NaI:Tl Szintillationszähler

(in Bearbeitung)

Bei einem gewissen Online-Auktionshaus wurden recht günstige Szintillationssonden mit einem einigermaßen großen NaI:Tl-Kristall angeboten, ich wollte sowieso schon etwas länger mit diesem Szintillationsmaterial experimentieren also konnte ich nicht wiederstehen und habe eine erworben. Es handelt sich um eine Szintillationssonde von Bicron / Saint-Gobain. Diese Sonden werden in großer Anzahl in diesen LKW-Scannern verwendet, welche genutzt werden um LKWs nach illegalen Waren zu durchsuchen. Die Detektoren werden als eine Art Lineararray angeordnet, um die Empfindlichkeit jedes Pixels einzustellen sind diese Sonden zusätzlich mit einem Poti zum einstellen der Verstärkung versehen.

Die Sonde ist recht handlich und befindet sich in einem Gehäuse aus Edelstahl. Das Blech ist offenbar recht dünn, sodass der vordere Teil in welchem sich der Kristall befindet deutlich schwerer ist als der Rest der Sonde. Der Kristall scheint sich in einem Gehäuse aus Aluminiumblech zu befinden und wurde mit irgendeiner Vergusskomponente (ich würde mal sehr stark auf Epxydharz tippen) eingeklebt.

Außerdem sind diese Sonden mit einem von diesen superteuren military-grade Steckern von lemo versehen, 10 Euro für eine Buchse waren mir doch irgendwo zu viel also habe ich einen normalen BNC-Stecker montiert. Die Sonde verfügt über keinen extra Signalausgang. Um den PMT-Strom zu messen platziert man einen Widerstand in Serie zum Hochspannungsanschluss um den Röhrenstrom zu messen. Die Impulse werden anschließend über einen kleinen Kondensator ausgekoppelt.

Ich hatte noch ein paar CCFL-Inverter runliegen, die ich vor Jahren mal aus Scannern ausgebaut hatte und aus denen leider bereits der Magic Smoke entwichen war (einer hatte sogar extra Heizwicklungen und eine Zündschaltung, also eine echte die nicht nur aus einem Kondi besteht). Die Trafos waren aber alle noch brauchbar. Der klassisch primitive CCFL-Inverter besteht aus einem kleinen Royer-Oszillator. Also habe ich einfach einen kleiner Royer mit hochwertigsten BC547 aufgebaut. Dahinter kommt eine Cockroft-Waltron Kaskade und eine Siebkette.

Die Versorgung muss aufgrund der sich ändernden Belastung von der Sekundärspannung abhängig reregelt werden.  Hierzu kommt wieder eine enfache Opamp-Konstruktion zum Einsatz. Das Ganze sollte ohne symmetrische Speisung laufen (mit 5V aus einem USB-Port), nach ein paar Experimenten und stundenlanger Fehlersuche (welche dazu führte dass ich später nachlas, dass meine TL07X-Lieblingsopamps von einem netten Effekt namens phase-reversal betroffen sind) habe ich einen von diesen schönen Rail-to-Rail Opamps verbaut (AD822). Dieser lief dann auch sofort ohne größere Probleme.Die Spannung aus dem Spannungsteiler wird in den nicht-invertierenden Eingang gefüttert.

Das führt dazu, dass am Ausgang eine positive Spannung anliegt, wenn der gesetzte soll-Wert erreicht wird. Sinkt die Ist-Spannung ab erlaubt der Opamp einen Stromfluss durch den "Ausgang" gegen Masse. Ich hatte noch ein paar BD678-PNP-Darlingtontransistoren rumliegen, diese erwiesen sich als Optimal geeignet um den Inverter linear zu regeln. 

Bei 5V Eingangsspannung erreicht die Schaltung eine Spannung von maximal 1200V (mit Messgerät als "Last" bei +5V Eingangsspannung). Dabei zieht die Schaltung etwa 150mA also etwa 0,6VA. Die Referenzspannung wird mithilfe einer LM336-Spannungsreferenz, welche durch den 2. Opamp des AD822 gebuffert wird, stabilisiert. Eine stabile Referenz ist besonders wichtig, da eine kleine Schwankung der Referenz durch das hohe Teilverhältnis von 1000:1 erheblich verstärkt wird. Das PMT aus der Szintillationssonde wird mit etwa 700V betrieben, aufgrund der internen Teiler in der Sonde ist eine Spannung von etwa 900V erforderlich um den optimalen Arbeitsbereich des PMTs zu erreichen. Das schöne Sinus-Signal aus dem Royer ist im Moment noch allgegenwärtig, ich werde das Netzteil also erstmal in einer Dose versenken und dann mal weitersehen ob weitere Filter erforderlich sind um die Ausgangsspannung zu säubern.

Anschließend sollte das ganze etwas "schöner" werden, also habe ich einen weiteren CCFL-Inverter zerlegt und eine Platine dazu entworfen (layout.pdf):

Da der CCFL-Inverter noch funktionierte habe ich alle Teile des Inverters auch weiterhin verwertet. Die verwendeten Transistoren sind also keine BC-547 wie im Schaltplan sondern die Originaltransistoren aus dem Inverter.

 

Erste Tests ein Gammaspektrum mit diesen Detektor zu erzeugen überraschend gut. Der Multiplierstrom wurde über einen 1M Widerstand gemessen und einem 1nF Kondi ausgekoppelt. Dafür dass noch keine Pulsformung noch irgendeine Vorverstärkung vorhanden ist sieht das finde ich garnicht mal so schlecht aus (Software: Theremino MCA, ADC: Roland Cakewalk UA25-EX):

Cs-137:

Uranerz (N.O.R.M) aus Wittichen / Schwarzwald:

Das Teil bekommt natürlich trotzdem noch einen schönen Vorverstärker und Pulse-Shaper.

2016 J. Weigelt - www.janelo.net