Probleme mit Plastikszintillatoren Bicron BC408 und BC412

[stoppi]

Hallo!

Für meinen Neutronendetektor verwende ich ja einen Plastikszintillator + Photomultiplier. Ursprünglich war ein Plastikszintillator von ebay verbaut, welcher laut Verkäufer ein Bicron BC408 sein sollte.

Das Problem ist nun, dass im Internet unterschiedliche Datenblätter dazu zu finden sind. In einem spricht der BC408 nur auf Röntgenstrahlung < 100keV und alpha- bzw. beta-Strahlung an, in anderen wiederum auf Gammastrahlen zwischen 100keV und 5MeV, dafür auf alpha und beta wieder nicht...

Nun habe ich diesen älteren Plastikszintillator auf Herz und Nieren geprüft und zwar mit folgenden Versuchsanordnungen:
1.) Nur Photomultiplier ohne Plastikszintillator
2.) Photomultiplier + Plastikszintillator ohne radioaktive Quelle
3.) PMT + Szintillator + 662 keV Gammastrahlen außerhalb und innerhalb des lichtdichten Gehäuses
4.) PMT + Szintillator + alpha-Strahler innen direkt am Szintillator montiert
5.) PMT + Szintillator + beta-Strahler innen direkt am Szintillator montiert

Das komische ist, dass der Plastikszintillator auf keine der obigen Anordnungen anzusprechen scheint. Am ehesten noch mit einer geringfügigen Erhöhung der Zählrate beim Alphastrahler.

Der Photomultiplier funktioniert aber. Gebe ich zum Beispiel ZnS + Alphastrahler ins Gehäuse, so bewirken die dadurch erzeugten Lichtblitze einer sehr hohe Zählrate. Auch wenn ich LYSO-Szintillatoren ins Gehäuse bringe, steigt die Zählrate enorm an. Das im LYSO enthaltene Lutetium ist selbst ein Gammastrahler (200 und 300 keV) und regt den LYSO-Szintillator quasi selbst zu Lichtblitzen an. Habe auch den LYSO-Szintillator lichtdicht ins Gehäuse gegeben, um zu sehen ob seine Gammastrahlen den BC408 anregen. Aber auch hier eine unverändert niedrige Zählrate. Also sind es die vom LYSO ausgehenden Szintillationen, die die hohe Zählrate erzeugen...

In den nächsten Tagen stehen noch weitere Messungen mit meinem zweiten Plastikszintillator an, den ich als BC412 unlängst auf ebay gekauft habe.

Meine Frage an euch ist nun, ob jemand auch solch einen Plastikszintillator in Verwendung hat und mir seine Erfahrungen damit schildern kann. Oder vielleicht hat ja einer von euch einen Tipp für mich. 

P.S.: Ich werde auch noch die Dichten beider Szintillatoren bestimmen und mit den Tabellenwerten (ro = 1.023 g/cm³ für BC408 und BC412) vergleichen.

[stoppi]

Noch die fehlenden Bilder...

[Henri]

Hallo Stoppi,

wie ist denn die Diskriminatorschwelle Deiner Elektronik eingestellt? ZnS + Alpha gibt ja sehr helle Lichtblitze, die man schon mit bloßem (adaptiertem) Auge sehen kann. Beim BC408 ist das nicht so, da müßte man die Schwelle etwas niedriger stellen. Nicht, dass Du Dir die ganzen niedrigen Impulse wegfilterst. Plastik hat nur etwa 25% der Helligkeit von NaI(Tl). Außerdem ist Plasik sehr "schnell" (2-3 ns im Gegensatz zu NaI(Tl) mit ca. 250 ns), das heißt die Impulse sind sehr kurz. Damit muss Deine Elektronik ja auch klarkommen. Wenn Du die Auswertung per Arduino oder so machst, musst Du die Impulse gggf. vorher verlängern.

Plastikszintillatoren haben einen bläulichen Schimmer, anders als Plexi. Ist der bei Deinem auch vorhanden? Nicht, dass Du angeschmiert worden bist.


