günstige Gammaspektroskopie mit Theremino

[stoppi]

Hallo!

Gammaspektroskopie kann, muss aber nicht kostspielig sein. Hier möchte ich meine Selbstbauversion kurz vorstellen.

Als Hochspannungsquelle kommt ein CCFL-Inverter mit feedback zum Einsatz. Damit kann ich negative Spannungen im Bereich von -900V bis -1600V einstellen.

Meine Gammasonde besteht aus einem M10FS301 Photomultiplier inkl. Natriumjodid-Szintillator aus der Ukraine (mit den Abmessungen 20x45 mm). Das negative Signal invertiere und verstärke ich mit einem Operationsverstärker (LF256).

Von dessen Ausgang geht es direkt in eine USB-soundcard. Hierbei muss darauf geachtet werden, eine alte Version zu erstehen. Denn zum Betrieb muss der mittlere Pin der 3.5mm Audiobuche gekappt werden.

Bezugsquelle USB-Soundcard: https://www.ebay.com/itm/USB-f%C3%BCr-Kopfh%C3%B6rer-Mikrofon-Virtuell-5-1-Surround-Adapter-3D/273236817722?ssPageName=STRK%3AMEBIDX%3AIT&_trksid=p2060353.m2749.l2649

Als Multichannel-analyzer-Software kommt die freeware Theremino (https://www.theremino.com/de/downloads/radioactivity) zum Einsatz.

Getestet habe ich dann das Gammaspektroskop u.a. mit spark-gap-tubes, welche Cäsium-137 enthalten (https://www.ebay.com/itm/C-P-Clare-TG-36-High-Energy-Spark-Gap-Noise-Source-Tube-NOS-Unused/143365161928?hash=item21613ac3c8:g:4LgAAOSwBCtdYz0I).

Die Auflösung könnte besser sein, ich bin aber dennoch mit dem Ergebnis zufrieden... 

Kosten:

* Photomultiplier: 20 Euro, ebay
* NaJ-Szintillator: 60 Euro, ebay
* USB-soundcard: 5 Euro, ebay
* Elektronik für Verstärker: 6 Euro
* HV-power supply mit CCFL-inverter: 15 Euro
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gesamt: 106 Euro

[katze]

Hi,
ich wollte nicht extra einen neuen Thread aufmachen, darum hänge ich mich mal hier mit dran.

Zuerst: Respekt, das sieht schon ganz passabel aus, finde ich.

Man sollte noch erwähnen, dass es vorteilhaft ist, eine USB-Soundkarte zu nehmen, die bis zu einer Samplerate von 192000Hz auflösen kann, deine kann das, wie man auf dem Theremino-Screenshot sehen kann - meine geht nur bis 48kHz, dazu weiter unten mehr.

Dann gefragt: Nach welchen Kriterien hast du den Photomultiplyer ausgesucht? Es gibt da ja ganz viele. Und dann braucht man ja noch hochohmige Widerstände dran, hast du da einen Schaltplan oder eine Beschreibung?

Für den OpAmp braucht man dann ja noch die symmetrische Versorgungsspannung und auch der CCFL-Inverter braucht Strom, wie hast du das gelöst?



Ok, nun zu meinem Problem:
Ich bekomme bei meinem Gammaspec mit Theremino keine guten Ergebnisse, irgendeine Einstellung passt nicht.

Dass das Gerät brauchbare Spektren erzeugen kann weiss ich, denn bei meiner bisherigen Herangehensweise (samplen mit Audacity, danach mit einer Auswerte-Software drüber und den Output in Excel geplottet) geht das.

Leider habe ich dann keine Zuordnung "Kanal-Energie" und kann auch nicht so schön die Energielinien verschiedener Isotope einblenden.
Mit dem Theremino-MCA gehen aber so viele Details (fast alle^^) der Messungen verloren - so ist das nicht verwendbar.

Vielleicht hat jemand ja eine Idee, an welchen Stellschrauben ich drehen müsste, um ein brauchbares Spektrum zu kriegen.. liegt das an einem falsch eingestellten Baseline-Test? Ich bin auf jeden Fall für jeden Tipp dankbar!

