Серия «Гамма-спектрометр своими руками»: Часть 1: Физика → Часть 2: Детекторы → Часть 3: Схема → Часть 4: МКА и ПО → Часть 5: Сборка и калибровка
Все части собраны: детектор, аналоговый тракт, МКА и программа. Теперь самое приятное — физическая сборка, калибровка и первые измерения. Именно в этот момент на экране впервые появляется спектр, и вы видите «голос» изотопов.
В этой части — как склеить оптику детектора, собрать свинцовый экран, откалибровать систему по доступным источникам и что интересного можно измерить дома.
Оптическая стыковка кристалла и ФЭУ
Граница между сцинтилляционным кристаллом и окном ФЭУ — критическое место. Воздушный зазор резко снижает передачу света (полное внутреннее отражение) и ухудшает разрешение на 1–3 процентных пункта.
Оптическая связь:
- Силиконовая смазка (optical grease, типа BC-630 или аналоги): наносится тонким слоем между кристаллом и фотокатодом ФЭУ. Показатель преломления ~1,46 (близок к стеклу). Разборное соединение.
- Оптический клей (NOA61, Epotek 301): постоянное соединение, лучший световой контакт. Использовать только если уверены в геометрии.
- Для SiPM: аналогично — оптическая смазка между кристаллом и поверхностью SiPM.
После нанесения смазки кристалл прижимают к ФЭУ (или SiPM) с умеренным давлением. Не слишком сильно — кристалл хрупкий.
Световая изоляция
Профессиональная радиационная лаборатория. В любительских условиях для большинства домашних источников (урановое стекло, природный фон, KCl) никакой специальной защиты не нужно. Фото: NNSA / Public Domain.
Сцинтиллятор должен быть абсолютно светонепроницаем. Любой попавший фотон видимого света даст ложный сигнал и испортит спектр.
Методы:
- Чёрная термоусадочная трубка — обернуть сборку кристалл+ФЭУ
- Чёрная электроизоляционная лента в несколько слоёв
- Алюминиевая трубка или обжимной корпус (если делаете PCB под конкретный размер)
Проверка: в тёмной комнате включите детектор. Если при поднесении фонарика к корпусу счёт резко возрастает — есть утечка. Устраняйте.
Экранирование от фона: свинцовый «домик»
Природный фон (~0,08–0,15 мкЗв/ч) не мешает работе — он как раз и создаёт полезный спектр. Но если хотите мерить слабые источники, не заглушая их фоном, нужен свинцовый экран.
Минимальный экран: стенки из листового свинца толщиной 5 см снижают гамма-фон примерно в 10 раз для энергий ~600–700 кэВ. 10 см — в 100 раз.
Конструкция «домика»:
- Свинцовые листы или кирпичи (можно купить рентгеновскую защиту или плавкие свинцовые листы)
- Детектор помещается в центр
- Источник кладётся на расстоянии 5–10 см от торца детектора
- Верхняя крышка из того же свинца
Без свинца тоже можно работать — для калибровки и большинства домашних измерений экран не обязателен.
Калибровка: превращаем каналы в килоэлектронвольты
Спектрометр не знает заранее, какой канал какой энергии соответствует — это зависит от коэффициента усиления ФЭУ, настроек формирователя и АЦП. Нужна калибровка по известным источникам.
Нам нужны минимум две точки с известными энергиями. Тогда линейная зависимость «канал → энергия» однозначно определена.
Хлорид калия KCl из хозяйственного магазина — идеальный источник для калибровки. В 1 кг KCl содержится ~17 мг K-40. Пик на 1460 кэВ хорошо виден уже через несколько минут накопления. Фото: Wikimedia Commons / Public Domain.
Точка 1: K-40 (1460,8 кэВ) — из хозмага
Хлорид калия KCl («бессолевой заменитель соли», продаётся в аптеках или хозяйственных магазинах, ~100 руб./кг) содержит 0,0117% K-40 — природного радиоактивного изотопа калия. В 1 кг KCl — около 17 мг K-40 с активностью ~16 400 Бк.
Насыпьте 1–2 кг KCl в пластиковый контейнер, поставьте перед детектором (без свинцового экрана). Через 5–15 минут на спектре появится отчётливый пик. Запомните номер его канала — это 1460,8 кэВ.
Точка 2: Am-241 (59,5 кэВ) — из датчика дыма
Ионизационный датчик дыма содержит Am-241 с активностью ~30 кБк (1 мкКи). Его гамма-линия на 59,5 кэВ — идеальная низкоэнергетическая точка калибровки.
Как аккуратно достать Am-241 из датчика — в статье про радиоактивный прибор у вас дома. Для калибровки можно использовать и открытую плату датчика без разборки.
