
Серия «Гамма-спектрометр своими руками»: Часть 1: Физика → Часть 2: Детекторы
Сердце любого гамма-спектрометра — детектор. Именно он преобразует невидимый гамма-квант в электрический импульс, высота которого пропорциональна энергии излучения. От выбора детектора зависит всё: разрешение спектра, чувствительность, стоимость и сложность схемы.
В первой части мы разобрали физику — фотоэффект, Комптоновское рассеяние, форму спектра. Теперь — конкретно: что купить, где, и сколько это стоит.
Принцип сцинтилляционного детектора
Большинство доступных DIY-детекторов — сцинтилляционные. Принцип работы:

Принципиальная схема: гамма-квант поглощается сцинтиллятором и вызывает вспышку видимого света. Фотоумножитель (ФЭУ) преобразует фотоны в электронный сигнал с усилением до 10⁷. Источник: Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0.
- Гамма-квант входит в сцинтилляционный кристалл и передаёт энергию электронам
- Кристалл испускает вспышку видимого света (сцинтилляцию) — количество фотонов пропорционально энергии кванта
- Фотодетектор (ФЭУ или SiPM) преобразует фотоны в электрический сигнал
- На выходе — импульс тока, высота которого кодирует энергию гамма-кванта
Всё остальное — аналоговая обработка сигнала, АЦП и программный многоканальный анализатор — разбираем в следующих частях серии.
NaI(Tl): классика жанра
Иодид натрия, активированный таллием — NaI(Tl) — это рабочая лошадь любительской и промышленной гамма-спектрометрии с 1950-х годов.
Почему NaI(Tl) хорош:
- Высокий световой выход: 38 фотонов на каждый кэВ поглощённой энергии
- Хорошая эффективность для гамма до 3 МэВ (плотность 3,67 г/см³, тяжёлый йод Z=53)
- Зрелая технология: кристаллы выпускаются с 1940-х, хорошо отработана
- Разрешение 6–8% при 662 кэВ (Cs-137) — достаточно для большинства задач
Недостатки:
- Гигроскопичен: кристалл поглощает влагу из воздуха и мутнеет, теряя световой выход. Кристалл должен быть герметично закрыт в алюминиевом или стальном корпусе
- Для работы с ФЭУ нужен источник высокого напряжения (600–1200 В)
- Довольно хрупкий — нельзя ударять и резко менять температуру
Типовые размеры: 25×25 мм, 38×38 мм (1,5"×1,5"), 51×51 мм (2"×2"). Для любительской спектрометрии 38×38 мм — оптимальный компромисс между эффективностью и стоимостью.
Где купить NaI(Tl) + ФЭУ в сборе
Самый практичный вариант — покупать кристалл уже в сборе с ФЭУ (detector assembly):
Aliexpress — поиск «NaI PMT detector assembly» или «NaI scintillation detector». Доступны наборы от китайских производителей (Beijing Hamamatsu, Shalomeo) размером 25×25, 38×38, 51×51 мм с интегрированным ФЭУ. Цены: $50–150 в зависимости от размера. Качество неоднородное, но многие любители добиваются разрешения 7–8%.
eBay и радиолюбительские барахолки — советские сборки на базе кристаллов БДЭГ-23 (38×38 мм), БДЭГ-35 и аналогов, часто в комплекте с советскими ФЭУ. Рабочие экземпляры нередко продаются за 2–5 тыс. руб.
Радиодетали.ру, Авито — советские и российские детекторы, иногда попадаются БДКГ, СЦ-сборки по разумным ценам.
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ)
ФЭУ — это вакуумный прибор, который преобразует слабую вспышку сцинтиллятора в мощный электрический импульс с коэффициентом усиления 10⁶–10⁷.
Принцип: фотоны из кристалла выбивают электроны с фотокатода. Эти электроны ускоряются и бомбардируют серию динодов, каждый из которых испускает 3–6 вторичных электронов. После 10–12 ступеней умножения с первоначального фотона получается лавина из миллиона электронов.
Советские ФЭУ-85 и ФЭУ-84 — наиболее доступный вариант для российских любителей. ФЭУ-85 имеет диаметр фотокатода 25 мм, рабочее напряжение 700–1200 В, чувствительность на длине волны 420 нм (совпадает с максимумом NaI(Tl)). Это аналог Hamamatsu R6094. Продаются за 500–2000 руб. на Aliexpress и eBay.
Hamamatsu R6094 и аналоги — японское качество, цена $30–80 новый. Для любительской сборки ФЭУ-85 не уступает по результату.
Требование к ФЭУ: стабильное высокое напряжение с пульсациями не более 0,1–0,3%. Любая нестабильность напрямую ухудшает разрешение.
SiPM: современная альтернатива без высокого напряжения
Кремниевый фотоумножитель (SiPM, Silicon Photomultiplier) — твердотельный аналог ФЭУ, появившийся в 2000-х. Состоит из тысяч параллельных лавинных фотодиодов (SPAD) на одном кристалле кремния.

SiPM-матрица. Каждый квадратик — отдельная ячейка лавинного фотодиода. При попадании фотона ячейка «срабатывает» лавиной и выдаёт стандартный заряд. Количество сработавших ячеек пропорционально числу фотонов. Фото: Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0.
Главное преимущество: рабочее напряжение 25–70 В вместо сотен вольт ФЭУ. Схема питания несравнимо проще и безопаснее.
