Jak jsme se již mohli dočíst v mých předchozích článcích, základní princip detekce ionizujícího záření alfa, beta, gamma spočívá v ionizaci vhodného zředěného plynu v trubici mezi elektrodami, kde je přivedeno vysoké napětí – Geiger-Müllerova trubice, ta umožňuje měřit základní druhy ionizačního záření α, β, γ a případně s mírnými úpravami( Kadmiový terčík ) I pomalé neutrony.

Problém alě spočívá v tom, že není schopna měřit větší toky záření – její mrtvá doba (regenerační čas, při kterém nestíhá detekovat další částici) je příliš vysoká (typicky 100uS) to omezuje počet zaznamenaných částic na cca. 1 milion za jednu sekundu. Zpravidla však mrtvá doba stoupá se stářím sondy a také třeba nevhodným (vyšším) napětím a nebo v důsledku zvýšené radiace ( náplń se postupně s detekujícími částicemi „vyčerpává“ ) Jako nosný plyn se v ní používá Dusík či Argon a příměs par halogenu (Br), halogen je zde použit pro rychlé zhášení vzniklého výboje při detekci částice a nosný plyn pro zvýšení vodivosti. Není proto vhodná pro detekci gamma nebo retgenového záření, kde intenzita zpravidla přesahuje možnosti trubice.

Dalším omezením G-M trubice jsou pak samotné detekované impulzy, jejich trvání a amplituda je víceméně konstatní, nelze je tak použít pokročilejší metody zpracování impulzů (spektrometrie).O tomto problému se pak dočteme v následujícím textu.

Pro pokročilejší metody detekce částic byly vyvynuty speciální detektory, principů je spousty, ale zde se budu zabývat pouze scintilační metodou detekce. Jedná se velmi častý a víceméně nejjednoduší zbůsob detekce ionizačního záření, především i vysokých toků gamma a retgenového záření. Impulzy mají amplitudu dle energie částice/fotonu a tak se tato metoda hojně využívá pro spektrální analýzu.

Scintilační metoda spočívá ve dvou základních věcech, základem je nějaká látka, ve které při dopadu záření vznikají scintilace – záblesky svazků fotonů ve viditelném spektru, tyto záblesky jsou velmi slabé a tak je nutné je detekovat a zesílit – převést na elektrický impulz.Pro zesílení a detekci světelných záblesků z scintilátoru se používá fotonásobič, ten za využití fotoefektu a urychlování vyražených elektronů z fotokatody převádí tyto záblesky na slabé elektrické impulzy. Lze také použít i jiné metody detekce světla a to především polovodičové foto-diody(místo fotonásobiče). Používají se buď speciální fotodiody které obsahují stovky jednotlivých diodových přechodů (SiPM - http://sensl.com/products/) a nebo obyčejné PN diody ( http://www.hamamatsu.com/us/en/product/application/1505/4521/4321/S8193/index.html ) s velkou citlivostí na dané spektrumscintilátoru a dostatečnou rychlostí. Signál z těchto diod je však velmi slabý a musí se zesíit preciznímy operačními zesilovači, jelikož se dioda zapojuje ve fotovoltaickém režimu, detekuje se proud, který v ní vzniká. Ten bývá i v řádech  fA až pA . Tento velmi malý proud se převádí na napětí a pak se zesílí.

Spektrální vlastnosti scintilačního detektoru určuje především samotný scintilační materiál. Ten emituje světlo dané vlnové délky (v rozsahu použitého fotodetektoru) a jeho intenzita je úměrná energii dopadajícího kvanta záření. Dopadající záření (především gamma nebo rentgenové) má samozdřejmě učitou energii, ta je interpretována eV = elektron-voltech. Tato energie závisí na zdroji radiace, at´ už samotného izotopu nebo napětí(Brzdné záření) a materiálu terčíku na retgence(charakteristické záření).Případně i na druhu materálu, který se ozařuje zpravidla gamma zářením – ten emituje charakteristické gamma spektrum pro daný prvek díky zpětně odraženým elektronům. Této metodě detekce se říká retgenová fluorescenční anlaýza ( https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_fluorescence ). Na zakladě této analýzy spektra lze zjistit o jaký prvek se jedná - každý prvek má charakteristickou energii vyzařovaného záření.

