Spettrometria Gamma


Il Theremino_MCA pur essendo completamente Freeware e OpenSource è un vero Multi-Channel-Analyzer da laboratorio.

Ulteriori informazioni:
– Schemi elettrici e piani di montaggio: www.theremino.com/technical/schematics
– Software: www.theremino.com/downloads/radioactivity
– Hardware, autocostruzione e kits: www.theremino.com/contacts/producers
– Immagini e Video: www.theremino.com/video-and-images
– Articolo su Elettronica Open Source: tecniche-di-condizionamento-del-segnale-spettrometria-gamma 

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Hardware per la Spettrometria Gamma 

Il Theremino_PmtAdapter contiene un circuito di retroazione in grado di mantiene la tensione stabile anche in presenza di forti variazioni della temperatura. In questo modo la taratura rimane precisa nel tempo e le righe degli isotopi non si spostano e non si allargano.

ATTENZIONE: Per ottenere le prestazioni ottimali è necessario usare tubi PMT cablati come indicato nel file PmtAdapters.pdf – I tubi PMT a bassa impedenza (con resistori da 1 mega o addirittura da 560k) non possono funzionare con questi adapters. Per utilizzarli occorrerebbe sostituire i loro resistori come da noi indicato.

Questo adattatore può essere usato con il ben noto software freeware PRA (ringraziamo Marek Dolleiser per aver aperto la strada a questo genere di analisi, il suo software PRA è un riferimento da molti anni e ci ha aiutato molto) ma solo con il Theremino_MCA si possono fare operazioni di filtraggio e di cancellazione del fondo utilissime per ottenere il massimo di informazioni in tempi ragionevoli.

Questo file comprende il progetto del PCB, le immagini e le simulazioni SPICE: PMT_Adapter_V3.1
Questa è la versione 3.2 con molti piccoli miglioramenti: PMT_Adapter_V3.2
Questa è la versione 3.3 con ulteriori miglioramenti: PMT_Adapter_V3.3

Most salient features:
– Compact only 50 X 70 mm
– No initial thermal drift due to the feedback loop.
– Adjustable voltage from 500 to 1500 V
– Very low power consumption only 10 mA @ 5 V
– Very low ripple  only 100 uV
– Protected against short circuit
– Maximum power output 100 mW
– Preamp circuit and pulse enlargement  (from 3/5 uS to 100 uS to be read by a PC sound card)

Caratteristiche tecniche:
– Compatto   solo 50 X 70 mm
– Nessuna deriva termica iniziale grazie al circuito di retroazione.
– Regolabile in tensione  da 500 a 1500 V
– Consumi molto bassi  @5 v solo 10 mA
– Ripple bassissimo  solo 100 uV
– Protetto contro il corto circuito
– Potenza max erogata  100 mW
– Circuito di preamplificazione e allargamento degli impulsi incorporato (porta gli impulsi da 3-5 uS a 100 uS per essere letti da una scheda audio del PC)

La costruzione semplice e ordinata riduce i difetti di costruzione e li rende immediatamente evidenti.

Nelle seguenti immagini si vede il PMT durante le prove.

    

Lo schema elettrico e un impulso di esempio che mostra il livello di rumore dell’alimentatore, notare che si tratta di un impulso di bassa energia.

      

Nelle ultime versioni di PmtAdapter il rumore è inferiore ai 100uV. Praticamente il solo rumore dovuto al campionamento a 16 bit della scheda audio, come visibile nelle due immagini seguenti.

   

La prima immagine mostra il rumore della sola scheda audio, la seconda il rumore con il PmtAdapter collegato.

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Il sistema completo

 

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Il Pmt Adapter non è in produzione, è possibile costruirlo ma contiene un certo numero di componenti speciali, difficili da reperire e costosi. Per cui si consiglia di rivolgersi ad Alessio, che sa come reperire i componenti a buon prezzo e ha anche fatto stampare un certo numero di PCB per gli amici: alessio.giusti@meteolink.it

Il team del sistema Theremino si occupa solo di ricerca e non vende hardware. Il sistema é completamente “Freeware”, “Open Source”, “No Profit” e “DIY”, ma esistono produttori che possono fornire i moduli assemblati e collaudati a un ottimo prezzo. Difficilmente si potrebbe auto-costruirli spendendo meno. Per un elenco dei produttori leggere questa pagina: www.theremino.com/contacts/producers


Uno zoccolo per il PMT Hamamatsu R6095 (e simili)

  

In questo file ZIP il progetto completo Eagle e il file GCode per la fresa:  PMT_Socket

      

Queste immagini illustrano come adattare i connettori allo stampato e come viene lo zoccolo finito (fare click sulle immagini per ingrandirle)

Il condensatore potrebbe anche essere saldato dal lato opposto (con due tubetti isolanti sui reofori) e, per evitare cortocircuiti con il tubo di alluminio esterno, è bene avvolgere tutta la zona dal tubo PMT al circuito stampato, con un foglio di plastica isolante.


