Vorstellung Eigenbau Szintillationsdetektor

[axelroro]

Hallo Leute
hatte dieses interessante Forum vor einigen Monaten entdeckt, und kurzerhand beschlossen, meinen eigenen Szintillationsdetektor mit Elektronik zusammenzubauen. Nicht zu viel erwarten, läuft eher unter Prototyp.

Dieser ist nun halbwegs fertig, und da ich viele Stunden unterhaltsamen Lesens hier verbracht habe, dachte ich, ich erzähl einmal, einfach als Reihe von Beiträgen. Vielleicht ist es ja für den ein- oder anderen interessant.

Los ging es eigentlich schon hier Link mit der Beschaffung eines NaI Szintillationsdetektors, ein Bicron 1.5M2.25/1.5L, sprich 1.5 inch Durchmesser, 2.25 inch lang. Das war schon ein kleines Risiko, da als defekt verkauft, mit vager Angabe, daß auf der Widerstandsplatine etwas defekt wäre. Das stellte sich dann als ein defekter Widerstand heraus, der leicht zu ersetzen war. Da muß man aber erstmal drauf kommen, daß ein Widerstand auch kaputt gehen kann.

Ich hatte mir dann dazu ein improvisiertes Hochspannungsnetzteil gebastelt, mit einem Transformator aus einer CCFL Platine, den ich primärseitig an meinen Funktionsgenerator geklemmt habe, so daß ich über diesen die Resonanzfrequenz des Trafos (51khz) und über die Amplitude des Frequenzgenerators die Spannung einstellen konnte. Primitiv, aber ging.

Danach ging es super langsam mit vielen Fehlschritten voran. Ich poste die nächsten Schritte einmal in weiteren Beiträgen

[axelroro]

So, den Szintillationsdetektor hätten wir:
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Nächster Schritt - Netzteil:

Eigentlich hatte ich mich auf dieses Schätzchen gefreut: Schätzchen

Über Ebay in England gekauft, ging das Teil auch auf die Reise. Nur bewegte sich ab Versendelager xy in England nichts mehr, so daß ich leider schweren Herzens einen Case bei Ebay aufmachte, und dann auch mein Geld ohne viel Probleme zurückerstattet bekam. Das Gerät wäre mir aber lieber gewesen.

Mein improvisiertes Funktionsgenerator-Transformator Teil war dieses Teil des Grauens 
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Zunächst war der Plan nun, die in der Application Note 118-5 von Linear Technologies von J. Williams genannte Schaltung (Seite 5) nachzubauen:
A Kilovolt with 100 microvolts of noise

Das entscheidene Stichwort war Royer. Geschaut was die Krabelkiste so hergibt, und leicht modifiziert mit Mosfets (2 x 2N7000) nach einer Schaltung aus dem mikrocontroller.net Royer wiki lief das auch ruck zuck:
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Das wars aber dann noch nicht, gefiel mir nicht. Mehr im nächsten Teil ....

[axelroro]

War unterwegs, deswegen dauerte es etwas mit der Fortsetzung. Aber nun gehts weiter.

Die Frage war nun, was für eine Schaltung gilt es zu wählen, und wo findet man die überhaupt. Dazu war erstmal Recherche angesagt. Die Ergebnisse hab ich habwegs strukturiert in meine Favoriten eingefügt. Für den, den's interessiert, ist das sicherlich nützlich - hier als html Datei angehängt (Export meiner Favoriten aus MicroSoft Edge, als zip file, da das Forum keine hmtl files als Anhang mag).

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Besonders interessant fand ich die Schaltpläne zu ST300 / ST400. Die findet man in der Sektion "Commercial Solutions with Circuit". Schaltplan ist am Ende. 

Prinzipiell gibt es verschiedene Ansätze, je nachdem ob man

• nur zählen will (counter)
• Spektrografie machen will
• Eine Photomultiplizierröhre (PMT) hat, die mit Hochspannung arbeitet
• Eine Photodiode (SIPM) hat, die ein sehr kleines Signal hat

Ich habe ja bekanntlich eine PMT, und was mich am Anfang sehr verwirrt hat, war, daß ich bis zu 15V mit dem Oszi direkt am Ausgang messen konnte, aber viel von milli Volt und notwendiger Verstärkung gesprochen wurde. Wozu, fragte ich mich, bei bis zu 15V.

