Experimente mit einem Photomultiplier

Für Basteleien, Messgeräte und physikalische Experimente.

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stoppi
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Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Hallo!

Eines meiner nächsten Projekte wird es sein, mit einem Photomultiplier Myonen bzw. Gammastrahlen zu detektieren. Für die Myonen verwendet man einfach Wasser in einer Thermoskanne. Die schnellen Myonen erzeugen darin Tscherenkowstrahlung (engl. Cherenkov), welche eben mit dem Photomultiplier detektiert wird.
Für Gammastrahlung würde ich noch einen Szintillator benötigen, wobei ich wohl nicht auf die teuren NaJ-Modelle zurückgreifen werden sondern auf günstige Kunststofftypen (z.B. BC412).

Die PMT der Type M12 FVC51 des ehemaligen DDR-Unternehmens WF (Werk für Fernsehelektronik, auch VEB) habe ich hier übers Forum bezogen. Sie besitzt 19 Pins (eigentlich 20, einer aber gekürzt). Leider findet man im Internet so gut wie nichts konkret zu dieser Röhre. Für ein ähnliches Modell (M12 FS52A) habe ich zum Glück einen Anschlussplan gefunden.

Um herauszufinden, ob es sich bei meinem Modell um ein im Prinzip baugleiches handelt, habe ich den schwarzen Lack heruntergekratzt und die Anschlüsse zu eruieren versucht. Die M12 FVC51 besitzt eine Steuerelektrode e1. Die erste Dynode D1 (Pin 2) liegt inmitten des mittleren "Kranzes" und hat daher auch Verbindung zu den Pins 8,11 und 18.

Bei der Anode handelt es sich um das knapp "nach" der letzten Dynode D12 liegende Gitter. Bei S müsste es sich demnach um die Plattenelektrode hinter D12 handeln, durch welche die Anodenzuleitung isoliert durchgeführt ist.

Als HV-Spannungsquelle (welche sich durch ein hohe Ausgangsstabilität auszeichnen muss!) dient mir ein CCFL-Modul, welches sich konkret bei mir von 0-1.2 kV regeln lässt (siehe Schaltplan unten).

Dazu hätte ich gleich eine Frage: Wozu dient bitte der TL081 dabei konkret? Der LM358 steuert über das Feedback und die Stromsteuerung des CCFL-Moduls dessen Ausgang. Aber was macht dann bitte der TL081?

Die zweite Frage zum Schaltplan lautet, ob ich eine symmetrische Spannungsversorgung benötige oder nicht? Da ich nur positive U regle denke ich mal nicht. Daher habe ich die beiden IC's auch nur an GND und +V angehängt.

Ein erster Testlauf mit dem Photomultiplier verlief noch ergebnislos. Hierzu habe ich einfach S an GND gelegt und A über 1 kOhm mit S (GND) verbunden. Dabei habe ich im abgedunkelten Zustand (doppelter Karton plus Bettwäsche :P ) eine Spannung von rund -30V gemessen, was also einem Anodenstrom von 30 mA entsprechen würde. Dieser änderte sich auch nicht, wenn ich die Bettwäsche entfernte und auch den Karton bewegte. Es kann aber auch sein, dass bereits genügend Licht zur PMT gelang und diese in Sättigung sich befand :gruebel:

Vielleicht war aber auch die Spannung von max. 1.2 kV zu gering. Obwohl, dies dürfte verglichen zur angegebenen Maximalspannung von 1.5 kV nur die Pulshöhe entsprechend reduzieren...

Es kann auch daran liegen, dass meine M12 FVC51 primär für den UV-Bereich ausgelegt ist.... Hält man allerdings die PMT ins Licht (ohne Spannungsversorgung natürlich), erhalte ich zwischen Kathode und e1 immerhin 0,3V.

