Gammaspektrometer im Selbstbau

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Niklas
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von Niklas »

Hallo Krumi,
Zu deutsch auch einfach nur Halbwertsbreite genannt
liegt wohl daran, dass ich mich zu viel in englischsprachigen Foren herumtreibe...

Zur Hintergrundstrahlung: Die Zahl der Impulse pro Minute, die mein Szintillator liefert, hängt ganz wesentlich davon ab, wo ich die Diskriminatorschwelle hinlege. Versuchsweise habe ich den Szintillator abgenommen und die Schwelle so eingestellt, dass das Rauschen zu (fast) keinen Zählimpulsen mehr führt (bekanntlich haben Photomultiplier auch einen "Dunkelstrom" durch thermische Emissionen aus der Photokathode, ohmic leakage ("Kriechverluste") und regenerative Effekte wie "Dynodenglimmen" oder Ladungseffekte am Glas... wer's genau wissen will, lese dazu das Photomultiplier Handbook von BURLE).

Dann habe ich den Szintillator wieder aufgesetzt und gemessen.

Na ja, auf 18000 cpm bringe ich es nicht, wohl aber auf etwa 1500.
An anderer Stelle fand ich folgenden Hinweis:
120 cpm (counts per minute) = 1µSv / Stunde
deutsche Hintergrundstrahlung 2000 µSv / Jahr = 27 cpm
Im Moment weiss ich nicht recht, wie ich das deuten soll...

Ich habe übrigens einen NaI(Tl)-Kristall erstanden, sollte inzwischen auf dem Postweg sein. Er ist etwas kleiner als der von Krumi, 40 x40mm. Mit dem Plastikszintillator dürfte eine Gamma Spektrometrie definitiv nich möglich sein, da die Energieauflösung zu gering ist. Versuche diesbezüglich konnte ich leider keine machen, da ich nicht im Besitz eines Mehrkanalanalysators bin. Noch nicht...


Liebe Grüße,

Niklas
heisa
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Niklas
Betreffend der angeführten Umrechnung Imp/min in micro Sievert/h muss ich mich einmischen, da liegt ein Trugschluss vor.
Die Umrechnung von Impulsen/min in eine Dosisleistung ist so nicht möglich!
Selbstverständlich kann man jeden stabilen Sensor kalibrieren diesen Kalibrierfaktor kann man aber nur auf absolut baugleiche Sensoren übertragen. Da spielt das Volumen und die Energieabhängigkeit des Detektors eine grosse Rolle, und die Energie der Strahlung ist sehr wichtig um die biologische Wirkung zu bewerten, und dann werden erst daraus micro Sievert/h
Ich wollte sie auch nochmals wegen der Seismometer ansprechen, natürlich lässt sich da ein neues Thema öffnen.Ich wäre sehr interessiert da mehr zu lernen und hab schon viel herumgesucht um ein
Forum zu finden wo man sich mit dem Selbstbau eines Seismometers beschäftigt das auch ernsthafte Ergebnisse liefert.
Wünsch noch einen schönen Abend

Hugo
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micha2
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

heisa hat geschrieben:...Ich wäre sehr interessiert da mehr zu lernen...
Dem würde ich mich sofort anschließen!
Wenn der Niklas über Seismometer berichten will (und zur Diskussion), ist ein spezieller Thread hier gerne gesehen! Das ist ja ein hochinteressantes, geophysikalisches Thema und würde gut ins Forum passen :D

Glück auf
Krumi
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

heisa hat geschrieben:...Betreffend der angeführten Umrechnung Imp/min in micro Sievert/h muss ich mich einmischen, da liegt ein Trugschluss vor.
Die Umrechnung von Impulsen/min in eine Dosisleistung ist so nicht möglich!
Selbstverständlich kann man jeden stabilen Sensor kalibrieren diesen Kalibrierfaktor kann man aber nur auf absolut baugleiche Sensoren übertragen. Da spielt das Volumen und die Energieabhängigkeit des Detektors eine grosse Rolle, und die Energie der Strahlung ist sehr wichtig um die biologische Wirkung zu bewerten, und dann werden erst daraus micro Sievert/h...
Und úm endlich mal etwas Licht ins "Chaos der privaten Strahlenmesstechnik" zu bringen, möchte ich die Ausführungen von Hugo noch etwas erweitern:
Ich beschränke mich hier bewusst auf die handelsüblichen Geiger-Müller-Zähler, die heute meist eine Skala in (µ/m)Sievert/h haben

Eine kurze Definition der Messgrößen/Einheiten:
- Die Aktivität oder Zerfallsrate einer radioaktiven Stoffmenge ist die Anzahl der Kernzerfälle pro Zeiteinheit. Die SI-Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq). 1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde. -> http://de.wikipedia.org/wiki/Aktivit%C3 ... 8Physik%29
- Die Energiedosis ist eine physikalische Größe und gibt die mittlere ionisierende Strahlung an einen spezifischen Absorber an. Die SI-Einheit der Energiedosis ist das Gray (Gy) bzw. J/kg -> http://de.wikipedia.org/wiki/Energiedosis
- Die Äquivalentdosis ist definiert als die vom Körper aufgenommene Energiedosis durch ionisierende Strahlung multipliziert mit einem Qualitätsfaktor, welcher der relativen biologischen Wirksamkeit (RBW) der jeweiligen Strahlungsarten Rechnung trägt. Die Einheit der Äquivalentdosis ist wie die der Energiedosis Joule pro Kilogramm (J/kg), da der Wichtungsfaktor dimensionslos ist. Um jedoch den Unterschied zur Energiedosis klarzustellen, hat die Äquivalentdosis eine eigene Einheit erhalten, das Sievert (Sv). -> http://de.wikipedia.org/wiki/Energiedosis
Die Energie- bzw. Äquivalentdosisleistung (Gy/h bzw. Sv/h) ist dann einfach nur auf eine Zeiteinheit bezogen.

