Gammaspektrometer im Selbstbau

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micha2
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Hallo Hugo,
bin derzeit mal wieder nicht im Labor, deshalb nur kurze Antworten ohne aktuelle Schaltpläne etc.
Ich muss dir auch sagen daß du dir mit dem fliegenden Aufbau selbst Schwierigkeiten machst.
Das Problem ist mir natürlich durchaus bewusst, aber zwischenzeitlich beschränkt sich der fliegende Aufbau nur noch auf den Analyser. Der Sensorverstärker ist ja schon zweistufig (zwischenzeitlich mehrfach modifiziert) mit diesem Aufbau/Layout:
Aufbau: http://1.1.1.2/bmi/www.untertage.com/micha2/lt14-1.jpg
Schaltung: http://1.1.1.3/bmi/www.untertage.com/micha2/lt14-3.png
Die OPA111 wurden durch die wesentlich schnelleren OPA627 ersetzt und die Dioden-Kopplung jetzt über einen Kondensator. Dazu werde ich in den nächsten 2-3 Wochen mal wieder die aktuelle Schaltung veröffentlichen.
Zum Analyser:
Die schon kurz angesprochene Lösung mit der komparatorgesteuerten Sample/Hold scheint mir bisher die sauberste Lösung zu sein. Auch dazu folgen demnächst nähere Details.
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.
Genau so (ähnlich) habe ich die Grobentwürfe der diversen Analyservarianten auch immer getestet :)
Aber zwischenzeitlich bin ich in einer Phase, in dem man den favorisierten Analyser bzw. das Gesamtsystem wesentlich genauer untersuchen/optimieren muss.

Zur Verteidigung meiner Vorgehensweise:
Ich nehme natürlich ganz bewusst (in der Entwurfsphase) immense Störungen/Fehler in kauf, aber ich lasse mir dadurch auch alle Optionen einer grundsätzlichen Designänderung offen! Du wirst es ja wohl selbst kennen: Hat man erstmal ein Layout entworfen und die Platine gefertigt, ist man nur noch sehr ungern bereit, einen völlig neuen Ansatz zu wagen.
Und wenn der Grobentwurf im fliegendem Aufbau erstmal funktioniert, kann es ja eigentlich nur noch besser werden :keks:
Daher meine Vorgehensweise:
- Fliegender Aufbau bis zur Auswahl der sinnvollsten Lösung
- Anschließend Aufbau mit Lochrasterplatine und dadurch Prüfung auf Reproduzierbarkeit
siehe: http://www.untertage.com/micha2/lt/lt11-1.jpg
- Wenn positiv, dann macht man eine möglichst saubere Platine als Prototyp
siehe: http://1.1.1.2/bmi/www.untertage.com/micha2/lt14-1.jpg
- anschließend folgt die erneute Optimierung und irgendwann:
-> Redesign und Endentwurf des Gesamtsystems
Verzweifel nicht daran daß es nicht auf Anhieb geht du versuchst da einen neuen Weg
und das hat immer seine Schwierigkeiten.
Verzweifeln??? Ganz im Gegenteil!
Das ist ja eben die Herausforderung und das Spannende an dem Projekt :cool:

Aber ich habe die Schwierigkeiten absolut unterschätzt! Ich dachte mir das mal so:
"Och, die Alten - Deren Probleme lösen wir mal kurzerhand (mit der heutigen Elektronik) im Handstreich"
... So kann man sich irren

Ich freue mich jedenfalls immer über deine Kommentare/Anregungen/Hilfe/Kritik.

mit herzlichem Glück auf
Krumi

Nachtrag:
Ein Elektronikerkollege aus Illmenau geht beim Analyser jetzt einen ganz anderen Weg:
Die "Einzelpeakanalyse" via ultraschnellem AD-Wandler. Dieser Ansatz ist natürlich auch extrem interessant!!!
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

hallo micha

Ich hoff du bist wohlauf und nicht zu sehr im Stress,was macht dein Projekt?
Ja das mit dem direkt Abtasten der Impulse ist neuester Stand auch bei den Komerziellen Geräten
da lässt sich noch mehr Information auf einmal herausholen.Das Ganze braucht schnelle ADC,s und eine
hochkomplexe Software, ist außerhalb meines Arbeitsbereiches.Ich bin normalerweise mit viel weniger
hochtechnischen Problemen beschäftigt eher mit Überzeugungsarbeit.
Freu mich schon wieder etwas von dir zu lesen

Gück auf

Hugo
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Hallo Hugo,
hatte die letzten Wochen leider kaum Zeit, mich ums Projekt zu kümmern.
Aber das aktuelle (Re)Design sieht schon sehr vielversprechend aus!

In den nächsten Tagen sollte auch mein neues (gebraucht gekauftes) Messequipment eintreffen:
http://www.helmut-singer.de/pdf/hp33120a.pdf
http://www.helmut-singer.de/pdf/hp53131a.pdf

Damit sollte man dann eigentlich so vernünftige, reproduzierbare Messergebnisse erhalten, daß man das Design sinnvoll optimieren kann :cool:

Selbstverständlich werde ich hier weiter berichten, aber das Ganze zieht sich noch etwas hin.
Die ganzen Versuche, Messungen, Dokumentationen verschlingen einfach immens Zeit!
- Und es nützt ja keinem etwas, wenn man nichtreproduzierbare Ergebnisse und Bauanleitungen liefert: Davon ist das Internet (aber auch die "gedruckte" Literatur) eh schon überladen :shock:

Glück auf
Krumi
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Mein neues Testequipment ist heute angekommen :fant:
Bild

Universalzähler und Arb.-Generator haben mich zwar (zusammen, gebraucht) ca. 2000 € gekostet, aber die Dinger sind wirklich jeden Euro wert! Die Geräte sehen zwar völlig unscheinbar aus, aber die Messmöglichkeiten (incl. Auflösung und Genauigkeit) sind wirklich beeindruckend.

Bild

Nachdem ich mich etwas in die Bedienung eingearbeitet habe, hier die ersten Messungen:

Bild

Für den Anfang habe ich mir den Analyser, incl. AD-Wandler vorgenommen.
Das Eingangssignal des Peakdetektors ist die Sin(x)/x-Funktion des Generators, im Burst-Modus mit jeweils 5000 peaks/Burst. Amplitude und Frequenz wurde über den gesamten Messbereich des Analysers durchgestimmt.
Die Zählrate/Frequenz des Nulldurchgangsdetektors und die "gesampelte" Amplitude wurde mit dem Universalzähler unabhängig vom Microcontroller kontrolliert.

Ergebniss:
Die Zählrate stimmt exakt - die Amplitude des AD-Wandlers recht gut mit den gemessenen Werten des Zählers überein. Der Peak-Detektor ist aber natürlich noch zu optimieren.

Soweit war ja alles wie erwartet...
Die größte Überraschung kam aber nach Auswertung der Spektren:

Bild

Das Eingangssignal war die obige Sin(x)/x-Funktion mit einer Frequenz von 1 kHz. Pro Burst (20000 Impulse) wurde die Amplitude um jeweils 200 mV erhöht.
Normalerweise sollte das Spektrum aus (rel.) scharfen, fast gleichhohen Peaks im 200 mV Abstand bestehen...

Ich hab's jetzt noch nicht durchgerechnet, aber "gefühlsmäßig" sollte das Integral jedes Peaks ungefähr 20000 ergeben. Mal schau'n, wohin das noch führt :shock:

Glück auf
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von heisa »

Hallo Krumi

Gratulation zu der Neuanschaffung, da hast du ganz schön aufgerüstet.
Mein erster Eindruck von deinem abgebildeten Spektrum:
Hast du überprüfen können ob das DC-offset am Ausgang des Generators stabil ist?
beziehungsweise kann sich eine 50Hz Schwingung irgendwo einschleichen, es sieht so aus als wäre der Abstand nicht 200 mV und auch nicht konstant. Die zweite Frage kannst du die Pulsfolgefrequenz langsamer machen um zu sehen ob es sich da um ein timing Problem in der Verarbeitung handelt,
Mehr fällt mir im Augenblick nicht ein bin aber schon neugierig was du herausfindest.

