Experimente mit einem Photomultiplier

Für Basteleien, Messgeräte und physikalische Experimente.

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VDX
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von VDX »

... für "luftdichte" Drehdurchführungen in Vakuum-Aufbauten habe ich Ringmagnete um die Durchführung und Ferrofluid im Spalt verwendet - da Ferrofluid selber völlig lichtundurchlässig ist, ist das gleichzeitig auch "lichtdicht" ;)

Da du hier keine perfekte Abdichtung brauchst, würde auch eine improvisierte Anordnung mit ein paar kleinen Neodym-Magneten um die Achse herum aufgeklebt und etwas Ferrofluid draufgetropft ausreichen - hauptsache, das Ferrofluid füllt das Volumen zwischen den Magneten und der Drehachse aus ...

Viktor
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stoppi
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Danke VDX für den Tipp...

Auch hier sind mittlerweile fast alle benötigten Teile eingetroffen. Laserbox mit Spalt (bestehend aus 2 Rasierklingen) am Ausgang ist soweit fertig. Die Rasierklingen sehen durch den Superkleber ganz schön unsauber aus, der Bereich um den Austrittsspalt selbst ist allerdings frei von Kleberesten.

Spannungsversorgung von Laser und Photomultiplier sind +12V, beim Laser ist noch ein Step-down-converter für die rund 3V dazwischen geschaltet. Das Beugungsmuster mit mehreren Maxima und Minima ist schön zu sehen.

Den dünnen Spalt am Photomultiplier zur Ortsauflösung habe ich mit 2 Klebebändern realisiert. Dürfte so um die 50 µm breit sein. Der minimale Verstellweg mit dem Lineartisch beträgt 10µm. Die Photonenrate werde ich wohl alle 50-100 µm messen auf insgesamt 6.5 mm...
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

So, der wohl heikelste Teil der Arbeit scheint vollbracht zu sein. Habe nun den Lineartisch mittels 2-Komponenten-Kleber eingebaut und abgedichtet. Außen bei der Verstellschraube kommt wohl noch ein Ring Kleber zur Absicherung hinzu...
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Norbi
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von Norbi »

Bekommt der Lineartisch eigtl. noch irgendwie einen Schrittmotor?

Je nachdem wie viele Photonen da pro Sekunde gemessen werden dauert eine komplette Messung doch bestimmt recht lange.
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stoppi
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Die Verstellung erfolgt dann manuell. Wenn ich alle 50 µm die Zählrate der Photonen bestimme, dann umfasst eine Messung in der Tat 130 Einzelmessungen. Die Zählrate kann ich aber mittels verschiedener Neutraldichtefilter bzw. Änderung der Laserspannung so passend einstellen (z.B. 10 Photonen pro Sekunde), dass die Einzelmessungen nicht zu lange dauern müssen aber trotzdem noch der Teilchencharakter sichtbar/hörbar bleibt.

Im Endeffekt möchte ich dann einen ähnlichen Zählratenverlauf wie der jetzige Intensitätsverlauf ohne Filter...
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Der innere Aufbau ist soweit fertig und ausgerichtet. Den Eintrittsspalt am Photomultiplier habe ich nun doch aus stärkeren, schwarzen Papier geformt. Dies ist stabiler als das flexible Isolierband. Jetzt fehlt eigentlich nur noch der Einbau der Neutraldichtefilter...
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Für das Welle-Teilchen-Experiment benötige ich ja noch einen Zähler für die Photonen. Diesen habe ich nun mittels Arduino und dem 8-digit-display MAX7219 umgesetzt. Die maximale Zählrate liegt bei rund 140.000 Pulsen/sek. Dürfte also ausreichend sein für mein Experiment :mrgreen:

Anbei noch der Arduino-code:

Code: Alles auswählen

#include "LedControl.h"
// Arduino Pin 7 to DIN, 6 to Clk, 5 to CS, no.of devices is 1
#include <Wire.h>

LedControl lc=LedControl(7,6,5,1);

volatile long pulse = 0;
int stelle[8];
const int buttonPin = 9;
int buttonState = 0;
const byte interruptPin = 2;



void setup()
   {
    Serial.begin(9600);

    pinMode(interruptPin, INPUT_PULLUP);
    pinMode(buttonPin, INPUT);

    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin), Puls, RISING);
    
