Open Gamma Detector: пошаговый гайд по сборке домашнего гамма-спектрометра

Этот гайд — конкретные шаги от заказа деталей до первого гамма-спектра. Никакой теории, только практика.

Если хочется понять физику — читайте серию «Гамма-спектрометр своими руками». Здесь только «что делать».

Шаг 1. Что купить

Два обязательных компонента вы заказываете сами — всё остальное берёт на себя плата Open Gamma Detector.

Кристалл-сцинтиллятор

Берите NaI(Tl) 25×25×25 мм — стандартный «кубик» в алюминиевом герметичном корпусе с кварцевым окном. Именно такой размер рекомендует Open Gamma Detector. Кристалл 38×38 мм даст лучшее разрешение, но не влезет на плату без выносного монтажа.

Важно при покупке: корпус должен быть запаян — не вскрыт, не треснут, без следов конденсата на окне. NaI гигроскопичен: 2–3 часа во влажном воздухе → кристалл мутнеет безвозвратно.

Источники: AliExpress (поисковик: «NaI scintillator 25×25»), eBay, иногда Авито.

Фотодетектор SiPM

Берите ONSEMI MICROFC-60035-SMT-TR — это официально рекомендованный компонент для Open Gamma Detector. Площадь 6×6 мм, рабочее напряжение ~30 В.

Покупать только у официальных дистрибьюторов: Mouser Electronics (mouser.ru) или TME (tme.eu). С AliExpress берут подделки или снятые с производства партии — разрешение спектра будет плохим.

Всё остальное — единый список

Срок ожидания: 2–3 недели на PCB из JLCPCB + параллельно компоненты из LCSC. Кристалл из AliExpress — отдельно, 3–4 недели. Заказывайте всё одновременно.

Шаг 2. Заказ платы

1. Откройте репозиторий OpenGammaProject/Open-Gamma-Detector на GitHub
2. Папка hardware/ → скачайте Gerber-архив последней версии (Rev. 4.x)
3. Зайдите на jlcpcb.com → загрузите архив → выберите: 5 штук, FR4 1,6 мм, HASL (свинцовый или бессвинцовый — неважно)
4. Там же в папке hardware/ — файл BOM → загрузите в JLCPCB SMT-сервис или закажите компоненты напрямую на lcsc.com
5. Стоимость PCB: $5 + доставка ~$3. Компоненты (за исключением SiPM и Pico) — $15–25.

Шаг 3. Как устроена сигнальная цепь

Полная сигнальная цепь гамма-спектрометра. Гамма-квант → вспышка в кристалле → ток в SiPM → напряжение в преусилителе → оформленный импульс → АЦП → гистограмма на ПК. Блок питания поднимает USB 5В до ~30В для смещения SiPM.

Гамма-квант попадает в кристалл NaI → вспышка видимого света, интенсивность пропорциональна энергии кванта → SiPM генерирует импульс тока → предусилитель переводит ток в напряжение → шейпер и детектор пика растягивают острый пик в плавную «горку» → АЦП RP2350 измеряет высоту и записывает в гистограмму → по USB передаётся на ПК.

Блок питания: MT3608 поднимает USB 5В до ~30В для питания SiPM. На плате есть два подстроечника — регулируют напряжение смещения и порог детектора.

Шаг 4. Сборка платы

Паяете компоненты по шёлкографии на плате. Главные правила:

• Порядок пайки: сначала самые низкие компоненты — резисторы 0603, конденсаторы C0G. Потом ОУ (SOIC-8). Последним — SiPM и Pico.
• SiPM — SMD-компонент 6×6 мм. Паяется феном или паяльником с тонким жалом + флюс. Ориентация: на корпусе есть метка угла.
• Pico 2 вставляется в гнёзда или припаивается напрямую. Не припаивайте вывод BOOTSEL — нужен доступ при прошивке.
• Конденсаторы C0G (маркировка «NPO» или «CG») критичны в цепи измерения — не заменять на X7R.

Проверка до подключения кристалла: подайте USB, мультиметром на выходе DC-DC должно быть 27–33 В (подстройте подстроечником). Если подключить ПК — устройство должно определиться как CDC Serial порт.

Шаг 5. Оптическая сборка детектора

Собранный Open Gamma Detector: плата 120×50 мм с Raspberry Pi Pico 2, SiPM MICROFC-60035 и кристаллом NaI(Tl) 25×25 мм. Металлический экран защищает аналоговую часть от помех.

Это самый важный этап — ошибка здесь убивает разрешение.

1. Нанесите смазку. На кварцевое окно кристалла — тонкий равномерный слой оптического геля (polydimethylsiloxane). Слой должен быть прозрачным, без пузырей. Не белая консистентная смазка — только прозрачный оптический гель.