Základní teorii jsem už tedy popsal a jelikož mi už přestaly stačit detektory založené na G-M trubici rozhodl jsem se postavit si detektor scintilační, který mám určen pro retgnenovou fluorescenční analýzu (nejde mi tedy moc o možnost detekce silného toku gamma záření, ale spíše o analýzu amplitud těchto pulzů). Asi nejjednoduším způsobem je fotonásobič se scintilátorem, pulzy jsou pak vhodně zesíleny a o spektrální analýzu se stará open-source program Theremino MCA ( http://www.theremino.com/en/downloads/radioactivity ) , který analyzuje pulzy prostřednictvím zvukové karty. Ano, určitě lepší by byla digitální konverze nějakým A/D převodníkem, ale nenašel jsem vhodný program, který by dokázal pracovat s těmito daty z nějakého portu. Nicméně to mám jako námět k budoucímu projektu.

S fotonásobičem a hlavně s vhodným scintilačním krystalem je však problém, musí být opticky spojen s fotonásobičem a dokonale světlotěsný vůči externím vlivům. Vyrobyt něco takového doma s nějakým kouskem krystalu není moc efektivní a vhodné krystaly pro fotonásobič jsou celkem nákladné. Kompletní systémy scintilátoru s fotonásobičem stojí cca od 6-20KKč. Navíc ty levnější bývají zpravidla staré a s omezenou detekční účiností ( často používané krystaly NaI(TI) jsou silně hygroskopické a ztrácejí na detekční účinnosti ) .

Proto jsem se rozhodl udělat si tento detektor pomocí speciální fotodiody, která má již na sobě scintilátor. Jedná se o fotodiodu Hamatsu S1337-1010BR včetně scintilátoru CsI(TI) (jodid cesný dopovaný thalliem) ten není tak hygroskopický jako NaI(TI) . Normálně se ceny pohybují kolem 10KKč za takovou diodu se scintilátorem  ( http://www.hamamatsu.com/us/en/product/application/1505/4521/4321/S8193/index.html ) ale podařilo se mi ji sehnat(ač použitou) z Ebay o jednoho amerckého prodejce za velmi přijatelou cenu.

Nevýhoda použití této fotodiody spočívá v detekci velmi slabého proudu, který se musí převést na napětí a zesílit. Jde o fA až pA a tak je nutné použít precizní operační zesilovač s FET vstupem. Našel jsem schéma, které je k tomuto účelu přímo stvořené. Obahuje precizní OZ (AD515AL), který jsem nahradil novějším typem OPA128LM + AD524. Standartně se ceny těchto OZ pohybují v tisících Kč, avšak na Ebay jdou sehnat i podstatně levněji.

Signál z posledního OZ AD524 je velmi krátký a tak se musí pro vstup do zvukové karty trochu upravit. O to se stará RC integrační článek + případně ještě zesílení.
Pak už by nic nemělo bránit detekovat spektrum pomocí výše zmíněného programu Theremino MCA. Ten je k této detekci přímo určen a zobrazuje u peaků spekra i přislušný prvek.

Buďto můžu rozlišovat pomocí peaků energie v gamma záření jednotlivé izotopy – přímá detekce a nebo pak retgen-fluorescenční analýzou zjišťovat o jaký prvek se jedná ( nemusí být radioaktivní ). XRF – retgen-fluorescenční analýza staví na základech kvantových vlastostí atomu, jestliže ozáříme nějaký prvek gamma nebo RTG zářením, emituje sekundární spřšky záření gamma (v lomném směru ozařování). Tato metoda se používá pro neinvazivní určení složení materiálu a profesionální přístroje stojí stovky tisíc. K tomuto účelu se hodí můj scintilační detektor + nějaký gamma zářič, který ozařuje příslušný zkoumaný objekt. Jako zářiče se používají třeba rentgenky a nebo izotopy vyzařující gamma záření – může být použit třeba i zářič Am241 z ionizačního kouřového detektoru.

Zatím zde uvedu pár fotek s výroby na ostatním ještě pracuji.

UV-C LED dioda 280nm/1w

Excitace CsI(Ti) krystalu pod UV-C

Samotný detektor částic s PN diodou a CsI(Ti) scintilátorem