    // Initialize the MAX7219 device
    lc.shutdown(0,false);   // Enable display
    lc.setIntensity(0,5);  // Set brightness level (0 is min, 15 is max)
    lc.clearDisplay(0);     // Clear display register
   }

void loop()
   {
    buttonState = digitalRead(buttonPin);

    if (buttonState == LOW)    // Reset-Knopf gedrückt
       {
        pulse = 0;
       }
    
    //pulse = 87654321;
 
    stelle[7] = (pulse%100000000)/10000000;  
    stelle[6] = (pulse%10000000)/1000000;
    stelle[5] = (pulse%1000000)/100000;
    stelle[4] = (pulse%100000)/10000;  
    stelle[3] = (pulse%10000)/1000;
    stelle[2] = (pulse%1000)/100;
    stelle[1] = (pulse%100)/10;
    stelle[0] = pulse%10;   

    for(int i=0; i<8; i++)
       {
        lc.setDigit(0,i,stelle[i],false);
       }  
    
    //delay(1000);
   }


// ==============================
// =======   INTERRUPT  =========
// ==============================

void Puls()
   {
    pulse = pulse + 1;
   }
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stoppi
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Der gestrige Tag verlief leider alles andere als erfolgreich. Habe 3 Lagen Neutraldichtefilter mit je ND 4 (also gesamte Abschwächung 10^-12) eingeklebt und danach den ersten Testlauf gestartet. Der Photomultiplier lief dabei leider auf Vollgas, sprich die Zählrate war selbst bei ausgeschaltetem Laser enorm hoch. Habe danach versucht, das Leck zu lokalisieren. Nach einiger Zeit bin ich dann drauf gekommen, dass das Gehäuse selbst Licht durchlässt. :aufsmaul: Halte ich etwa eine Taschenlampe direkt an die Seitenwand des Gehäuses, so steigert sich im abgedunkelten Raum die Zählrate enorm. Wer hätte das gedacht. Nun ist die Durchführung für den Lineartisch lichtundurchlässig, dafür das Gehäuse selbst nicht...

Was mache ich nun? Habe mir 50mm breites Isolierband bestellt. Mit diesem werde ich dann das gesamte Gehäuse abkleben. Was anderes bleibt mir im Moment nicht übrig...

Zum Laser im Innenraum: Schalte ich den Laser dazu, steigert sich bei ND12 die ohnehin recht hohe Zählrate eigentlich gar nicht. Dies bedeutet zwei Sachen: Erstens ist das Lasergehäuse im Innenraum lichtdicht, was schon einmal erfreulich ist. Zweitens ist die Abschwächung mit den 3 Lagen Neutraldichtefilter scheinbar zu hoch.

Weitere Vorgehensweise: Ich versuche mittels Klebeband das komplette Gehäuse einmal lichtdicht zu bekommen. Danach schaue ich mir die hoffentlich niedrige Ruhezählrate (Laser im Inneren ausgeschaltet) an. Wenn der hinzugeschaltete Laser diese Zählrate nicht deutlich ändert, werde ich die optische Dichte auf z.B. 10 reduzieren und dann nochmals die Zählraten mit eingeschaltetem Laser überprüfen, in der Hoffnung dass diese dann merklich ansteigt...
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

So, es gibt teilweise gute Neuigkeiten. Habe heute das Gehäuse mittels Isolierband lichtdicht bekommen. Die Nullrate liegt nun bei rund 15 Pulsen/sek. Allerdings besteht noch immer folgendes Problem: Schalte ich den Laser hinzu, erhöht sich die Zählrate derzeit nicht. Daher ist die Abschwächung wohl zu stark. Das bedeutet Klebeband an den Fugen wieder entfernen und einen Neutraldichtefilter mit ND 4.0 gegen zwei mit ND 1.0 austauschen und nochmals die Zählrate überprüfen. Den Innenraum habe ich auch noch wo möglich mittels Moosgummi etwas dunkler gestaltet, damit Streuphotonen fast keine Rolle mehr spielen.
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Dieses Experiment fuchst mich ganz gehörig... Heute habe ich zwischenzeitlich schon gedacht, den Photomultiplier durch einen zu geringen Dämpfungsfaktor der Filter geschrottet zu haben. Zum Glück arbeitet er aber wieder...