Un sistema MCA per Apple (iPhone e iPad)

A grande richiesta Alessio ha studiato una versione speciale di PmtAdapter, usabile con il software disponibile su iPhone e iPad. Il software si chiama Geiger bot, ed è un riferimento per la comunità Apple.

Theremino system - iPhone_MCA

Lo schema elettrico è molto simile al PmtAdapter per PC, ma è stata aggiunta una batteria (non c’è la alimentazione USB). Inoltre il segnale viene ridotto notevolmente di ampiezza, per poterlo inviare all’ingresso microfonico, che altrimenti saturerebbe e distorcerebbe la forma degli impulsi.

Theremino system - iPhone_MCA Am241     Theremino system - iPhone_MCA - Cs137

Qui si vedono gli spettri ottenuti con Americio e Cesio. Grazie alla meravigliosa risoluzione dei display “retina”, le scritte sono così piccole, che non disturbano la visione del bellissimo sfondo nero.

Siamo lontani anni luce da un vero MCA, la larghezza delle righe “FWHM” (che è il parametro più importante per un MCA) è esagerata. I particolari minori dello spettro sono completamente invisibili. Ecco gli stessi spettri prodotti da Theremino MCA:

Theremino MCA - Am241 spectrum      Theremino MCA - Cs137 spectrum  

Con un Tablet 12 pollici da 180 euro (con Windows 10 e spedizione compresi nel prezzo), si avrebbe uno strumento portatile molto più comodo e preciso. Ma la soddisfazione di usare un sistema Apple, che costa una esagerazione, non ha prezzo!


Calibrazione e temperatura

Il Pmt Adapter e il fotomoltiplicatore consumano solo poche decine di milli Watt, che non sono sufficienti a provocare variazioni di temperatura significative. Quindi non è necessario attendere un “tempo di riscaldamento” tra la accensione e le misure. E non c’è nemmeno un riscaldamento progressivo durante misurazioni molto lunghe.

Però i cristalli scintillatori cambiano rendimento con la temperatura ambiente, come si vede nella seguente immagine:

Scintillation chrystals temperature response graph

Si noti che la risposta alla temperatura non è lineare e che cambia addirittura pendenza da positiva a negativa, proprio nella zona delle normali temperature ambiente. Per cui una correzione automatica sarebbe imprecisa. Ci vorrebbe una tabella di correzione da calibrare per ogni cristallo e questo sarebbe molto complesso e in definitiva poco affidabile. Molto meglio effettuare una taratura con due marker prima di ogni misura.

Effettuare un controllo con i marker prima di ogni misura è un sistema rapido, preciso e molto affidabile. Si consiglia di mantenere sempre in posizione due piccoli campioni (ad esempio Cesio e Americio) a distanze opportune, in modo da avere sempre due piccole righe di riferimento. Il Cesio è più debole e lo si tiene abbastanza vicino alla sonda mentre l’Americio lo si tiene a una decina di centimetri, oppure lo si racchiude in una capsula, per diminuire la sua attività e poterlo tenere vicino alla sonda.

Le due righe dovrebbero essere della stessa altezza e abbastanza piccole da non disturbare le misure. Se non si devono misurare proprio il Cesio e l’Americio, allora i due marker possono stare sempre in posizione. Vedere le loro righe sul grafico finale (eventualmente commentate) da la sicurezza che il grafico è perfettamente calibrato.

 


Costruire un pozzetto in piombo

Da usare per misurare il Livello di Radioattività del fondo naturale e di sostanze debolmente radioattive.

PozzettoMisura_G-Ray_MR02_eng

Il pozzetto di misura è costituito da una piastra di base, più alcuni cilindri concentrici, di varie misure e spessori. Tra i componenti si lascia un po’ di lasco, per facilitare l’assemblaggio.

Il materiale color ottone in realtà è il piombo, per distinguerlo dall’alluminio grigio della sonda, mentre il pezzo di cilindro interno (appena visibile) è l’unico di plastica, con anello concentrico e solidale in piombo.

Tutte le parti in piombo sono state realizzate a partire da lamiera da 1,5 mm di spessore, tagliata con una comune forbice da lamierino e sagomata a mano avvolgendola intorno a cilindri di alluminio/acciaio/plastica che avevo a disposizione (utilizzati solo come “dime”).