Glück Auf

Hugo
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Hallo Hugo,
...es sieht so aus als wäre der Abstand nicht 200 mV und auch nicht konstant.
Du hast natürlich recht! Die angegebene Schrittweite von 200mV bezog sich auf die PP-Amplitude des Generatorsignals. Durch den Offset von -1V und der Signalform ergeben sich natürlich andere Werte am Peak-Detektor. Es sind dort ca. 170 mV Schrittweite.
Amplitude und Offset sind im Rahmen der Spezifikation (bzw. noch besser) des Generators. Angegeben ist eine Genauigkeit von 5 mV.

Ich habe heute mal den Peak-Detektor etwas optimiert. Vergrößerung des Sample-Kondensators und ein RC-Glied vor dem AD-Wandler. Und plötzlich sehen die Messwerte schon wesentlich vernünftiger aus:
Bild
Obiges Spektrum wurde mit 12-Bit Auflösung gemacht.

Bild
Die gleichen Bedingungen wie oben, mit einer 10-Bit Auflösung

Es wurden jeweils 20000 Peaks generiert. Startwert lag bei ca. 100 mV, die Schrittweite ca. 170 mV.
Auch die Frequenz wurde von 100 bis 2000 Hz variiert, hatte aber keinen (wesentlichen) Einfluss auf's Ergebniss.
Denke, das ist schon ein ganz vernünftiger Ansatz! Selbstverständlich kann/muß man den Peak-Detektor noch weiter optimieren, aber ich habe jetzt zumindest das entsprechende Equipment dafür :D

Glück auf
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Vor meiner Laborpause noch ein kurzer Zwischenbericht:

Habe mit neuem Messequipment jetzt mal den Analyser optimiert.
Die aktuelle Schaltung:
Bild
Kurze Beschreibung dazu:
Der Opamp (IC2) verstärkt das Eingangssignal (0-80mV) um den Faktor 101.
Der Sample/Hold (IC3) bildet mit dem Komparator (IC6) den Peak-Detektor.
Die Ausgangsspannung der SH wird über den Spannungsteiler (R14/R15/C17) halbiert und speist den Eingang des AD-Wandlers (0-4096mV).
Der Komparator (IC5) detektiert den Nulldurchgang des Signals und startet den AD-Wandler (IC4).

Die Testbedingungen:
Das Sin(x)/x-Ausgangssignal des Generators (0-8000mV) wird über einen Spannungsteiler um den Faktor 100 reduziert und am TP2 in die Schaltung eingespeist. Die Spannung am PIN3 (IC3) entspricht also wieder dem Generatorsignal.
Bild

Zur Messung:
Das Generatorsignal wurde in fester Schrittweite (entsprechend ca. 250mV am AD-Wandler) von 250-4000mV erhöht. Bei einer Frequenz von 500 Hz wurden jeweils 20000 Einzelimpulse pro Messung generiert. Im zweiten Durchlauf (nach ca. 10min) wurde die Schrittweite verdoppelt und nochmals jeweils 20000 Peaks addiert.
Ergebniss:
Bild
Die Interpretation ist (ohne die Rohdaten zu kennen) zugegebenermaßen etwas komplex.
Ich versuch's mal:
Der ideale Analyser würde bei Kanal-# 250, 750, 1250, 1750 etc. einen einzelnen, scharfen Peak von 20.000 counts generieren. Entsprechend dann bei 500, 1000, 1500 ... einen Peak von 40.000 counts. Da die ganze Schaltung aber eben (noch) nicht optimal ist, hat man Messfehler.
Ein Fehler im LSB (das niedrigste Digit) sorgt dafür, daß der Peak nur noch halb so hoch ist, dafür aber doppelt so breit...

Wie auch immer, um die zu erwartende Genauigkeit abzuschätzen, habe ich die Rohdaten entsprechend bearbeitet -> Gleitender Mittelwert über jeweils 7 Punkte. Soll heißen: Multipliziert man die max. Peakhöhe mit 7, ergibt sich die Anzahl der Counts pro Messung.

Ich fasse mich jetzt kurz (obiges wird eh kaum einer verstehen):
Habe derzeit eine ungefähre Halbwertsbreite von ca. 4 Bit entsprechend 4 mV.
Würde man in diesem Bereich also ein ideales Energiespektrum von 0-2000 keV auflösen, wäre die Halbwertsbreite 2 keV. Die Halbwertsbreit eines (guten) Szintillators/Detektors wird mit ca. 50 keV angegeben.

Suma
Es geht voran - aber man sollte sich die Welt ja auch nicht schön reden:
Das Hauptproblem (der Detektor) steht ja immer noch an!
Und für das Geld (und die Zeit) die ich zwischenzeitlich in das Projekt gesteckt habe, hätte ich mir wohl schon lange einen kommerziellen Gammaspektrometer kaufen können...
Aber der Mensch braucht ja seine Herausforderungen! Der Niklas wird das wohl verstehen :D

mit lachendem Glück auf
Krumi
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Niklas
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von Niklas »

micha2 hat geschrieben:Aber der Mensch braucht ja seine Herausforderungen! Der Niklas wird das wohl verstehen :D
Ja, Krumi, es muss wohl die Herausforderung sein, die uns motiviert, die Vernunft wohl eher kaum. Was macht es schon für einen Sinn, das Rütteln der Erde zu "messen" - im Fall eines Gamma-Spektrometers sieht das zumindest besser aus :wink:

Wie man ans Ziel kommt, kann man sehen, wenn man die Uhrzeit betrachtet, zu der Du Deine postings absetzt... 03:01

Die Professionalität, mit der Du die Sache betreibst, setzt Maßstäbe. Leider muss ich mit deutlich weniger Sachkenntnis an die Sache herangehen und kann im Falle des Spektrometers nur im Windschatten fahren. Das wird mich aber nicht daran hindern, aus Deinen Erfahrungen zu lernen...

Die Halbwertsbreite unter Laborbedingungen ist beeindruckend, bei Messungen unter realen Bedingungen wird man bei einem Wert unter 10% schon zufrieden sein müssen. Oder irre ich mich? Bin jedenfalls gespannt!

LG Niklas
Dirk_Falk
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von Dirk_Falk »

Glück Auf miteinander!

Lese hier interessiert und begeistert mit.

Ein Gedanke zur der Halbwertsbreite von vier Bit. Aus welcher Sortierung stammt den der MAX187 ?
Sprich Klasse A, B, oder C. Klasse C hat einen Messfehler von -+2 Bit wenn ich das Datenblatt richtig interpretiere.
[url]http://datasheets.maximintegrated.com/e ... MAX189.pdf[/url]
Seite 1

Bin ich letztens mal böse beim Austausch eines anderen Bauteils reingefallen. Anstatt C ein D in der Bastelkiste erwischt und nicht drüber nachgedacht. Hatte bei mir dann auch noch ein anderes Pinout.

Zweiter Punkt. Liegen die Amplituden des Testsignals so, dass das Messsignal am AD-Wandler in der Mitte des zwischen den Schaltschwellen eines Bits liegt? Liegt die Amplitude auf einer Schaltschwelle springt das letzte Bit eh hin und her.

Grüße Dirk
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micha2
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Dirk_Falk hat geschrieben:...Ein Gedanke zur der Halbwertsbreite von vier Bit. Aus welcher Sortierung stammt den der MAX187 ?
Sprich Klasse A, B, oder C. Klasse C hat einen Messfehler von -+2 Bit wenn ich das Datenblatt richtig interpretiere.
Glück auf Dirk,
Laut Bestellung (Reichelt) und entsprechend dem IC-Aufdruck sollte es der MAX187-ACPA mit +-1/2 LSB sein. Meine Messungen (direkt am ADC-Eingang) haben das auch rel. gut bestätigt!
Zweiter Punkt. Liegen die Amplituden des Testsignals so, dass das Messsignal am AD-Wandler in der Mitte des zwischen den Schaltschwellen eines Bits liegt?
Mit dieser Frage kommen wir jetzt wirklich an's "Eingemachte" :D
Die kurze Antwort: Das kann ich dir nicht sagen, da mir das geeignete Messequipment dazu fehlt!
Oder etwas ausführlicher:
Zitat aus der Spezifikation des Generators HP33120A
- Amplitude Resolution: 12 bits (including sign)
- Amplitude: 50 mVpp - 10 Vpp (at 50 Ohm)
- Amplitude Accuracy (at 1 kHz): +-1% of specified output
Zur Erinnerung:
Die Ausgangsspannung des Generators (0-8V) wurde mittels Spannungsteiler um den Faktor 100 reduziert (0-80 mV) und anschließend wieder (mit IC2) um 100 verstärkt!
Wenn wir den Fehler des Opamps (Drift, Rauschen) vernachlässigen, hätten wir also (bei 4V Genaratorsignal) schon einen theoretischen Maximalfehler von +- 40 mV am SH-Eingang :shock:
Praktisch sieht das Ganze natürlich wesentlich besser aus, aber:
Mit einem 11 Bit-DAC (das 12te Bit ist das Vorzeichen) kann ich keinen 12 Bit-ADC durchmessen.
Ich habe auch leider keinen Spannungsmesser, der 1 mV Spitzenspannung (bei ca. 25 µs Peakdauer) auflösen könnte... Auch das Tektronix-Oszi hat nur eine Auflösung von 8 bit.