Zwischensumma:
Aktivität, Energiedosis und Energiedosisleistung sind physikalische Größen.
Die Äquivalentdosis bzw. Äquivalentdosisleistung sind empirisch ermittelte Größen (bezügl. der Wirksamkeit auf den menschl. Körper). Soll heißen: Es macht durchaus einen Unterschied, ob ich einen Alphastrahler in der Lunge habe oder ob ein Gammastrahler von außen auf den Körper einwirkt. Die Wichtungsfaktoren werden (je nach Weltanschauung/Lobby/Situation) übrigens völlig uneinheitlich und eher willkürlich angesetzt!

Zum Geiger-Müller-Zählrohr:
Sehr vereinfacht zählt das Ding die ionisierenden Teilchen, die ins Zählrohr gelangen und auch einen Impuls auslösen.
Das Fensterzählrohr (mit sehr dünnem Glimmer/Kunststofffenster) kann Alpha, Beta und Gammastrahlung nachweisen. Grobe Näherung: Ca. 1% der einfallenden Teilchen werden detektiert. Diese Zählrohre findet man aber normalerweise nicht im "Volksgeigerzähler"

Die meisten Zählrohre sind in einem Glas- bzw. Metallgehäuse. Diese Sensoren sind eh nur Beta/Gammaempfindlich!
Zur "Kalibrierung" letzterer Zählrohre:
Die Zählrate/Nachweiswahrscheinlichkeit ist stark abhängig von Art und Energie der Teilchen. Um ein einigermaßen brauchbares Ergebniss zu liefern, wird das Zählrohr mit einem angepasstem Metallmantel umhüllt. Anschließend findet eine grobe Kalibrierung mit einem Gamma-Prüfstrahler statt. I.d.R. Cs-137, seltener auch Co-60 oder Sr-90.
Da die Zählrohre ja eh (fast) nur noch gammaempfindlich sind, kann man mit einem Wichtungsfaktor von 1 (Gammastrahlung von außen auf Körper einwirkend) die Zählrate auf eine Äquivalentdosisleistung umrechnen. +-30% Abweichung bezogen auf den Prüfstrahler.

Ich habe hier nur mal versucht, einen komplexen Teilaspekt der Strahlenmesstechnik sehr vereinfacht darzustellen. Der Hugo wird mir den Beitrag (als Profi) schon wieder zerreißen :D

Glück auf
Krumi
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Krumi

Ganz im Gegenteil du hast die Verhältnisse sehr gut dargestellt.Ich wollte mit meinem Einwand nicht Schulmeisterlich erscheinen aber leider kommt es da oft zu Missverständnissen.
Wie gehts mit der PIN Diode weiter, hast du schon versucht wie weit du die Verstärkung treiben kannst bei völlig abgedunkelter Diode? Die Abschirmung gegen elektromagnetische Einflüsse solltest du sorgfältig beachten auch leitungsgebunde Störungen über die Stromversorgung für den Verstärker.
Ich glaub nach wie vor daß du die Diode mit Vorspannung betreiben musst weil sonst die doch sehr kurzen Lichtblitze durch die Diodenkapazität verschmiert werden.
Bin schon neugierig auf deine weiteren Berichte.

Glück Auf

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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Labortagebuch 14 - Die Detektoreinheit
Habe heute endlich mal wieder ein paar Stunden Zeit gehabt um den Sensorverstärker zu testen.
Derzeitiges Zwischenergebniss:
Bild
Links der Kristall mit PIN-Diode und Sensorverstärker, Rechts das zukünftige Detektorgehäuse
Habe durch Zufall ein ideales Edelstahlgehäuse im Lebensmittelladen entdeckt. Das Ding stellt eigentlich einen Luxus-Schokoladenstreuer dar und passt wie angegossen um den kompletten Sensor. Selbst das Gitter ist leitend mit dem Gehäuse verbunden und dient ab sofort als Kratzschutz fürs Eintrittsfenster des Kristalls.
Für meine Junggesellenküche hätte ich mir's nicht gekauft, aber als passgenaues Edelstahlgehäuse für den Sensor sind 5€ wohl als extremst preiswert zu bezeichnen :fant:

Die Schaltung des Sensorverstärkers:
Bild
Die Platine selbst ist durch die Filter CF1/RF1 - CF3/RF3 recht universell und mit dem Jumper JP1 kann man die PIN-Diode sowohl mit als auch ohne Vorspannung betreiben. Bisher ist CF1 und CF3 unbestückt!