La piastrina di base è stata realizzata piegando più volte una striscia di lamiera di pari larghezza, ottenendo alla fine un discreto spessore.

La lamiera si piega facilmente attorno al bordo dritto di un tavolo e si appiattisce con colpetti di martello. Il piombo infatti è molto malleabile.

Tutti i pezzi sono stati avvolti con del nastro di carta sufficientemente largo, in modo che maneggiandoli non si viene in contatto diretto con il piombo, che tende sempre a sporcare le mani. Anche per questo è bene calcolare un po’ di lasco tra i vari diametri dei pezzi, in modo poi che il rivestimento di carta non crei problemi all’inserimento/sfilamento dei cilindri stessi, che parzialmente devono entrare uno dentro l’altro (come per il cilindro di base e la camicia superiore)

Per misurare si segue questo schema:

  1. Si pone innanzitutto su di un tavolo la piastra di base ed il cilindro di base;
  2. Si inserisce il campioncino da sottoporre a test dentro il tubo di base, in modo che sfiori la parte interna (più bassa) dell’anello della camera di misura: si possono infilare sotto ad esso degli opportuni distanziatori;
  3. Si mette la camera di misura (cilindro plastica ed anello piombo solidale) in modo che il sottostante campioncino sia centrato sul fondo dell’anello;
  4. Si infila la camicia superiore all’interno del cilindro di base: essa si appoggerà al tubo di plastica e si manterrà concentrica al foro dell’anello di piombo in modo da permettere il successivo inserimento della sonda;
  5. Si inserisce la sonda : nel mio caso a incastro nell’anello di piombo della cameretta di misura.

Dalle prove che ho fatto questo setup riduce il rumore di fondo da quasi 20 cps a 3,1 cps

Marco Russiani

Download di questo progetto, completo di ulteriori informazioni e immagini:
Theremino System - Theremino_Pozzetto_di_Misura_ITA.pdf 
Theremino System - Theremino_G-Ray_Test_Chamber_ENG.pdf

  1. Martin Lundquist says:

    Currently using Dolleiser’s PRA (Pulse Recorder & Analyser version 15.0.1.0) would very much like to try the MCA unit as described. Where do I obtain the hardware and software? This is a small research project for Dully Research Inc.
    Regards, Marty

  2. Martin Lundquist says:

    thank you for your prompt response, very much appreciated will follow your steps as outlined.

  3. Ron Sparks says:

    Sig Cicala,
    I really appreciate your paper “Tecniche di condizionamento del segnale per la Spettrometria Gamma”. Unfortunately I speak almost no Italian. So I used a few Linux programs and Google translate to convert your paper to English.
    It may not be of any use to you, but if you would like my English translation of your paper — I would be honored to email you a copy.
    My project will most certainly build off of your work and I have already credited you on my project blog.

  4. NIRvaScan says:

    Excellent and decent post, I found this much informative, as to what I was exactly searching for. Thanks for such post and please keep it up.

  5. Ian says:

    Thank you for your great work. We are using the Theremino MCA 7.1 software in our university research and we are very happy with it (in combination with a Gamma Spectacular driver and an X-ray probe).

    One problem we have is that the background spectrum (zero input, no sources) looks different when I connect to the computer that runs Theremino MCA 7.1 remotely via Teamviewer. In that case, we start to get much more counts/noise/pileup in the low KeV region. When I disconnect from Teamviewer and start a new run, then the counts in that region are down again.

    I suspect this has to do with the CPU load of the computer that runs Theremino MCA. Teamviewer adds about 20% CPU load when connected. I suspect similar issues may occur when the CPU load varies due to other reasons e.g. due to Windows Update, virus scan etc. This is a problem for us since we need to have a high reliability of baseline spectra, as long as no source is present. Have you encountered such an issue before i.e. that the spectra change depending on the CPU load even if the input signal remains the same (background with no source in our case)?

    • Livio says:

      Tested now with TeamViewer and no difference in noise observed.
      So I suggest to make further tests in the following areas:
      – The Audio-Recording panel properties (Maybe you selected stereo-mix instead of microphone? Maybe you are not using the modifyed audio card? Maybe some recording property changes when TeamViewer uses the audio?)
      – The TeamViewer audio preferences. Try to set properties to not use audio.
      – The power supply that comes from the USB and goes to the audiocard (maybe the 5 volt noise increases when using TeamViewer).

      • Ian says:

        Thank you very much for your quick response, Livio. I will carry out more tests here and will report back with more detailed information.