Im Anhang die Ergebnisse von je 10minütigen Messungen, einmal mit meiner ursprüngliche Impulsaufbereitung, einmal mit Theremino.

LG, katze

EDIT: Ah, ich glaube ich habe das Problem gefunden, man muss tatsächlich beim Baseline-Test bei "Position(µs)" den Minimalwert (50µs) wählen, obwohl ich in der Anleitung gelesen hatte, dass man bei einer Samplerate von nur 48kHz einen recht hohen Wert einstellen soll. Ok, wieder was gelernt

[stoppi]

Was die samplerate angeht, muss ich noch einmal genau schauen. Denn meine USB-soundcard kann soviel ich weiß auch nur 48 kHz...

Nach welchen Kriterien hast du den Photomultiplyer ausgesucht?

Bei all meinen Photomultipliern habe ich vordergründig auf einen günstigen Preis geachtet und dann geschaut, ob die spektrale Empfindlichkeit des PM für den verwendeten Szintillator (NaJ, Plastik) auch passt.

Und dann braucht man ja noch hochohmige Widerstände dran, hast du da einen Schaltplan oder eine Beschreibung?

Habe für die Dynoden R = 200kOhm gewählt, siehe Schaltplan unten. Da gibt es aber je nach PM ganz unterschiedliche Empfehlungen von 100kOhm bis 1.8 MOhm für R. Bei einigen PM schließt man noch zwischen den höheren Dynoden je einen Kondensator parallel zu R. Ist aber auch von PM zu PM unterschiedlich.

Für den OpAmp braucht man dann ja noch die symmetrische Versorgungsspannung und auch der CCFL-Inverter braucht Strom, wie hast du das gelöst?

Ganz einfach mit zwei Steckernetzteilen, die ich seriell zusammengeschlossen habe um die symmetrische Spannung zu erhalten. Der CCFL-Inverter für die negative Versorgungsspannung des Photomultipliers benötigt -12V und der Verstärker +12/-12V.

[stoppi]

Habe mir ja über ebay-Kleinanzeigen günstig zwei Valvo XP2011 Photomultiplier gekauft. Diese sollen dann zum einen mit einem NaI-Szintillator als gewöhnliche Gammasonde und zum anderen mit dem BC412-Plastikszintillator zur Neutronendetektion herangezogen werden.

Die abgebildete Verschaltung müsste so hoffe ich richtig sein (analog zum Modell XP2012; gleicher Sockel).

Als Dynodenwiderstände habe ich 100kOhm genommen (erste Stufe 220kOhm). Parallel zu den letzten beiden Stufen habe ich je einen 10nF/3kV Kondensator verlötet.

Der NaI-Szintillator ist zum Glück nach einiger Verspätung auch gut angekommen. Er misst 18x40mm und hat mich mit Versand aus der Ukraine nur rund 38 Euro gekostet. Komischerweise findet man im Moment auf ebay.com fast keine vergleichbaren Szintillatoren...

Wenn ich erste Messungen gemacht habe, berichte ich wieder. 

[DL3HRT]

Der NaI-Kristall sieht auf dem Foto eigenartig aus, was aber auch am Lichteinfall liegen kann. Ist der Kristall klasklar, so dass man den Boden sehen kann? Falls nicht oder falls es Schlieren gibt, so ist der Kristall nicht in Ordnung.

[stoppi]

Das täuscht nur auf dem Photo, der Kristall ist völlig klar...

[Henri]

Cool! Die PMTs haben anscheinend eine leitfähige Beschichtung für negative Hochbespannung! Da haste Glück gehabt!  (Aber krieg keine gewischt, die dürfte auf Kathodenpotential geschaltet sein...)

[stoppi]

@Henri: Der Warnaufkleber ist ausnahmsweise nicht von mir, der war schon oben... 

Habe heute erste Messungen mit dem Valvo XP2011 gemacht. Prinzipiell scheint die Schaltung/Pin-Belegung (siehe oberen Beitrag) zu passen, denn wenn ich eine ZnS-alpha_Strahler-Quelle mit ins Gehäuse packe, sind eine Vielzahl an Pulsen zu beobachten. Ohne "innerer" Quelle tut sich wenig. Allerdings muss die Spannung am Photomultiplier schon auf über 1350V eingestellt werden, darunter passiert nicht viel.