Die Antwort ist wohl, dass eine PMT eigentlich eine Ladungs- bzw. Stromquelle ist. Nun ist Ladung, Strom, Spannung ja untrennbar miteinander verbunden, was mich als Elektronik-Hobbyist insofern verwirrte, daß ich dachte, warum der Umstand mit mV und Verstärkung, wenn die eh 10+V ausspuckt.

Letztendlich ist es wohl so, daß die PMT aus dem Lichtimplus eines Gammastrahls im Szintillator eine Ladung fliessen lässt. Meistens hat man am Ausgang der PMT nun ein Koax-Kabel mit 50 Ohm Wellenwiderstand. Wenn man das am Ausgang des Kabels (also am Verstärker) nun brav mit 50 Ohm abschliesst, bleiben von den 15V nur milliVolt übrig. Beim Oszi kam hier der hohe Eingangswiderstand von 10 MOhm zum tragen - wenn man dem die gleiche Ladung aufprägt (sprich durch die gleiche Ladung  Strom fliessen lässt), dann fallen an den 10 MOhm halt viel mehr Spannung ab als an den 50 Ohm. Wenn man das Koax-Kabel nun nicht mit 50 Ohm abschliesst, dann kann das wiederum zu Reflektionen und Auslöschungen führen. Man muß also in Ladung bzw. Strom denken, statt in Volt.

Daher sind nun also aus den 15V+ direkt an dem PMT Ausgang nun vielleicht 50-100mV übrig, die erstmal wieder verstärkt werden müssen. War das halbwegs verständlich? Im Zweifelsfall fragen, da sind sicher noch mehr Experten im Forum.

Ok, langer Rede kurzer Sinn - in der von mir gewählten Schaltung wandeln wir mit Hilfe eines Operationsverstärkers (Op Amp), TL084CN, einen durch eine Ladungsverschiebung erzeugten Strom am Eingang des OP Amps in eine Spannung am Ausgang des Op Amps um.

Gemeinhin wird das dann Transimpedanzverstärker genannt. Aber um die Verwirrung (bei mir) noch zu erhöhen - das war es dann aber doch nicht ganz ... wir müssen noch 'integrieren'.

Fortsetzung folgt ... 

[axelroro]

Jetzt sprach ich vom Integrierer - warum denn das nun. OK, das muß nicht sein, aber in unserem Fall ist das nützlich, da die Pulse von der PMT im Bereich 10-100 nano-Sekunden liegen. Die gilt es zu strecken, damit

a) man mit einem relativ stinklangsamen IC wie der oben erwähnte TL084CN arbeiten kann
b) wir später mit einer Soundkarte die nun im Soundspektrum befindlichen Impulse abtasten kann (Analog Digital Converter = ADC).

Nun nennt man das dann nicht mehr Transimpedanzverstärker, sondern Ladungsverstärker. Das war anfangs sehr verwirrend, insbesondere weil die Op Amp Schaltungen scheinbar ähnlich aussehen.

Ich sagte das muss nicht sein, weil es heutzutage durchaus sehr schnelle ADC gibt, sowie auch Anwendungen, bei denen es auf Geschwindigkeit ankommt. Aber in meinem Fall brauchen wir das nicht, d.h. wir strecken mal den Puls auf 20-50 mikro Sekunden (von vorher 50-100 nano-Sekunden bei meiner PMT).

OK, wie integriert man denn nun mit einem Op Amp - man setzt einen Kondensator in den Rückkopplungsweg  des Op-Amps und führt das Signal an den invertierenden Eingang. Damit nun nicht der Kondensator durch die Pulse immer mehr aufgeladen wird, schaltet man auch noch einen Widerstand parallel, damit er sich nach dem Puls wieder entlädt, bis der nächste (statistisch) kommt. Für niedrig radioaktive Experimente   völlig ausreichend.


OK, wie wird denn nun eigentlich die restliche Elektronik ausgelegt.

