Forum: Projekte & Code Gammaspektrometer in Briefmarkengröße


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von Joern Heinrich (Gast)



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Hallo, liebe Mitforisten,

ausgehend vom "Stuttgarter Geigerle" von B.Laquai war hinsichtlich 
"Gammaspektroskopie mit billig-Pin-Dioden BPW 34 
[Beitrag "Beta, Gamma Detektor mit BPW 34 Photodioden, optimierte Schaltung"; kein Boden gutzumachen, 
da diese BPW 34 für Gammastrahlung eine zu geringe Empfindlichkeit 
aufweisen - bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit für Beta.

Mit den X-100 von First Sensor, Berlin ist es genau umgekehrt: Die haben 
einen CsJ::Tl - Kristall vor der Diodenfläche, und detektieren zwar 
keine Beta-Strahlung, dafür jedoch Gamma von 50 keV bis 10 MeV.

Die ersten Schritte zu einem miniaturisierten Gammaspektrometer waren 
mühsam, denn das Einfangvolumen der X-100 mit 8x8x8 mm CsJ-Kristall ist 
vergleichsweise klein gegenüber Photomultiplier-Sensormodulen wie einem 
Ludlum mit 50x50x50 mm NaJ-Kristall.

Hier half ein Trick weiter: Wenn es schon keinen großen Kristall 
preiswert zu kaufen gibt, werden eben zwei nebeneinander eingesetzt, und 
die Probe dazu so angeordnet, dass sie beide Kristalle hintereinander 
bestrahlt.

Es werden gleichzeitig auftretende Ereignisse besonders gewichtet, so 
dass man davon ausgehen kann, dass wenn ein Quant in beiden Kristallen 
Energie verliert, dass es dann eben mit höherer Wahrscheinlichkeit seine 
Gesamte war.

Schaltungstechnisch ist eine Entwicklung auf dem Steckboard in der 
Keksdose zwar ein erster Ansatz, aber zwischen dem Steckboard und der 
daraus abgeleiteten SMD-Platine liegen Welten, wenn man einen 
rauscharmen Transimpedanzverstärker mit Differentiator und Integrator zu 
spektroskopischen Zwecken aufbaut.
Die auf dem Steckboard optimalen Werte sind dies keineswegs auf dem 
miniaturisierten PCB. So ist die Schaltungsentwicklung selber mit der 
gezeigten Platine auch noch nicht ganz zuende.

Wie das Spektrometer energetisch eichen? Die 50 g Kaliumjodid liefern 
noch zu wenige Counts, die Nullrate von 40 cnt/min geht damit nur auf 50 
cnt / min hoch.

Also:
Es war Herbst, ab in den Wald zum Maronen sammeln an einem der beiden 
Tchernobyl-Hotspots in Norddeutschland, auf denen bis zu 20 kBq pro 
Quadratmeter Cs137-Aktivität seinerzeit abgeregnet sind. Davon sollte 
heute immer noch die Hälfte zur Verfügung stehen.
Das Kilo Maronen wurde getrocknet (100g), und dann im Freien auf dem 
Holzkohlegrill auf 11 g eingeäschert: die in einer Einwegspritze 
komprimierte Pilzasche liefert vorm Vierkanal-Beta-counter bereits die 
Fünffache Nullrate. Ebenso vorm X-100-Dual-Spektrometer. (Damit wwerden 
die insgesamt 24 BPW 34 meines Vierkanalers direkt vergleichbar, denn 
Cs137 strahlt hälftig Gamma und Beta der gleichen Energie)

Fix einen MapleLeaf CortexM3 Microcontroller mit 
Peakerkennungsalgorithmik programmiert, den als Dual-200 kSamples/sec 
AD-Wandler benutzt, und zur Darstellung der Spektren für den PC mit 
Delphi einen Multikanalanalysator geschrieben, der dann auch eine 
energetische Korrektur gemäß der im Datenblatt verfügbaren spektralen 
Empfindlichkeit der Sensordiode implementiert.

Was kommt raus:
Das Cäsium-137 in der Pilzprobe liefert über Nacht mit insgesamt 90 
kcounts einen  eindeutig identifizierbaren Peak neben ihrem 
Compton-Spektrum, die gleichzeitig gemessene Kaliumlinie erscheint als 
Buckel.
Die erzielte Linearität ist schon erstaunlich, wie man am Vergleich der 
Kalibrierkanäle sieht.
DAs zweite gezeigte Spektrum senthält nur die gleichzeitig gemessenen 
Ereignisse - Deutlich

Misst man ein Stückchen Uran-Pechblende (vom Mineralienhändler und 
selbstverständlich mit Kohlecompretten gasdicht eingepackt), so kommen 
die charakteristischen gamma-Energien der U238-Zerfallsreihe ebenfalls 
zum Vorschein, wenn auch der geringen Sensorgröße entsprechend 
energetisch z-Tl. nur als Buckel bzw. Stufen aufgelöst.