Ich habe auch einen 3x3" Plastikszintillator, war von diesem aber ziemlich enttäuscht, weil er doch deutlich weniger leistet als ein wesentlich kleiner NaI, den man mittlerweile für den selben günstigen Preis bekommt.
Plastik hat meiner Meinung nach nur 3 Vorteile: erstens ist es sehr robust mechanisch und in Bezug auf rasche Temperaturänderungen; zweitens kann man es sehr einfach in jede beliebige Form bringen; und drittens kann man damit "Natural Background Reduction" (NBR) machen. Das geht mit organischen Kristallen nicht, da man hierfür leichte Elemente braucht, an denen die Gammastrahlen jeweils nur einen Teil ihrer Energie abgeben. Ich habe mir mein Plastikstück gekauft, um damit mal rumzuspielen, aber wie bei so vielem, war grade noch die Zeit dafür da, mich zu informieren und entsprechend einzukaufen, aber dann nicht mehr, es auch umzusetzen :-)

Viele Grüße!

Henri

[Henri]

Ach, jetzt habe ich erst die Fotos aus dem zweiten Post gesehen.

Ich denke, der Verkäufer ist seriös, und Du hast tatsächlich das richtige Material bekommen.

Auf Deinem Oszi sieht man im letzen Bild doch einen massiven Anstieg der Zählrate? Die Impulse sind halt nur sehr klein. Du könntest einen größeren Lastwiderstand an Deinem PMT nehmen, oder mal die Hochspannung erhöhen. Aber damit wird der Signal-Rausch-Abstand natürlich nicht besser. Oder Du nimmst mal eine schwächere Quelle, damit Du einzelne Impulse besser unterscheiden kannst. Dir ist Deine Basislinie ja schon ganz schön nach unten weggewandert.

Nochmals viele Grüße!

Henri

[stoppi]

Hallo Henri!

Vielen, vielen Dank für deine wertvollen Hinweise.

Meine beiden Plastikszintillatoren reagieren auf einen UV-405nm-Laser und zeigen auch den leicht bläulichen Schimmer. Von daher werde sie schon echt sein...

Das obige Oszibild mit den Pulsen zeigt ja die Lichtblitze vom mit Alphastrahlen angeregten ZnS innerhalb des Photomultipliergehäuses. Da kommt es schon zu einer Sättigung wegen der vielen, starken Pulse.

Mit solch schwierigen Parametern bei Verwendung eines Plastikszintillators habe ich ehrlich gesagt nicht gerechnet. Dermaßen kurze Pulse kann ja meine simple Verstärkerschaltung mit dem LF356 gar nicht mehr verstärken...

Der LF356 hat ja nur ein gain-bandwidth-product von 5 MHz und eine slew-rate von 12V/µs...

Ich habe den Plastikszintillator deshalb in Verwendung, weil ich mit dem BC412 eben schnelle Neutronen (https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php/topic,227.0.html) detektieren möchte. Das geht vermutlich mit einem NaI-Szintillator nicht...

Ich werde mir jetzt mal das PMT-Signal am Oszi anschauen und auf sehr kurze Pulse achten.

Anbei noch meine derzeitige Schaltung mit den Komponenten: Inverter + Verstärker, Komparator mit dem LM311 und ein nachgeschalteter Monoflop mit dem CD4098.

Ich kann mich nicht mehr genau erinnern, aber ich habe mit diesem Setup vor Jahren schon Pulse registrieren können (siehe Oszibild). Leider aber keine Ahnung mehr mit welcher radioaktiven Quelle oder war es einfach nur der Strahlungshintergrund (Myonen etc.). Wie breit die Pulse sind, kann man leider auf dem Bild nicht erkennen. Aber ich habe sie scheinbar auch verstärkt bekommen mit der Elektronik, die ich eben noch immer verwende. Alles sehr eigenartig...

Aber danke einmal für deine Hilfe. 

[stoppi]

So, ich habe nun einmal das Signal direkt vom Photomultiplier ohne Verstärkung und ohne Quelle untersucht.