Hier ein Ausgangssignal mittlerer Amplitude am PIN A2/3:
Die Diode wird mit -12V Vorspannung (über RP1) an der Anode betrieben.
Bild
heisa hat geschrieben:Ich glaub nach wie vor daß du die Diode mit Vorspannung betreiben musst weil sonst die doch sehr kurzen Lichtblitze durch die Diodenkapazität verschmiert werden.
Legt man die Anode auf GND, wird die Amplitude erwartungsgemäß kleiner, aber auch das Rauschen nimmt ab. Das Signal/Rauschverhältniss konnte ich auf die Schnelle aber natürlich nicht bestimmen. An der Peakbreite konnte ich dabei bisher auch keine signifikante Änderung feststellen.
Gefühlsmäßig stimme ich Dir da ja zu, aber:
Eine Entscheidung über die optimale Betriebsart kann man wohl erst anhand der Spektren treffen. Aussagekräftige Vergleichsmessungen sind jedenfalls durch einfaches Umstecken des Jumpers möglich.

Das Design der Platine scheint jedenfalls ganz ordentlich zu sein: Die Verstärker arbeiten stabil und rauscharm; Und elektromagnetische Einstreuungen konnte ich bisher auch nicht mehr beobachten.

Weitere Vorgehensweise:
- Zuerst muss ich einen sehr präzisen Peak-Detektor entwickeln. Die klassischen Diodenschaltungen arbeiten zu ungenau.
Eine zeitgesteuerte SH kommt auch nicht in Frage! Ich werde es also demnächst mal mit einer komparatorgesteuerten SH als Peak-Detektor probieren.
- Wenn die AD-Wandlung dann optimiert ist, kann ich mich wieder an's entgültige Design des Sensorverstärkers machen (Bezügl. Betriebsart der Diode und evt. Dimensionierung der Filter)

Aber bis dahin wird wohl noch einige Zeit ins Land gehen. Muss mich primär erstmal um meinen Kundenauftrag kümmern :?

mit herzlichem Gruß und Glück auf
Krumi
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Krumi
Ich gratuliere! der Puls schaut ganz ordentlich aus, auch das Signal zu Rausch Verhältnis.
Ist der Impuls durch Umgebungsstrahlung ausgelöst worden? Auch das Gehäuse (Schokostreuer) ist ideal.Schaut nicht nur professional aus da hast du wirklich eine super Arbeit hingelegt.Bin schon neugierig wie das Spektrum aussieht.Du hast damit eine wirklich robuste Kombination geschaffen ausserdem ist natürlich der Platzbedarf deutlich reduziert ein PMT ist ganz schön lang.Für den Feldeinsatz würde ich dir empfehlen ein Stück Moosgummischlauch wie man ihn zum Isolieren im Bauhaus bekommt über das Detektorgehäuse zu schieben. Die Kristalle sind zwar recht robust ein Schlag kann aber zu einem Sprung im Kristall führen was die Qualität stark mindert.
Ich bin stark am Überlegen so einen Aufbau zu versuchen da ich noch einen NaJ ohne PMT besitze.

Der Niklas hat sich schon lange nicht mehr gemeldet vielleicht wirds ja doch etwas mit einem Seismometer Selbstbauprojekt.

Bis zum nächsten Mal

Glück auf

Hugo
Niklas
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von Niklas »

Hallo heisa,

ich habe gerade beruflich viel zu tun und komme nur selten dazu im Forum zu schreiben. Natürlich gibt es in solchen Phasen auch keinen neuen Erkenntnisse :(
Aber keine Sorge, ich bin nicht ganz untätig...

Vorab möchte ich aber schon mal ankündigen, dass ich einen eigenen thread (geht auch deutsch: Diskussionsstrang) eröffnet habe, der sich mit dem Selbstbau von Seismometern beschäftigt.

LG Niklas
heisa
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Niklas
Ja der Broterwerb hat Vorrang keine Frage. Uns läuft auch nichts davon, und wenn man dann wieder weniger unter Druck ist macht das Basteln auch mehr Spass. Werde auf jedenfall regelmäßig reinschauen.
l.G

Hugo
heisa
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Krumi

Ich wollte dich kurz fragen ob ich das letzte Oszi Bild richtig interpretiert habe.
Da war doch die Zeitskala auf 50micro Sekunden/div eingestellt. Ich hab mir das Datenblatt vom OPA111 angesehen der hat ein gain bandwith product von 1.6 Mhz wenn du in der zweiten Stufe 100 fach verstärkst wird der OP schon ganz schön langsam. Für mich stellt sich die Frage ob die Impulsform bereits durch den Verstärker verändert wird zum Beispiel ob die tatsächliche Ampltude des Lichtblitzes wirklich 100 fach verstärkt wird oder an der slew rate des Verstärkers scheitert.
Ist bloß eine Vermutung, lässt sich aber überprüfen, wenn du die Verstärkung verringerst müsste das Signal linear kleiner werden und auch die Impulsform sollte sich nicht ändern.

Bin schon auf deine Antwort neugierig.