Gleichzeitig ist das Dual-Gammaspektrometer mit den X100 PIN-Dioden mit 
CsI-Kristall ein empfindlicher Gamma-Dosisleistungsmonitor mit einer 
Nullrate von rund 40 cpm (entsprechend einer ODL von 0.07 µSv/h)

Preis eines Sensors: ca 80 Euro, First Sensor Berlin.
bestücktes PCB: 40 Euro (PCB-Pool).
CortexM3 Microcontroller Leaflabs Maple: 45 Euro (Watterott Electronic)
Hardwarekosten damit bei rund 260 Euro.

von Heino (Gast)


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Und die Atompilzasche hast du dann im Hausmüll entsorgt? xD

von Gustl B. (-gb-)


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Sag mal ist das Dein Hobby oder baust Du sowas beruflich? Ich 
digitalisiere den Ausgang eines Germanium Detektors hinter einem 
Pulse-Shaping-Amplifier. Das ganze mit einem schnellen ADC.

Wie ist das mit den X-100 Bauteilen, was geben die aus? Also misst Du da 
eine Spannung oder einen Strom? Was ist da wie proportional zur 
Zerfallsenergie?

Danke!

von Joern Heinrich (Gast)


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Hallo,
Hobby / beruflich? Sowohl als auch. Hard- und Software. Vor allem jedoch 
Software. Die X-100 von First Sensor, Berlin (www.first-sensor.com), ist 
eine großflächige PIN-Photo-Diode und erhältlich auch mit CsI::Tl 
Szintillatorkristall vor der Diode, Kristall beschichtet mit weiß 
gefärbtem Epoxidharz.

Was da aus dem Sensor selber rauskommt:
Laut Datenblatt paar hundert Elektronen je 100 keV im Kristall 
abgegebene Gamma-Photonenenergie. Diesen winzigen Strompuls muss man in 
einem sogenannten TIA (Trans-Impedanz-Verstärker) soweit verstärken, 
dass er einen messbaren Spannungsimpuls ergibt. Es eignen sich nur 
niedrigkapazitive und gleichzeitig hochfrequent arbeitende 
Verstärkerelemente in der ersten Verstärkerstufe, weil die paar 
Elektronen sonst in der Kapazität verschwinden.
Die 10 x 10 mm messende Diode selber hat eine Kapazität von etwa 50 pF 
bei einer Vorspannung von 23 V.

Proportional zur im Szintillationskristall abgegebenen Gamma-Energie ist 
die Menge an freigesetzten Ladungsträgern, also nach dem TIA die Höhe 
des Spannungsimpulses.
Die X100 mit Szintillator ist übrigens nicht lichtdicht, was man mit 
einer gepulsten Lichtquelle zur Überprüfung und Optimierung der 
Verstärkerelektronik ausnutzen kann. Andererseits muss sie daher in 
einem lichtdicht gekapselten Gehäuse eingebaut sein, weil der Grundstrom 
sonst das Signal stört.

Verwendbare OP-AMPS für die erste Stufe sind AD8616, AD820, AD822, 
OPA4134, 1114CN, mit rauscharmem FET als Eingangsbaustein auch noch den 
schnellen AD847 oder den rauscharmen LT1128 / LT1028 (siehe: 
http://www.linear.com/product/LT1028). Als Eingangs-FET eines TIA eignet 
sich der BF862 von NXP, 2SK170, aber da gehen auch noch andere wie 
BF245B und 2N4392 - hauptsache rauscharm, schnell und geringe 
Gate-Kapazität.

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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Es gibt eine Software aus Australien zur Gammaspektroskopie:
http://www.physics.usyd.edu.au/~marek/pra/index.html
Gefunden im AaTis-Praxisheft Nr. 23 Seite 8
http://www.aatis.de/content/praxisheft-23

von Joern Heinrich (Gast)


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Danke für den Hinweis!
PRA hatte ich auch schonmal am Start, aber die Peakdetektion hat mich 
nicht überzeugt. Auch gehen die Soundkarten oft nicht bis in den 
Frequenzbereich, der benötigt wird, haben nicht die Möglichkeit eine 
sensorspezifische energieselektive Korrekturkurve an die Rohdaten 
anzulegen - wie das mit einem selber geschriebenen MCA möglich ist, 
mangelnde Energiekalibrierpunkte usw...