Du siehst also, daß ich dir deine zweite Frage einfach nicht beantworten kann :?
Ich kann nur über Langzeitmessungen einen statistischen Mittelwert bestimmen. Und für eine erste, grobe Abschätzung diente das letzte Spektrum.

mit herzlichem Gruß
Krumi
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Auf mehrfache Bitte hin, hier mal wieder ein Laborbericht:

Der Analyser (mit Vorverstärker und Filter) scheint mir jetzt für weitere Untersuchungen recht brauchbar zu sein. Bis auf kleine Details hat sich am Peak-Detektor (zur vorhergehenden Version) nicht viel geändert. Einzig der Kondensator C21 mit 150 pF leistet einen wesentlichen Beitrag zur Genauigkeit und Stabilität des PD's.
Bild
Ergänzt wurde die Schaltung durch Eingangsverstärker mit Filter und Offseteinstellung (P1).
Die Gesamtverstärkung liegt (bei einer Peakbreite von ca. 30 µs - entsprechend 1 KHz des Generatorsignals) bei ungefähr 100 und zeigt eine gemäßigte Bandpasscharakteristik. Die Kondensatoren C7, C12, C14 mit 0 pF sind derzeit nicht bestückt, werden aber im Layout berücksichtigt.
Anm. zum Spannungsteiler R19/R20/C20:
Auch wenn es auf den ersten Blick völlig idiotisch erscheint, zuerst das Eingangssignal um den Faktor 200 zu verstärken und anschließend das Ausgangssignal des PD's wieder zu halbieren, macht das durchaus Sinn!
Erklärung:
Sehr hohe Eingangpeaks werden durch die Op-Amps (OPA627) auf ca. 9V begrenzt. Durch den Spannungsteiler liegt am AD-Eingang dann nur noch max. +4,5V (über 2K7-Widerstand) an und sorgt für ein sauberes, übersteuerungsarmes Arbeiten des Wandlers.
Weiterhin kann man damit (fast) den gesamten Spannungsbereich der Sample/Hold (IC3) ausnutzen.

Nachfolgend mal ein paar Genauigkeitsbetrachtungen der Schaltung:
Bild
Zur Interpretation der Messungen:
Das Ausgangssignal des Generators wurde um den Faktor 100 reduziert (Spannungsteiler auf Testboard) und anschließend unabgeschirmt am Pin3 (CON1) eingespeist. Das sorgt für ein gewisses "verrauschen" und simuliert recht gut das Signal des Detektors!

Bei der Bewertung ist folgendes zu beachten:
Der Generator hat eine DA-Auflösung von 12 Bit incl. Vorzeichen! Bei einer Ausgangsamplitude von +-10V entspricht ein Digit also 20V/4096 = 4,9 mV.
Soll heißen: 1 Digit des Generators (als kleinste Einheit) entsprechen ca. 5 Digits = 5 mV bei meinem AD-Wandler. Die angegebene Genauigkeit der Ausgangsamplitude liegt laut Datenblatt bei 1% -> Bei 4V Ausgangsspannung ist also mit einem Fehler von 40 mV zu rechnen.
Auch der Zähler (im Spannungsbereich) hat bei einem Messbereich von +- 5V (Peak-Peak) nur eine Auflösung von 10 mV.
Suma:
Im Prinzip kann ich mit diesem Messequipment die Schaltung gar nicht vernünftig beurteilen.
Hier kommt aber einem die Statistik zu Hilfe: Der Fehler einer Gesamtmessung reduziert sich um die Wurzel der Messungen (bei Gauss-Verteilung).
Beispiel:
Wenn eine Einzelmessung einen Fehler von 1 mV aufweist, liegt der Fehler des Mittels bei 100 Messungen nur noch bei 1 mV / Sqrt(100) = 0,1 mV
Dummerweise gilt das halt nur bei normalverteilten Fehlern, was hier leider nicht unbedingt zutrifft.
Sorry für diesen theoretischen Exkurs, aber ich habe halt mal ein Faible für die Fehlerbetrachtung :shock:

Trotzdem: Die Ergebnisse sind schon recht brauchbar.
Kritisch ist eigentlich nur der Bereich von 0-50 mV. In diesem Bereich hat man grobe Fehler und "Scheinpeaks", die ich bisher nicht eliminieren konnte.
Wenn man aber den Gesamtbereich von 0-4095 mV auf ein Gammaspektrum von 0-4095 KeV abbildet, sind die ersten 50 KeV eh nicht relevant. Ansonsten könnte man natürlich auch den Nullpunkt (des Gamma-Spektrums) auf 95 mV legen und hätte dann halt nur einen Bereich von 0-4000 KeV.

Glück auf
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von meteor »

Glück auf Krumi,

mit großem Interesse habe ich Deine Schaltungsentwürfe und Tests für einen Impulshöhenanalysators für ein Gammaspektrometer gesehen. Ich habe vor, eine ähnliche Schaltung für ein entsprechendes Alphaspektrometer zu basteln. Für das Alphaspektrometer werde ich eine (nackte) BPY12 verwenden. Ich habe einige Fragen/Bemerkungen zu Deiner Peakdetektor-Schaltung vom 3. Nov. 2012: :

1. ist die Verwendung eines OPA627 zwingen notwendig? Er ist zwar schnell, aber auch recht teuer! Wie sieht es mit OPA1414 (oder OPA2141/4141) aus. Kostet nur ein Bruchteil, ist aber etwas langsamer.
2. warum verwendest Du nicht das S/H Signal des Komparators IC6 als Indikator eines zur AD-Wandlung bereitstehenden Signals für den angeschlossenen Rechners? Es kommt doch exakt zum Zeitpunkt des Peaks und könnte via Mikrocontroller eine AD Wandlung starten. Damit könnte man den Nulldurchgangsindikator (IC5) weglassen. Soweit ich verstanden habe hat dieses IC sowieso Probleme (Störsignale) erzeugt?
3. Wäre die Verwendung einer SFH521 (1x1 cm Fläche) als Sensor denkbar? Im Vergleich zur den Hamamatsu Dioden hat sie zwar einen etwas höheren Dunkelstrom, ist aber, obwohl nicht mehr produziert, noch recht günstig zu bekommen.
4. Wie geht Deine Schaltung mit Mehrfachimpulsen (z.B. bei hohen Zählraten) um? Führt das zu systematischen Fehlern oder "verschmiert" das nur die Halbwertsbreiten?
5. Der von Dir verwendete S&H IC (LF398) hat eine, in Abhängigkeit von Hold Kondensator, zum Teil erhebliche Acquisition time (ca. 20mks bei 10nF), d.h. das Eingangssignal erscheint aufgrund des Ladens des Hold Kondensators mit einiger Verzögerung. Hast Du das beobachten können? Hat das irgendeinen Einfluß auf die Funktion der Schaltung?

