Spektrometr gamma uSpect

 Spektrometr jest swego rodzaju ukoronowaniem kariery dozymetrysty-amatora i znakiem przejścia na wyższy poziom wtajemniczenia. O ile dozymetry podają jedynie wartość mocy dawki od danego źródła, o tyle spektrometr podaje również energię mierzonego promieniowania. Jak wiadomo, energia kwantów promieniowania gamma jest charakterystyczna dla danego izotopu (Cs-137 - 662 keV, Co-60  - 1,17 i 1,3 MeV), umożliwia więc jego identyfikację.

Problem w tym, że praktycznie nie ma na rynku spektrometrów do amatorskiego użytku. W sprzedaży są profesjonalne przenośne spektrometry, takie jak Identifinder czy Field Spec, jednak służą one do identyfikacji silnych źródeł i nie zawsze się sprawdzą z uwagi na za małą czułość. Urządzenia te służą głównie ekipom ratowniczym i mają zmierzyć moc dawki od porzuconego pojemnika izotopowego oraz szybko ustalić, czy w środku znajduje się cez, kobalt, iryd, a może rad. Ich podaż na rynku jest niewielka, a ceny wysokie - najtańszy egzemplarz Identifindera znalazłem za 2800 zł, zaś ceny na Ebay zawierają się między 1200 a 5600 $. FieldSpec z kolei kosztuje między 5000 a 9000$, stanowczo za dużo, jak na użyteczność w domowych laboratoriach. 

Koszt najtańszej amatorskiej konstrukcji, współpracującej z komputerem przez USB, to 600 $ na Ebay. Nieco bardziej zaawansowane, również amatorskie wyroby, kosztują już ok. 1000 $ [LINK]. 

Można oczywiście zbudować spektrometr samemu, jednak nastręcza to liczne problemy technologiczne i wymaga wiedzy z zakresu elektroniki. 

Na szczęście ostatnio pojawił się kompaktowy przyrząd współpracujący z komputerem, zwany µSpect, którego cena jest niższa niż w/w konstrukcji (w przeliczeniu 525 $), przy jednocześnie znacznie wyższej funkcjonalności. Urządzenie to wypełnia istniejącą lukę na rynku i udostępnia spektrometrię promieniowania gamma szerokiej grupie pasjonatów nauki.

Najpierw, tytułem wstępu, chciałbym oddać głos Autorowi spektrometru:

***

Urządzenie oparte jest o scyntylator nieorganiczny NaI(Tl). Fotopowielacz, elektronika formująca i ADC zostały umieszczone wewnątrz aluminiowej obudowy. 

Z tyłu urządzenia znajduje się port USB do podłączenia z komputerem PC, dioda LED informująca o prawidłowej pracy ADC i licznik czasu martwego składający się z 10 segmentowej linijki LED wyskalowany w %. 

W urządzeniu został zastosowany nowy typ detektora światła scyntylacyjnego SiPM. W odróżnieniu od standardowych fotopowielaczy elektronowych, SiPM wymaga stosunkowo niskiego napięcia zasilającego (~27 V) Jest niewrażliwy na pola magnetyczne, a także występuje w postaci niewielkich płytek, co możliwa utworzenie w zasadzie dowolnego kształtu (Rys. 1).

Elektronika procesująca to wzmacniacz zmienno-ładunkowy, układ formujący wzmacniająco całkująco-różniczkujący z P/Z. Równolegle do toru energetycznego działa również tor szybkiego dyskryminatora stałofrakcyjnego współpracującego z licznikiem. Daje on wynik czasu martwego licznika. Licznik czasu martwego informuje o obciążeniu detektora, a co za tym idzie nakładaniu się impulsów spektrometrycznych Zbyt duże obciążenie skutkuje błędną akwizycją widma i zmniejszeniem żywotności scyntylatora.

Urządzenie współpracuje z większością oprogramowania freeware do akwizycji impulsów z użyciem kart dźwiękowych np. ThereminoMCA, PRA, BecqMoni. Widmo izotopu sodu-22 zostało przedstawione na Rys. 2.

Podstawowe dane techniczne: 

• Scyntylator:  NaI(Tl)
• Element detekcyjny:  SiPM
• Napięcie zasilające 5 V
• Prąd: 70 mA
• Interfejs: USB 2.0
• Zakres energetyczny: 20-1800 keV
• FWHM Cs-137 661,7 keV 8,6 %
• Czas martwy: 70 µs
• Wymiary scyntylatora: Φ10x20 mm
• Wymiary urządzenia: 80x54x23 mm
• Masa urządzenia: 114 g

Powiedzmy jeszcze parę słów o samej istocie pomiarów spektrometrycznych, gdyż zagadnienie jest złożone i ma pewne niuanse.

W procesie konwersji sygnału radiometrycznego w detektorze scyntylacyjnym (przebiegającym w układzie scyntylatora i fotopowielacza) scyntylator, w odpowiedzi na depozyt energii  rejestrowanej cząstki promieniowania jonizującego, generuje impuls świetlny nazywany scyntylacją. 

