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 Lello, che sa come reperire i componenti a buon prezzo e ha anche fatto stampare un certo numero di PCB per gli amici: ufficiotecnico@spray3d.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. Luca CAMPANA says:

    Grazie degli esaustivi chiarimenti.

    Vi terrò informati degli eventuali sviluppi

    Cordialmente

    Luca

  2. Paul says:

    Hello, I’m trying to re-activate a Theremino PMT Adapter V3.3, which I bought some years ago.
    If I insert the modified USB stick into my computer it shows constant LED and after a while is starts blinking.
    But whatever I do on the PMT adapter box I don’t see any “microphone” input level. I hear the transverter sound in the box. Maybe the PMT connected to the box is broken?
    How can I check if the microphone input is OK? Removing the PMT adapter box and touching the contacts of the connection cable between USB and the box does not show any microphone signal.
    Please give me some help!
    Many thanks, Paul

    • Livio says:

      Please do a right mouse button and translate in your language.

      Difficile da capire a distanza. Ti servirebbe un esperto di elettronica che, con gli schemi e alcuni strumenti possa capire cosa è successo.
      Provo a darti alcuni consigli…
      Se Windows vede l’ingresso MIC che si aggiunge quando colleghi l’adattatore allora almeno la parte USB funziona.
      Quando inserisci l’adattatore nella USB Windows fa il suono giusto?
      Forse il jack non è inserito completamente?
      Forse è successo qualcosa al fotomoltiplicatore?
      Forse ha preso un colpo e si è rotto il vetro?

      Se proprio non riesci dovrai rispedirlo a qualcuno di noi e te lo aggiusteremo gratis (sempre che non ci siano componenti costosi da ricomprare)

  3. Anonymous says:

    Hello Livio,

    thanks for the quick reply. By checking various PMT probes I found out that the problem is not with the PMT adapter but with one of the PMT probes. So everything should work fine from the USB adapter side.
    Regards, Paul

  4. Kai says:

    Hi,

    Your “compensation” feature seems to do an excellent job of improving gamma spectra. Can you point me to a description of what this is actually doing?

    In https://www.theremino.com/en/downloads/radioactivity in the description of v4.2 it is called “Resolution compensation”. In https://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/GammaSpec_ENG.pdf on pg 35 it is called “broadening compensation”. In https://physicsopenlab.org/2016/02/07/energy-resolution-in-gamma-spectrometry/ it is called “Software compensation”.

    Are these the same thing? What is it actually doing?

    Thanks!

  5. Eugene Sigal says:

    Hello,

    I am trying to modify the 3D sound card adapter, however, they don’t make them exactly like the one in the instructions. Does anyone have the updated instructions on how to modify the audio sound card (perhaps some schematics as well).

    thank you!
    Eugene

    • Livio says:

      If the sound card is different no one can help without reverse engineering your card.

      My best advice is to follow the MIC signal all the way to the chip and then figure out where to cut and where to put the components.

      I’m sorry but only you (or some of your friends who are experts in electronics) can do it.

  6. Jay Cast says:

    Hello Livio, a have a theremino master DIL-V5.

    How can I make the Theremino MCA recongnise the signals from USB port of my computer ?

    The Theremino MCA only recongnise sinals of the microphone.

    Or how can I do to get a analogic sinal on pin 1 and transmit a digital sinal from pin 2.

    • Livio says:

      The Theremino-MCA application only recongnize the microphone signals.

      If you do not have the modified sound card, you could use any sound-card with a MIC input, also without modifications.
      The noise at the low energies will be more than normal but it will work.

      • Jay Cast says:

        How can I do to receave an analogic signal on the Theremino Master DIL-V5 and transmit to the sound card with a MIC imput ?

        thanks for answering me

        • Livio says:

          The Master can not receive audio signals.
          You can not use the master for the Gamma Spectrometry.

          You MUST use a NaiTl Christal and a PMT tube and then connected the PMT to a PMT-Adapter and then connect the PMT-Adapter output to an audio card MIC input.

          A better alternative is to use a PMT_AudioAdapter directly connected to the USB

          Call to Lello if you can not build these components.
          Lello = ufficiotecnico@spray3d.it
          Lello seller on eBay = maxtheremino

  7. Anonymous says:

    Hello Livio,

    I am working on making a portable version of Gamma spectrometer. Where can I get an MCA system for Apple (iPhone and iPad)? The one listed on Apple store is just a Geiger counter (Geiger bot) and doesn’t have a spectrometry function.