Ich würde mich auf eine Anwort freuen und bestimmt Dein Projekt weiter verfolgen,

Meteor
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Hallo Meteor,
zu 1.
Bei der Alphaspektroskopie muss es nicht der OPA627 sein! Da die Peaks recht hohe Amplituden haben, reichen da auch "rauschfreudigere/langsamere" OP-Amps aus. Gute Erfahrungen habe ich mit dem LF356 gemacht.
zu 2.
Da bin ich gerade am experimentieren. Das Problem liegt bei großen, verrauschten Peaks:
Hier kommt es bisweilen vor, daß das S/H-Signal nicht eindeutig ist (Einbrüche und Abflachungen in der steigenden Peak-Flanke) was bisweilen zu "Totzeiten" von mehreren Sekunden führt.
Dazu werde ich mich nach den Versuchen nochmals nähers auslassen.
zu 3.
Sollte problemlos funktionieren. Dazu möchte ich demnächst auch noch Versuche machen.
zu 4.
Das sorgt im ungünstigstem Fall zum Verschmieren des Gesamtpeaks, i.d.R werden diese Peaks aber einfach nicht registriert und führen zu einer geringeren Zählrate. Das macht sich bei meinen derzeit verfügbaren Strahlern aber so gut wie nicht bemerkbar. Soll heißen:
Bei meiner derzeitigen Nullzählrate von ca. 2.000 cpm liegt die max. Zählrate beim Steenstrupin, als stärkstem Strahler, bei max. 30.000 cpm. Meine theoretische Maximalzählrate liegt aber bei 4000 cps = 250.000 cpm.
Ein Fehler von > 1% sollte sich also erst bei sehr starken Strahlern bemerkbar machen, sorgt aber (vermutlich) nicht zu einer systematischen Verfälschung des Spektrums. Auch dazu folgen noch nähere Untersuchungen.
zu 5.
Habe ich auch beobachtet. Konnte bisher aber keinen nennenswerten Einfluss auf die Gesamtfunktion feststellen. Ich habe den Hold-Kondensator für eine Zählrate von 1000 cps = 60.000 cpm und stark verrauschtem Eingangssignal optimiert.´Bei der Alphaspektroskopie (mit einem wesentlich unverrauschterem Eingangssignal) sollte man den Kondensator aber auch, ohnen größere Genauigkeitseinbußen, auf 1 nF reduzieren können!

Sorry für die kurzen Antworten, aber ich bin gerade beim Re-Design der Gesamtschaltung und brauche noch ein paar Tage/Wochen, bis ich sauber dokumentierte Messwerte veröffentlichen kann.

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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von Strebpanzer »

falls noch jemand Proben für sein Spektrometer braucht, ich hab da gerade was auf amazon.com gefunden:

http://www.amazon.com/gp/product/B000796XXM

Leider ist der Artikel im Moment gerade nicht verfügbar, aber vielleicht ändert sich das ja demnächst ;)

GA
cb
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

So, die Schaltung des Multichannelanalyzer ist fertig:
Bild

Hier nochmals eine kurze, zusammenfassende Schaltungsbeschreibung:

IC1 dient der finalen Signalformung und als Störsignalfilter.
IC2 sorgt für die gewünschte Offseteinstellung (Ausblenden der Rauschsignale).
Verstärkung und Filterdimensionierung ist natürlich an das Eingangs/Sensorsignal anzupassen.
Die Op-Amps müssen nicht unbedingt die teuren OPA627 sein, aber sie sollten relativ rausch- und vor allem driftarm sein. Eine Slewrate von 10V/µs sollte hier völlig ausreichen.

Der IC3 (SH-IC) bildet zusammen mit dem Komparator (IC4) den eigentlichen Peak-Detektor.
Solange das Eingangssignal größer als das Ausgangssignal ist, befindet sich IC3 im Sample-Modus -> Der Ausgang folgt etwas zeitverzögert dem Eingang.
Wird das Eingangssignal kleiner als das Ausgangssignal, schaltet der Komparator in den Hold-Modus und "speichert" die maximale Eingangsamplitude solange, bis die AD-Wandlung durch das Resetsignal abgeschlossen wird.
Fur ein sauberes Arbeiten ist hier die Kombination von C19, C21 und C22 wesentlich!!!

Zum AD-Wandler (IC6) gibt es nicht viel zu sagen:
Das Ding wandelt eben 0-4095mV mit 12Bit-Auflösung (entsprechend 1mV/Digit). Hat eine integrierte S/H, eine Referenzspannungsquelle und ist für den SPI-BUS ideal. Datenblatt lesen!

Speziell für Meteor
Die wesentliche Designänderung liegt in der Interruptgenerierung (Start der Datenaquisitation):
Ein direkter Start der AD-Wandlung ist mit dem SH-Signal (Pin7/IC4) nicht (sauber) möglich!!!
Bei kleinen Anstiegszeiten (oder verrauschtem Eingangspeak) sind die SH-Signale extrem kurz und unregelmäßig und die Eingangsimpedanz des Controllers sorgt für ein instabiles Verhalten.

Meine Lösung:
R21/T1 steuert (mit gleichbleibender Impedanz) den nachtriggerbaren MMV (IC5).
Und da ich auf die fallende Flanke des MMV triggere, ist das Ergebniss sehr sauber.
Mit meiner Verzögerungszeit Tv von ca. 42µs bin ich immer auf der fallenden Flanke des Eingangspeak.
Je nach Sensor ist diese Verzögerungszeit natürlich anzupassen: Tv = 1,1*R22*C23

Ich will hier nicht weiter mit Details und Messprotokollen nerven, nur eine kurze Zusammenfassung:
Die Halbwertsbreite der Gesamtschaltung liegt bei (rel. konst. Labortemperatur) ca. 2mV.
Im Messbereich von 10 - 4095mV ist die Genauigkeit besser als +-4mV!
Die Interruptgenerierung sorgt dafür, daß ich immer den höchsten Peak verarbeite. Kleinere Peaks (innerhalb der Totzeit) werden ignoriert und sorgen nicht für ein "verschmieren".

Sollte hier wirklich noch jemand Interesse an detaillierteren Messwerte haben, kann er sich ja melden, dann müll ich diesen Thread mit Oszillogrammen/Diagrammen vollends zu. :D

So, das war der erfolgreichere Teil der Übung
(Naja, eigentlich auch nicht wirklich, letztendlich gibt es brauchbare Multichannelanalyzer ja schon seit etlichen Jahrzehnten...) Viel interessanter wäre natürlich der Detektor PIN/CsI(Tl)!

Aber hier gibt's leider noch nicht viel positives zu berichten, nur soviel:
Zwischenzeitlich funktioniert die Einheit als sehr empfindlicher Gammadetektor!
Die Zählrate liegt (reproduzierbar) um das 30-50-fache über der des Fensterzählrohrs.
Soll heißen:
Ich kann auch sehr schwache Strahler signifikant (Aktivität) nachweisen, aber ich konnte bisher kein vernünftiges Spektrogramm aufnehmen.
Das sieht dann ungefähr so aus:
Bild

Bei einer Nullzählrate von 2000 cpm wurde ein Thoriumglühstrumpf mit ca. 7000 cpm (über Null) "spektroskopiert"! Das sieht beim Steenstrupin, mit 34000 cpm (über Null) auch nicht wesentlich anderst aus -> Auch die Cs137-Probe (vom Hugo) verschiebt nur das Gesamtspektrum in der y-Achse.
Wie schon gesagt: Die Zählraten sind auch bei sehr schwachen Strahlern (5g Lu2O3) mit ca. 200 cpm über Null (bei einem Sigma von ca. 30 cpm) absolut signifikant, aber selbst bei Messzeiten von > 12h ergeben sich keine "Spektren"!!!

Hier läuft offensichtlich irgendwas ganz gewaltig schief!
Und ja: Ich habe die 28*28mm PIN-Diode in sämtlichen Modi getestet:
Im Photovoltaic-Mode in beiden Polaritäten, im Photocondukcive-Mode ebenso beide Polaritäten von +-10-40V... http://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode

Meine Gedanken dazu:
- eher unwahrscheinlich: Die optische Kopplung ist mangelhaft.
Die Zählraten deuten eigentlich auf eine vernünftige opt, Kopplung hin. Ich werde das aber die nächsten Tage mal testen
- wahrscheinlicher: Die Sperrschichtkapazität ist bei meiner (großen) PIN-Diode zu hoch: Das könnte mein Spektrum bis zur Unkenntlichkeit "verschmieren" -> Kann man dann mit der 10*10mm-Diode evt. prüfen
- oder ich habe ein völliges Verständnissproblem:
Dann bitte ich um Hilfe :?

Werde die nächsten Tage/Wochen mal die Schaltung(en) mit den Messwerten veröffentlichen.

Glück auf
Krumi
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von Dirk_Falk »

Ein unüberlegter Schnellschuss.
Probenspektrum - Nullspektrum darstellen. Einmal für den Glühstrumpf und einmal für Steenstrupin.

Der Detektor hat ja schon im Nullspektrum für unterschiedliche Teichenenergien unterschiedliche Nachweisempfindlichkeiten.

