Software Multichannelanalyzer

MCA's (Multichannelanalyzer) sind teure und auch im >>Selbstbau<< zumindest auwändige Geräte. Deshalb ist es kein Wunder dass interessierte Bastler nach einer einfacheren Lösung gesucht haben.
Nachdem schon viele Programme entwickelt wurden die mittels der Soundkarte einen PC in ein einfaches Oszilloskop verwandeln liegt es nahe auf dem selben Weg einen MCA zu programmieren.
Die AD-Wandler der Soundkarten sind schnell genug die Ausgangsimpulse eines Szintillationsmesskopfes oder eines Proportionalzähler zu erfassen und dank der hohen Auflösung, meist 16 Bit, mit ausreichender Geschwindigkeit zu messen. Ist die Impulsform erst mal gespeichert kann man einfach die Impulshöhe bestimmen und im entsprechendem Kanal verarbeiten.
Die ersten Versuche unternahm der Verfasser mit dem Programm >> Theremion MCA <<. Das Programm ist einfach zu installieren und arbeitete auf Anhieb.

Der Messkopf für die Gamma-Spektroskopie arbeitet nach >>Szintillationsprinzip<<
mit einem preiswerten russischen NaJ(Tl) Kristall und einem 3/4 Zoll Fotomultiplier von Hamamatsu. Kristall und Multiplier sind in einem lichtdichten Alurohr untergebracht. Dieses Alurohr wurde an ein Alu-Profilgehäuse angebracht. Der Stecksockel der Multipliererröhre wurde noch mit schwarzem Heißkleber vergossen sodass auch bei geöffnetem Gehäuse kein Licht auf die empfindliche Fotokathode fällt.

>Schaltplan im PDF-Format<

Im Gehäuse ist ein HV-Modul (Hamamatsu) zur Versorgung des Multipliers untergebracht. Der Wert der negativen Hochspannung beträgt etwa 800V. Auf der Platine befindet sich noch ein einfacher Vorverstärker mit zehnfacher Verstärkung. Ebenfalls im Gehäuse ist eine USB-Soundkarte untergebracht sodass das Gerät direkt an den PC angeschlossen werden kann. Die Stromversorgung erfolgt dann über den USB-Port. Da dessen Spannung aber nur 5V beträgt bedarf es noch eines DC-DC-Wandlers der die 5V Spannung auf die von dem HV-Modul und dem Vorverstärker benötigten 15V umsetzt.
Es kann aber auch ein Netzteil angeschlossen werden und das Signal über den Mikrofoneingang dem Rechner zugeführt werden.

Für eine Messung wurden zwei Röhren aus der Röhrensammlung ausgewählt. Ein Magnetron RD2Md der Wehrmacht dessen Anodenblöcke aus Thorium bestehen. Und eine Funkenstrecke 1B22 die zur Vorionisation etwas Radium enthält. Die Unterschiede der beiden Spektren sind deutlich zu sehen. Zwar ist die Auflösung nur mäßig, das muss aber nicht unbedingt an der Software liegen sondern könnte auch durch leichte Eintrübungen des NAJ-Kristalls verursacht werden.

Man kann die gemessenen Daten auch in einer Text-Datei abspeichern und in einem beliebigen Programm weiterverarbeiten und darstellen. Unten links die Messung von natürlichem Uranglimmer, industriell hergestelltem Uranglas und einer Radiumprobe. Die Spektren der Radiumprobe und des Uranglimmers sind nahezu gleich. Das heißt die Strahlung natürlicher Uranmineralien stammt im hohen Maße vom, im Uran in winzigen Mengen, enthaltenem Radium. Bei der industriellen Herstellung von Uransalzen wird das Radium natürlich abgetrennt und gesondert verwertet.

Allerdings erhält man nur gute Spektren wenn die Parameter des Programms und der Soundkarte optimal eingestellt werden. Mit der im Gerät eingebauten USB-Soundkarte konnten keine aussagekräftige Spektren erhalten werden. Selbst wenn nur die USB-Stromversorgung in Betrieb war konnten nur stark gestörte Spektren erhalten werden. Mit der passenden Einstellung, einer externen, rauscharmen Stromversorgung und einer geeigneten Soundkarte arbeitet das Programm sehr gut wie die Spektren von Radium, Uran, Americium und Thorium zeigen.

Für die Messung von Strahlern kleiner Aktivität ist es ratsam den Szintillator mit einer Bleiabschirmung zu umgeben um den Nulleffekt zu reduzieren. So wird die Aufnahme von Spektren möglich die sonst im Untergrund nicht zu sehen wären.

Nun möchte man den Zählkanäle eine Energie zuweisen. Am Besten eignen sich dazu die Spektren von Americium, Lutetium und Radiums mit ihren markanten Linien. Das Ergebniss der Kalibierung ist ernüchternd. Während die Werte für Americium und die ersten vier Linien des Radiums schön auf einer Gerade liegen trifft das für die 609 keV Linie des Radium und vor Allem für die Lutetiumlinien leider nicht zu. Während man die Abweichung der Radiumlinie noch mit einer zunehmenden Sättigung des AD-Wandlers erklären und durch eine kleine Verstärkung beheben könnte ist die große Abweichung der Lutetiumlinien noch völlig rätselhaft.

Wenn man die analoge Verstärkung des Mikrofoneingangs des PCs dratisch reduziert (auf ein Fünftel) liegen alle Messwerte wie gewünscht auf einer Geraden. Das nun auch gemessene Kalium liegt aber noch im Abseit, Für diese hohe Energie müßte die Verstärkung noch weiter reduziert werden, was dann aber auch Messungen im Niedrigenergiebereich beeinträchtigt.