    Thank you,
    Eugene

    • Livio says:

      Sorry, we know windows systems only and so we can not help about this.
      To make working our projects on systems other than Windows is very difficult and requires a deep knowledge about programming those systems.

  8. Anonymous says:

    Livio,
    I am talking about the same system by Theremino you guys mentioned on the same webpage where we are right now. Just scroll up a few:

    “By popular demand Alessio has designed a special version of PmtAdapter, usable with software available on iPhone and iPad. The software is called Geiger bot, ed è un riferimento per la comunità Apple.”

    • Livio says:

      Sorry, I was thinking about our MCA software, but if you need the hardware only maybe it is possible.
      Now I explore this old project (about 5 or 10 years ago) and then I write another message explaining how to obtain this hardware module or build it (if possible).

    • Livio says:

      I looked at Alessio’s section. Now a small tablet with Windows would cost even less than 100 Euros and the resulting spectrums would be significantly better.

      But if you really want to do it with Apple you will need:
      1) The Geiger Bot app : https://apps.apple.com/it/app/geiger-bot/id427728355
      2) A PMT Adapter that you can build yourself or have it built by Lello as explained here:
      https://www.theremino.com/en/blog/gamma-spectrometry
      3) Power the PMT Adapter with a 5 volt you can find it everywhere but be careful that it must not be noisy. A power bank would do very well while a 220V power adapter would not do.
      4) Add a resistive divider or a trimmer to the PMT Adapter output.
      5) Connect the PMT Adapter output to a Jack suitable to the Apple input (probably it will take a 4-pole jack and the signal should be the tip)

      If you have Lello do it, I’ll explain to him how to divide and which Jack to use. But in this case you will also have to tell exactly which Apple you have to connect it to and if possible tell us how the Jack for the microphone input must be made.

      To contact Lello write your mail in the message data (we will not publish it),
      or write to Lello at: ufficiotecnico@spray3d.it

  9. Anonymous says:

    Ok thank you!
    Eugene

  10. ecc says:

    Hello Livio,
    I’ve been using the MCA for a good while now for XRF above 10 keV, the lowest possible with my sensor NaI PMT set up, and with good results. Thank you for providing this application.

    However, for the energy ranges below that I plan to use a X100-7 diode sensor for which I have a Micod amplifier and shaper board as described by Lodovico in the article ‘Si-PIN Photodiode with Micod CSA-SA’. He mentions in the article that the pulse width of the output is 15 uS and not very compatible with the MCA. Is there a way to improve the the MCA’s response to the signal perhaps by tweaking settings?
    Also, I have not been successful in adding adding new entries to the Isotope list. How does that work?
    Kind regards
    ecc

    • Livio says:

      Hi ECC

      I advise against photodiodes, we have never managed to make them go well, too noisy (compared to the right PMT and in the best working conditions as we have indicated). However you can experiment with the application controls (especially the Baseline test and Params panels) and if you can’t get it right we won’t know what to do or what to change.

      The Edit Sample Rows File button is only used to select some commonly used isotopes, you can add or remove some. But it is only used to select the square boxes.

      The long table is stored at the end of the INI file next to the application executable. You can edit the isotopes and also add new ones as explained on page 5 of the instructions.

      HI
      Livio

  11. ecc says:

    Hi Livio,

    Thanks for your advice concerning photo diodes, I hear you there. Seeing that I have all the parts already – including some Am241 buttons – and can’t afford buying a another better, low energy PMT just for XRF below the 10 keV range – I may give it a try anyway.
    What I did already plan for improving the diode noise situation – other than using batteries as power supplies – is cooling the detector diode’s small mounting board (amplifier board as well?) with a Peltier element.
    Starting with an existing fan cooled set up which can pull down a leaky and uninsulated small box to -7 C should provide some initial data.
    If a measurement chamber was evacuated to say 500 mBar – what would be the effects? Would that help to increase the energy reaching the sample from the Am241 buttons and in turn the detector?
    As for the Am241 buttons illuminating the sample – what would their most effective and practical angle and distance relative to the detector?
    Following instructions I successfully added an Isotope. Thank you.

    Kind regards
    ecc

    • Livio says:

      The isotope list is at the end of the “Theremino_MCA_INI.txt” file. You could edit this file also with Notepad (when the MCA app is not running).

      You could also find in the folder “Extra” the following lists and other useful files:
      – Isotopes_Energy.txt
      – Isotopes_Energy-with-medicals.txt
      – LibraryNaI.txt
      – XRFTable.txt

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