Grüße Dirk
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Dirk_Falk hat geschrieben:Ein unüberlegter Schnellschuss.
Probenspektrum - Nullspektrum darstellen. Einmal für den Glühstrumpf und einmal für Steenstrupin.
Verstehe nicht was Du damit sagen willst. Ich habe nichts von etwas abgezogen!
Im obigen Diagramm ist die schwarze Funktion das Nullspektrum und die Rote das Glühstrumpfspektrum.
Das sind jeweils die unbearbeiteten Rohdaten wie sie der AD-Wandler geliefert hat.
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von Dirk_Falk »

Ich habe nichts von etwas abgezogen!
Genau das ist aber (vielleicht/wahrscheinlich) nötig um das Spektrum erkennbar werden zu lassen.

Deshalb der Vorschlag für jeden "Kanal" deines Diagramms den "Count" (Zählrate) der schwarzen Kurve vom "Count" der roten Kurve abzuziehen und so durch eine "Gleichtaktunterdrückung" eine (grüne?) Kurve zu generieren, welche nur den durch den Prüfstoff erzeugten "Signalanteil" enthält.

Für verschiedene Stoffe kann man dann diese grünen Kurven vergleichen.

Dirk
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Hi Dirk,
jetzt habe ich das auch begriffen! Hier das gewünschte Diagramm:
Bild
Sorry, habe die Messzeiten vergessen: Jeweils 20 Minuten.
Ich kann hier, auch mit bestem Willen, kein Spektrum erkennen.

Ein vernünftiges Roh-Spektrum sollte etwa so aussehen:
Bild
Man beachte die logarithmische Y-Skala!
Quelle: http://www.chetan.homepage.t-online.de/ ... am63_2.htm

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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von Dirk_Falk »

Wenn man die Anzahl der gemessenen Impulse pro Kanal beim Lutetium mit den gemessenen Impulsen pro Kanal der grünen Kurve vergleicht, würde ich sagen die Messdauer muss wesentlich länger werden. 140 zu ca. 10000 in der Spitze.

Vergleicht die "Glätte" der Peakformen des Lutetiums in Abhängigkeit von der Anzahl der Impulse pro Kanal für die Peaks über den Zahlen 925 757 505 169+. Und anschließend den Lutetium Peak bei 925
mit dem Americium 505 Peak.

Beim Lutetium und Americium scheint die Peakform ab ca. 200 gemessenen Pulsen pro Kanal "rauschfrei" zu werden. Ich vermute einmal das die Zahl ab der ein Peak "glatt" und deutlich sichtbar wird, stark von der Nullzählrate abhängt und eine Bleiabschirmung diese ordentlich drückt.

Zum testen würde ich mit dem stärksten verfügbaren Strahler mehrere Spektren (1, 2, 3, 4) und eine Nullmessung mit jeweils gleicher Messdauer hintereinander machen. Möglichst gut abgeschirmt. Dann die grüne Kurven für 1, 1+2, 1+2+3 und 1+2+3+4 ... darstellen.
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von thomas44 »

Ich würde auch sagen, geh mit der Meßdauer mal in den Stunden-Bereich, und versuche wenn möglich den ganzen Aufbau (Probe+Detektor) mit mehreren cm Blei abzuschirmen.

Dann paar Stunden ohne Probe das "Nullspektrum" messen, anschließend über die gleiche Zeit die Probe, und die Ergebnisse dann subtrahieren.

Viele Grüße
Thomas
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Mal wieder ein Laborbericht - oder besser: Die Chronik eines Scheiterns

Nachdem der Analyser nun endlich vernünftig funktioniert, habe ich mich um den Detektor gekümmert. Zuerst wollte ich mal die Auflösung der Sensorschaltung ermitteln:
Bild
Die Schaltung des Sensorverstärkers birgt kein großes Geheimniss, wurde einfach nur via R1/C1 und RF2/CF2 auf ein optimales Signal/Rauschverhältniss dimensioniert.

Für diese Optimierung musste ich mir aber erstmal den geeigneten Versuchsaufbau basteln:
Bild
Der Sensorverstärker versteckt sich unter dem Abschirmgehäuse, und die PIN-Diode wurde via Alufolie und dem darunterliegendem Abschirmblech vor Störeinstrahlungen geschützt. Nur ein ganz kleiner Lichteintritt wurde an der Diodenecke ausgeschnitten.
Das Lasermodul wird via Arb-Generator mit 10 µs-Rechteckpulse angesteuert und beleuchtet durchstimmbar (in Frequenz und Amplitude) die PIN-Diode.

Und hier zeigen sich dann sofort die wesentlichen Schwächen des "Diodenansatzes":
Bei einer Gesamtverstärkung von ca. 500.000 nimmt das Rauschen am Ausgang des Analysers natürlich ganz gewaltige Dimensionen an.
Die Zahlen:
Bei kurzgeschlossenem PIN-Eingang: ca. 150 mV Rauschspannung am AD-Wandler
Bei offenem PIN-Eingang: ca. 450 mV
Mit unbeleuchteter PIN-Diode: ca. 900 mV!!!
Selbst der Einsatz der (teuren) rauscharmen OPA627 kommt natürlich nicht annähernd an das Signal/Rauschverhältniss eines SEV ran.
Hier das Oszillogramm des Analyser-Ausgangs:
Bild
Denke, daß man das Rauschen sehr deutlich erkennen kann.

Mit obigem Versuchsaufbau habe ich also mal die Auflösung/Halbwertsbreite der Gesamtschaltung analysiert:
Bild
Man beachte, daß bei 80.000 Impulsen pro Peak die Höhe erst bei ca. 300 Counts liegt!
Lange Messzeiten sind also (wie Dirk_Falk und thomas44 schon forderten) zwingend nötig.

Ein wesentliches Problem war aber die mangelhafte opt. Kopplung zwischen Diode und Kristall:
Das Öl mit 1000p war wesentlich zu dünnflüssig und wurde von meinen Dichtungen aufgesogen.
Bessere Ergebnisse habe ich derzeit mit 50.000p (entspr. zähflüssigem Honig).

Nachdem nun die Kopplung auch rel. vernünftig ist, sehen die Spektren etwa so aus:
Bild

Um die nötige Messzeit abzuschätzen, habe ich mal mit dem aktuellem Versuchsaufbau eine Kurzzeitmessung gemacht:
Bild
(Die rechte Bleiabschirmung kommt natürlich über den Sensor!)
Bild

Ich würde die minimale Messzeit mal wie folgt ansetzen:
560.000 Gesamtcounts sorgen (nach Bild 4) für eine max. Peakhöhe von ca. 300 Counts. Das ist als Minimum anzusetzen. Aus dem letzen Diagramm ergibt sich eine Zählrate von (Cs137 - Null) = 1629 cpm. Die minimale Messzeit beträgt also für beide Messungen (Cs137/Null) jeweils 560.000/1629 = 344min = 5,7h. Zugegeben, der Ansatz ist mehr als fragwürdig, aber die Messungen laufen noch.

Gefühlsmäßig würde ich aber mal sagen, daß man mit diesem Ansatz eh kein vernünftiges Spektrum bekommt und betrachte das Projekt als gescheitert :?

Ansonsten hat der Hugo mal (sinngemäß) geschrieben:
"Dioden/CsI(Tl)-Sensoren sind mir nur als hochempfindliche Gammazähler bekannt".
Das kann ich bestätigen - und nun wissen wir auch warum :D

Zur Gegenprobe stehen aber auch noch Vergleichsmessungen mit SEV/NaI(Tl) aus!
Frage: Würde mir jemand eine funktionsfähige SEV/NaI(Tl)-Sonde ausleihen?

Glück auf
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von Dirk_Falk »

Hallole und Glück Auf!
Gefühlsmäßig würde ich aber mal sagen, daß man mit diesem Ansatz eh kein vernünftiges Spektrum bekommt und betrachte das Projekt als gescheitert :?
Würde gefühlsmäßig sagen - Teilprojekt erfolgreich abgeschlossen!
Man sieht mit bloßem Auge, dass in den Kurven Information vorhanden ist.

Ich denke du bist jetzt an einem Punkt, an dem es einfach etwas mehr
Signalverarbeitung braucht. Die einfache Subtraktion der Nullkurve ist da wohl nicht ausreichend.

Weiterhin frage ich mich ob man mit NaJ Kristallen gemessene Rohkurven einfach mit CsJ Kurven vergleichen kann... Wohl eher nicht. Die Kristalle haben z.B. eine unterschiedliche
Energieauflösung und eine unterschiedliche energieabhangige Nachweißwahrscheinlichkeit.