Glück auf

Hugo
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

heisa hat geschrieben:...Für mich stellt sich die Frage ob die Impulsform bereits durch den Verstärker verändert wird zum Beispiel ob die tatsächliche Ampltude des Lichtblitzes wirklich 100 fach verstärkt wird oder an der slew rate des Verstärkers scheitert...
Hi Hugo,
die selbe Frage hatte ich mir natürlich auch schon gestellt. Ich konnte aber nicht feststellen, daß die Slew-Rate des OPA111 (2V/µs) ein wesentliches Problem darstellt. Auch bei kleineren Verstärkungen bleibt die Pulsbreite konstant. Ich habe auch mal den LF356 (10V/µs Slew-Rate) getestet. Der einzige Unterschied war ein höheres Rauschen.

Sollte sich das Projekt jedoch generell als praktikabel erweisen, werden die OPA111 eh durch OPA627 (50V/µs) o.ä. ersetzt. Bisher erspare ich mir aber erstmal die Ausgabe von ca. 20€/Stück.
Mein derzeitiges Zwischenziel ist die Optimierung des Peak-Detektors. Die ersten Versuche mit der komparatorgesteuerten Sample/Hold sehen jedenfalls recht erfolgversprechend aus.

Und nochmals ganz herzlichen Dank:
Dein Prüfstrahler ist heute eingetroffen. :meister:
Leider bin ich nächste Woche nicht im Labor, werde aber anschließend wieder berichten.

Glück auf
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Labortagebuch 15 - Ein Zwischenbericht bzw. eine Zwischenbilanz

Endlich mal wieder etwas Zeit gefunden und den Peak-Detektor (PD) optimiert.
Da der klassische PD mit Dioden ja nicht zufriedenstellend funktioniert, habe ich statt dessen eine Sample/Hold (IC3) mit Komparatorsteuerung (IC6) aufgebaut:
Bild

Die Funktionsweise ist relativ einfach:
Solange die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung ist, schaltet der Komparator die SH-Steuerung auf Sample, d.h.: Die Ausgangsspannung folgt der Eingangsspannung. Sobald die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung wird, schaltet der Komp. auf Hold-Modus.
Das Ergebniss ist wesentlich besser als mit dem klassischem Dioden-PD, hat aber gewisse Tücken:
Die optimale Dimensionierung von C11 und C17 erfordert viel Geduld, sonst kommt der Komparator bei Ue = Ua ins schwingen.
Hier mal ein erstes Ergebniss:
Bild
Zwischenzeitlich wurde durch Einfügen eines 120pF-Kondensator am SH-Eingang das Ergebniss nochmals wesentlich verbessert!

Soweit zum Positiven. Aber mit zunehmender Genauigkeit des PD's stellt man natürlich auch die Schwächen des Gesamt-Designs fest:
Die Störungen durch die Schaltflanken des Nulldurchgangdetektors (IC5) und der Steuersignale für den AD-Wandler sind ganz erheblich. Sowohl über die Spannungsversorgung als auch durch Störstrahlung wird das Messergebniss (oft bis zur Unkenntlichkeit) verfälscht.

Nun ist natürlich der Aufbau eines präzisen Messsystems auf einem Testboard eher suboptimal (um nicht zu sagen: völlig beschissen). Andrerseits - Wenn die Schaltung auf diesem Board läuft, kann es mit einer sauber entworfenen Platine nur besser werden :D
Bild

Im Prinzip ist das ein völlig idiotisches Geduldsspiel:
Um den Sensor(verstärker) zu optimieren, muß man erstmal den Peak-Detektor verbessern. Dann muss man die Störungen minimieren und den AD-Wandler verbessern. Hat man nach diesem Prozedere dann den Sensorvertärker verbessert, geht das Spiel von vorne los. Regressus ad infinitum
Und jede Änderung kann man erst nach einer Spektrenaufnahme (je. 10-20min) beurteilen.

Ich würde mal sagen: Das ist kein geeignetes "Bastelprojekt" für ungeduldige (Hobby)Elektroniker.
Die klassische Vorgehensweise wäre natürlich: Entweder mit einem funktionierendem Sensor den Analyser zu konstruieren, oder eben den Sensor mit einem präzisen, fertigem Analyser zu entwickeln.
Ohne die geeigneten Messmittel beides gleichzeitig entwickeln zu wollen, ist schon etwas seltsam/dumm/verwegen... :?

Die weitere Vorgehensweise:
Zuerst werden die OPA111 durch OPA627 im Sensor- und Vorverstärker ersetzt.
Damit könnte man evt die Parallelkapazität C1 im Sensorverstärker minimieren und somit das Signal/Rauschverhältniss verbessern -> http://www.untertage.com/micha2/lt14-3.png
Bei ähnlichen Rausch/Driftwerten hat der OPA627 eine Slewrate von 50V/µs vers. 2V/µs des OPA111.
Datenblatt: http://www.datasheetcatalog.org/datashe ... Xqxttt.pdf
Die Dinger kosten halt min. 20€/Stück, sind dafür aber kaum zu toppen.