Wenn jemand von euch Ideen, Tipps und Hinweise hat, nur her damit!!! Gleich danke im voraus dafür, bis bald stoppi
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stoppi
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Noch mehr Bilder ;)
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von Race »

Hallo

Endlich mal wieder ein gescheit dokumentiertes Projekt und net erst mal über 3 seiten davon reden irgendwas tun zu wollen, nein du hasts gemacht - find ich gut ! Schaut interessant aus was du da mit diesen Röhren aufgebaut hast. Hoffe da gehts noch weiter ^^

mfg, race
Ein Hoch auf den Tag, an dem die Elektronen das Fliegen lernten XD
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NOAA
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von NOAA »

Ist das die Röhre von mir?
Die Photokathode hat eine gewisse Breitbandigkeit, im Normalen Glühbirnenlicht ist auch UV enthalten. Damit kannst nicht besonders gut feststellen, ob die Röhre für UV ist. Aber du könntest mal mit einer Hg Lampe testen.
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stoppi
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Die Röhre ist von Xenon, NOAA ;)

Und ja, laut DDR-Datenblatt ist dieses Modell auch im UV-Bereich sensibel. Habe mir als Weihnachtsgeschenk u.a. einen Plastikszintillator aus den USA bestellt, welcher demnächst hoffentlich eintrifft.

Inzwischen bin ich am Fertigen der Verstärkerelektronik + Monoflop für die akustische Ausgabe. Für die HV-Versorgung werde ich mir aber noch passendere (sprich offene und nicht in Kunstharz getränkte) CCFL-Inverter besorgen.

Dann versuche ich mit der PMT einmal radioaktive Strahlung zu detektieren und erst dann werde ich mich an die Myonen in der Kaffeekanne machen. Deren Pulse sind nämlich noch kleiner/kürzer und da werde ich nicht nur eine andere Verstärkerschaltung direkt am PMT-Ausgang benötigen, sondern wohl auch einen anderen Multiplier mit weniger Stufen. Denn die 12 Dynoden meines jetzigen Modells würden das Signal/Rauschverhältnis bei den Myonen laut Literaturrecherche nicht verbessern. Halte euch aber am Laufenden :)

Spitzi
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von Spitzi »

Ich würde rein ausm Instinkt sagen, dass die TL081 - Schaltung nur eine Open-Circuit-Protection ist, da Aufwärtswandler ohne Last die Selbstzerstörung beherrschen^^.
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stoppi
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Ad Spitzi: Danke für deinen Tipp/Hinweis; bin mittlerweile fündig geworden. Der TL081-Teil soll so in der Art Überschwingungen durch quasi "Gegenpulse" ausgleichen...

Übrigens, mein M12 FVC ist doch nicht so ideal für den UV-Bereich. Empfindlichkeitskurve reicht zwar bis rund 300nm runter, aber die Versionen mit Quarzglas (Buchstabe Q), z.B. M12 FQ... sind deutlich besser geeignet (bis 100nm). Werde mir aber eh noch einen weiteren Multiplier besorgen (für die Cherenkov-Strahlung).

Mittlerweile ist eines meiner Weihnachtsgeschenke angekommen.
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stoppi
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Die Verstärkerschaltung mit nachgeschaltetem Monoflop (4098) ist einmal gelötet und verkabelt.

Probleme bereitet mir noch die HV-Versorgung. Mit dem ungeregelten Conrad-Inverter + Spannungsverdoppler bekomme ich eine sehr unschöne Gleichspannung, welche sich auch mit Kondensatoren nicht in den Griff bekommen lässt. Werde hier über eine Feedbackschaltung nicht herumkommen (oder ich kauf mir ein fertiges Hamamatsumodul bei ebay :P ).

Werde also als nächsten Schritt die HV-Schaltung erweitern und hoffen, dass dann die "Wellen" verschwunden sind. Bis dann, stoppi
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stoppi
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Heute habe ich mich der regelbaren HV-Schaltung gewidmet, welche eben eine negative Hochspannung ausgeben soll. Funktioniert prinzipiell recht gut, nur muss ich noch einige Widerlinge anpassen, damit ich in den Bereich [1000,2000] Volt gelange.

Gemessen wird die Spannung am Oszilloskop mit einem simplen Spannungsteiler (20 MOhm, 20 kOhm). Habe auch hier diese unschönen "Ripperln" erhalten, unabhängig von der Glättungskapazität (bis 200 nF) am Ausgang des kleinen HV-Netzteils. Dann einmal einen 10nF-Kondensator parallel zum 20 kOhm-Widerstand geschalten und siehe da, die Ripperln sind weg.
Jetzt frage ich mich halt nur, ob die "Ripperln" durch den mehr als simplen Spannungsteiler entstanden sind und der HV-Ausgang eh eine schön glatte Spannung geliefert hat, oder ob ich nur den um 1:1000 reduzierten Spannungsausgang stabilisiert habe. Ich tippe und hoffe auf Ersteres, denn sonst hätte ja der Glättungskondensator am HV-Ausgang und somit parallel zum Spannungsteiler auch schon etwas bewirkt, oder? :gruebel:

Würde mich sehr freuen, wenn einer der Profis (oder alle ;) ) seine Meinung hier kundtun könnte. Jetzt habe ich schon 3-4 verschiedene HV-Schaltungen und hoffe, dass sie auch geeignet für den Einsatz sind. Auf ebay gibt's gerade noch ein verbleibendes Exemplar eines Hamamatsu-Netzteils um 39 Euro. Bin schwer am überlegen, es mir zu kaufen. Zögere nur deshalb, weil ich ja viel lieber die Schaltungen selbst löte und überprüfe...

Danke im voraus für eure Bemühungen und bis bald, stoppi :)
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kilovolt
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von kilovolt »

Hallo stoppi,

Wiedermal ein tolles Projekt, Hut ab! Leider verstehe ich von diesen Dingen hier:
Eines meiner nächsten Projekte wird es sein, mit einem Photomultiplier Myonen bzw. Gammastrahlen zu detektieren.
nur Bahnhof ;-)

Zum HV-Supply kann ich vielleicht was sagen, sehe mich aber gar nicht als "Profi" :-)
Über Deinen Spannungsteiler misst Du sehr hochohmig. Deine Rippel sind vermutlich nicht auf der HV-Speisung vorhanden, sondern streuen über den hochohmigen Teiler rein, denn das Scope selber ist mit standardmässigen 1MOhm am Eingang auch relativ hochohmig und die CCFL-Schaltung erzeugt einen schnellen Rechteck-Takt, der mit Sicherheit Funkstörungen verursacht in einigen cm Umgebung. Das ist wahrscheinlich das, was Dein Scope aus der Luft oder über GND auffängt. Wichtig ist bei solchen Sachen, dass man wirklich bis zum Messpunkt schön abgeschirmte Leitungen nimmt. Weiter kannst Du versuchen, den Eingang des Scopes mal mit 50Ohm abzuschliessen und/oder, falls nicht schon gemacht, eine 10:1 oder 100:1-Sonde verwenden. Auch der Teiler selber sollte in einem abgeschirmten Gehäuse Platz finden und alle Leitungen nur ganz kurz geführt werden. Ich bin sicher, dann kommst Du zu einem besseren Ergebnis. Der Kondensator parallel zum 20k-Widerstand hat vermutlich nur die Einstreuungen kurzgeschlossen.

Gruss kilovolt
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Vielen Dank Daniel für deine tollen Erklärungen :) Ich zeige dir besser nicht, wie ich den Spannungsteiler aufgebaut bzw. verkabelt habe. Ich sage nur Kroko... Ich hoffe auch, dass die Rippel nicht vom Netzteil kommen.

Werde mir wohl als eine meiner nächsten Anschaffungen einen 100:1 Teiler fürs Oszilloskop besorgen. Das regelbare HV-Netzteil ist jetzt eigentlich fertiggestellt. Kann jetzt die Spannung im Bereich [-800,-1700] Volt verstellen. Benötigt werden rund -1.3 bis -1.5 kV für meinen Multiplier.

Beginne also demnächst mit dem Testen des Photomultipliers, da soweit alle Elektronikteile (Netzteil, Verstärker, akustische Ausgabe) vorhanden sind. Halte euch natürlich am Laufenden, lg stoppi
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Pezo
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von Pezo »

Hier wäre ein ziemlich günstiger 100:1 Tastkopf zu haben, geht bis 200MHz.
http://www.ebay.at/itm/331090355483

Hab mir einen bestellt aber noch nicht bekommen, kann gerne einen kurzen Eindruck posten wenn geliefert wird.
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stoppi
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Pezo, danke für den Hinweis. Der ist ja wirklich günstig. Ich und andere wären dir sicherlich dankbar, wenn du kurz über deine Erfahrungen berichten könntest ;)

Passt jetzt zwar nicht 100%ig hinein, aber habe mir ein einfaches Spinthariskop aus einem alten Okular gebastelt. Die vielen durch Alpha-Teilchen verursachten Lichtblitze wirken abends ungemein beruhigend...
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kilovolt
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von kilovolt »

Hallo stoppi
... habe mir ein einfaches Spinthariskop aus einem alten Okular gebastelt.
Welches Material hast Du denn für die Leuchtschicht verwendet?

Beste Grüsse
kilovolt
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