Sollten die Kurven verschiedener Kristalle verglichen werden, müsste die X Achse
durch Kalibration des Gesamtaufbaus anstatt der Kanalnummer Energieintervalle darstellen. Die Y Achse müsste auf eine einheitliche Nachweisempfindlichkeit kalibriert werden.

Die Rohkurven von einem Aufbau kann man nur untereinander vergleichen, nicht jedoch mit Rohkurven von anderen Messaufbauten.

Vielleicht ist die Auflösung des Detektors mit 12 bit für den Anfang zu hoch gewählt.
Wenn der Verstärker- und die Samplestufe nur 10-11 Bit Energieauflösung liefern, jedoch mit 12 Bit abgetastet wird, verteilt man die Information auf mehrer Kanäle, die Peaks werden flacher und breiter und damit undeutlicher.

Man kann ja die Counts von sagen wir jeweils zwei oder vier Kanälen addiert darstellen
und somit die Auflösung nachträglich anpassen.
... die PIN-Diode wurde via Alufolie und dem darunterliegendem Abschirmblech vor Störeinstrahlungen geschützt. Nur ein ganz kleiner Lichteintritt wurde an der Diodenecke ausgeschnitten. Das Lasermodul ... beleuchtet ... die PIN-Diode.
Da frage ich mich ob man über Laser und Diode eine Schachtel hätte stellen sollen um das Signal - Rauschverhältniss beurteilen zu können. Im Sensorgehäuse mit Kristall ist das Fremdlicht ja eliminiert.

Grüße Dirk
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Hallo Dirk,
hier mal ein Spektrum mit 10-Bit Auflösung und 6h Messzeit:
Bild
Der kleine Höcker bei Kanal 450 stellt (vermutlich) die Cs137-Linie dar.
Da frage ich mich ob man über Laser und Diode eine Schachtel hätte stellen sollen um das Signal - Rauschverhältniss beurteilen zu können. Im Sensorgehäuse mit Kristall ist das Fremdlicht ja eliminiert.
Da hast Du natürlich recht, mir ging es auch nur um eine erste, grobe Ursachenforschung.
Ohne Kunstlicht konnte ich keinen messbaren Unterschied zur völlig abgedunkelten Diode feststellen.

Für eine genaue Messung werde ich die Anordnung natürlich in ein lichtdichtes Gehäuse einbauen!
Zuerst muss ich aber noch die Stabilität der Generator-Laserkombination bestimmen. Der Generator hat ja auch nur eine Auflösung von 11 Bit und natürlich auch Ausgangsrauchen/Drift etc. und der Laser selbst ist natürlich auch kein fehlerfreies Bauteil...

Aber ganz allgemein:
Solange mir keine wesentliche Auflösungssteigerung gelingt, ist die Diodenversion zur Analyse von natürlichen Strahlern ungeeignet.

Werde versuchen, einen SEV/NaJ-Detektor aufzutreiben, um mal den Analyser mit dieser Kombination durchzumessen.
Weiterhin stehen ja noch die Versuche zur Alpha-Spektroskopie an :D

mit herzlichem Glück auf
Krumi
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von Dirk_Falk »

Ohne Kunstlicht konnte ich keinen messbaren Unterschied zur völlig abgedunkelten Diode feststellen.
Hab ich da was falsch verstanden? Worauf beziehen sich die 900mV Rauschspannung?
Ich ging davon aus dass die sich auf die mit Alufolie abgeschirmte Diode mit dem kleinen Loch am Rand, auf welches der nicht leuchtende Laser zielt, bezieht. Die Diode wird also mit Raumlicht bestrahlt. Die Spannung gemessen an Pin 3 Con 1 (Sonde) des Sensorverstärkers? Dann wären rein gefühlsmäßig die 900mV OK - in Bezug auf die 150mV bei Kurzschluss am Eingang und einer Verstärkung von 500.000.
Mal ganz unzulässig vereinfacht (900mV-150mV)/500.000 = 1,5µV Messspannung über der Diode. Vd = Id * R => Id = 750mV/10M = 75nA. Dark current 10-30nA bei Vr 70V
Solange mir keine wesentliche Auflösungssteigerung gelingt, ist die Diodenversion zur Analyse von natürlichen Strahlern ungeeignet.
So schlecht kann das mit der Photodiode, dem CsI und deiner Schaltung gar nicht sein. Die richtige Schraube an der zu drehen ist, wird sich hoffentlich finden.

Denn wenn wir mal schauen was die "Konkurrenz" so macht scheint ein Spektrometer ja prinzipiell möglich zu sein. z.B. hier:

Compact CsI(Ti) Photodiode Detector
Saint-Gobain Ceramics & Plastics Inc. 2004
http://www.detectors.saint-gobain.com/u ... odiode.pdf

Das letzte Diagramm zeigt, dass sich die Peakauflösung mit PIN und Photomultiplier nicht groß unterscheiden müssen. PHRs von 7 - 9,2% für CsI(Ti).
Man beachte auch die 2000 Counts Peakhöhe im letzten Diagramm.
Die Reversespannung an der Diode scheint hier nur 12V zu betragen. Deinem Schaltplan nach sind bei dir 30V Reversespannung?

In

Compact LaBr3: Ce Gamma Ray Detector with. Si-APD Readout.
Jeremy Flamanc, Csaba Rozsa
http://www.detectors.saint-gobain.com/u ... eadout.pdf

Findet sich auf der ersten Seite zu CsJ(Ti) mit PIN Diode:

"So far, silicon PIN photodiodes are used with CsI(Ti) scintillation detectors. The quantum efficiency is well matched to the emission wavelength of this crystal, but the absence of internal gain is a serious drawback. The electronic noise impairs low energy measurements. A typical low energy threshold of 50keV and a pulse height resolution (PHR) of 5.5% at 662keV are achievable at room temperature."

Für NaI(Ti) findet sich die folgende Info.

„A typical energy resolution for 662 keV g -rays absorbed in small NaI(Tl) detectors is 7.5 % FWHM. At low energies, e.g. at 5.9 keV, a typical value is 45 % FWHM. At these low energies, surface treatment of the scintillation crystal strongly influences the resolution. It may be clear that especially at low energies, scintillation detectors are low resolution devices unlike Si(Li) or HPGe detectors.“

auf der Seite http://www.scionix.nl/scintillator.htm.

Die Energieauflösung eines CsI Kristalls sollte somit nur unwesentlich schlechter als die eines NaI(Ti) sein. Zumindest für Teilchenenergien ab 662keV aufwärts.

Darunter wird die Auflösung mit abnehmender Teilchenenergie schlechter, da das Signal-Rauschverhältnis aufgrund des Verstärkerrauschens kleiner wird (ob das so stimmt?). Da spielt der Photomultiplier seine Stärke aus, wie man im letzten Diagramm in „Compact CsI(Ti) Photodiode Detector“ sehen kann.
Bei 68keV (50keV) ist dann mit der PIN wohl Schluss, sprich es gehen die Impulse im Rauschen unter.

Möglicherweise wird das Spektrum bei den schwachen Strahlern einfach noch von zu viel Hintergrund überlagert. Vielleicht mal eine Vergleichsmessung mit besserer Schirmung machen. Den Messaufbau könnte man mit der Bleikammer in einen sonst leeren Tresor stellen oder mit einem stärkeren Strahler darauf halten. Dann die Kurvenformen vergleichen?
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Hallo Dirk,
bezüglich der Rauschspannung habe ich mich wirklich missverständlich ausgedrückt. Sorry.
Die bezog sich auf den Eingang des Peakdetektors! Pin3 von IC3 in diesem Schema:
Bild

Zwischenzeitlich habe ich (wunschgemäß) die 10*10mm-PIN hermetisch verpackt und mit dem Laser gekoppelt:
Bild
Eventuelle Störungen durch Fremdlicht sind also eliminiert.

Weiterhin habe ich die Filter optimiert. Das Ergebniss scheint jetzt aber auch so langsam das Ende der Fahnenstange zu sein. Hier das Oszillogramm:
Bild
Der Impuls ist das Eingangssignal des Peakdetektors, das Rechteck das Eingangssignal des AD-Wandlers. Das Rauschen beträgt ca. 300 mV am Eingang des AD-Wandlers.

Und hier das Spektrum dazu:
Bild
Jeweils 80000 Pulse wurden alle 500 mV (grob am Oszi eingestellt) generiert.
Das Ergebniss scheint ja erstmal recht vernünftig zu sein, ist aber m.E. auch nicht mehr wesentlich zu verbessern!