Parallel dazu wird der AD-Wandler MAX195 durch den MAX187 ersetzt:
Bild
Die Vorteile:
Neben der wesentlich einfacheren SPI-Ansteuerung hat das Ding eine interne Referenzspannungsquelle und einen schnellen S/H (im Datenblatt T/H genannt).
Datenblatt: http://www.datasheetcatalog.org/datashe ... MAX189.pdf
Und mit 20€ ist das Teil vergleichsweise billig!
Die 16Bit-Auflösung vom MAX195 braucht man hier absolut nicht! 12Bit reichen für diese Anwendung völlig aus. Ich hatte den MAX195 halt grade auf Lager :o

Meine Zwischenbilanz:
Ich bin mir immer noch nicht sicher, ob das Projekt erfolgreich abgeschlossen wird. Es könnte durchaus sein, daß eine hochauflösende Gammaspektroskopie mit der PIN-Diode (im Rahmen eines Hobbyprojektes) meine Grenzen übersteigt. Ich kann aber bisher auch nicht die Unmöglichkeit des Ansatzes beweisen :shock:

So, das wär's erstmal. Weitere Berichte folgen.

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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Krumi

Freut mich daß das Ding eingetroffen ist. Hast du schon einmal versucht deinem Aufbau Impulse damit zu entlocken. Du wirst für ein universelles Spektrometer nicht darum herum kommen die Verstärkung einstellbar zu machen, zumindest in mehreren Stufen um den Messbereich des Spektrometers an die
Energie der Strahlung anzupassen.Für industrielle Strahlenquellen ist der 662keV peak von Cs137 günstig im oberen Drittel des Spektrums, für nat. Strahlenquellen eher im unteren Drittel weil da Energien im MeV Bereich auftreten.
Ich mach momentan nicht sehr viel wir haben im Wiener Raum eine Hitzewelle die macht ganz faul.

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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

heisa hat geschrieben:...Hast du schon einmal versucht deinem Aufbau Impulse damit zu entlocken...
Hallo Hugo,
Das habe ich natürlich sofort, kann aber keinen Erfolg vermelden.
Die Zählrate lag zwar (bei 30 min. Messzeit) leicht über der Hintergrundstrahlung, ist aber nicht signifikant, da noch innerhalb der Normalverteilung von 3*Sigma des Hintergrunds.

Wesentlich deutlichere Ergebnisse habe ich mit dem GM-Fensterzählrohr ermittelt!
Bei je 4 Messungen a 10 min.:
Hintergrund und Nulleffekt: 42 cpm (+-2 cpm)
Hintergrund + Nulleffekt + Cs137: 56 cpm (+-2cpm)
Das ist durchaus signifikant!

Auf die Spektrenaufnahme habe ich verzichtet, da ich erstmal die Probleme mit dem Schaltungsdesign lösen muss.

Um vernünftige (Null)Messungen zu ermöglichen, bin ich derzeit am Bau eines Bleizylinders:
Bild
Ich habe die Idee von Falafel aufgegriffen und mir aus dem Dachdeckerbedarf ein paar Meter Bleifolie (150mm*1,2mm) besorgt. Der Aufbau ist meinen mech. Fähigkeiten entsprechend simpel:
Der Zylinder selbst besteht aus zehn Lagen aufgewickelter Folie. Die Deckplatten aus je 10 Einzelscheiben, die mit Aluscheiben noch stabilisiert werden. Die Bodenplatte hat eine steckbare Aufnahme für den Sensor. Das Ganze wird dann noch lackiert.
Das hat natürlich nichts mit den Messplätzen vom Thomas44 zutun, aber nach meiner groben Abschätzung sollte 12mm-Bleiabschirmung die Umgebungsstrahlung um den Faktor 10 reduzieren.
Die erste Messung mit dem Zählrohr erscheint jedenfalls recht vernünftig:
Zählrate ohne Abschirmung: 42 cpm, mit: 23 cpm. Laut Datenblatt des Zählrohrs beträgt der Nulleffekt 25 cpm.
heisa hat geschrieben:Du wirst für ein universelles Spektrometer nicht darum herum kommen die Verstärkung einstellbar zu machen...
Ich will die Verstärkung via Controller schaltbar machen:
1. Die K40-Linie (ca. 1500 KeV) liegt in der Mitte des Messbereichs von 0-3 MeV
2. Die K40-Linie liegt am oberen Ende des Messbereichs von 0-1,5 MeV
Mit einer 12-Bit Auflösung sollte man damit eigentlich alle geophys. Fragestellungen hinreichend genau untersuchen können...
...Immer vorrausgesetzt, daß das ganze Ding überhaupt mal funktioniert!!! Bisher habe ich da aber noch ganz erhebliche Zweifel :shock:

Wie auch immer: Ich werde auch über die Misserfolge berichten
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

hallo Krumi

Da mus was faul sein. Ich hab eine Quelle gleicher Bauart und gleicher Aktivität heute mit einem Pancake Zählrohr nachgemessen.
Background 0.8 cps Quelle in 3mm Abstand zum Eintrittsfenster 25cps.
Welches Endfensterzährohr verwendest du, kannst du mir die Type schreiben ?

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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

heisa hat geschrieben:Welches Endfensterzährohr verwendest du, kannst du mir die Type schreiben ?
ZP1430 von Valvo. Aber schon über 25 Jahre alt!
Ich werde mich nächste Woche dazu nochmals ausführlicher melden.

