем случае она близка к пропорциональному детектору. Эта кривая сцинтиллятора показывает при каких энергиях отклик сцинтилляционного детекторабудет не прямо пропорционален энергии. Соответственно мы можем определить по этому графику в какой области наш детекторявляется пропорциональным в области от 200 КэВ до 1МэВ.

Рис.3. Кривая непропорциональности сцинтилляторов CsI-Na и CsI-Tl

2. Разработка и создание гамма-спектрометра. В работе был разработан прототип переносного гамма-спектрометра. Он состоит из:

1. сцинтиллятор - в работе используется NaI-Tl или CsI-Tl. В спектре свечения кристаллов NaI-Tlнаблюдается полоса с максимумом в области 420 нм, свечение кристаллов CsI-Tlнаблюдается в области 550 нм. Исследуемый образец кристалла, обверачивается слоями тефлоновой, отражающей УФ-свет ленты PTFE и помещается непосредственно на окно ФЭУ. Для лучшего оптического контакта между окном ФЭУ и сцинтиллятором наносится вазелиновое масло

2. ФЭУ-176 с прозрачными сурьмяно-калиево-натриево-цезиевым фотокатодом со спектральной характеристикой в диапазоне длин волн 300-850нм, имеет 12 диноднуюумножительную систему

3. блок питания для ФЭУ - высоковольтный источник питания HAMAMATSU серии C4900, обладающим хорошей производительностью, мало потребляет энергии, лёгкий, компактный, с низким уровнем электромагнитных помех

4. делителя напряжения - работает в импульсном режиме, величина сопротивлений делителя R1=1МОм, R2-R12=250кОм, R13=100кОм, общее сопротивлениена выходепримерно 4,5 МОм

5. модуль повышения напряжения с 5В до 15В - на основе микросхемы MT3608, где MT3608 - генератор (работает на частоте около 1,5МГц), также являющийся силовым транзистором, подстроечный многооборотный резистор с сопротивлением 100кОм, предназначен для регулировки выходного напряжения. При тестировании максимальный выходной 1-1,2А; входное напряжение от 2,5В; максимальное выходное напряжение 28В;

6. усилитель - роль усилителя выполняет эмиттерный повторитель, коэффициент усиления по напряжению в результате эксперимента равен 1. Рис.3.за основу взята схема платы Theremino, но в данном случае за счет использования блока питания HAMAMATSU можно уменьшить сопротивления делителя ФЭУ со 100 МоМ до 4,5МоМ

Рис.4. Усилитель

7. звуковая карта (АЦП) предназначена для выделения нужной информации из спектра об энергии и интенсивности гамма-излучения, используется модель фирмы VBESTLIFE

Рис.5. Схема гамма-спектрометра

Схемы плат всех компонентов сконструированы в программе DipTrace.

ФЭУ-176 используется в данной работе для регистрации гамма-излучения сцинтилляционным методом, световой выход NaI-Tl - 40000 фотонов/МэВ. Использование этого типа ФЭУ оправдано, потому что он имеет высокую чувствительность в области 500-850 нм, что делает егоболее совместимым со сцинтиллятором CsI-Tl, в отличие от обычных ФЭУ с мультищелочным катодом, а также невысокую цену в сравнении с аналогами Hamamtsu.Для сцинтилляционного детекторов предусилитель необходим - он улучшает характеристики сигнала с фотодетектора, но в данной установке нет каскада из предусилителя и ОУ, также из-за низкого качества АЦП, плохого согласования выхода с ФЭУ и входа звуковой карты характеристики полученного сигнала хуже, а именно энергетическое разрешение NaI-Tlпо пику 662кэВ рис.6. немного хуже (примерно 10,4%), чем на стационарной установке приведённой выше на рис.1. (примерно 9%) с которой снимали измерения.

Рис.6. Амплитудный спектр импульсов, измеренныйсозданным в данной работе гамма-спектромтром, кристаллов NaI-Tl (кривая 1) и CsI-Tl (кривая 2) при возбуждении гамма-источником 226Ra

На рис.7. показана форма сигнала, который поступает на компьютер со звуковой карты от сцинтилляционного детектора,для его обработки - выделения пиков из зашумлённого сигнала, использовался алгоритм [5]. На рисунке показаны кривые до обработки, форма базовой линии, рассчитанной медианным фильтром (он был выбран так как он хорошо восстанавливает исходный сигнал) с окном размером 31 точка и сигнал после вычитания базовой линии и ресемплинга (повышения частоты дискретизации) с входных 48 кГц до 96 кГц.

Рис.7. сигнал, поступающий на компьютер с АЦП

Вывод

Созданный нами портативный гамма-спектрометр обладаетне плохой производительностью, имеетхарактеристики не сильно отличающиеся от тех, что были получены на стационарной установке. Используемый в работе фотоприёмник совместим также с CsI-Tl. Этот гамма-спектрометр можно применять в качестве оборудования для первичных измерений фонового излучения (фона), вызванного радиоактивными веществами и космическим излучением, в учебных целях и т.д. созданный в работе гамма-спектрометр удовлетворяет требованиям и является лучшей альтернативой.

Библиографический список

1. Кошице Г. Состояние и перспективы развития сцинтилляционных детекторов/ Г.Кошице- Изд-во Чехословацкая комиссии по атомной энергии в Центре ядерной информации, Прага 5 - Збраслав, 1977.

2. ШендрикР.Ю. Введение в физику сцинтилляторов-1/Р.Ю.Шендрик - Иркутск: Изд-во ИГУ, 2013. - 105с. -(Методы экспериментальной физики конденсированного состояния)

3. http://scintillator.lbl.gov/

4. http://aspect.dubna.ru/new/page.php?page=367

5. http://www.parsek.ru/ru/

6. Scholkmann F., Boss J., Wolf M. An Efficient Algorithm for Automatic Peak Detection in Noisy Periodic and Quasi-Periodic Signals/F. Scholkmann - Publishing Biomedical Optics Research Laboratory, Division of Neonatology, University HospitalZurich, 8091 Zurich, Switzerland, 2012.

Размещено на Allbest.ru