Im letzten Bild ein ähnliches Signal des Detektors (28*28mm-PIN an Kristall gekoppelt):
Bild
Das Rauschen der "großen" Diode ist erwartungsgemäß ca. doppelt so hoch, also ca. 600 mV am AD-Eingang, dafür ist aber auch die Lichtempfindlichkeit wesentlich höher.

Mal schaun was da jetzt für Spektren rauskommen...
Der letzte Versuch wäre dann die Kopplung der 10*10mm-Diode mit dem Kristall.
Wenn das dann auch nicht zufriedenstellend funktioniert, ist das Projekt halt "in die Hose" gegangen.

Anm. 1:
Die PIN-Dioden von Hamamatsu (o.ä.) wurden in den letzten 20 Jahren natürlich wesentlich verbessert! Aber ob ich mir für etliche hundert Euro nochmals eine "Neue" zulege, weiß ich noch nicht.
Anm. 2:
Ja, der Ansatz sollte eigentlich funktionieren. Bisher ist mir's aber noch nicht gelungen.
Evt. habe ich ja ein generelles Verständnissproblem :shock:
Für eine scharfe, konstruktive Kritik bin ich also immer offen.
Anm. 3:
Die Vorspannung (und Polarität) der Diode hat (bei mir) keinen signifikanten Einfluss auf das Messergebnis. Habe ich von +-6V bis +-50V getestet.
Der Betrieb im Photovoltaic-Mode funktioniert aber überhaupt nicht! Das Rauschen wird extrem hoch, und die Zählrate geht auch bei rel. starken Strahlern gegen Null.

Hoffentlich habe ich mich heute etwas verständlicher ausgedrückt???

mit herzlichem Gruß
Krumi

Nachtrag:
Die aktuellen Schaltungen und Messergebnisse werde ich auch noch veröffentlichen.
Ist aber eine beschissene, langwierige Arbeit...
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Es funktioniert nicht!!!
Hier mal ein aktuelles Spektrum:
Bild
Die Auflösung ist völlig inakzeptabel bzw. das Rauschen ist wesentlich zu hoch.
Keine Ahnung was hier schief geht - mir fällt jetzt wirklich nichts mehr vernünftiges dazu ein.
Vermutlich bin ich einfach nur zu blöd :prost:

Glück auf
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von Dirk_Falk »

Aber ganz allgemein:
Solange mir keine wesentliche Auflösungssteigerung gelingt, ist die Diodenversion zur Analyse von natürlichen Strahlern ungeeignet.
Vielleicht habe ich das etwas zu „allgemein“ aufgefasst. Ich habe dies wohl fälschlicher Weise so aufgenommen, dass es generell nicht möglich ist, deshalb die obige Zusammenstellung. Die ist auch nicht als Kritik gedacht, sondern als Orientierungspunkt.
Hoffentlich habe ich mich heute etwas verständlicher ausgedrückt???
Das Problem liegt wohl eher auf meiner Seite. Ich sehe deine Schaltung und deine Messergebnisse und versuche diese aus mehreren Blickwinkeln zu beobachten, um so eine Idee oder einen Ansatz zu erhalten, der weiterhilft.

Dein Gedankengang aus Sicht der Schaltungsentwicklung, so wie ich Ihn verstehe, ist:

Das Signal am AD-Wandler ist mit Rauschen behaftet (Oszillogramm) und dies führt zu einer Halbwertsbreite (Diagramm mit den 80000 Laserpulsen pro Peak) von ca. 40 Kanälen bei 10 Bit Auflösung. Dies ist zu wenig, wenn man sich die letzten Spektren anschaut. Damit die Spektren besser werden, muss die Auflösung besser werden. Die Auflösung wird besser, wenn das Rauschen am AD-Wandler minimiert wird. Eine Verbesserung der Auflösung ist momentan nicht in Sicht, da kein weiterer Ansatzpunkt vorhanden ist. => Ende der Fahnenstange.

Meine Gedanken zu diesem Gedankengang:

Mir ist klar, dass ich es momentan auch nicht Ansatzweise besser machen kann, was Schaltung und Aufbau angeht. Meiner Meinung nach jedoch vergleichst du „Bilder“ deiner Spektren, mit „Bildern“ von „Vorbild“-Spektren z.B. das vom Lutetium und Americum oben und damit Äpfel und Birnen und kommst deshalb zu dem Schluss deine Spektren seinen nicht in Ordnung.

Mit „Bild“ meine ich die visuelle Form, denn für einen inhaltlichen Vergleich, fehlen bei den Vorbildern meist die nötigen Informationen zu den Messbedingungen wie z.B. Messzeit, Strahlerstärke, Hintergrundstrahlung oder Datenverarbeitung.

Anderer Blickwinkel Start:

Stellen wir das Problem Auflösungvermögen etwas zurück und betrachten was in den Spektren im letzten Diagramm bereits zu sehen ist und was an weiteren Verbesserungen im Sinne einer „Signalverarbeitung“ möglich wäre.

Ich hab mal ein paar Dinge in das letzte Diagramm hinein gemalt.

[img]Bild%20siehe%20unten[/img]

Man sieht sofort, dass sich die Messungen eindeutig in ihrer Form unterscheiden. Zudem sieht man, dass die „Grundform“ der Nullmessung in den Messungen 40K und 137Cs+40K als „Basislinie“ vorhanden ist. Gut sichtbar, da das Verhältnis Hintergrund / Probe der Zählraten z.B. beim angenommenen K40 Peak ca. 1:1 ist. Beim Glühstrumpf ist das Zählratenverhältnis der Probe wesentlich höher, sodass die Hintergrundstrahlung kaum noch die Form beeinflusst.

Das Verhältnis A:B:C der Signalanteile der Cs137/K40 Messung ist unabhängig von der Messzeit. Der Hintergrundanteil, wenn man ihn nicht herausrechnet, lässt sich nur durch eine stärkere Abschirmung verringern. B und C ließen sich vielleicht durch jeweils mehr Probenmaterial erhöhen.

Da die Messzeit bei allen Messungen gleich ist, kann man die gemessenen Impulse / Kanal der einzelnen Messungen einfach voneinander subtrahieren.

Wären die Messzeiten unterschiedlich würde man dies über eine Rückführung auf Zählraten herausrechnen. Dies würde ich für den Hintergrund (Fläche 1) unter der Voraussetzung, dass die Hintergrundstrahlung relativ konstant bleibt, generell machen.

Einmal eine sehr lange Nullmessung machen. Dann die Messkurve durch einen Fit und unter Einbeziehung der Messzeit in eine Zählratenfunktion in Impulsen/s/Kanal überführen. Mit dieser Funktion und der Messzeit der jeweiligen Messung anschließend jeweils die Hintergrundstrahlung herausrechnen. Damit wird man auch das „Rauschen“ in den Spektren bei kleinen Zählraten, welches durch die Zufälligkeit des Zerfalls und des Nachweises entstehen etwas abmildern können.
z.B Kanäle 300-500 der schwarzen blauen roten Kurve.
Das elektrische Rauschen am AD-Wandler sollte die Kurven der Spektren in Bereichen mit etwas höherer Aktivität eher glätten.?
Ab und zu kann man durch eine kürzere Kontrollmessung, die Kurve an die aktuelle Intensität der Hintergrundstrahlung anpassen.

Es scheint bei der K40 Messung und bei der Cs137/K40 Messung, die gleiche K40 Aktivität vorzuliegen, sodass sich in der Cs137/K40 Messung der Cs137 Anteil auscheidbar ist.

D.h. zieht man von der blauen Linie die Schwarze ab, erhält man Fläche 2 die vom K40 herrührenden Impulse. Da man in der Cs137/K40 Messung den K40 Anteil über die K40 Messung bestimmen kann, kann man den Cs137 Peak Fläche 3 extrahieren.

Auch scheint man das K40 in der Nulllinie zu sehen, was vielleicht daher rührt, dass es in der Regel den Hauptanteil des geogenen Hintergrundpegels ausmacht. Wie sieht denn die Geologie im Ilmtal aus?