Eine andere gerne zur Soundkarten-Spektroskopie verwendete Software ist 
teremino-MCA (http://www.theremino.com/blog/gamma-spectrometry), da kann 
man sich mittels diverser Einstellmöglichkeiten (Equalizer, 
Gauss-Formung) seine Peaks glatt selber aus einem weißen Rauschen im 
Audio-Eingang generieren.
Daher: wenn mir einer ein Teremino-Spektrum ohne gleichzeitige Sicht auf 
die Equalizer-Einstellungen zeigt, so glaub ich davon erstmal garnichts 
;-)

So funktionierts bei mir:
Mein Programm im Maple CortexM3 sampelt fortlaufend beide AD-Eingänge, 
das geht mit 200 kHz je Kanal. Die 16-Bit-Rohdaten kommen in einen 
Ringbuffer, der zehnmal größer ist als die Peaklänge in Samples.
Die Peakerkennung funktioniert auf einer Triggerschwelle über einem 
gleitenden Mittelwert, der fortlaufend über alle 2x Peaklänge Rohdaten 
ermittelt wird. Die Peakdauer ist - gemäß Messungen mit dem 20 MHz-Oszi 
- bei hohen oder kleinen Impulsen immer gleich.
Um ein höherfrequentes Rauschen gerade bei den kleinen Peaks 
auszumitteln, wird innerhalb der von den Bauteilen festgelegten und 
konstanten Peakdauer jeder Messwert integriert.

Die Daten gehen unterhalb von 50 counts/min als Einzelsamples = 
Wellenform über die USB-Schnittstelle des Mic an den PC, über 50 counts 
/min nur noch als Kombination aus Integral(e) und gleitendem Mittelwert, 
über 100 cpm nur noch die Einzelmesswerte.
Übertritt ein Kanal während der Messung der ersten 5 Samples des andern 
seine Triggerschwelle, so handelt es sich um ein verknüpftes, 
koinzidierendes Ereigniss.

von SteffenM (Gast)


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Hallo Joern,

vielen Dank für die ausführliche Beschreibung deiner Ergebnisse! Sehr 
schöner Bericht, und guter Aufbau.

Sind die dargestellten ~120keV die bisher beste erreichte 
Halbwertsbreite? Ist die bereits durch den verwendeten Szintillator 
bestimmt, oder siehst du da noch Verbesserungspotential in der 
Signalaufbereitung?

Wie schwierig hat sich denn die Beschaffung der X-100 gestaltet? Ich 
hatte mir seinerzeit beim Beschaffungsversuch von äquivalenten Bauteilen 
von Hamamatsu aufgrund von Mindermenge und Privatkauf die Zähne 
ausgebissen und musste ebenfalls mit einem BPW34-Array arbeiten (in 
meinem Aufbau ~40-250keV messbar, ~15keV FWHM).

von Joern Heinrich (Gast)


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Hallo, Steffen,

die Halbwertsbreite der Peaks lässt sich sicherlich durch Erhöhung des 
Signal-Rauschabstandes noch etwas verringern. Ich werde demnächst eine 
Kleinserie von Platinen für weitere Versuchsaufbauten mit anderen FET's 
und OP's in der Hand haben. Der oben gezeigte Aufbau ist mit AD8616, der 
hat eine Voltage Noise Density von 8nV/rtHz @10 kHz, was noch recht viel 
ist.

Der TIA hat 30M in der Gegenkopplung, Guard Ring, ist mit Isopropanol 
und danach dest Wasser sorgfältig gereinigt... (sonst rauscht's noch 
viel stärker)

Die X-100-7 mit Szintillatorkristall ist leicht zu beschaffen, es reicht 
eine Bestellung per mail an First Sensor, Berlin. Allerdings hat First 
Sensor einen Mindestbestellwert von 100 Euro, d.h. man muss gleich 2 
davon kaufen.

Btw: die BPW 34 hat bei 100 keV Photonen nur noch eine 
Einfangwahrscheinlichkeit um 1% - wie kannst Du damit 250 keV 
detektieren? Sicher dass das keine Beta-Strahlung war/ist? Oder 
gestreutes Röntgen aus der Plexiglas-Abschirmung?

von Joern Heinrich (Gast)


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Steffen, eine Halbwertsbreite von 15 keV kann ich mir bei einem BPW 34 
-Array auch nicht so recht vorstellen. Schau mal das angehängt Spektrum 
von thorierten Schweißelektroden an. Das Spektrum ist mit Hilfe der 
Empfindlichkeitskurve des Datenblattes korrigiert.

Die roten linien stellen die charakteristischen Gammalinien der 
Thorium232-Zerfallsreihe auch in ihrer Eintrittswahrscheinlichkeit 
(Höhe) dar.
Aufgrund der geringen gesamt-counts - nur 10 kcounts - könnte der 
Eindruck entstehen, dass da schmalbandige Linien zu sehen sind, was 
natürlich statistisch nicht haltbar ist: Wenn die Gesamt-Counts dann in 
die hunderttausende gehen erhält man erst eine belastbare Statistik auf 
jedem Kanal.