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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

heisa hat geschrieben:Da muss was faul sein. Ich hab eine Quelle gleicher Bauart und gleicher Aktivität heute mit einem Pancake Zählrohr nachgemessen.
Background 0.8 cps Quelle in 3mm Abstand zum Eintrittsfenster 25cps.
Hallo Hugo,
das dachte ich mir zuerst natürlich auch, da die Quelle laut Label 0,014 µCi (entspr. 518 Bq bei ca. 660 KeV) hat. Bei einer Nachweiswahrscheinlichkeit (laut Lit. von 0,01 bei 1 MeV) beim GMZ sollte man also bei einem Punktstrahler mit ca. 500/2*0,01 = 2,5 cps entspr. 150 cpm rechnen.
Konsequenterweise habe ich da an die Alterung des ZP1430 gedacht. Das hat sich aber nicht bestätigt!

Habe heute die Gegenprobe mit dem fast ungebrauchtem Zählrohr (äquiv. ZP1320) des SV500 gemacht:
Bild
Die Messwerte mit dem ZP1320 (a 10 min.) :
Bei geschlossenem Betafenster:
Null+Hintergrund: 13,0 cpm - Null+Hintergrund+Quelle: 20,6 cpm
Bei offenem Betafenster:
Null+Hintergrund: 12,6 cpm - Null+Hintergrund+Quelle: 22,5 cpm
Delta-N ca. 8-10 cpm.

Die Messung mit dem ZP1430 (Fenster mit 1 mm Kunststoff abgedeckt):
Null+Hintergrund: 43,8 cpm - Null+Hintergrund+Quelle: 54,9 cpm
Delta-N ca. 11 cpm.

Das sind ja nun recht eindeutige Übereinstimmungen! Entsprechende Messungen habe ich auch mit einem Thoriumglühstrumpf und Steenstrupin gemacht. Die Messwerte sind auch hier stimmig.
Mit einem unterschiedlichem Alter der Proben lässt sich (bei 30a Halbwertszeit) unsere Differenz auch nicht erklären :? Da werde ich wohl noch etwas zu rätseln haben... Aber ich bin ja zwischenzeitlich seltsame Messergebnisse durchaus gewohnt!

Hier das aktuellste Beispiel - Experimentalphysik der absurden Art
Nachdem ich nun meinen Sensor im Bleizylinder betreibe, sind mir einige Dinge aufgefallen:
- Bei geöffnetem Zylinder trifft immer noch Umgebungslicht auf die PIN-Diode!
Das Licht kommt durch die Bohrungen des Aludeckels für die Anschusspins --> http://www.untertage.com/micha2/lt/Sonde2.jpg
Das sorgt natürlich für dauernd wechselnde Offsets der Diode, abhängig von Bewölkung, Tageszeit, Laborlicht...
- Die Folie, die die PIN-Diode an das Austrittsfenster des Kristalls presst, ist offenzellig und hat etwas Silikonöl aufgenommen. Dadurch nimmt der Anpressdruck (und somit die optische Kopplung) kontinuierlich immer weiter ab und verschlechtert natürlich auch entsprechend das Signal/Rauschverhältniss.
Mit so einem System kann man natürlich keine vernünftige Optimierung durchführen. Nun kann ich wieder von vorne anfangen :bier:

Wie da die Jungs vom CERN überhaupt jemals was vernünftiges messen konnten, bleibt mir wohl immer ein Rätsel :shock:

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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Krumi
Hast du die Messung mit dem abgebildeten Detektor durchgeführt (so wie im Foto sichtbar?)
dabei handelt es sich nicht um ein Endfensterzählror.Der im Foto gezeigte Detektor ist für Gammastrahlung und hochenergetische Betastrahlung.Das Zählror ZP1320 ist doch um den Faktor 10
unempfindlicher als das ZP1430.
Bin schon neugierig auf deine Antwort

Hugo
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micha2
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Hallo Hugo,
Du hast natürlich völlig recht damit, daß man das Mantelzählrohr normalerweise nicht 1:1 mit dem Fensterzählrohr vergleichen kann! Ich bin vereinfachend von der Annahme ausgegangen, daß bei einem monoenergetischem Gamma-Punktstrahler, mit unmittelbarem Kontakt zum Zählrohr, die Nachweiswahrscheinlichkeit annähernd gleich ist.
Bei Gelegenheit werde ich aber eh mal das Fensterzählrohr überprüfen. Die Empfindlichkeit wird nach 25 Jahren wohl schon erheblich nachgelassen haben.