        • Ian says:

          Hi Livio, I observed this issue over time and I think the last suggestion that you made was the solution: once I switched from the computer’s USB 5V supply to a lab power supply with 5V DC, the problem stopped to show up.

  6. Ian says:

    We use the Gamma detector close to an ultrasound transducer. When we’re very close, we sometimes get pulses which are clearly not due to radiation but due to certain kinds of ultrasound-induced mechanical vibrations affecting the detector. Fortunately, in the pulse shape visualizer, I can easily identify those “fake” pulses because they don’t have a real peak and stay up for a long time. See the screenshot here: https://ibb.co/dXJmFv. Unfortunately, Theremino MCA still recognizes them as valid pulses. Would it be difficult to change the Theremino MCA source code such that these type of fake pulses without real peaks are filtered out and treated as invalid? Thank you for any help or any advice!

    • Livio says:

      The pulse detection code has been stable for many years and works so well that we prefer not to risk generating defects. And anyway it would be just a patch.

      Since you see impulses, it should not be difficult to find a solution to eliminate them.

      Inside the probe there is a very delicate photomultiplier tube containing metal grids and thin links. Certainly the ultrasound generates resonances in some of these connections. It is also possible that some of these details of the PMT tube will break because of vibrations.

      I therefore suggest finding ways to mechanically isolate the probe.

      • Ian says:

        Thank you very much, Livio, for your advice. I tried my best to mechanically isolate the probe with all kinds of foam and damping materials. This helped a lot and reduced the occurrence of the fake peaks maybe by 95%. However, we still get some fake pulses and therefore unreliable results, so I decided to finally consider filtering the remaining ones out on the software side.

        I completely understand that changing the main branch of the Theremino MCA code is risky, given how well it works. Instead, I was thinking about making a few small adjustments to the source code on my computer (i.e. reject pulses that stay up) and recompiling locally.

        I have a lot of programming experience but not so much with VB, so it would help a lot if you could briefly point me at the file in the VB project where I have access to the data for every pulse that is visualized in the pulse shape visualizer and where it is determined whether a pulse is valid or not. Just pointing at the right file/place in the project code for me to look at, would be super helpful. Thanks a lot!

  7. Angelo says:

    Ciao premetto che sono profano in radioattivita e spettrometria, ma per vari motivi mi serviva sapere se potete consigliarmi un sensore simile a questo qua e con caratteristiche simili ihttp://www.atomtex.com/en/products/radionuclide-identification-devices-rids/at6101-at6101b-spectrometers
    da usare col theremino, aggiungo che la particolarita è che deve essere molto sensibile e direttivo cioe mi serve individuare sorgenti gamma anche se di pochi mm e molto deboli…grazie

    • Livio says:

      Con il sistema theremino potresti costruire qualcosa di molto simile e con le stesse prestazioni.

      Ti serve un fotomoltiplicatore, un cristallo NaiTl, un PMT adapter, la applicazione Theremino MCA e un Tablet con Windows. Parti dalla applicazione Theremino MCA e troverai i link a tutto il resto:
      http://www.theremino.com/downloads/radioactivity

      A differenza del dispositivo che hai indicato non avrai un pannello LCD e dei pulsanti ma dovrai utilizzare un Tablet con touch Screen (o un computer fisso per misure in laboratorio).

      Se vuoi aiuto per la costruzione chiedi ad Alessio, c’è il suo indirizzo di posta qui :
      http://www.theremino.com/contacts/about-us#alessio

      Consigli
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      Il dispositivo che hai indicato promette mari e monti ma “dimentica” di spiegare che la realtà è molto meno piacevole di quello che sembra a leggere le sue caratteristiche. Innanzi tutto questi apparecchi sembrano misurare verso il davanti ma non sono per niente direzionali. Più vai vicino alla sorgente con la punta e più segnano, tutto li. Ma se li giri di fianco e vai vicino alla sorgente con la punta segnano uguale. Se la sorgente è piccola basta che ti allontani di un metro e non segnano quasi più niente. Se invece è grande (ad esempio tutto intorno a te) allora comunque ti giri e ti sposti misurano sempre uguale.

      Un’altro aspetto che non appare a leggere quello che hanno scritto è che la sensibilità alle basse radioattività si paga con il tempo. Per misurare basse radioattività, appena superiori al fondo ambiente allora non si va in giro con la bella maniglietta che mostrano nella loro immagine ma si accende l’apparecchio e lo si lascia fermo per un’ora prima di avere misure ragionevolmente precise.