Ich erhalte eigentlich denselben Verlauf wie vor Jahren auch, also ein Plateau von ca. -100mV und dann eben die negativen Pulse. Von denen erhalte ich doch einige. Wenn ich auf singleshot gehe dann dauert es nicht lange, bis ich einen erfasse. Von daher scheint der Plastikszintillator und der Photomultiplier zu funktionieren. Die Pulse bestehen aus recht vielen Schwingungen, wovon die Hauptschwingung/Hauptpuls wirklich nur so um die 20ns andauert. Also doch erheblich kürzer als mit dem NaI-Szintillator... 

Aber im Moment habe ich Probleme mit meiner Verstärkerschaltung. Ich bekomme (wenn ich ein kleines Signal vom Funktionsgenerator einspeise) ein unschönes, verstärktes Signal mit vielen Spikes. Meine symmetrische Spannungsversorgung (2 Schaltnetzteile) liefert manchmal auch statt der +12V deutlich weniger. Weiß nun nicht genau, ob es defekt ist...

Aber ich werde mich Schritt für Schritt weiterhandeln.

[Henri]

Hallo Stoppi,

die Schaltung ist die aus dem Franzis-Buch vom Rapp. Kennst Du das? Sind viele schöne Schaltungen drin. Ich bin der Meinung, dass ich mit dem gleichen Vorverstärker auch schon sinnvolle Impulse aus meinem Plastikszintillator bekommen habe - das Datenblatt hatte ich damals gar nicht angeschaut, sondern einfach nur angeschlossen. Ist aber zu lange her, ich erinner mich nicht mehr richtig.

Die Schaltung ist ja auch analog. Problematisch ist es, wie gesagt, wenn man die Impulse direkt an einen digitalen Interrupt vom Arduino packen will. Da kommt der nicht mit klar und braucht einen pulse stretcher wie den 4098er Monoflop.

Ja, irgendwo steckt der Wurm drin in Deiner Elektronik, das Schwingen ist seltsam. Aber ich glaube, Du bist auf dem richtigen Weg.

Als symmetrische Spannungsquelle nehme ich immer zwei DC/DC Wandlerbausteine. Die sind ja galvanisch getrennt, und da man nur einen minimalen Strom braucht, sind sie schön klein und billig. Du könntest statt dessen zwei 9V Blocks probieren, dann hast Du auf jeden Fall eine komplett glatte Spannung und könntest Deine Schaltnetzteile als Fehlerquelle ausschließen. Schaltnetzteile brauchen eigentlich ja auch immer einen gewissen Mindeststrom, um zu funktionieren. Das wäre auch noch eine Idee: mit einem Lastwiderstand (Glühbirne) für einen Mindeststrom sorgen.



Übrigens, zu Deinen Neutronen-Experimenten: Dein Americium ist über der Freigrenze

https://www.gesetze-im-internet.de/strlschv_2018/anlage_4.html

und der Umgang somit illegal (abgesehen davon darf man in Deutschland ohne Lizenz weder Ionisationsrauchmelder besitzen geschweige denn auseinandernehmen), und mit dem Beryllium wäre ich wegen seiner Giftigkeit extrem vorsichtig. Im englischen Forum (oder fusor.net?) habe ich mal gelesen, dass man mit den üblichen Rauchmelderquellen keine Chance hat, so viel Neutronen zu generieren, dass man damit über die Nnachweisgrenze kommt. Den Static Master kann man nur in den USA verwenden, auch bei diesem ist Einfuhr und Umgang für uns illegal. Wenn sie das Ding beim Zoll rausfischen, hast Du ein richtig großes Problem. Ausserdem kann man das Ding auch in den USA gar nicht kaufen, sondern nur mieten. Die Halbwertszeit ist so kurz, dass man alle 1, 2 Jahre neu kaufen müsste.