Was aber sofort ablesbar ist, ist der Umstand, dass im Spektrum die 
relativen Häufigkeiten der verschiedenen Linien halbwegs stimmen, was in 
etwa für die vom Hersteller angegebene Empfindlichkeitskurve spricht.
Auch muss man berücksichtigen, dass das Thorium hier in Wolfram 
eingebettet ist, einem dichten Material, welches bereits in erhöhtem Maß 
Compton-Streuung hervorruft.
Deutlich ist dieser Effekt bei der eigentlich intensiven 208Tl Linie bei 
2.6 MeV, die ein Compton-Kontinuum von 1,5 bis 2,3 MeV mit ausgeprägter 
Compton-Kante im Bereich der Kaliumlinie hervorruft.

von John D. (drake)


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Joern Heinrich schrieb:
>
> Die X-100-7 mit Szintillatorkristall ist leicht zu beschaffen, es reicht
> eine Bestellung per mail an First Sensor, Berlin. Allerdings hat First
> Sensor einen Mindestbestellwert von 100 Euro, d.h. man muss gleich 2
> davon kaufen.

Auch als Privatperson? Das wäre ja fein.

von Joern Heinrich (Gast)


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@Steffen.M
statistisch bereits etwas belastbarer mit einigen hundert counts pro 
Kanal sieht das Thoriumspektrum dann so wie im Anhang aus - gesamtcounts 
140.000.

Anmerkung:
137Cs- und 40K marker sind immer vorhanden, weil die die Kalibrierdaten 
liefern.

Man sieht auch sehr gut, dass die 208Tl-Linie bei 2.6 MeV mit 36% 
Wahrscheinlichkeit als Buckel das höchstenergetische an Gamma-Strahlung 
ist, was die thorierten Wolframelektroden erzeugen, aber dass hier 
bereits die Wahrscheinlichkeit, nur eine Teilenergie dieser Quanten 
einzufangen weit größer ist, als dass die ihre gesamte Energie in den 
beiden Sensoren abgeben ("Photopeak" kleiner als Compton-Kontinuum).

Aber - immerhin kann man energieselektive Messungen mit diesen Sensoren 
machen - und nach Eichung auch Isotope / Zerfallsreihen sicher zuordnen.

von SteffenM (Gast)


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@Joern Heinrich:

Meine Nutzbarkeit der BPW34 bis 250keV erklärt sich aus der hohen 
Aktivität meiner Proben knapp unterhalb der Freigrenzen in Zusammenhang 
mit Messintervallen von 8-24h. Ehrlicherweise muss ich aber sagen, dass 
bereits ab ~150keV die Peak-Halbwertsbreite bedingt durch das dünne 
aktive Volumen deutlich anstieg. Bei meinem Projekt ging es nicht darum, 
ein nutzbares Messgerät zu bauen, sondern ein Proof-of-Concept mit 
Schwerpunkt auf elektronischer und algorithmischer Aufbereitung zu 
erarbeiten.

Die 15keV sind mir etwas peinlich: Ablesefehler. Tatsächlich sinds 
~26keV FWHM, Histogramm hängt an.

Deine Ergebnisse mit den X-100 und Thorium sind natürlich beneidenswert 
und mit der BPW34 und ihrem geringen aktivem Volumen völlig undenkbar. 
Allerdings ist die Auflösung mit Szintillator eher mäßig. Ich würde zu 
gern Erfahrungen mit einer von Hamamatsus Dickschicht-Dioden sammeln. 
Leider für mich unbeschaffbar, und alternative Quellen sind mir aktuell 
auch nicht bekannt.

von ArnoR (Gast)


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SteffenM schrieb:
> Deine Ergebnisse mit den X-100 und Thorium sind natürlich beneidenswert
> und mit der BPW34 und ihrem geringen aktivem Volumen völlig undenkbar.

Wieso? Im Anhang mal eine eben schnell gemachte Messung mit BPX61 
(=BPW34 im TO-Gehäuse) an einer thorierten Wolframelektrode (2%=rot) 
Messdauer: 5 min.

von SteffenM (Gast)


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Ohne jetzt dein Setup zu kennen, zeigt das Bild möglicherweise bereits 
das Problem. Als schlechter (weil unempfindlicher) Zähler taugt die 
BPW34 für Energien >250keV gerade eben so noch, aber Energiebestimmung 
der Zerfallsstrahlung ist nahezu unmöglich. Die Ionisierungsspur derart 
hochenergetischer Fotoeffekt-Sekundärelektronen ist länger als das 
Detektionsvolumen dick ist. Du misst immer nur noch zufällig abgehackte 
Teilladungen. Der Rest rekombiniert irgendwoanders im Package.