Im Prinzip ist die Messkurve eine Summe von Generatorfunktionen (Nukleiden) jeweils gefaltet mit der Sensorcharakteristik.
Die Generatorfunktionen sind tabelliert. Die Sensorfunktion wird über Testmessungen zu bestimmen sein. Einen Teil die Peakverbreiterung durch Diode und Elektronik hast du ja bereits charakterisiert.
Dann sucht man sich den ersten Peak, bestimmt über dessen Höhe die Aktivität und eliminiert den Anteil durch Rückfaltung aus der Messung. Dabei sollten die weiteren Peaks deutlicher sichtbar werden.
Beim Peak mit der höchsten Energie wird begonnen, da er auch immer niederenergetischen Anteil enthält. Anschließend lassen sich die Generatorfunktionen ohne Sensoreinfluß wieder addieren.

Als Einstiegspunkt für weitere Recherchen (gibt einige Suchbegriffe) Seite 1334 Abbildung 10 in.
http://czt-lab.engin.umich.edu/journals ... g/pub5.pdf
Im Paper ist eine Steigerung der Energieauflösung von 12% auf 3% möglich.
Das ganze ist sicher schon recht aufwändig.

Eine weitere Verbesserung, welche man den Spektren wohl recht einfach angedeihen lassen kann, ist die Korrektur der Nachweisempfindlichkeit des Kristalls.

Die findet man auf Seite 9 Graph 9 in

Efficiency Calculations for Selected Scintillators
Saint-Gobain Ceramics & Plastics Inc. 2004
http://www.detectors.saint-gobain.com/u ... ations.pdf

findet sich ein passendes Diagramm dazu. Ich habe versucht die Kurve qualitativ in deine Messungen mit einzuzeichnen. Der Kurvenverlauf zwischen 90%und 100% ist wohl etwas daneben.
Der Graph 9 hat eine logarithmische X-Achse!

Wendet man das an sollte der Peak bei 662keV etwas deutlicher herauskommen.
Für Übersichtsmessungen noch die Verstärkung etwas erhöht, auf das der Kanal 600 auf Kanal 1024 abgebildet wird. Für Detailmessungen in niedrigen Bereichen die Verstärkung noch weiter aufdrehen.

Vielleicht wird jetzt klarer, weshalb ich die Sache noch nicht ganz so schwarz sehe.

Ende Anderer Blickwinkel. Hoffentlich hilfts. :gruebel: :)
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Dirk_Falk hat geschrieben: Dein Gedankengang aus Sicht der Schaltungsentwicklung, so wie ich Ihn verstehe, ist:
Das Signal am AD-Wandler ist mit Rauschen behaftet (Oszillogramm) und dies führt zu einer Halbwertsbreite (Diagramm mit den 80000 Laserpulsen pro Peak) von ca. 40 Kanälen bei 10 Bit Auflösung. Dies ist zu wenig, wenn man sich die letzten Spektren anschaut. Damit die Spektren besser werden, muss die Auflösung besser werden. Die Auflösung wird besser, wenn das Rauschen am AD-Wandler minimiert wird. Eine Verbesserung der Auflösung ist momentan nicht in Sicht, da kein weiterer Ansatzpunkt vorhanden ist. => Ende der Fahnenstange.
Mit „Bild“ meine ich die visuelle Form, denn für einen inhaltlichen Vergleich, fehlen bei den Vorbildern meist die nötigen Informationen zu den Messbedingungen wie z.B. Messzeit, Strahlerstärke, Hintergrundstrahlung oder Datenverarbeitung.
Hallo Dirk,
deine obige Zusammenfassung trifft's auf den Punkt. Ich hätte es nicht schöner formulieren können!
Dank dafür :meister:
Lass mir bitte noch ein paar Tage Zeit, um auf deinen Ansatz (vernünftig) zu antworten.

Aber ganz grob würde ich mal sagen:
Der Energiebereich < 400 KeV verschwindet einfach im Rauschen der Diode. Soll heißen:
Mein Diodenrauschen (der 28*28 mm-PIN) liegt nicht bei ca. 76 KeV, sondern eher bei 300-400 KeV
Bild
Werde demnächst mal die 10*10mm-Diode testen

Ich bedanke mich für Deine Kritik und die Anregungen!
Das muss ich mir jetzt alles erstmal durch den Kopf gehen lassen...

mit herzlichem Gruß
Krumi
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Re: Gammaspektrometer im Selbstbau

Beitrag von micha2 »

Da ich zwischenzeitlich schon mehrfach gefragt wurde, ob und wie das Projekt denn weitergehe, hier mal ein kurzer Ausblick und eine Zwischenbilanz:

Sobald ich mir einen Adapter für die 10mm*10mm-PIN gebastelt habe, stehen die Vergleichsmessungen zur 28*28mm-Pin an. Davon erhoffe ich mir, daß man den jeweiligen Einfluss der Diodenparameter (Fläche, Empfindlichkeit, Rauschen, Sperrschichtkapazität, Dunkelstrom) soweit bewerten kann, daß die Auswahl einer "idealen" PIN-Diode möglich wird.
Wie schon geschrieben, stammen meine Dioden noch aus den 1980ern, entsprechen wohl nicht mehr ganz dem Stand der Technik und wurden auch unter anderen Gesichtspunkten ausgewählt!

Laut Literatur liegt das Rauschen eines PIN/CsJ-Detektors (mit 10*10mm Dioden) bei ca. 75 KeV - im Vergleich zu <10 KeV der SEV/NaJ-Kombination. Mein Rauschen liegt mit der 28*28mm-PIN derzeit bei >300 KeV!!! Das Dunkelrauschen ist bei meiner 10*10mm-Diode um ca. die Hälfte kleiner als das der großen PIN. Bin mal gespannt, wie die Spektren dann aussehen...

Aber selbst mit einer optimalen Diode kommt man wohl nicht an den SEV bezüglich Rauschen/Auflösung ran.

Zwischenzeitlich habe ich auch erhebliche Zweifel, ob man mit den Szintillatoren generell die Ausgangsfragen - Zusammensetzung, Alter und Genese natürlicher radiokativer Erze - sinnvoll untersuchen kann. Denke, daß man hier um einen Halbleiterdetektor nicht rum kommt.

Wie auch immer:
Ich strebe eine Optimierung des Diodenszintillators an und möchte den dann abschließend mit einer adäquaten SEV-Kombination vergleichen.

Weiterhin stehen natürlich auch noch die Versuche zur Alphaspektroskopie an.
Das scheint mir auch noch ein sehr interessanter Teilaspekt der Strahlenmesstechnik zu sein.

Wie man sieht, wird's mir in den nächsten Jahren wohl nicht langweilig :D

Zwischenbilanz
Das wesentliche Ziel des Projektes wurde sowieso schon erreicht:
Ich habe mir zwischenzeitlich ein recht solides Basiswissen im Bereich der Strahlenmesstechnik erarbeitet, auf dem man aufbauen kann.

Des weiteren habe ich einen brauchbaren 12-Bit Multichannelanalyzer entwickelt, der die Basis für weitere Experimente (auch Alphaspektroskopie und Gammaspektroskopie mit Halbleiterdetektoren) bildet.

Und wenn's mit dem Diodenspektrometer gar nicht vernünftig funktioniert, ist das Ding immer noch ein hochempfindlicher Gammazähler mit grober Darstellung des gemessenen Energiebereichs.
Der Szintillator hat eine ca. 100-fach höhere Gamma-Empfindlichkeit als mein Fensterzählrohr, das mich anno 1985 auch schon über 400 DM gekostet hat!

Hier mal die finale Messung mit der 28*28mm-PIN:
Bild
Mit einer Gammaspektroskopie hat das zugegebenermaßen noch nicht viel zu tun, aber man kann durchaus den Energiebereich des Strahlers bewerten.
Und wie Dirk in seinem letzten Beitrag sehr anschaulich beschrieben hat, kann man mit einer ausgefeilteren Datenanalyse das Ergebniss noch verbessern.
(@Dirk: Nochmals herzlichen Dank für deine Anregungen!)

Aber letztendlich gilt immer noch die Maxime (Niklas wird mir hier wohl uneingeschränkt beipflichten):
Ein Hobby dient ausschließlich dazu, mit dem größtmöglichstem Aufwand den gerinstmöglichsten Nutzen zu erzielen

Und damit ich's nicht vergesse:
Wer einen preiswerten SEV/NaJ(Tl)-Szintillator oder gar einen Halbleiterdetektor abzugeben hat, wende sich bitte vertrauensvoll an mich.
Auch habe ich noch Interesse an (bezahlbaren) Teststrahler aller Art! Evt. hat ja noch jemand einen abgebrannten Brennstab im Keller - oder ein paar illegale Einlagerungen aus der Asse... :kugel:

mit lachendem Glück auf
Krumi
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