Traditionell spricht man da von:

• Vorverstärker / Pre-Amplifier
• Danach gibt es oft eine Zero Pole Kompensation
• Puls-Shaper / Puls Former
• Einen Buffer, ein Op Amp mit Verstärkung 1
• Gelegentlich noch eine BIAS Anpassung
• Einen Analog Digital Wandler
• Einen MCA in Software (z.B. Theremino MCA)

Wozu ist das alles gut:
Traditionell (ich sag das immer, weil ich machs dann anders) haben wir nach dem Pre-Amp nun einen gestreckten und invertierten (umgedrehten) Impuls. Der geht sehr schnell hoch und fällt dann langsam ab. Beim Abfallen fällt der Puls nach der Verstärkung gerne mal ins Negative. Das will man nicht (warum hab ich noch nicht so ganz kapiert), und daher setzt man eine Zero Pole Kompensation ein, die den Puls so korrigiert, dass er schön im positiven gegen null geht, bis dann irgendwann der nächste Gamma-Puls kommt.
Diesen schnell hochgehenden, und langsam abfallenden Puls würde man nun gerne in eine schöne Gauss-Kurve umwandeln (googled wie die aussieht). Warum - dann braucht man nicht so schnelle ADC's. Ausserdem wird Noise (also Störsignale) reduziert.

Traditionell macht man das, in dem man einen als Differenzierer geschalteteten Op-Amp mit noch einem als Integrierer geschalteten Op-Amp hinter den Pre-Amp schaltet. Dann noch einen Puffer, um das Signal  niederohmiger zu machen. Manchmal auch noch eine Bias Korrektur - die braucht man eigentlich nur bei Hoch-Radioaktiven Verhältnissen, da hier durch die dauernden Impulse gerne mal die Null-Linie nach oben wandert (ins positive). Danach kann man dann einen ADC dahinterschalten, der das analoge Signal in ein Digitales umwandelt.


Hab ich alles schön auf einem Bread-Board aufgebaut, nur um es dann doch zu verwerfen. Der Grund war ganz prosaisch - dem Theremino war das Puls-Shaping ganz egal. Im Gegenteil, es schien zu schaden.
 
OK, ist das halbwegs verständlich? Da gibt es wieder in meiner Link-Sammlung tolle Webseiten, die das mit Oszi-Bildern hinterlegt erklären, z.B. PhysicsOpenLab (sucht in der Sammlung).

OK, jetzt reichts mit der Theorie, Fortsetzung folgt mit Bildern zur Realisierung ...

[axelroro]

Jetzt bin ich oben etwas aus der Sequenz gehüpft - ich hatte ja noch gar nicht die entgültige Hochspannungslösung gezeigt:

Die sieht nun so aus (blöd fotographiert):
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Was man da sieht, ist ein C4900 von Hamamatsu. Die gabs für 60 EUR auf ebay, konnte nicht wiederstehen:
C4900

Dummerweise ist der falsch-rum, negative Spannung. Meine PMT braucht aber positive Hochspannung. Da hab ich mir gedacht, den kann man ja auch 'rumdrehen'. Sprich, das Gehäuse bzw. Ground des Gerätchens an den Plus-Pol und den Hochspannungseingang auf die Gehäuse-Masse. Nachteil ist die dann nötige galvanische Trennung und schwierigere Regelung. Die Ausgangsspannung wird über eine 0-5V Einstellspannung eingestellt. Meine Lösung dazu ist ein Optokoppler. Das habe ich in dem obigen Bild ausprobiert auf dem Bread-Board, funktioniert. Allerdings aus Faulheit noch nicht realisiert - ich hab eine Festspannung von ca. 650V über Widerstände eingeregelt.

Das ganze sieht dann so aus:
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So, jetzt brauch ich eine Pause, geht demnächst weiter, auch mit den erzielten Ergebnissen ....

 

[DL3HRT]

Mit dem C4900 habe ich schon viel gemacht und war durchweg zufrieden. Leider gibt es die Version mit positiver Ausgangsspannung sehr selten. Kannst du bitte den Schaltplan posten, wie du die Ansteuerung mit dem Optokoppler gelöst hast?