In meinem Aufbau zeigte Thorium im Energiehistogramm ein völlig 
unaufgelöstes, peakloses Kontinuum. Bisher habe ich noch von keinem 
gelesen, dem da mit der BPW34 oberhalb 1MeV besseres gelungen wäre.

von Joern Heinrich (Gast)


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Die BPW 34 hat bei mir einen festen Platz als Beta-Detektor.
DA ist sie superempfindlich.
Dass sie zusätzlich zu Vis+UV noch etwas Röntgen sieht (also so bis ca 
80 keV) ist auch in ihrem Datenblatt vermerkt.
Ihre hohe Empfindlichkeit für schnelle Elektronen kann ich mir nur mit 
Lumineszenz in ihrem Plastik-Gehäuse oder mit dem Empfang der weichen 
Elektronen-Bremsstrahlung darin erklären - nebst der aprupten 
Energieabgabe von Beta-partikeln in der Si-Sperrschicht.

Americium sendet nun "Gamma"-Photonen (Ursprung = Kernprozess)
einer so niedrigen Energie, die sonst Röntgenapparaten
"Röntgen"-Photonen (Ursprung = Bremsstrahlung zuvor beschleunigter 
Elektronen oder angeregter Atomorbitale)
entspringt.
Beides obwohl anders genannt: Photonen.

Dass die BPW34 Americium bei 60keV noch sieht, wundert mich daher nicht.
Aber energieselektiv Gammaspektrometrie betreiben damit?
Kann ich mir nach eigenen Versuchen nicht mehr vorstellen. Braucht man 
"aktives Volumen" dafür oder anders formuliert: "Einfangquerschnitt"

Andererseits:
Wenn Deine Elektronik einzelne Quanten von einer BPW 34 noch bei 60 keV 
ablesen kann, bist Du mir ja elektronisch weit voraus...

Möchtest Du Dein Wissen teilen?

von Lurchi (Gast)


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Wie lang bzw. kurz werden die Pulse mit dem X-100-7 Detektor ?

Für das Signal / Rauschverhältnich könnte man die Integration ggf. noch 
etwas verbesser, indem man die Punkte entsprechend der Peakform wichtet.
Die Daten sehen aber schon gut aus, nur bei kleinen Energien fängt es 
doch recht spät an.

von Joern Heinrich (Gast)


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Schau mal, das ist so eine typische niedrigenergetische Wellenform.
Kanal A=blau, Kanal B = rot
Ein x-Pixel = 1 AD-Wert
Die beschickt Kanal 127 entsprechend ca keV 260
Die Wellenformen werden jeweils über alle Samples integriert.

Die Länge der Impulse bestimmt der Integrator und vor allem die 
Geschwindigkeit des TIA. Nebst der restlichen Verstärkerelektronik.
Die Diode selber ist spezifiziert mit 1 µs Anstigszeit, was ich messend 
nachvollziehen kann.
(20 Mhz Oszi)

von Dirk (Gast)


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Joern Heinrich schrieb:
> Hier half ein Trick weiter: Wenn es schon keinen großen Kristall
> preiswert zu kaufen gibt, werden eben zwei nebeneinander eingesetzt, und
> die Probe dazu so angeordnet, dass sie beide Kristalle hintereinander
> bestrahlt.
>
> Es werden gleichzeitig auftretende Ereignisse besonders gewichtet, so
> dass man davon ausgehen kann, dass wenn ein Quant in beiden Kristallen
> Energie verliert, dass es dann eben mit höherer Wahrscheinlichkeit seine
> Gesamte war.
Hast Du die Energien dann addiert? Wie berücksichtigst Du die Streuung 
bzw. den Streuwinkel im ersten Kristall?

Dirk

von ArnoR (Gast)


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Joern Heinrich schrieb:
> Die Länge der Impulse bestimmt der Integrator und vor allem die
> Geschwindigkeit des TIA. Nebst der restlichen Verstärkerelektronik.
> Die Diode selber ist spezifiziert mit 1 µs Anstigszeit, was ich messend
> nachvollziehen kann.
> (20 Mhz Oszi)

Na wenn schon, deine Schaltung liefert garantiert keine Anstiege mit 
1µs, anderenfalls wäre deine Abtastrate von 200kHz (= alle 5µs) sinnlos.

von Joern Heinrich (Gast)


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ArnoR schrieb:
> Joern Heinrich schrieb:
>> Die Länge der Impulse bestimmt der Integrator und vor allem die
>> Geschwindigkeit des TIA. Nebst der restlichen Verstärkerelektronik.
>> Die Diode selber ist spezifiziert mit 1 µs Anstigszeit, was ich messend
>> nachvollziehen kann.
>> (20 Mhz Oszi)
>
> Na wenn schon, deine Schaltung liefert garantiert keine Anstiege mit
> 1µs, anderenfalls wäre deine Abtastrate von 200kHz (= alle 5µs) sinnlos.