Das Problem bei diesen Sachen ist ja: was machst Du mit den Quellen, wenn Du sie mal nicht mehr haben möchtest, wenn es bei Dir zu Hause brennt, wenn Du einen Unfall hast und niemand weiß, was bei Dir im Schreibtisch lagert? Das Risiko ist zu groß, dass Unbeteiligte Schaden nehmen oder diese Sachen einfach im Hausmüll landen.
Außerdem ist der Alphastrahler nur in das Trägermaterial eingewalzt und mit einer wenige Atomlagen dicken Schicht Gold bedampft, um Korrosion zu verhindern. Die Alphas sollen ja noch raus kommen können. Durch das permanente Bombardement mit Alphapartikeln wird diese Matrix mit der Zeit mürbe, und dann fängt Dein toller Alphastrahler an zu lecken und seine Umgebung zu kontaminieren. Durch die geringe Reichweite und die schwere Nachweisbarkeit von Alphapartikeln bekommt man das wahrscheinlich gar nicht mit. Und was passiert, wenn man Alphastrahler inkorporiert, weisst Du ja.

Wenn es Dir nur darum geht, zu testen, ob Dein Gerät tatsächlich Neutronen nachweisen kann, frag doch mal bei den üblichen Endlagern für Castoren an. Soweit ich weiß, kann man die besichtigen. Und dann fragst Du einfach, ob Du Dein Gerät kurz testen darfst.  Da kommen so viele Neutronen raus, auch in einigem Abstand, das ist besser als diese Selbstbastelquellen.
Alternativ kannst Du es auch mit in den Flieger nehmen, wenn Du das nächste Mal in Urlaub fliegst. Weiß allerdings nicht, ob Du damit durch den Security Check kommst...
Dritte Variante: Du fragst mal bei Universitäten oder Forschungslaboren an, ob diese eine  (Am/Be) Neutronenquelle besitzen und ob Du unter Aufsicht damit Dein Gerät testen darfst. Wer nett fragt, kommt meist sehr weit.

Davon abgesehen sind Neutronen tatsächlich etwas langweilig, weil sie normalerweise ja nur in homöopathischen Dosen vorkommen und man also gar nicht recht was zu messen hat. Was soll denn das für eine Facharbeit werden bzw. was willst Du genau rausfinden? Soweit ich weiß, sind Alphastrahler an Schulen mittlerweile verboten, bzw. man müsste regelmäßig Wischtests machen und die Dichtigkeit der Quelle bestätigen lassen, und das ist viel zu teuer. Ich kann mir kaum vorstellen, dass man eine Facharbeit, die auf diese Weise zustande gekommen ist, überhaupt annehmen würde.

Viele Grüße,

Henri

[stoppi]

Hallo Henri!

Vielen Dank für die ganzen Erläuterungen und Hinweise.

Weil du den Zweck meines Neutronenexperiments angesprochen hast. Was meine ganzen Experimente (mit/ohne Radioaktivität) betrifft, so treibt mich eine (große) intrinsische Neugierde an und zudem liebe ich die Physik mit all ihren Facetten (https://www.youtube.com/user/stopperl16/videos). Als Nebenerscheinung kann ich meinen Schülern aus eigener Erfahrung zeigen, wie echte Physik abläuft und muss nicht bloß Schulbücher und andere zitieren. 

Habe nun auch die Pulse von meiner NaI-Gammasonde am Oszi untersucht. Die besitzen eine Breite von ca. 80µs, also viel länger als die Pulse vom Plastikszintillator.

Dann habe ich nochmals den Plastikszintillator hergenommen und dessen "Pulse" genauer untersucht. Erstens schwingen die kurzen Pulse sehr stark nach und zweitens zeigen sie eine komische Anordnung mit regelmäßigen Abständen von ca. 20 µs. Eine Einstreuung irgendeiner Schaltfrequenz (50 kHz) halte ich aber für ausgeschlossen, da ich eben mit dem NaI-Szintillator und gleicher HV-Versorgung keinerlei derartige Beobachtungen gemacht habe.

Was sagt ihr zu den regelmäßigen "Pulsen" mit dem Plastikszintillator?