Następnie fotopowielacz dokonuje przemiany strumienia fotonów scyntylacji w proporcjonalny prądowy sygnał elektryczny. Widmo promieniowania (odpowiedź detektora na wymuszenie radiacyjne), uzyskiwane za pomocą spektrometrów licznikowych, zależy nie tylko od rzeczywistego widma rejestrowanych cząstek, ale i od charakteru procesów prowadzących do ich absorpcji w objętości detektora oraz od jego energetycznej zdolności rozdzielczej i wydajności. 

Struktura widma aparaturowego kwantów gamma w ogólności odzwierciedla cechy aż trzech procesów charakteryzujących oddziaływanie kwantów gamma z materią: fotoefektu wewnętrznego, rozpraszania Comptona i gdy hν≥1.022 MeV, tworzenia par e- e+. Procesy te przejmują określoną część energii rejestrowanych kwantów gamma, którą przekazują następnie detektorowi w procesach jonizacyjnych. Widmo amplitud impulsów elektrycznych wytworzonych przez kwanty gamma w detektorze jest więc w rzeczywistości widmem tych elektronów wtórnych. Przykładowe widmo monoenergetycznego promieniowania gamma o energii 661.7 keV, zmierzone przy użyciu scyntylatora NaJ(Tl), jest pokazane na rys. 1. (kolory pików odpowiadają opisom poniżej - przyp. red.)

Jeżeli absorpcja fotoelektryczna kwantów gamma zachodzi w głębszych warstwach scyntylatora, to generowane przy tym elektrony Augera, jak i kwanty rentgenowskie są w nim absorbowane a ich energia sumuje się z energią fotoelektronów – w detektorze deponowana jest całkowita energia fotonu. W tym przypadku wierzchołki w widmie reprezentują całkowitą energię rejestrowanych kwantów gamma. Nazywa się je powszechnie wierzchołkami całkowitej energii lub krócej fotowierzchołkami. 

W procesie absorpcji fotoelektrycznej niskoenergetycznych kwantów gamma, zachodzącej w przypowierzchniowej warstwie detektora, niektóre kwanty rentgenowskie KX mogą wylecieć z detektora, unosząc energię przejść K𝜶 lub K𝜷. Jeżeli wartość tej energii jest większa od szerokości energetycznej danego wierzchołka całkowitej energii (zależnej od energetycznej zdolności rozdzielczej detektora), to z jego lewej strony w widmie pojawią się mniejsze wierzchołki – nazywany wierzchołkami wylotu kwantów rentgenowskich (KX)

Elektrony comptonowskie, w pojedynczym akcie rozproszenia monoenergetycznych kwantów gamma h𝝂 uzyskują energię kinetyczną, która jest ciągłą funkcją kąta rozproszenia kwantu gamma o elektron. Widmo elektronów comptonowskich jest ciągłe. Kończy je ostra krawędź, tzw. skraj Comptona, odpowiadająca elektronom comptonowskim o energii maksymalnej, uzyskanej w procesie rozproszenia wstecznego kwantów gamma.

***

Spektrometr nabyłem bezpośrednio od Autora i od razu przystąpiłem do testów. Urządzenie jest bardzo proste w obsłudze, wystarczy podłączyć je do komputera i poczekać na zainstalowanie sterowników przez system. Potem ściągamy program Theremino MCA (https://www.theremino.com/) i uruchamiamy. W ustawieniach dźwięku (mikser głośności) pojawi się nowe urządzenie - wejście liniowe na USB - wybieramy je i ustawiamy jego głośność na 1. Następnie w programie ustawiamy parametry jak poniżej, a z listy źródeł dźwięku wybieramy wejście liniowe USB. 

• Bins:  x2
• Samp.  192000
• Pulses:          Pos.
• Audio gain  2.0
• Zero trim  0
• Position (uS)  100
• Size (uS)  200
• Max slope (%)  20
• Max noise (%)  20

Pomiar jest stale uruchomiony od momentu startu aplikacji, ale jeśli chcemy go uruchomić od początku, klikamy "start new measure".

W dolnym lewym rogu jest pomarańczowy prostokąt z oznaczeniem siły sygnału. Przy tle naturalnym wyświetla się komunikat "too low signal", ale przy większości typowych źródeł spektrometr będzie mieć odpowiedni poziom sygnału. Czasem nawet sygnał będzie nieco za silny, np. przy wskazówkach od zegarków, wówczas zobaczymy komunikat "too much signal", trzeba wtedy nieco odsunąć źródło od detektora.

Czas zbierania widma zależy od aktywności źródła, najlepiej poczekać, aż piki przestaną zwiększać swoją wysokość. Z biblioteki programu możemy wybrać wartości energii poszczególnych izotopów, aby ułatwić sobie odnalezienie  danego nuklidu na wykresie. Możemy też odczytać energię danego piku lub skorzystać z automatycznego rozpoznawania.

Widma możemy eksportować w postaci plików graficznych lub tekstowych, w tym drugim przypadku można je zaimportować do programu w celu porównania (maksymalnie 3 importowane widma plus bieżący pomiar).