Unabhängig davon:
Wenn ich mich recht entsinne, bezog sich die Nachweiswahrscheinlichkeit von 0,01 (bei 1 MeV/Gamma) eh auf ein Mantelzählrohr. Mir fällt nur leider die Quelle dazu nicht mehr ein.
Wenn wir diese Angabe aber als richtig annehmen, fehlen mir sowieso ganz erhebliche Mengen an nachgewiesener Gammaquanten :shock:

Nebenbei:
Kennst du eine Bezugsquelle für die Pancake-Zählrohre? So ein Ding such ich schon lange!

mit herzlichem Gruß
Krumi
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heisa
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Krumi
Tut mir leid daß du von den Messergebnissen enttäuscht bist, das liegt am Detail.
Cs137 ist ein Betastrahler und die Gammastrahlung die wir benutzen kommt vom Tochternuklid Ba137.
Ich hab natürlich mit dem Pankake Detektor beides gemessen, deine Messung mit dem Gammadetektor zeigt natürlich sehr wenig und ist schon richtig.Trotzdem ist diese Quelle der richtige Maßstab für dein Projekt. Du musst mit deinem Aufbau mit der Quelle innerhalb von maximal 5 Minuten genug Impulse bekommen um ein Spektrum darstellen zu können.Ich glaube es mangelt an Verstärkung und die Impulse die du siehst stammen aus hochenergetischer Höhenstrahlung die liegen im Bereich mehrerer
MeV. Versuch die Verstärkung mehr hoch zu schrauben, unter Umständen musst du mehrere Stufen
nehmen und kapazitiv koppeln damit kannst du das niederfrequente Rauschen besser in den Griff bekommen. Der zweite Punkt ist die optische Kopplung ich glaube im Datenblatt gesehen zu haben daß die aktive Fläche und der Rand der PIN Diode nicht plan sind das könnte zu Lufteinschlüssen führen das
wäre natürlich fatal.

Was meinst du dazu?

Glück auf

Hugo
heisa
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Krumi

Hab vorher vergessen die Daten von möglichen Bezugsquellen für Pancake:

www.lndinc.com
www.centronic.co.uk

Glück auf

Hugo
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micha2
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Hallo Hugo,
die optische Kopplung scheint zwischenzeitlich vernünftig zu funktionieren.
Bezüglich Rauschen habe ich aber auch noch erhebliche Zweifel. Es könnte durchaus sein, daß der untere Energiebereich im Rauschen der PIN-Diode und des Sensorverstärkers untergeht.

Ich habe heute mal noch kurz ein Spektrum mit dem neuen AD-Wandler MAX187 und den OPA627 im Sensorverstärker aufgenommen:
Bild
Messzeit je 30 min, Auflösung 11 Bit bzw. 0-4096 mV mit 2 mV/Digit

Den Offset habe ich bei dieser Aufnahme auf ca. 3.000cpm Nullrate eingestellt. Bei diesem Offset hat die Torbernitprobe dann eine Aktivität von 1.000cpm. Bei einer Nullrate von 20.000cpm erreicht der Torbernit dann die Maximalrate von ca. 4.000cpm.
Das heißt, daß beim obigen Spektrum der Energie-Nullpunkt irgendwo weit unterhalb 0 mV liegt.

Zur Interpretation:
Die zwei Linien der Cs137-Probe irritieren mich ganz erheblich! Eine davon sollte die 662 KeV-Gammalinie sein, aber wie ist der zweite Peak zu interpretieren? Evt. die Betalinie bei 512 KeV???
Bild
Die Linie bei ca. 200 KeV kann's ja nicht sein, da dieser Bereich nach obiger Argumentation außerhalb des Spektrums liegt... Naja, das Rätsel wird sich hoffentlich auch noch irgendwann mal lösen lassen.
Bin leider die nächste zwei Wochen nicht im Labor :shock:

Ansonsten sehen die Spektren ja (zum ersten mal) ganz vernünftig aus und sind auch reproduzierbar!
Sobald ich wieder Zeit habe, werde ich mal die Diodenvorspannung auf -24V erhöhen und die Verstärker weiter optimieren. Berichte folgen...

Und vielen Dank für die Links!

mit herzlichem Gruß und Glück auf
Krumi
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Krumi

Schau dir einmal den Link an.
Bin Beeindruckt von deinem Spektrum

books.google.at/books?isbn=3540648305...

Glück auf

Hugo
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

heisa hat geschrieben:Schau dir einmal den Link an...
Hallo Hugo,
Danke für den prima Buchtipp:
http://books.google.de/books/about/The_ ... edir_esc=y
Ich werde mir das Ding baldmöglichst beschaffen! Leider sind gerade zu den (hier) relevanten Themen kaum Textbeispiele dabei.
...Bin Beeindruckt von deinem Spektrum.
Naja, so beeindruckend ist das m.e. jetzt noch nicht! Es beweist aber halt auch noch nicht die prinzipielle Unmöglichkeit des Ansatzes :D

Glück auf
Krumi
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Krumi

Ganz im Gegenteil, es sind sogar CsJ Spektren abgebildet.Was mir an deinem Spektrum fehlt ist das
Komton Kontinuum mit der Komton Kante. Das muss beim CsJ genauso wie beim NaJ auftreten.
Das sind jene Wechselwirkungen die zu keiner völligen Energieumsetzung das heist zum Photopeak führen und im niederenergetischen Bereich liegen. Vielleicht hast du die Triggerschwelle zu hoch angesetzt.
Einsweilen
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

heisa hat geschrieben:Ganz im Gegenteil, es sind sogar CsJ Spektren abgebildet.
Hallo Hugo,
sorry, ich habe mich da leider sehr missverständlich ausgedrückt. Ich bezog mich auf die Textbeispiele/Leseproben in diesem Link:
http://books.google.de/books/about/The_ ... edir_esc=y
Im Handbuch sind sie natürlich enthalten! Aber für 277€ werde ich mir das Ding wohl nicht kaufen. Werde es mal über die Fernleihe probieren...