Ich habe den Verdacht, dass mein beim Plastikszintillator zum Einsatz kommender Photomultiplier (RCA C7151U) nicht richtig arbeitet. Werde daher wohl einen anderen besorgen und testen...

Andererseits scheint er (siehe obige Abbildungen Neutronendetektor_131 und Neutronendetektor_132) völlig korrekt zu arbeiten und reagiert auf die Lichtblitze vom ZnS-Szintillator wie gewünscht. 

[Henri]

Ah! Und ich dachte, Du bist ein Schüler kurz vorm Abi und Kandidat für den nächsten "Radioactive BoyScout" :-)

Toller Youtube-Kanal übrigens! Da werd ich mir gelegentlich mal das eine oder andere Video anschauen. Ist ja zum Teil ziemlich fortgeschrittenes Zeugs.

Viele Grüße!

Henri

[NoLi]

Ich habe den Verdacht, dass mein beim Plastikszintillator zum Einsatz kommender Photomultiplier (RCA C7151U) nicht richtig arbeitet. Werde daher wohl einen anderen besorgen und testen...

Bist Du sicher, dass (Plastik)Szintillator und Photomultiplier, also hier die Photokathode, sich auch "verstehen"?
PMT können entweder nur UV-Empfindlichkeit, sichtbares-Licht-Empfindlichkeit oder nur IR-Empfindlichkeit aufweisen.

Gruß
Norbert

[stoppi]

Hallo!

Danke Norbert für deinen berechtigten Hinweis. Habe jetzt im Internet nach der spektralen Empfindlichkeit des Photomultipliers RCA C7151U gesucht und bin fündig geworden.

Laut Tabelle besitzt die Röhre ihre maximale spektrale Empfindlichkeit um 500nm herum. Bei 425nm (= Hauptemissionsbereich des Bicron Plastikszintillators) ist die Empfindlichkeit bereits kleiner als 10%. 

Jetzt ist die Frage ob damit <10% Quantenausbeute gemeint ist oder 10% vom Empfindlichkeitsmaximum. Im zweiten Fall dürfte ich mich nicht wundern, warum mein Photomultiplier so schlecht anspricht...

Werde am Wochenende, wenn es sich ausgeht, einen weiteren Photomultiplier mit dem BC408 Plastikszintillator testen und schauen, welche Pulse und Pulsform ich dann erhalte.

Danke aber nochmals für eure Hilfe 

[NoLi]

Den Opto-Koppler zwischen Szintillator und PMT nicht vergessen.
Er soll die Spiegelungen an den Grenzverbindungsflächen von Szinti und PMT vermindern und damit mehr Lichtphotonen auf die Photokathode bringen. Außerdem muß er für die Szinti-/Photokathode-Wellenlänge geeignet sein und darf keine Wellenlängenverschiebung oder -absorption durchführen.
Die Profi-Hersteller verwenden hierzu Opto-Koppler auf meistens Silikonölbasis (dünner Film auf den Grenzflächen). Beim Zusammenfügen muß peinlichst auf Freiheit von Luftbläschen und Schlieren geachtet werden.

Viel Erfolg.

Gruß
Norbert

[stoppi]

Da der RCA-Photomultiplier von der spektralen Empfindlichkeit nicht so recht zu meinen Szintillatoren passt, habe ich 2 Stück Valvo XP2011 gekauft. Deren maximale Empfindlichkeit liegt bei 440 nm.

Zudem habe ich mir hier noch günstig einen NaI-Szintillator gekauft: http://www.sovtube.com/scintillators-/729-scintillator-naitl-1840-mm.html

Damit kann ich dann zusätzlich auch mein Setup überprüfen.

In der Zwischenzeit habe ich einmal die Dichte meines "BC412" bestimmt und ich komme auf 1,025 g/cm³. Das passt sehr gut zum Tabellenwert von 1,023 g/cm³. Von daher ist mit sehr großer Wahrscheinlichkeit davon auszugehen, dass es sich tatsächlich um BC412 handelt.