Вот Вы ходите по своему дому и обследуете окружающие предметы на наличие повышенного радиационного фона, дабы проверить свежеизготовленный дозиметр. И вот, оставив позади хрустальную вазу, которая фонит под 35мкР, Вы приходите на кухню... Но что же это?! Маслята, купленные во время прошлой поездки на местный рынок, не хило фонят!
Не без мыслей о грибном супе, который был употреблен Вами в пищу три часа назад, приходит понимание того, что здесь что-то не так. Будем разбираться! Ложим кладём измельчённые грибы в свинцовый домик сцинтилляционного гамма спектрометра.
Спустя пару часов набора спектра, по характерным энергетическим пикам становиться ясно, что эти грибы - и не грибы вовсе, а отходы атомной промышленности!
Но как-то мы разогнались... Отправимся на пару месяцев назад и лицезреем процесс изготовления столь полезного в хозяйстве аппарата.
Немного теории.
При распаде радиоактивного изотопа выделяются альфа, бета частицы и гамма кванты. Нас интересует последний из этого списка подозреваемых. От элемента, изотоп которого сейчас находится под наблюдением, и его атомной массы, зависит энергия частиц. Для детектирования этих частиц используют сцинтилляционные (и не только) детекторы. Для наших целей отлично подходит кристалл йодида натрия, активированный таллием. При попадании гамма кванта в сцинтиллятор в нем возникает вспышка света, это явление называется флюоресценцией. В нашем случае яркость вспышки видимого света, родившейся в недрах кристалла, прямо пропорциональна энергии прилетевшей в него частицы. Обладая данной информацией, остаётся только измерить яркость вспышки и обработать полученный сигнал. Для этих целей служит фотоэлектронный умножитель.
На сурьмяно-цезиевый фотокатод ФЭУ попадает фотон. Получившийся в результате их взаимодействия электрон, проходя через каскад умножения из динодов, попадает на анод. С анода снимаем импульсы и подаём их на частотный анализатор, в нашем случае это компьютер.
Программа на основе амплитуды импульсов строит график, который является распределением импульсов по их амплитуде, иначе это называется спектр. Зная, как выглядит спектр конкретного изотопа и имея на мониторе компьютера свежеиспечённый спектр можно определить изотопный состав образца.
С теорией пока всё, идем дальше!
Выбор сцинтиллятора
Ранее мы определились, что будем использовать кристалл йодида натрия, активированный таллием (NaI(TI)), вместо него также подойдет CsI(TI). Этот кристалл самый распространённый и его без проблем можно купить на том же Авито. При покупке внимательно рассматриваем кристалл на наличие трещин, сколов и отслоений сцинтиллятора от защитного стекла. Так же обращаем внимание на цвет— хороший спектрометрический кристалл должен быть прозрачным до дна, без малейших намеков на желтизну.
От всех вышеописанных качеств зависит энергетическое разрешение спектрометра.
Если в комплекте с конкретным экземпляром идет паспорт— вообще отлично.
Для наших целей подходят сцинтилляторы категории СП1 и СП2. Также в паспорте обычно указывается разрешение кристалла по Cs-137, чем оно меньше, тем лучше.
Выбор ФЭУ
Идём дальше. Теперь необходимо подобрать фотоэлектронный умножитель для кристалла. При выборе стоит обращать внимание на спектр высвечивания кристалла, он должен быть согласован со спектральной чувствительностью ФЭУ. Также стоит обращать внимание на соответствие диаметра фотокатода ФЭУ и диаметра оптического окна сцинтиллятора. В идеале диаметр первого должен чуть превышать диаметр окна кристалла. Это необходимо для того, чтобы уловить как можно больше фотонов. Что касается проверки ФЭУ при покупке — тут всё как с обычными радиолампами: осмотр баллона на наличие трещин, погнутых контактов (не всегда критично). О наличии вакуума внутри баллона может свидетельствовать «медный» цвет фотокатода, если же он обесцветился— вероятнее всего товарищ мертв.
И да, в рамках данного проекта использовался кристалл NaI(TI) размером 30х25,5 мм и фотоэлектронный умножитель ФЭУ85.
Сборка узла детектирования
После того, как необходимые для сборки компоненты лежат на нашем столе, пора переходить к сборке спектрометра.
Для начала соединяем кристалл с ФЭУ. Перед началам работ протираем мягкой салфеткой окно сцинтиллятора и ФЭУ. После нам понадобиться старая велокамера (хотя можно и новую). Отрезаем от неё небольшую часть и натягиваем её на корпус кристалла. На оптическое окно сцинтиллятора наносим небольшое количество силиконовой смазки или глицерина. Состыковываем ФЭУ с кристаллом и фиксируем всё это дело изолентой.
Далее необходимо защитить фотоэлектронный умножитель от механического и электромагнитного воздействия. С первой задачей отлично справиться пупырчатая пленка. Для второй нужен пермаллой, который впоследствии соединим с землёй. Достать можно из старого нерабочего осциллографа с ЭЛТ или на барахолке. Придаем ему необходимую форму и надеваем на ФЭУ. Сверху можно также замотать пупыркой. Итак, основа узла готова, теперь осталось питание ФЭУ. Необходимое для работы напряжение составляет -600В для ФЭУ85 и -550В для ФЭУ85А. Схема блока питания взята из статьи про «консервы». Это обратноходовой высоковольтный блок питания на TL494, который обеспечивает высокое качество стабилизации. Это важно, так как при отклонении питающего напряжения даже на несколько вольт ФЭУ значительно сдвигает спектр. Собираем всё по схеме и не забываем покрыть плату лаком.
Высоковольтный трансформатор взят из китайской электрозажигалки. Первичную обмотку не трогаем, вторичная мотается проводом 0,2 мм. Количество витков — 500. Перед первым включением необходимо выкрутить подстроечный резистор в минимальное положение. Выставляем необходимое напряжение, в моем случае это -550В.
Далее нужна панелька с делителем. Если панель найти не удалось, то можно использовать цанговые контакты. Делитель служит для формирования необходимых потенциалов на динодах ФЭУ. Шунтирующие конденсаторы защищают ФЭУ при регистрации частиц высоких энергий.
Соединяем всё как-то так и незабываем про то, что все провода, по которым передаётся искомый сигнал обязательно должны быть экранированными.
Сигнал с анода ФЭУ имеет следующий вид:
Для того, чтобы звуковая карта могла осуществлять обработку этого сигнала, его необходимо предварительно «растянуть». Эту работу выполняет операционный усилитель. Амплитуду и длительность сигнала можно регулировать по средствам изменения номиналов R31 и C17.
Смотрим сигнал с выхода ОУ. Это естественный радиационный фон. Импульсов здесь довольно много, чем больше амплитуда, тем больше энергия прилетевшей в сцинтиллятор частицы.
На этом, пожалуй, можно закончить первую часть описания конструирования столь интересного агрегата. Далее необходимо сделать свинцовый домик для спектрометра и разобраться с настройкой этого чуда инженерной мысли, после чего погрузиться в мир исследований, опытов и понимания того, что что-то идет не так...
Архив с полезностями.