[Radioquant98]

Hallo axelroro,

das ist ja mal interessant welche Spannungswerte der SEV ausgibt - hätte ich jetzt so auch nicht erwartet, da überall von Vorverstärker die Rede ist.

Nun die einfach Einkabellösung hat den Nachteil der Fehlanpassung.

Trennt man aber die HV-Zuführung und Signalleitung, was ich für die Beste Lösung halte, reicht ein einfacher Impedanzwandler, Spannungsfolger, um die Impulshöhe auch am Kabelausgang möglichst groß zu halten. Allerdings muß dessen Ausgang impedanzmäßig an das Kabel angepaßt werden und das Kabel auch an der am Ende mit dessen Impedanz abgeschlossen werden. Das ist nun schon HF-Technik.


"Nun nennt man das dann nicht mehr Transimpedanzverstärker, sondern Ladungsverstärker. Das war anfangs sehr verwirrend, insbesondere weil die Op Amp Schaltungen scheinbar ähnlich aussehen. "

Bei den zwei Begriffen bin ich mir nicht ganz sicher, ob es nich das Gleiche ist.

Aber am SEV braucht es sowas nicht, halt nur einen Impedanzwandler.
Denn der Vorverstärker ist ja das Dynodensystem im SEV. Der SEV ist ja nur eine Fotozelle mit mehrstufigem Verstärker nach dem Sekundärelektronenprizip.
Transimpedanz- bzw Ladungsverstärker braucht man bei Ionenkammern und Halbleitersensoren deren Signale im Prinzip einzelne eingefangene Elektronen sind, also kleinste Signale, die erstmal verstäkt und impedanzmäßig angepaßt werden müssen.

Aber Deine Art an das Ganze heranzugehen kann ich nur begrüßen - ich bin auch Einer der an jeder Schaltung etwas zu meckern hat    

Achso, deine letzten Bilder kann ich nicht öffnen ????

Viele Grüße
Bernd

[axelroro]

Danke für den Hinweis, Bildformate in obigem Beitrag korrigiert.

Hier ist der Schaltplan für die Anbindung C4900 über Optokoppler. Aus dem Kopf gemalt, meine aber, es passt:
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Man beachte das Sternchen - da ist ja ganz einfach ein Spannungsteiler mit einem 47k Widerstand und dem Foto-Transistor im Optokoppler realisiert. Ich hab das falsch gezeichnet - man sollte den 47k Widerstand zwischen C4900 Ground und Pin 4 setzen, und den Foto-Transistor im Opto zwischen Pin 4 und Pin 5. Damit ist im nicht angesteuerten Zustand die Ausgangsspannung 0 statt volle Spannung.

Auf der Ansteuerungsseite des Optokopplers kann man z.B. ein 10k Poti verwenden. Kommt ggfs. auch auf den verwendeten Opto an, bei mir gings. Oder den DAC Ausgang eines uControllers und damit dann digital die Spannung einstellen.
 

Für den Einbau im Gehäuse, den man nun auf dem Bild im vorangegangenen Beitrag sieht, hab ich mir einen Rahmen 3D gedruckt, um das Teil dann galvanisch isoliert und sicher ins Gehäuse zu bringen. Die Implementierung ist etwas grenzwertig - z.b. schalte ich die Batteriespannung mit einem 250V Mikroschalter zu. Die Spannung an diesem Mikroschalter ist dann aber auch 650V, da ja CN4900 Masse = -650V bei meiner Einstellung der Ausgangsspannung. Ausserdem hab ich einfach einen fetten 1uF X-Kondensator für ~250V für die Pufferung benutzt. Das Datenblatt sagte, DC bis 800V. Grenzwertig, aber geht. Bei 1uF Pufferung auf der HV greift man aber besser nicht mehr dran - das beisst schon bösartig.

So, jetzt werde ich von der Familie gezwungen zu frühstücken, gehe später noch auf den Post von Bernd ein.

Fortsetzung folgt ....

[NuclearPhoenix]

Nun nennt man das dann nicht mehr Transimpedanzverstärker, sondern Ladungsverstärker. Das war anfangs sehr verwirrend, insbesondere weil die Op Amp Schaltungen scheinbar ähnlich aussehen.