Na, lieber ArnoR jetzt wirds doch Deinerseits hier eher programmatisch 
unkonstruktiv:
A) Woher kennst du "garantiert" Details meiner Schaltung? Die wurde 
bisher hier nicht veröffentlicht.
B) Abtastrate des AD-Wandelers ist nach der Peakformung. Ich bekomme bei 
200 kHz vom Mic ca 16 Einzel-Samples eines Peaks.

Bitte, lieber ArnoR, nicht weiter spammen oder zündeln, hier sind auch 
andere, die nicht nur destruktiv das Thema interessiert.

von ArnoR (Gast)


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Joern Heinrich schrieb:

> A) Woher kennst du "garantiert" Details meiner Schaltung? Die wurde
> bisher hier nicht veröffentlicht.

Du hattest oben schon etwas zum Aufbau geschrieben. Ich hab auch so 
meine Erfahrungen mit solchen Schaltungen...

> B) Abtastrate des AD-Wandelers ist nach der Peakformung. Ich bekomme bei
> 200 kHz vom Mic ca 16 Einzel-Samples eines Peaks.

Das ist jetzt neu.

> Na, lieber ArnoR jetzt wirds doch Deinerseits hier eher programmatisch
> unkonstruktiv
> Bitte, lieber ArnoR, nicht weiter spammen oder zündeln, hier sind auch
> andere, die nicht nur destruktiv das Thema interessiert.

Das ist jetzt nicht neu. Schon damals (Open-Geiger-Diskussion) konntest 
du mit Kritik/Hinweisen/Nachfragen wenig anfangen.

Ich will gar nichts destruktives, mich interessiert die Sache auch, 
allerdings nicht wissenschaftlich, ich möchte nur einen einfachen, 
empfindlichen Strahlungsdetektor für den Hausgebrauch (z.B. Pilze).

von Joern Heinrich (Gast)



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Dirk schrieb:
> Joern Heinrich schrieb:
>> Hier half ein Trick weiter: Wenn es schon keinen großen Kristall
>> preiswert zu kaufen gibt, werden eben zwei nebeneinander eingesetzt, und
>> die Probe dazu so angeordnet, dass sie beide Kristalle hintereinander
>> bestrahlt.
>>
>> Es werden gleichzeitig auftretende Ereignisse besonders gewichtet, so
>> dass man davon ausgehen kann, dass wenn ein Quant in beiden Kristallen
>> Energie verliert, dass es dann eben mit höherer Wahrscheinlichkeit seine
>> Gesamte war.
> Hast Du die Energien dann addiert? Wie berücksichtigst Du die Streuung
> bzw. den Streuwinkel im ersten Kristall?
>
> Dirk

Ja, die Energien werden bei gleichzeitigen Ereignissen addiert und 
beiden Sensor-Kanälen zugeschlagen. Man darf aktuell bestimmte Totzeiten 
der Übermittlung der Daten über USB an den PC mit der vorgegebenen
Ereignisshäufigkeit (Strahlungsintensität) nicht überschreiten, sonst 
gewinnen die niedrigenergetischen Ereignisse, die eigentliche Messung 
geht sozusagen im Rauschen unter.

Einen Unterschied gibt es natürlich in den AMP-Faktoren für die beiden 
Kanäle. Nie hat man Bauteile mit Null Toleranz, nie hat man eine Platine 
völlig sauber und mit unendlichem Widerstand.
Also muss man erstmal eine Messung beider Sensoren getrennt vornehmen, 
und dann die Firmware des mic mit individuellem Verstärkungsfaktor für 
beide Sensor-Kanäle versehen. Um die koinzidierenden Ereignisse 
energetisch korrekt zu verarbeiten. Nach waschen mit Isopropanol und 
dest Wasser sind meine beiden Sensor-Kanäle gerade mal 0.5 zu  0.53 um 
die gleichen Buckel in ihren Spektren zu erzeugen.

Streuwinkel kann selbstverständlich nur schwer berücksichtigt werden, 
weil unbekannt. Hab meine beiden Dioden / Kristalle nebeneinander auf 
einem PCB, besser wäre jedoch eine dichteste Packung jeweils abwechselnd 
gegenüberliegender.
Wenn das dann 4 in Reihe sind, hast Du bei zeitlicher Koinzidenz aller 
vier die energetische Auflösung etwa eines Ludlum 2 inch NaI-Kristalls.

Ich nenne sowas jetzt einfach ein Gamma-Teleskop... ;-)

Nun zu den Anhängen:

Uranocircit-Mineral im Schraubdeckel-Glas mit Aktivkohle-Compretten zum 
Einfang des davon ausgedünsteten Radon, welches leicht und willig an der 
Aktivkohle hängen bleibt, weil wegen Alpha-Emittenz negativ geladen.
Dort haben wir dann eine saubere Radon-Zerfallsreihe verfügbar, ohne 
Backscatter oder sonstige Effekte der Mineral-Matrix.

