Spettrometria Gamma

Il Theremino_MCA pur essendo completamente Freeware e OpenSource è un vero Multi-Channel-Analyzer da laboratorio.

Ulteriori informazioni:
– Schemi elettrici e piani di montaggio: www.theremino.com/technical/schematics
– Software: www.theremino.com/downloads/radioactivity
– Hardware, autocostruzione e kits: www.theremino.com/contacts/producers
– Immagini e Video: www.theremino.com/video-and-images
– Articolo su Elettronica Open Source: tecniche-di-condizionamento-del-segnale-spettrometria-gamma 

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Hardware per la Spettrometria Gamma 

Il Theremino_PmtAdapter contiene un circuito di retroazione in grado di mantiene la tensione stabile anche in presenza di forti variazioni della temperatura. In questo modo la taratura rimane precisa nel tempo e le righe degli isotopi non si spostano e non si allargano.

ATTENZIONE: Per ottenere le prestazioni ottimali è necessario usare tubi PMT cablati come indicato nel file PmtAdapters.pdf – I tubi PMT a bassa impedenza (con resistori da 1 mega o addirittura da 560k) non possono funzionare con questi adapters. Per utilizzarli occorrerebbe sostituire i loro resistori come da noi indicato.

Questo adattatore può essere usato con il ben noto software freeware PRA (ringraziamo Marek Dolleiser per aver aperto la strada a questo genere di analisi, il suo software PRA è un riferimento da molti anni e ci ha aiutato molto) ma solo con il Theremino_MCA si possono fare operazioni di filtraggio e di cancellazione del fondo utilissime per ottenere il massimo di informazioni in tempi ragionevoli.

Questo file comprende il progetto del PCB, le immagini e le simulazioni SPICE: PMT_Adapter_V3.1
Questa è la versione 3.2 con molti piccoli miglioramenti: PMT_Adapter_V3.2
Questa è la versione 3.3 con ulteriori miglioramenti: PMT_Adapter_V3.3

Most salient features:
– Compact only 50 X 70 mm
– No initial thermal drift due to the feedback loop.
– Adjustable voltage from 500 to 1500 V
– Very low power consumption only 10 mA @ 5 V
– Very low ripple  only 100 uV
– Protected against short circuit
– Maximum power output 100 mW
– Preamp circuit and pulse enlargement  (from 3/5 uS to 100 uS to be read by a PC sound card)

Caratteristiche tecniche:
– Compatto   solo 50 X 70 mm
– Nessuna deriva termica iniziale grazie al circuito di retroazione.
– Regolabile in tensione  da 500 a 1500 V
– Consumi molto bassi  @5 v solo 10 mA
– Ripple bassissimo  solo 100 uV
– Protetto contro il corto circuito
– Potenza max erogata  100 mW
– Circuito di preamplificazione e allargamento degli impulsi incorporato (porta gli impulsi da 3-5 uS a 100 uS per essere letti da una scheda audio del PC)

La costruzione semplice e ordinata riduce i difetti di costruzione e li rende immediatamente evidenti.

Nelle seguenti immagini si vede il PMT durante le prove.

    

Lo schema elettrico e un impulso di esempio che mostra il livello di rumore dell’alimentatore, notare che si tratta di un impulso di bassa energia.

      

Nelle ultime versioni di PmtAdapter il rumore è inferiore ai 100uV. Praticamente il solo rumore dovuto al campionamento a 16 bit della scheda audio, come visibile nelle due immagini seguenti.

   

La prima immagine mostra il rumore della sola scheda audio, la seconda il rumore con il PmtAdapter collegato.

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Il sistema completo

 

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Il Pmt Adapter non è in produzione, è possibile costruirlo ma contiene un certo numero di componenti speciali, difficili da reperire e costosi. Per cui si consiglia di rivolgersi ad Lello, che sa come reperire i componenti a buon prezzo e ha anche fatto stampare un certo numero di PCB per gli amici: ufficiotecnico@spray3d.it

Il team del sistema Theremino si occupa solo di ricerca e non vende hardware. Il sistema é completamente “Freeware”, “Open Source”, “No Profit” e “DIY”, ma esistono produttori che possono fornire i moduli assemblati e collaudati a un ottimo prezzo. Difficilmente si potrebbe auto-costruirli spendendo meno. Per un elenco dei produttori leggere questa pagina: www.theremino.com/contacts/producers

Uno zoccolo per il PMT Hamamatsu R6095 (e simili)

  

In questo file ZIP il progetto completo Eagle e il file GCode per la fresa:  PMT_Socket

      

Queste immagini illustrano come adattare i connettori allo stampato e come viene lo zoccolo finito (fare click sulle immagini per ingrandirle)

Il condensatore potrebbe anche essere saldato dal lato opposto (con due tubetti isolanti sui reofori) e, per evitare cortocircuiti con il tubo di alluminio esterno, è bene avvolgere tutta la zona dal tubo PMT al circuito stampato, con un foglio di plastica isolante.

Un sistema MCA per Apple (iPhone e iPad)

A grande richiesta Alessio ha studiato una versione speciale di PmtAdapter, usabile con il software disponibile su iPhone e iPad. Il software si chiama Geiger bot, ed è un riferimento per la comunità Apple.

Lo schema elettrico è molto simile al PmtAdapter per PC, ma è stata aggiunta una batteria (non c’è la alimentazione USB). Inoltre il segnale viene ridotto notevolmente di ampiezza, per poterlo inviare all’ingresso microfonico, che altrimenti saturerebbe e distorcerebbe la forma degli impulsi.