Популярные модели:
- Hamamatsu MPPC S13360-6050CS (6×6 мм, 50 мкм пиксели) — хороший выбор для кристаллов 25×25 мм. Цена ~80–120 USD
- S13360-3050CS (3×3 мм) — для небольших кристаллов
- MicroFC-60035 от ON Semiconductor — дешевле (~30–50 USD)
Характеристики SiPM:
- Детектирование фотонов: ~40% на длине волны 420–450 нм (хорошо совпадает с NaI и CsI)
- Тёмный шум (dark count rate): несколько сотен кГц/мм² при комнатной температуре — выше, чем у ФЭУ
- Температурная зависимость: пробивное напряжение меняется ~+55 мВ/°C, нужна температурная компенсация
Разрешение с SiPM — 6–8% при 662 кэВ, сопоставимо с NaI+ФЭУ при правильной схеме.
Готовый вариант: Open Gamma Detector (GitHub: OpenGammaProject/Open-Gamma-Detector) — плата с RPi Pico 2 и SiPM, к которой нужно подключить кристалл NaI(Tl). Полная стоимость с кристаллом ~15–20 тыс. руб. Отличный старт без паяльных подвигов.
CsI(Tl): ударопрочная альтернатива
Иодид цезия, активированный таллием — CsI(Tl) — немного отличается от NaI(Tl):
| Параметр | NaI(Tl) | CsI(Tl) |
|---|---|---|
| Световой выход | 38 фот/кэВ | 65 фот/кэВ |
| Максимум спектра | 415 нм | 550 нм |
| Гигроскопичность | Высокая | Низкая |
| Хрупкость | Высокая | Ниже |
| Плотность | 3,67 г/см³ | 4,51 г/см³ |
| Разрешение (662 кэВ) | 6–8% | 7–9% |
CsI(Tl) не требует герметичной упаковки (слабо гигроскопичен), более прочен и хорошо работает с SiPM (спектр свечения 550 нм лучше совпадает с пиком чувствительности SiPM). Разрешение чуть хуже из-за более медленного затухания сцинтилляции.
BGO, LYSO и другие сцинтилляторы
BGO (Bi₄Ge₃O₁₂) — очень высокая плотность (7,13 г/см³), отличная эффективность для высокоэнергетического гамма, но плохое разрешение (~10% при 662 кэВ) и низкий световой выход. Не рекомендуется для спектроскопии — только для дозиметрии высокоэнергетического излучения.
LYSO (Lu₂(1-x)Y₂xSiO₅:Ce) — высокое разрешение (~8%), быстрый (~40 нс), высокая плотность. Цена значительно выше NaI. Перспективен для SiPM-систем.
HPGe: недостижимое разрешение (но не для DIY)
Германиевые детекторы с высокой чистотой (HPGe) — золотой стандарт лабораторной спектрометрии. Разрешение 0,1–0,2% (против 7% у NaI) позволяет разрешать линии, отстоящие на 1–2 кэВ. Однако:
- Требует охлаждения до −196 °C (жидкий азот) или криогенного криостата
- Стоимость нового детектора: от 500 000 руб.
- Сложность обслуживания
Для любительской спектрометрии — нереально. Упоминаем для понимания, что «потолок» технологии.
PIN-фотодиод: самый дешёвый вариант
Обратносмещённый PIN-фотодиод (BPW34, BPX61) может регистрировать гамма-излучение напрямую — без сцинтиллятора. Гамма-квант ионизирует полупроводник, создавая ток.
Плюс: стоимость ~50–150 руб., простота схемы.
Минус: ужасное разрешение (15–20%), очень низкая эффективность (активный объём кремния мал). Только для грубого обнаружения, не для спектрометрии.
Сравнительная таблица и рекомендации
| Вариант | Разрешение @ 662 кэВ | Стоимость детектора | HV | Сложность |
|---|---|---|---|---|
| NaI(Tl) 38×38 мм + ФЭУ-85 (сурплюс) | 7–8% | 3–6 тыс. руб. | ~800 В | Средняя |
| NaI(Tl) 38×38 мм + ФЭУ-85 (Aliexpress) | 7–8% | 4–8 тыс. руб. | ~800 В | Средняя |
| CsI(Tl) 25×25 мм + SiPM S13360 | 7–9% | 8–15 тыс. руб. | ~30 В | Низкая |
| Open Gamma Detector + NaI 25×25 мм | ~7% | 15–20 тыс. руб. | ~30 В | Минимальная |
| RadiaCode 101/102 (готовый) | ~8% | 20–25 тыс. руб. | — | Готово |
| PIN-диод BPW34 | 15–20% | 150 руб. | — | Минимальная |
| HPGe (профессиональный) | 0,1–0,2% | 500+ тыс. руб. | — | Требует LN₂ |
Рекомендация для начинающих: NaI(Tl) 38×38 мм в сборе с ФЭУ с Aliexpress (~5–8 тыс. руб.) + схема питания из части 3. Или Open Gamma Detector — если не хочется паять высоковольтные цепи.
В следующей части серии разбираем аналоговую схему: источник высокого напряжения, предусилитель и гауссов формирователь импульсов.
Комментарии
Загрузка...
Оценить статью
Инструменты по теме
Таблица радиоактивных изотопов →