Die Aktivkohle-Compretten mit adsorbiertem Radon werden in einer 
Einwegspritze aufgereiht und so angeordnet, dass sie in der Richtung 
beider Dioden hintereinander zu liegen kommen.

Das sich daraus ergebende Spektum nach ca 2 h zeigt 60 kcounts, und wenn 
man die U238-Zerfallsreihe als Linienmarker darunter legt, nach 
Sensorempfindlichkeitskorrektur gemäß Datenblatt genau die 
Peak-Größenverhältnisse die auch erwartet werden.

Sogar der kleine 214Bi-2204keV-Peak mit nur rund 5% Wahrscheinlichkeit 
ist als Stufe im Y-linearen Spektrum zu erkennen.

jo, soweit von der Gamma-Spektrometer-Briefmarke

von Joern Heinrich (Gast)


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Und hier die Radon-Kohlecompretten bei 60 kCnt
...

von Joern Heinrich (Gast)


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ArnoR schrieb:
> Ich will gar nichts destruktives, mich interessiert die Sache auch,
> allerdings nicht wissenschaftlich, ich möchte nur einen einfachen,
> empfindlichen Strahlungsdetektor für den Hausgebrauch (z.B. Pilze).

Alles klar,

Du kannst bei Kenntniss des Tchernobyl-Fallouts eigentlich überall Deine 
Pilze sammeln, ausser an den bekannten Hotspots.
Die Kenntniss über den Tchernobyl-Fallout bekommt man z.Bsp auch hier:
http://www.davistownmuseum.org/cbm/Rad7b.html

Aber die Eu hat auch einen downloadbaren Atlas dazu.

Weite Teile Norddeutschlands und Nordpolens sind frei von Kontamination.
Österreich hat mit Ostschweden und Finnland außerhalb Weißrusslands und 
der Ukraine den Hauptteil der Kontamination des explodierten Reaktors 
erwischt, mit über 180 kBq/m2 Cs137, wobei Cs137 eigentlich nur als 
Fähnchenträger für die anderen, nicht per Gamma-Spektroskopie 
auffälligen Krebskandidaten Pu, Eu, U steht.

Joern

von Joern Heinrich (Gast)


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Und dann nochmal die Kohlecompretten vom Uranocircit-Mineral
bei 120 kcount
....

von Pandur S. (jetztnicht)


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Alles sehr interessant, aber der Spektrometerteil leuchtet mir noch 
nicht ganz ein. Vielleicht hab ich einfach nicht genau genug gelesen. 
Die gezeigten Spektren und Zerfaelle, zu Photonenenergie. Ein 
Histogramm. Wie werden die Photonenenergien getrennt ? Es gibt ja keine 
Gitter bei diesen Wellenlaengen.

von Joern Heinrich (Gast)


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bitte nachlesen: https://de.wikipedia.org/wiki/Gammaspektroskopie
Spektrum: Y-Achse = Häufigkeit; X-Achse = Photonenenergie in keV
Detektion: je mehr ein Photon in einem Detektormaterial Energie abgibt 
(es gibt verschiedene dabei beteiligte Prozesse) umso stärker ist der 
Lumineszenzblitz, der dabei entsteht und von der Photodiode in einen 
kleinen Stromimpuls gewandelt wird.
Jetzt klar?

von SteffenM (Gast)


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@Joern Heinrich:

> Wenn Deine Elektronik einzelne Quanten von einer BPW 34 noch bei 60 keV
> ablesen kann, bist Du mir ja elektronisch weit voraus...
>
> Möchtest Du Dein Wissen teilen?

Voraus bin ich dir bestimmt nicht, meine Schaltung ist um 
Größenordnungen simpler als deine.
Ich hatte schlechte Erfahrungen gemacht mit Pulsformkorrelation und 
daher abgespeckt auf eine einfache Kette von Transimpedanzverstärker, 
Impulsformer zur schnellen Baseline-Restauration, analogem Peak-Detektor 
und MCU-integriertem ADC. Die MCU hat unmittelbar nach Peak-Sampling den 
Peak-Detektor zurückgesetzt. Also Lotech, ohne große Geheimnisse.

Eines könnte ich mir noch vorstellen. Hast du das FET-Frontend nach 
deinem Link http://www.linear.com/product/LT1028 verwendet? Glaube ich 
zwar nicht, aber dann halt für die Mitlesenden, diese Schaltung ist für 
die BPW34 aufgrund ihrer hohen Eigenkapazität ungeeignet (für Arrays 
daraus umso mehr). Tatsächlich bewirkt die hohe Diodenkapazität eine 
starke Rauschüberhöhung im Bereich der Grenzfrequenz des 
Transimpedanzverstärkers - also genau dort wo der maßgebliche 
Signalanteil der super breitbandigen Strompulse zu liegen kommt. 
Entsprechend verbessert alles das Signal, was die Kapazität verringert. 
Sperrspannung kurz vor Durchbruch (bzw. bei gerade eben noch 
verschmerzbarem Dunkelstromrauschen) ist schonmal gut. Besonders nett 
funktioniert aber aktive Kompensation, wie in der hier abgebildeten 
Schaltung: http://www.linear.com/product/LTC6244 . Selber FET, aber 
statt also niederkapazitiver Impedanzwandler hier als AC-Servo über der 
Diode. Der Servo regelt Ladungsänderung an der Diodenkapazität aus, 
kompensiert also die wirkende Diodenkapazität. Die Reduzierung des 
Rauschens im Bereich der Grenzfrequenz ist deutlich.

