BGO Szintillationszähler

Um mal ein wenig Gammaspektroskopie betreiben zu können entstand dieser kleine Szintillationszähler. Ein Szintillationszähler weist gegenüber einem GM-Zähler den großen Vorteil auf, dass die Energie der einfallenden Gammastrahlen gemessen werden kann.

Eine Szintillationssonde besteht im wesentlichen aus dem Szintillator, einem Material welches bei einer Bestrahlung mit Gammastrahlen Photonen aussendet sowie einem geigneten Detektor um diese zu messen. Aufgrund der sehr hohen Verstärkung verwendet man hier üblicherweise Photomultiplier. Auch Photodioden sind geeignet, für die erwarteten Strahlenwerte würden in diesem Fall jedoch nicht genug Photonen ausgesendet um eine Messung mit einer handelsüblichen (und auch nicht allzu teuren) Photodiode durchzuführen.

Als Szintillator verwende ich Bismutgermanat (üblicherweise abgekürzt mit BGO). BGO ist ein recht einfach zu handhabendes Material. Es ist nicht hygroskopisch und die Anzahl an ausgesandten Photonen ist einigermaßen linear zu energie des einfallenden Gammastrahls, sodass ein recht lineares Spektrum zu erwarten ist.
(Datenblatt: http://www.gammadata.se/assets/Uploads/BGO-data-sheet.pdf)

Die Photonen werden mithilfe eines Hammamatsu R1548 Photomultipliers detektiert. Der R1548 enthält so gesagt zwei PMTs, genutzt wird in diesem Fall jedoch nur eines davon. Die Anzahl der auf der Anode aufschlagenden Elektronen ist wiederum linear zur Anzahl der einfallenden Photonen. Entsprechend ist die Ladung jedes Impulses am Ende (einigermaßen) linear zur Energie der einfallenden Gammastrahlen.
(Datenblatt: http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/hamamatsu/R1548.pdf)

Meine Szintillationssonde besteht aus einem 4-kant Profil aus Aluminium. Dieses verhindert (theoretisch), dass unerwünschtes Umgebungslicht in den Photomultiplier einfällt, zudem sorgt es für eine gewisse Abschirmung gegen evenentuell störende EM-Strahlung.

Die Komponenten sind auf ein U-Profil aus Kunststoff (PVC) montiert. Dies beugt eventuell auftretenden Leuchterscheinungen welche durch die im PMT präsente Hochspannung und dem auf Groundpotential liegenden Gehäuse vor. Leider gab es kein passendes U-Profil also habe ich einfach eine Seite eines 4-Kant Profils weggefräst.

 

Der optische Teil wird mit etwas Moosgummi gepolstert und mit Aluflexband beklebt, um sicherzustellen, dass kein Umgebungslicht bis zur Photokathode gelangen kann:

 

Der Anschluss der Sonde erfolgt derzeit über verschraubbaren 4-Pol Stecker. Ich bezweifele dass dieser auf die 1,25kV Versorgungsspannung für das PMT ausgelegt ist, er scheint das aber ganz gut auszuhalten.

Die Versorgungsspannung sollte möglichst stabil bleiben, da die Verstärkung eines PMTs in hohem Maße von der Versorgungsspannung abgängt, Die Stromaufnahme ändert sich logischweise mit verschiedenen Zählraten / Zerfallsenergien. Folglich kommt nur ein sekundärseitig geregeltes Netzteil in Frage.

Im Internet fand ich einige Netzteile, welche einen CCFL-Inverter zum Erzeugen der erforderlichen Hochspannung verwenden. Ich hatte noch so eine Dia-Scanhilfe rumliegen, diese musste leider für den verbauten CCFL-Inverter dran glauben.

Also schnell irgendeine Schaltung aus dem Internet nachgebaut und mit dem Scope an die Anode dran, das Resultat war ein sehr sauberes Signal wie man hier sieht:

Die ungeregelte Variante mit zwei kleinen Kondensatoren zur Glättung war da schon wesentlich besser dabei:

 

Irgendwie habe ich es geschafft den CCFL-Inverter noch nicht zu verpolen. Interessanterweise scheint man in China rote Kabel für die Masseleitung zu verwenden, zumindest hat man diese Farben für das Anschlusskabel dieses hochwertigen CCFL-Inverters genutzt.

Der Testaufbau des aktuellen Netzteils bestand also aus dem selben CCFL-Inverter. Die Spannung wird mit einer Spannungsverdopplerschaltung verdoppelt und mit einer kleinen Siebkette gesäubert. Die Hochspannung wird über einen 1000:1 Spannungsteiler gemessen, hierbei muss natürlich ein entsprechend großer Messwiderstand verwendet werden um das Netzteil nicht allzu sehr zu belasten. Für den Testaufbau wurde ein 110M Hochspannungswiderstand verwendet.

Das funktioniert schon ziemlich gut, um auch die restlichen Störungen zu beseitigen, habe ich noch das in diesem PDF der Firma Spectrum Techniques verwendete Opamp-Konzept zum Ausgleich kleinerer Schwankungen verwendet.