     

Qui si vedono gli spettri ottenuti con Americio e Cesio. Grazie alla meravigliosa risoluzione dei display “retina”, le scritte sono così piccole, che non disturbano la visione del bellissimo sfondo nero.

Siamo lontani anni luce da un vero MCA, la larghezza delle righe “FWHM” (che è il parametro più importante per un MCA) è esagerata. I particolari minori dello spettro sono completamente invisibili. Ecco gli stessi spettri prodotti da Theremino MCA:

        

Con un Tablet 12 pollici da 180 euro (con Windows 10 e spedizione compresi nel prezzo), si avrebbe uno strumento portatile molto più comodo e preciso. Ma la soddisfazione di usare un sistema Apple, che costa una esagerazione, non ha prezzo!

Calibrazione e temperatura

Il Pmt Adapter e il fotomoltiplicatore consumano solo poche decine di milli Watt, che non sono sufficienti a provocare variazioni di temperatura significative. Quindi non è necessario attendere un “tempo di riscaldamento” tra la accensione e le misure. E non c’è nemmeno un riscaldamento progressivo durante misurazioni molto lunghe.

Però i cristalli scintillatori cambiano rendimento con la temperatura ambiente, come si vede nella seguente immagine:

Si noti che la risposta alla temperatura non è lineare e che cambia addirittura pendenza da positiva a negativa, proprio nella zona delle normali temperature ambiente. Per cui una correzione automatica sarebbe imprecisa. Ci vorrebbe una tabella di correzione da calibrare per ogni cristallo e questo sarebbe molto complesso e in definitiva poco affidabile. Molto meglio effettuare una taratura con due marker prima di ogni misura.

Effettuare un controllo con i marker prima di ogni misura è un sistema rapido, preciso e molto affidabile. Si consiglia di mantenere sempre in posizione due piccoli campioni (ad esempio Cesio e Americio) a distanze opportune, in modo da avere sempre due piccole righe di riferimento. Il Cesio è più debole e lo si tiene abbastanza vicino alla sonda mentre l’Americio lo si tiene a una decina di centimetri, oppure lo si racchiude in una capsula, per diminuire la sua attività e poterlo tenere vicino alla sonda.

Le due righe dovrebbero essere della stessa altezza e abbastanza piccole da non disturbare le misure. Se non si devono misurare proprio il Cesio e l’Americio, allora i due marker possono stare sempre in posizione. Vedere le loro righe sul grafico finale (eventualmente commentate) da la sicurezza che il grafico è perfettamente calibrato.

Costruire un pozzetto in piombo

Da usare per misurare il Livello di Radioattività del fondo naturale e di sostanze debolmente radioattive.

Il pozzetto di misura è costituito da una piastra di base, più alcuni cilindri concentrici, di varie misure e spessori. Tra i componenti si lascia un po’ di lasco, per facilitare l’assemblaggio.

Il materiale color ottone in realtà è il piombo, per distinguerlo dall’alluminio grigio della sonda, mentre il pezzo di cilindro interno (appena visibile) è l’unico di plastica, con anello concentrico e solidale in piombo.

Tutte le parti in piombo sono state realizzate a partire da lamiera da 1,5 mm di spessore, tagliata con una comune forbice da lamierino e sagomata a mano avvolgendola intorno a cilindri di alluminio/acciaio/plastica che avevo a disposizione (utilizzati solo come “dime”).

La piastrina di base è stata realizzata piegando più volte una striscia di lamiera di pari larghezza, ottenendo alla fine un discreto spessore.

La lamiera si piega facilmente attorno al bordo dritto di un tavolo e si appiattisce con colpetti di martello. Il piombo infatti è molto malleabile.

Tutti i pezzi sono stati avvolti con del nastro di carta sufficientemente largo, in modo che maneggiandoli non si viene in contatto diretto con il piombo, che tende sempre a sporcare le mani. Anche per questo è bene calcolare un po’ di lasco tra i vari diametri dei pezzi, in modo poi che il rivestimento di carta non crei problemi all’inserimento/sfilamento dei cilindri stessi, che parzialmente devono entrare uno dentro l’altro (come per il cilindro di base e la camicia superiore)

Per misurare si segue questo schema:

1. Si pone innanzitutto su di un tavolo la piastra di base ed il cilindro di base;
2. Si inserisce il campioncino da sottoporre a test dentro il tubo di base, in modo che sfiori la parte interna (più bassa) dell’anello della camera di misura: si possono infilare sotto ad esso degli opportuni distanziatori;
3. Si mette la camera di misura (cilindro plastica ed anello piombo solidale) in modo che il sottostante campioncino sia centrato sul fondo dell’anello;
4. Si infila la camicia superiore all’interno del cilindro di base: essa si appoggerà al tubo di plastica e si manterrà concentrica al foro dell’anello di piombo in modo da permettere il successivo inserimento della sonda;
5. Si inserisce la sonda : nel mio caso a incastro nell’anello di piombo della cameretta di misura.

Dalle prove che ho fatto questo setup riduce il rumore di fondo da quasi 20 cps a 3,1 cps

Marco Russiani

Download di questo progetto, completo di ulteriori informazioni e immagini:
 Theremino_Pozzetto_di_Misura_ITA.pdf 
 Theremino_G-Ray_Test_Chamber_ENG.pdf