Poniżej spektrogramy uranu naturalnego z glazury uranowej (zielony), toru-232 z siateczki żarowej (niebieski) i radu-226 ze wskazówek zegarka "Majak".

W tym programie za pomocą osobnej funkcji możemy odjąć tło naturalne - najpierw mierzymy je przez kilka minut, potem eksportujemy, a następnie importujemy funkcją BKG. Możemy je wtedy wyświetlić, klikając BKG albo odjąć za pomocą funkcji "use BKG". Poniżej emisja od kafla z polewą uranową (zielona) z porównaniu z tłem:

Pamiętajmy też, że widma tego samego izotopu mogą się różnić wysokością piku, co zależy od materiału źródła, geometrii układu pomiarowego i obecności dodatkowych przeszkód na linii żródło-detektor. Przykładowo, soczewki i elektrody z Th-232 dadzą niższe piki niskoenergetycznego promieniowania niż siateczki żarowe. Dlaczego? Ponieważ metal i szkło silniej osłabia emisję o niskiej energii niż tkanina. 

Poniżej widmo toru-232 z różnych popularnych źródeł. Brązowy wykres to soczewka, zielony - siateczka żarowa,  niebieska - elektroda WT-20, złota - medalion Quantum Pendant.

Drobne różnice będą widoczne nawet przy źródłach z tego samego materiału i o tym samym kształcie. Tutaj widzimy widmo z 3 medalionów Quantum Pendant - dwa szare, nieco różniące się mocą dawki (1 i 1,6 µSv/h), i jeden z zielonego szkła, tzw. Crystal Bio Disc (0,5 µSv/h). 

Tor-232 jest dobrym izotopem do kalibracji spektrometru, szczególnie że trudno mieć dostęp do cezu-137 nie pracując w przemyśle jądrowym. Tor zawarty jest choćby w siateczkach żarowych do lamp gazowych, o czym wielokrotnie wspominałem. Kalibrację najlepiej przeprowadzić za pomocą trzech punktów - Lechosław radzi wziąć wierzchołek Pb-212 na 238 keV, Ac-228 na 338 keV i Ac-228 na 911 keV. Ten ostatni jest już trochę nieostry, zwłaszcza że nakłada się na niego sąsiedni wierzchołek Ac-228 na 968 keV (dlatego trzeba trochę celować w lewo), ale ma zaletę, że jest daleko od tych pierwszych dwóch. Po kalibracji warto sprawdzić, gdzie wychodzi wierzchołek K-40. Dziękuję za poradę!

Do pomiarów słabszych źródeł przydatny jest domek osłonny, zmniejszający wpływ tła naturalnego. W stacjonarnych laboratoryjnych spektrometrach zwykle ma on postać walca, obejmującego próbkę i detektor, jednak uSpect jest na tyle mały, że może być w całości umieszczony w takim domku. Domek wykonamy z ołowiu wyłożonego od wewnątrz 1 mm blachą miedzianą, chroniącą przed promieniowaniem rozproszonym. Grubość ołowiu zależy od naszych możliwości, generalnie powinna być jak największa. Ołów jest jednak dość drogi (15 zł/kg) i ma dużą gęstość (11,3 g/cm3), co zmusza do kompromisu między grubością osłony a jej kosztem. Zalecana grubość to 2 cm, ale jeśli nie mamy tyle ołowiu, to nawet 0,5 cm powinno wystarczyć.

Jeżeli zaś mierzymy silne źródła, pamiętajmy, by nie przeciążać detektora, co skraca jego żywotność i zaburza pomiar. Kontrolę ułatwia nam wskaźnik czasu martwego na tylnej ściance spektrometru. Ma on 10 segmentów i przy większości źródeł (siateczki, elektrody, zegarki, medaliony) świeci się tylko jeden, oznaczający 10 %.

Segmenty powyżej 60 % mają barwę czerwoną i informują o znacznym przeciążeniu detektora. Na szczęście nawet zegary lotnicze dające ok. 5 mR/h emisji gamma nie osiągną tego poziomu, zatrzymując się na 30 %. 

Silniejszych źródeł lepiej byśmy nie mieli okazji mierzyć - dla bezpieczeństwa własnego i innych. Zresztą przy "domowej" spektrometrii jest bardziej potrzebna duża czułość na początku zakresu niż na końcu, gdyż większość źródeł generuje małą moc dawki. Łatwiej zresztą promieniowanie osłabić niż "wzmocnić".

***

Podsumowując, jest to bardzo udana konstrukcja, prosta w obsłudze i o kompaktowych wymiarach. Spektrometr jest wielkości paczki papierosów, nieco mniejszy niż typowe kieszonkowe dozymetry. Współpracuje z darmowym oprogramowaniem i ma czułość odpowiednią dla znacznej części źródeł, z którymi możemy się zetknąć w codziennej praktyce. Jeśli jesteście zainteresowani nabyciem tego spektrometru, piszcie przez formularz  kontaktowy bloga. Sprzęt jest warty swej ceny, zaś Autor zapewnia niezbędne wsparcie merytoryczne.