Ввод калибровки в Theremino MCA / Open Gamma Detector
В Theremino MCA: правой кнопкой по пику → «Set Energy» → ввести значение в кэВ. Повторить для второго пика. Программа автоматически перестраивает ось X.
В Open Gamma Detector: в файле конфигурации config.json задаются два опорных канала с их энергиями.
Дополнительные точки калибровки
Для уточнения (особенно на нелинейностях при низких энергиях):
- Bi-214 (609,3 кэВ) из природного фона — всегда присутствует в спектре
- Tl-208 (2614,5 кэВ) из природного фона — высокоэнергетическая точка
- Co-60 (1173 и 1332 кэВ) — если доступен
Первый спектр: природный фон
Включите систему без какого-либо источника. Накапливайте 30–60 минут.
Вы увидите спектр природного фона. Это не просто шум — каждый пик имеет смысл:
1460 кэВ (K-40) — всегда доминирует. Калий есть в почве, бетоне, стёклах — везде. Ваши собственные мышцы тоже излучают K-40.
609 кэВ (Bi-214) — цепочка U-238. Отражает содержание урана в строительных материалах. В кирпичных домах заметнее, чем в панельных.
1764 кэВ (Bi-214) — тот же изотоп, другая линия.
583 кэВ (Tl-208) и 2614 кэВ (Tl-208) — цепочка Th-232. Торий в граните и гнейсе.
239 кэВ (Pb-212) — тоже цепочка Th-232.
511 кэВ (аннигиляционный) — пик от аннигиляции позитронов. Образуется при паропроизводстве (энергии >1022 кэВ) и как фон.
Именно по этим пикам можно дополнительно откалибровать систему. Подробнее о том, что формирует естественный радиационный фон — в отдельной статье.
Интересные домашние измерения
Урановое стекло (жёлто-зелёное, светится под UV) — положите кусочек к торцу детектора. Через 10–20 минут увидите чёткий кластер пиков U-238 цепочки: 92 кэВ (Th-234/Pa-234m), 609 кэВ и 1764 кэВ (Bi-214). Это неразрушающий метод подтвердить уран в стекле и даже оценить его концентрацию.
Компас Адрианова — радиево-226 + дочерние продукты. Характерный густой спектр в диапазоне 186–2614 кэВ. Буквально «отпечаток пальца» Ra-226.
Торий в газовых мантиях — Ac-228 (911 кэВ), Pb-212 (239 кэВ), Tl-208 (2614 кэВ). Новая мантия vs старая сожжённая — разный вид спектра.
Гранитная столешница — смесь K-40 + U-238 + Th-232. Красный финский гранит даёт более интенсивный спектр, чем светлый.
Старые советские часы со светящимися стрелками (до 1960-х) — радий-226. Осторожно: снимайте только без разборки часов, через стекло. Пик Ra-226 на 186 кэВ + богатая картина дочерних продуктов.
Хлорид калия: уже после калибровки посмотрите на его спектр. Почти идеальный одиночный пик на 1460 кэВ — красивый и показательный.
Проверка разрешения системы
После калибровки измерьте FWHM фотопика Cs-137 (если есть источник) или K-40.
Для K-40 (1460 кэВ) при разрешении 7%: FWHM = 0,07 × 1460 = ~102 кэВ. Если пик шире — проблема в питании, оптическом контакте или формирователе.
Для Am-241 (59,5 кэВ): FWHM = 0,07 × 59,5 ≈ 4 кэВ. Этот пик очень узкий — если детектор оптимизирован для низких энергий.
Что дальше
Собранный спектрометр — полноценный научный инструмент. С его помощью можно:
- Идентифицировать изотопы в антикварных предметах
- Контролировать чернобыльское загрязнение (Cs-137 на 662 кэВ)
- Измерять активность образцов через площадь пика
- Публиковать спектры на специализированных форумах (Gamma Spectacular Forum, gammaspectacular.com)
Всё оборудование и материалы, упомянутые в серии, доступны в России. Стоимость полной DIY-сборки — от 8 000 до 20 000 руб. в зависимости от варианта. Для сравнения, профессиональный спектрометр RadiaCode 101 стоит ~20–25 тыс. руб. и имеет аналогичные характеристики — но собрать своё всегда интереснее.
Удачи с измерениями! Конвертировать единицы и сравнивать дозы — в нашем конвертере. Таблицу изотопов с энергиями гамма-линий ищите в каталоге изотопов.
Серия завершена. Начало: Часть 1 — Физика и принцип работы
Комментарии
Загрузка...
Оценить статью