2. Отражатель. Намотайте 3–4 слоя PTFE-ленты (сантехнический тефлон) плотно вокруг всех граней кристалла, кроме кварцевого окна. Тефлон отражает >95% фотонов обратно к SiPM — световыход вырастет на 20–40%.

3. Прижмите. Совместите SiPM с кварцевым окном кристалла. Прижмите равномерно с умеренным усилием. Зафиксируйте — можно скотчем, резиновым кольцом, или специальным держателем из комплекта платы.

4. Световая изоляция. Оберните всю сборку (кристалл + SiPM) несколькими слоями чёрной изоленты. Не одним — несколькими, плотно. Любая утечка света даёт ложные срабатывания и шум в спектре.

Проверка: в абсолютно тёмной комнате включите детектор. Если счётная скорость не меняется при поднесении фонарика к корпусу — изоляция хорошая. Если растёт — ищите щели, добавляйте изоленту.

5. Поместите в металлический корпус. Жестяная банка подойдёт. Металл экранирует электромагнитные помехи — без него в спектре будет шум от телефонов, Wi-Fi, зарядников.

Шаг 6. Прошивка

1. Держите кнопку BOOTSEL на Pico 2 и подключите USB к ПК
2. Pico определится как флешка (USB Mass Storage)
3. Скачайте файл .uf2 из папки firmware/ репозитория Open Gamma Detector
4. Скопируйте .uf2 на флешку — Pico перезагрузится и начнёт работать

Проверьте: на ПК должен появиться новый COM-порт (Windows: диспетчер устройств → «Порты COM и LPT»; Linux: /dev/ttyACM0).

Важно: используйте data-capable micro-USB кабель. Зарядные кабели без проводов данных — Pico не появится как COM-порт.

Шаг 7. Программа на ПК

Три варианта на выбор — достаточно одного:

Gamma MCA (браузер Chrome, ничего не устанавливать). Зайдите на gammamca.github.io → Connect → выберите COM-порт → спектр в реальном времени. Самый быстрый старт.

Theremino MCA (Windows, бесплатно). Скачайте с theremino.com. Поддерживает автопоиск пиков, встроенную библиотеку изотопов, сохранение спектров. После калибровки программа сама подсказывает: «похоже на Cs-137».

GeigerLog (Python, все платформы, open source). Для длинных сессий с записью. Поддерживает Open Gamma Detector нативно.

Шаг 8. Настройка подстроечников

На плате два подстроечных резистора:

R-voltage (напряжение смещения SiPM): крутите по часовой стрелке — напряжение растёт. Измерьте мультиметром на контрольной точке SiPM: должно быть 29–31 В (для MICROFC-60035). Точное значение влияет на усиление — при одном напряжении пики будут в одних каналах, при другом — сдвинутся.

R-threshold (порог триггера): минимальный сигнал, который считается событием. Слишком низкий → шум в начале спектра. Слишком высокий → теряются низкоэнергетические события. Начните с середины, настройте после первых измерений: в спектре не должно быть огромного пика в нулевых каналах.

Шаг 9. Калибровка за 15 минут

Реальный гамма-спектр Lu-176 — изотопа, содержащегося в обычных люминофорах. Три чётких пика (88, 202, 307 кэВ) — именно такое разрешение (~7% FWHM) даёт правильно собранный Open Gamma Detector с кристаллом NaI 25×25 мм.

Спектрометр показывает «каналы» (0–4095). Нужна зависимость E(кэВ) = a × канал + b — два неизвестных, две точки.

Точка 1 — K-40, 1460,8 кэВ:

• Купите в аптеке хлорид калия KCl («Nu-salt», «Лосось», «бессолевая соль») — ~100 руб./кг
• Насыпьте 0,5–1 кг в стакан, поставьте рядом с детектором
• Накапливайте 10 минут → появится чёткий пик → запомните номер канала N₁

Точка 2 — Am-241, 59,5 кэВ:

• Разберите бытовой датчик дыма (есть в любом хозмаге, ~200–400 руб.)
• Откройте ионизационную камеру, достаньте металлическую пластину с Am-241
• Поднесите к детектору на 1–2 см, накапливайте 3 минуты → пик 59,5 кэВ → канал N₂

Вычислите коэффициенты:

• a = (1460,8 − 59,5) / (N₁ − N₂)
• b = 59,5 − a × N₂

В Theremino MCA: кликните на пик → введите энергию → программа сама считает коэффициенты. В Gamma MCA: то же самое в меню Calibration.

Проверка: поднесите кусок гранита или плитки → должен появиться Tl-208 на 2614,5 кэВ. Если в пределах 1% — калибровка хорошая.

Шаг 10. Первые измерения

Ожидаемые результаты

7% FWHM — хороший результат. Это лучше или на уровне RadiaCode 101, только прибор будет крупнее.

Частые проблемы