Das sind schon zwei unterschiedliche Sachen. Der TIA hat nur einen Widerstand im Feedbackzweig, der CA hat Widerstand und Kondensator parallel. Mit dem TIA verstärkt man nur den Strom um einen gewissen Faktor, der CA integriert dir das Signal auch abhängig von der RC Zeitkonstante.

[axelroro]

Ja. SEV heißt übrigens Sekundär-Elektronen-Vervielfacher = Photomultiplizierer = PMT. Lasst uns die Begriffe einmalig ausschreiben, damit man leichter folgen kann.

Der TIA (Transimpedanzverstärker) wandelt einen sehr kleinen Strom am Eingang in eine Spannung am Ausgang Wiki. Dazu hat er einen üblicherweise grossen bis sehr grossen Widerstand im Rückkopplungsweg (bis Giga-Ohm bei SIPM Photodioden). Manchmal - was mich anfangs sehr verwirrte -  hat er auch einen sehr kleinen Kondensator parallel zum Rückkopplungswiderstand. Der dient jedoch nur der Kompensation, bzw. Begrenzung des Frequenzgangs, um das Rauschen zu vermindern.

Der Ladungsverstärker bzw Charge Amplifier (CA) hat einen Kondensator im Rückkopplungsweg und parallel zu dem oft auch einen Widerstand. Damit sieht das zunächst sehr ähnlich einem TIA aus. Der Unterschied ist, der Kondensator ist relativ gross (bei mir 22nF) und der Widerstand relativ klein, bei mir glaub ich 470 Ohm. Über den Kondensator wird 'integriert', sprich, die Ladung, die von der PMT rüberfliesst, wird gespeichert. Der Widerstand dient zum Entladen, sonst würde die Ladung im Kondi einfach stehenbleiben. Die Werte werden so eingestellt, daß wir bei so typisch 150 CPS (Counts per Second) über den Widerstand den Kondi wieder entladen haben, bevor der nächste (statistisch verteilte) Impuls kommt. Es ergibt sich eine Zeitkonstante T = C*R Wiki.

Wenn man sich mal die kommerziellen Lösungen ansieht (siehe meine Linksammlung, Ortec bzw Amptec) - da gibt es beides. Bei SIPM Photodioden oft die TIA Lösung, bei PMT's je nach Anwendung dann den CA oder, wenn's schnell sein muß, z.B. bei sehr hohen Zählraten, auch einen TIA. Bei dem Ortec Pre-Amp kann man zum Einstellen sogar am Eingang verschiedene Kondensatoren parallel zum Koax / bzw. PMT Ausgang parallel schalten. Die integrieren also nicht mit dem Op-Amp, sondern einfach mit dem parallelen Kondensator.

Ich habe bei meiner PMT übrigens auch getrennt positive HV und Signalausgang. Dummerweise ist der Signalausgang nicht in der PMT Elektronik über einen HV Kondensator rausgeführt, weswegen ich vor dem Eingang meines Vorverstärkers / Pre-Amps dann noch einen 3nF HV Kondensator eingebaut habe, sowie einen 47 Ohm Widerstand in Serie zum Op-Amp Eingang, zur Anpassung an das Koax-Kabel. Das soll Reflektionen im Kabel verhindern.

So, Schluß mit Theorie, im nächsten Beitrag wieder ein paar Bilder ...

[axelroro]

@Bernd

So sieht übrigens die Spannung direkt am Signalausgang der PMT Röhre aus, also ohne Koax-Kabel und Anpassung. Spannung an der PMT Röhre 808V. Frequenzzähler im Hintergrund zeigt 120 Counts per Second, wobei das natürlich von der Triggerhöhe abhängt. Oszi war auf 'dauernd' erfassen eingestellt, man sieht also den Schatten der vergangenen Impulse.
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Einstellung war 5V per division, d.h man sieht hier einzelne Impulse bis über 20V gegen die 10 Mega-Ohm Eingangsimpedanz des Oszi's. Man stelle sich vor, der Gamma-Strahl erzeugt eine Ladung, diese  über die 10MOhm einen Strom fliessen lassen, worauf darüber eine Spannung abfällt.
Wenn man die gleichen Ströme nun über ein Koax mit 50 Ohm abgeschlossen fliessen lässt, bleiben davon noch einige dutzend bis 100 milliVolt übrig. Aber mit dem Vorteil, daß man nun mit dem Kabel Strecken überbrücken kann und es ist wohl auch der Linearität dienlich.