Eine Abschirmung ist bei der Verwendung eines CCFL-Inverters unbedingt notwendig. Mein Inverter ist ein hervorragender Sender, ohne eine Abschirmung lässt sich dessen schönes Sinussignal überall im Raum (und somit auch sehr schön im Messverstärker) finden. Die Sendeleistung scheint dabei echt gut zu sein, in der näheren Umgebung lässt sich mit dem Tastkopf eine Amplitude (PP) von über einem Volt messen. Also wurde der sendende Teil der Schaltung fachgerecht in einer Konservendose versenkt:

Als nächstes sollte das ganze dann etwas praktikabler werden, also habe ich eine passende Platine entworfen und hergestellt. Diese kommt wiederum in ein Alugehäuse um die genannte Senderwirkung zu dämpfen. (Weiß- oder Kupferblech wäre da natürlich besser, war aber gerade nicht verfügbar) Um die Regelung etwas von der Hochspannungsseite abzuschirmen wurde in der Mitte der Platine zusätzlich ein Stück Stahlblech platziert. (Die Messwiderstände werden natürlich noch durch anständige Metallfilmwiderstände ersetzt.)

Nach dem Zusammenbau habe ich dann festgestellt, dass das Teil wieder meinte senden zu müssen. Das Alugehäuse war offenbar mit einer Schicht Kunststoff überzogen worden (ich vermute mal das soll vor Kratzern schützen). Natürlich zerstörte das auch sogut wie die gesamte Abschirmwirkung. Es folgte eine mehrstündige Schleifaktion um die Beschichtung an den Rändern zu entfernen, der Lack war leider recht hochwertig.

Wie bereits angemerkt wird die Ist-Spannung über einen Spannungsteiler gemessen. Bei einem Verhältnis von 1000:1 ergibt eine Spannung 1V pro Kilovolt. Diese Spannung wird zum einen zur Regelung des CCFL-Inverters als auch zur Anzeige der aktuellen Spannung verwendet. Aus dem Spannungsteiler kann natürlich sogut wie kein Strom entnommen werden. Das parallelschalten eventueller Widerstände als Teil des Anzeigeinstruments würde zudem das Verhältnis des Spannungsteilers beeinflussen. Entsprechend wird das Signal erst einmal in einen simplen Opamp-Buffer gefüttert. Der Buffer liefert dann das Signal für einen weiteren Opamp, welcher den Ist-Wert mit einem über einen weiteren Spannungsteiler eingestellten Soll-Wert vergleicht. Aufgrund der sehr hohen Eingangsimpedanz des (JFET-)Opamps ist die Veränderung des Spannungsteilerverhältnisses vernachlässigbar klein.

Ein recht großer Kondensator bildet zusammen mit einem recht großen Widerstand die Rückkopplung dieses Op-Amps. Der Opamp soll auf kleine Schwankungen zwar reagieren, die Verstärkung muss also einigermaßen hoch sein, trotzdem darf die Schaltung aber nicht anfangen zu osszillieren. Der Kondensator verhindert in diesem Fall ein zu starkes Abfallen oder Ansteigen der Ausgangsspannung des Opamps.

Die Schaltung reagiert sehr empfindlich auf eine Änderung der Versorgungsspannung, da eine kleine änderung der Soll-Spannung durch das Verhältnis von 1000:1 bereits eine massive Schwankung der Ausgangsspannung mit sich zieht. Es ist also durchaus sinnvoll diese Spannnung unter Verwendung einer Präzisions- Referenz zu stabilieren.

Wie bereits erwähnt ist die Ladung des eines Impulses von der Zerfallsenergie abhängig. Nun lässt sich eine Ladung natürlich recht schlecht messen. Der Anodenstrom des PMTs lässt sich aber über einen Widerstand recht einfach messen. Da der Strom die zeitliche Ableitung der Ladung darstellt erhält man durch das Integral des Stromes den gwünschten Wert. Die Signalaufbereitung beginnt also mit der Integration des PMT Signals. Hierzu kann ein einfacher Opmap-Integrator verwendet werden. Das PMT-Handbuch von Hammamatsu ist sehr hilfreich was die Dimensionierung eines solchen Integrators angeht! Die abfallende Spannung wird kapazitiv auskeoppelt um den Dunkelstrom des PMTs gleich anzufiltern.

Danach wird das Signal durch eine Kette von Integratoren geleitet, um den Impuls der Gauß'schen Normalenkruve anzunähern. Aufgrund der begrenzten Samplingrate des ADC's möchte man möglichst viele Samples im Umkreis des Maximums durchführen, sodass die Wahrscheinlichkeit steigt, dieses möglichst genau zu treffen.

Leider sind die fabrizierten Spektren im Moment nicht besonders toll, dies sind mit die besten, die ich bis jetzt aufnehmen konnte (die Kurven sind durch diverse Korrekturfilter optimiert). Verwendete Software: Theremino MCA, ADC: Roland Cakewalk UA25-EX

Americium-241:

 

Caesium-137:

Uranerz:

 

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