Ich habe nun das Maximum 0-ter Ordnung so weit es geht ausgeblendet und mich nur auf die Maxima höherer Ordnung konzentriert, da mir das Hauptmaximum in der Mitte meinen Photomultiplier nahezu ausreizt und dafür die Nebenmaxima kaum bis gar nicht mehr sichtbar sind. Erschwerend kommt hinzu, dass nun die Nullrate bei ND 8.0 (also Abschwächung = 10^-8) bei rund 5200 Pulsen/min liegt, die Maxima aber nur ungleich höher (ca. 6700 Pulse/min). Das bedeutet, dass die gemessenen Maxima eventuell auch durch statistische Schwankungen zustande kommen können. Deshalb erhalte ich im Moment auch kaum reproduzierbare Ergebnisse/Zählraten... :aufsmaul:

Ich werde mich daher noch "ein wenig" mit verschiedenen Abschwächungen, Blenden und Positionen der PMT spielen müssen. Noch bin ich nicht zufrieden mit dem Ergebnis. Die Frage ist halt, ob ich die Abschwächung des Lasers reduzieren soll, um höhere Zählraten zu bekommen oder ob ich besser geringere Zählraten umsetzen soll. Im ersten Fall stört wohl dann verstärkt Streulicht, im zweiten Fall könnten die Maxima im Untergrund untergehen. Alles nicht so einfach. Durch das oftmalige Abändern des Aufbaus habe ich schon gefühlte 50m Isolierband verbraucht :roll:
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Zuletzt geändert von stoppi am Sa 20. Okt 2018, 19:16, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Der Intensitätsverlauf bei Verwendung eines Einzelspalts ist natürlich alles andere als optimal. Bereits das erste Nebenmaximum besitzt verglichen mit dem Maximum 0ter Ordnung nur noch eine Intensität von ca. 5%. Wenn ich also die Zählrate auf das zentrale Maximum abstimme, verschwinden die Nebenmaxima (wie auch experimentell überprüft) im Hintergrund. Ich erhalte mit zunehmender Ablenkung lediglich eine Abnahme der Zählrate ohne Maxima und Minima. Wenn ich wie bereits getan das zentrale Maximum (0ter Ordnung) ausblende und ich mich nur auf die Nebenmaxima konzentriere, erhalte ich einen etwas ausgeprägteren Verlauf (siehe Abbildung oben). Aber auch dann heben sich die Maxima kaum vom Hintergrund (dieser beträgt bei geringerer Komparatorschwelle immerhin rund 5000-6000 Pulse/min) ab.

Deshalb begab ich mich auf die Suche nach einem Beugungsgitter, da dann die Nebenmaxima erstens schärfer und zweitens deutlich intensiver hervortreten. Gefunden habe ich ein passendes mit 80 Linien/mm. Damit beträgt der Beugungswinkel des 1. Maximums bei Verwendung eines grünen DPSS-Lasers (532 nm) rund 2.44°. Dies liefert eine x-Abweichung am Ort des Photomultipliers von 4.26 mm. Der maximale Verstellweg des Lineartisches beträgt +/- 6.5 mm (bei mit nur von -1.5 bis +6.5mm nutzbar). Von daher müsste ich schön das Maximum 0ter und 1ter Ordung abbilden können. Wenn's neues gibt berichte ich wieder.
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buedes
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von buedes »

Hallo stoppi!

Was hast du da für eine Bezugsquelle für das Liniengitter?

Gruß, Horst
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

Bezugsquelle Gitter: https://www.ivohaas.at/157~PRODUKT/3547 ... r-8-linien

Gitter ist heute eingetroffen. Die Maxima sind erfreulicherweise nur wenig unterschiedlich hell. Werde das Gitter dann einmal anstelle des Spalts einbauen...
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

So, das Gitter ist eingebaut. Habe auch noch einige Flächen mit schwarzem Moosgummi abgedeckt, damit das Streulicht eingedämmt wird. Jetzt muss ich nur noch die optische Dichte der Filter anpassen und hoffen, dass dann die (beiden) Maxima in punkto Zählraten deutlich über den Hintergrund herausstechen...
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Re: Experimente mit einem Photomultiplier

Beitrag von stoppi »

So, es ist vollbracht. Gestern den ersten wirklich erfolgreichen und reproduzierbaren Durchlauf gehabt. Es sind was die Zählraten betrifft deutlich 3 Maxima auszumachen im erwarteten Abstand von rund 4 mm. :headbang:

Was mich der Spaß gekostet hat, ist auch aufgelistet.

Damit ist dieses Projekt abgeschlossen. Mal schauen, was ich noch alles mit Photomultiplier anstellen kann...

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