Dann habe ich aber noch ein Problem mit meinem Oszilloskop. Am billigen DSO150 erhalte ich je nach Versorgungsspannung des Photomultipliers und mit/ohne Quelle mal viele, mal keine Pulse wie es eigentlich zu erwarten ist.

Am Voltcraft Oszilloskop DSO-1062D bekomme ich aber eine Vielzahl an "Fremdpulsen" angezeigt. Die eigentlichen Pulse durch die ZnS-alpha_Strahler-Quelle gehen dann eigentlich fast total unter. Ich habe es mit mehreren Messkabeln probiert, immer dasselbe. Auch reagiert der Tastkopf auf Berührungen mit der Hand einmal und einmal nicht...

Wenn ich den Tastkopf am Testpin (1 kHz Rechteck) anschließe, passt aber wieder alles. Hat mein Oszi eine Macke?

[Henri]

@Henri: Der Warnaufkleber ist ausnahmsweise nicht von mir, der war schon oben... 

Ja, damit du keinen gewischt bekommst! Von Dir hätte ich eher erwartet, dass Du ein Trifoil draufbappst 

[Zugpferd]

Stoppi, bei den PMT's gab's doch einen Zettel mit technischen Daten, dort stand die Betriebsspannung doch drauf oder täusche ich mich? Hab da auch welche gekauft bin nur noch nicht zum basteln gekommen...

Ich hab die angesprochenen Probleme Kristalle zu bekommen. Da gibt's kleine für 999 Euro, wa?

[Na-22]

...
Wenn ich den Tastkopf am Testpin (1 kHz Rechteck) anschließe, passt aber wieder alles. Hat mein Oszi eine Macke?

Es könnte am Masseanschluss des Tastkopfes liegen. Die Masseleitung darf keine große Schleife bilden. Probier mal, das Massekabel so gut es geht um den Tastkopf zu wickeln.
So wie es in Bild "DSO1062D_03.jpg" zu sehen ist, funktioniert es bei schnellen Pulsen/kurzen Anstiegszeiten nicht gut.

Experimentell ist das z.B. hier mal gezeigt:

[stoppi]

Danke einmal für eure Antworten. Ich werde das in den nächsten Tagen gründlicher untersuchen.

Der Valvo XP2011 Photomultiplier hat ein U_max von 1800V. Von daher war zu erwarten, dass er erst bei höheren Spannungen als sonst (betreibe meine anderen Photomultiplier teils mit 900V) richtig arbeitet...

[stoppi]

So, es gibt Neuigkeiten. Habe nun Messungen mit der NaI-Gammasonde unternommen und die gleichen Störungen wie mit dem Valvo XP2011 erhalten. Deshalb einmal mit einer anderen HV-power-supply probiert und siehe da, die Störungen waren weg. Dachte also, dass es an meiner HV-power-supply liegen muss. Heute aber noch einmal das 12V-Netzteil gewechselt und jetzt bekomme ich auch mit meinem DIY-HV-Netzteil keine Störungen mehr. Wie kann dies sein?
Das neue, funktionierende HV-Netzteil habe ich mit meinem +12V-Steckernetzteil versorgt und keine Störungen erhalten. Das Problem war also das -12V-Steckernetzteil, mit dem ich mein DIY-HV-Netzteil versorgt habe... 

Anbei noch der Ausgang meines Valvo XP2011 Photomultipliers einmal mit und einmal ohne Lichtquelle (ZnS + alpha-Strahler) innerhalb des Gehäuses.

[stoppi]

Hier noch die beiden Signalverläufe, nun ohne Störungen.

Die obige Pin-Belegung des XP2011 stimmt also, für alle die sich auch so einen Photomultiplier über ebay-kleinanzeigen besorgt haben...

[Peter-1]

Hallo,
wenn ein Netzteil, (fast immer ein Schaltnetzteil) nicht sehr ordentlich entstört ist, übertragen sich die Störfrequenzen auf die angeschlossenen Teile. Anbei im Bild unten links meine Filterschaltung für die Hochspannung. Zudem sind an mehreren Stellen in den Leitungen Mantelstromfilter.