Zur Compton-Kante:
Meine Interpretation des letzten Spektrums kann sowieso nicht stimmen! Das Spektrum sollte etwa so aussehen:
http://www.grossberger.net/atomphysik/Gamma/gamma1.html

Irgendwas läuft bei meinem Ansatz ganz gewaltig schief!!! Ich werde das Gefühl nicht los, daß ich immer nur das Rausch/Fehlerspektrum der Schaltung aufnehme, die nur durch die Gammaquanten bzw. Photonen des Kristalls moduliert werden... Hoffentlich habe ich bald mal wieder Zeit, mich drum zu kümmern.

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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Krumi

an dem Missverständnis mit dem link bin ich schuld , habs heute gleich ausprobiert und da sieht man tatsächlich nichts. Muss nochmals den ursprünglichen URL suchen da bin ich nämlich auf unserer Firmenbibliotek gelandet und da ist das Buch im Volltext lesbar.
Du ich glaub du wirst das schaffen die Idee ist echt gut und mit der notwendigen Elektronik wirst du ganz sicher fertig, ist ja doch kein Wald und Wiesen Projekt.
Freu mich schon wenn du wieder Zeit hast über deine Fortschritte zu hören

Glück auf

Hugo
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Micha

Schon lang nichts gehört von dir. Warst schon im Urlaub? Wie gehts dem Gammaspektrometer Projekt?
Ich hab vorige Woche den Niklas besucht und war begeistert was er schon alles gebaut hat.Seine
Seismometer sind wirklich Spitze.
reu mich wieder von dir zu hören

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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Hallo Hugo,
hier mal ein kurzer Zwischenbericht:
Nachdem zwischenzeitlich klar wurde, daß man grundsätzlich nichts ungeprüft übernehmen/glauben darf, bin ich wieder ganz am Anfang der Entwicklung :shock:

Etwas ausführlicher:
Das Problem beginnt schon bei der klassischen, gleichstrommäßigen Kopplung der PIN-Diode mit dem Ladungsverstärker. Siehe Applikationsbeispiele 9 und 10: http://www.untertage.com/micha2/Szinti-Projekt2.jpg
Beide Varianten funktionieren bei mir absolut nicht zufriedenstellend! Habe zwischenzeitlich die Diode via Kondensator angekoppelt und damit eine extreme Empfindlichkeitssteigerung.

Diese Empfindlichkeitssteigerung offenbarte aber sofort weitere Schwachstellen:
- Die Störspannungen des Netzteils sind wesentlich zu hoch. Vorläufige Lösung: Batteriebetrieb.
- Trotz mehrfacher Abschirmung und sauberer Erdung des Sensors ist die Störstrahlung des Tektronix-Oszi unglaublich groß. Das war übrigens die Hauptursache für die absurden Spektren!

Zwischenzeitlich habe ich also einen etwas archaischen Versuchsaufbau:
Bild
Das rechte untere Oszi dient als Einkanalanalysator: Die Triggerschwelle des Oszis legt den Zählpegel fest,
der Frequenzzähler (oben links) zählt dann die Counts. Das linke untere Speicheroszi stellt das Signal des Sensorverstärkers dar. (Im Bild übrigens ein typischer Peak bei ca. 1 MeV)
Mit diesem Aufbau kann ich jetzt zum erstenmal eine signifikante Aktivitätserhöhung mit deiner Cs137-Probe von ca. 300 cpm detektieren :D

Weitere Vorgehensweise:
Zuerstmal muss ich den Sensorverstärker optimieren. Mal schaun ob ich die angestrebte untere Energiegrenze von ca. 60-100 KeV überhaupt erreichen kann.
Für die Optimierung des Analysers muss ich mir erstmal einen Arbitrary-Generator beschaffen.
Du siehst schon: Das artet zu einem Lebenswerk aus...

Gruß und Glück auf
Krumi
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Micha
Danke für deine Information, ja das hab ich vermutet daß es mit Gleichstromkopplung nicht geht.
Ich muss dir auch sagen daß du dir mit dem fliegenden Aufbau selbst Schwierigkeiten machst.
Du musst etwa vergleichbare Verstärkung wie mit einem SEV erreichen die liegt bei 1*10E6
Ich würde auch versuchen die Verstärkung auf mindestens 2 Stufen aufzuteilen.Der Koppelkonensator sollte auch nicht zu groß sein damit kannst du die niederfrequenten Störanteile weghalten. Betreffend Testgenerator musst du nicht so hoch greifen, nimm eine 555 dimensionier die Pulsfolgefrequenz mit 1kHz und die Pulsdauer mit 2-5 micro Sekunden.Du solltest dann mit Spannungsteilern jede Position in der Horizontale erreichen können.Die Einkopplung sollte auch da mit einem kleinen Kondensator erfolgen(wenige pF)
Verzweifel nicht daran daß es nicht auf Anhieb geht du versuchst da einen neuen Weg
und das hat immer seine Schwierigkeiten.

Einstweilen liebe Grüße
Glück auf

Hugo
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