von Joern Heinrich (Gast)


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Danke, tolle Idee, werde das ausprobieren
;-)

von Joern Heinrich (Gast)


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@SteffenM:
Hab Deine Schaltungsvariante (AC-Servo über der Diode) auf dem 
Steckboard realisiert, und meine leicht betagte MCA-Software für die 
Soundkarte reengagiert, weil ich starke Störungen bei der Verbindung 
eines MIC-Masse / Analogeingangs am Detektor feststelle.

Anhang:
So schmalbandig hab ich den Cs-Peak meiner auf 11 g veraschten 1 kg - 
Maronen-Probe vom Tchernobyl-Hotspot westlich Rathenow's (zwischen Havel 
und Elbe) bisher noch nicht mit der FirstSensor X-100 mit 8 mm 
CsI:Tl-Kristall gesehen.
Das zeigt eine HWB (Halbwertsbreite) von gerade mal 80 keV@662keV.

Hab einen Peakerkennungs-Algorithmus draufgesetzt, der auf 
Anstiegsgeschwindigkeit reagiert.
Benutzter FET ist nur ein 2N4392, der hat Vnoise 3nV/rtHz@1kHz, 
Eingangs-Op ist AD 820, Gegenkopplung des TIA: 60 MOhm, 0.5 pF. Am 
Source des FET hängen 4.7 kOhm, die Diode ist mit 23V vorgespannt und 
AC-gekoppelt mit dem Source des FET mit 0.47 µF.

Der Sensor selber hat halt halt auch beschränkte Auflösung energetischer 
Art.
Danke Dir sehr, Steffen für den Tip mit dem AC Servo...

Also kann die FirstSensor X-100 mit Szintillationskristall zumindest an 
der Soundkarte mit optimierter Peakerkennung zur qualitativen 
Gammaspektroskopie eingesetzt werden.

Joern

von Joern Heinrich (Gast)


Angehängte Dateien:

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Im Anhang ein Thoriumspektrum (2% ThO in Wolframmatrix, thorierte 
Schweißelektroden), man sieht gegenüber dem oben dargestellten 
Th-Spektrum (Schaltung ohne FET-AC-Servo über der Diode) eine höhere 
Auflösung.

von J. H. (Firma: heisystec) (hds)


Angehängte Dateien:

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Die Entwicklung "Gamma-Spektroskopische Dosimetrie mit X100" ging 
weiter.
Hier ein Spektrum von 50g KJ in einer 1 cm dicken Bleiabschirmung 
(Dachdeckerblei, kein gamma-spektroskopisches)

Morgen sieht das Spektrum schon ganz anders aus. Zählrate erst bei 5000 
cnt.

von -gb- (Gast)


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Was mich wundert ist, dass hier diese komischen Impulse nach unten 
hergenommen werden die sich dann langsam der Nulllinie annähern. Ich 
kenne das so, dass man da dann einen Puse-Shaping-Amplifier dahinter 
schaltet der aus diesen Impulsen gaußförmige Impulse nach oben macht die 
auch alle einigermaßen die gleiche Breite (Zeit) haben. Das ist die 
einstellbare Shapingtime. Von denen wird dann das Maximum ermittelt oder 
die Fläche darunter.
Bei diesen Impulsen nach unten ist ja auch die Fläche zwischen der Kurve 
und der Nullinie proportional zur Zerfallsenergie, also müsste man 
eigentlich diese so lange aufsummieren bis das Signal wieder die 
Nulllinie erreicht hat, und das ist teilweise so lange, dass bei hohen 
Zählraten schon der nächste Impuls auf den Ausläufern des 
vorangegangenen sitzt.

von NuklidX (Gast)


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Du meinst pile-up.

von Gustl B. (-gb-)


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Das machen diese Pulse-Shaping-Amplifier auch.

von Detektor-Diode (Gast)


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Hallo zusammen!

Sehr interessant das Alles, Hut ab! Braucht die Diode eigentlich 
zwingend einen Szintillationskristall vor dem Si? Wenn nicht, wie sähe 
eine für diese Zwecke "perfekte" Diode aus? Also PIN ist klar, aber 
Dicke bspw. oder Dunkelstrom...?

Grüße

Daniel

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