 

[axelroro]

OK, um das nun mal zu einem vorläufigen Höhepunkt zu bringen, hier nun einmal, wie das (fast) fertige Gerät aussieht:

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Man erkennt oben die HV Erzeugung, gespeist von 2 9V Blockbatterien. Unten den Pre-Amp mit nachvolgender Verstärkung und Pufferung. Verstärkung ist bei mir 11-fach, was eine schöne passende Ausgangsspannung für den Sound-Eingang ergibt, gefolgt von einem 'Unity-Gain' Op-Amp als Puffer für den Ausgang zur Soundkarte. In dem TL084CN Gehäuse sind 4 Op-Amps. Den letzten Op-Amp hab ich dazu verwendet, mir aus den 2 x 9V eine virtuelle Masse herzustellen. Schaltungsaufbau mal ich mal bei nächster Gelegenheit und reiche nach. Also keine Puls-Formung, da wie oben erwähnt, diese keine Vorteile bei der verwendeten Theremino-MCA Auswertung zu bringen schien.

Was wirklich gelungen scheint, ist der Noise-Level. Hier einmal ein Oszi-Bild vom Ausgang zur Soundkarte (über Koax direkt an Oszi):
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2-3mV Rauschen, wohlgemerkt am Ausgang der Schaltung zur Soundkarte, kann sich wirklich sehen lassen. Da scheint sich die Speisung durch Batterien sehr vorteilhaft auszuwirken. Zwar sind Batterien keinesfalls rausch-frei, immerhin wird der Strom durch chemische Prozesse bereitgestellt, die auch fluktuieren. Allerdings fällt ein Ripple und Brumm so ziemlich weg. Also ist schon recht gut, nach allem was ich so gelesen hab.

Zuguterletzt noch ein Foto vom fertigen Gehäuse - so siehts aus:
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So, Familie ruft, will, daß ich unnütze Dinge tue, wie z.B. Wandern und an die frische Luft gehen, all die Zeitfresser-Geschichten halt.

Fehlt nur noch, das ganze in der Anwendung zu sehen. Mal kucken ob ich ein Video hinkriege oder zumindest ein paar Bilder. Später ...   

[Radioquant98]

Nun nennt man das dann nicht mehr Transimpedanzverstärker, sondern Ladungsverstärker. Das war anfangs sehr verwirrend, insbesondere weil die Op Amp Schaltungen scheinbar ähnlich aussehen.

Das sind schon zwei unterschiedliche Sachen. Der TIA hat nur einen Widerstand im Feedbackzweig, der CA hat Widerstand und Kondensator parallel. Mit dem TIA verstärkt man nur den Strom um einen gewissen Faktor, der CA integriert dir das Signal auch abhängig von der RC Zeitkonstante.

Danke für die Erklärung.

Und danke auch an axelroro.

Eine Frage habe ich noch. Wie groß wird nun der kleinste Impus sein, der ausgewertet werden soll ? Ein Spektrumbesteht ja aus verschiedengroßen Impulsen.

Viele Grüße
Bernd

[Henri]

Die Ausgangsspannung wird über eine 0-5V Einstellspannung eingestellt

...oder über ein Poti / Feintrimmer an den 3 Pins 

[axelroro]

Die Ausgangsspannung wird über eine 0-5V Einstellspannung eingestellt

...oder über ein Poti / Feintrimmer an den 3 Pins 

Henri, verstehe nicht. Meinst Du, anstelle des Opto-Kopplers? Ja, geht auch, aber liegt ja dann auf 650V plus Niveau, wegen des ,umgedrehten' C4900. Kann man natürlich einen Plastikschraubendreher verwenden. Mir wärs zu riskant.