      Diverso sarebbe se si lavorasse in una centrale nucleare e si andasse in giro con la tuta. In questo caso si potrebbero fare misure rapide, diciamo di trenta secondi l’una. Ma non credo che sia questo il caso.

      Infine bisogna anche dire che gli isotopi che normalmente si possono trovare sono quattro o cinque. Gli altri difficilmente li si possono trovare fuori da una centrale o dai laboratori medici. E ci vuole anche molta esperienza per capire qualcosa di affidabile dagli spettri. Quindi se lo si fa per imparare va benissimo, ma se si pensa di utilizzarlo realmente le cose cambiano. C’è da studiare per mesi o anni e alla fine misurare più o meno quello che già c’era da aspettarsi. Un po’ di cesio nel’ambiente, qualche campione di prova e nient’altro di utile.

  8. Angelo says:

    Ciao Livio e grazie per la risposta, riguardo l’estetica del progetto non mi interessa molto ma piu che altro la sostanza… vado dritto al problema cosi capisci di che si tratta: io vorrei individuare i nodi Hartmann.
    Nel suo libro”Salute dell’Habitat” il professore di fisica nucleare Nicola Limardo (ha insegnato all’Harvard Univ. e La Sapienza di Roma), spiega come ha individuato i nodi hartmann,(cosa fattibile finora solo da sensitivi con delle bacchette) con una termografia a infrarossi o con uno spettometro nucleare con sonda in germanio (ha usato anche quello del CERN Di Ginevra e dell’ENEA) o con un Geopotenziometro (che non conosco…).
    in quei punti ha trovato appunto una radiazione di gamma ionizzante, molto debole dello spessore di un micron di radio226. Questa radiazione potratta per ore puo creare geopatologie e malattie molto gravi, e l’unico posto in cui stiamo tante ore è la stanza da letto, percio sarebbe buono controllare questa zona con questo strumento. Inoltre se ricordo bene invece il potassio-40 influenza molto la tiroide e ha potuto constatarlo anche con una termografia al centesimo di grado che questa radiazione produceva una ipotermia, anche se molto debole.
    Lo spettometro segnalato da me con un link è uno di quello usato da lui,se ho capito bene, quello che chiedo è se vale la pena tuffarmi in questa impresa che mi affascina molto.
    Cioe io riuscirei a costruire con una cifra non troppa esosa (anche alcune centinaia di euro) uno strumento similare? (quello di Limardo costa oltre 30.000E) oppure la rilevazione potrebbe essere un ardua impresa visto che la rete con questi nodi sono distanziati di circa 2m e posizionati in uno spazio di pochi mm o addirittura micron!?
    Grazie

    • Livio says:

      Puoi costruirlo con meno di 300 Euro. Chiedi ad Alessio per maggiore precisione.

      Secondo la mia esperienza non misurerai niente di significativo, solo rumore e eventi casuali. Ma la storia è piena di cose ritenute impossibili che poi erano vere, quindi se proprio ci tieni è giusto che tu ci provi.

  9. Angelo says:

    scusami,ma non riesco a trovare la sua email….su questo sito e meteolink non c’è

  10. Amir says:

    Hi
    Thank you so much for your valuable site.
    I’d like to know the maximum number of pulses per second that we can count using your device.
    I would be very grateful, if you could give me your feedback.
    Regards,
    Amir.

    • Livio says:

      What device, the GeigerAdapter or the PmtAdapter ?

      In the first case (GeigerAdapter) it depends from the Geiger tube used.
      Tubes heve normally dead times from 50 to 250 uS
      Tubes with a dead time of 50 uS can count to about 10’000 pulses per second.
      Tubes with a dead time of 250 uS can count to about 2’000 pulses per second.
      If you plan to use the Geiger Adapter with so high radiation levels then it is better to configure the Master input as FastCounter (not simple Counter).

      In the second case (PmtAdapter) it depends from the gaussian shaping circuit that produces pulses of about 100 uS.
      So the max counting rate will be about 5’000 pulses per second.

      • Amir says:

        Thank you for your detailed reply.
        But this count rate is so low for most applications. We need to count more than 50’000 pulses per second for our application at our lab. I would be very happy, if you could give me your suggestions about the suitable circuit for this purpose.
        Regards,
        Amir.

        • Livio says:

          It is not a “circuit” problem, no geiger tube could count 50000 pulses per second.

          And if, supposedly, you have a tube that emits more than 5000 pulses per second, instead of making measurements, you should run away as quickly as possible.

          So there must be some misunderstanding. First of all, are you talking about a geiger tube? So what type of geiger tube you intend to use? And what source should emit these incredibly strong radiations?

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