Röntgenstrahlung Bildröhren

[Kermit]

- Spannung: 45 kV

Die Experimente sind ziemlich spannend

Unabhängig davon können alle Energien über der max. Beschleunigungsspannung von 45 kV nicht vorkommen.

Möglicherweise stimmt die Zuordnung Energie zu Kanal ganz unten nicht?

entweder das oder irgendwelche Überlagerungen in der Elektronik auf Grund zu hoher Totzeit etc..

[opengeiger.de]

Das Spektrum bei 35 kV sieht in linearer Darstellung wie folgt aus:
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Die Zählrate lag nur noch bei 55 cps, so dass das Spektrum sicher aussagekräftiger ist. Dennoch hätte ich das Maximum bei niedrigeren Energien erwartet.

Ich hab nun mal zum Vergleich meinen alten englischen Ionisationsrauchmelder zusammen mit dem RC-101 in die Bleikammer gesteckt und auf ein wenig Abstand geachtet. Die Zählrate war daher unter 2 cps in der Bleikammer. Dann seh ich die 59keV Linie bei meiner Energie-Kalibrierung bei 67keV. Mit der 1.20 Software sieht man bei Filter 0 ja noch 256 individuelle Bins, aber man kann schon erkennen, dass es ein recht schmaler Peak sein muss.

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Schaut man sich nun die DY86 X-Ray Spektren von DL3HRT an, dann sieht man jetzt doch, dass es mit mehr Abstand und weniger Zählrate sehr deutlich besser wird. Das hilft also schon im Vergleich zu einem massiven Pile-Up bei der kilo-cps Zählrate.

Das lineare Spektrum mit 54.8cps sieht doch im Vergleich zum Rauchmelder-Spektrum richtig gut aus. Man muss ja bedenken es ist ein Bremsstrahlungsspektrum, das hat ja von Natur aus hübsche Rundungen und ist kein Peak. Daher denk ich, könnt das von der spektralen Breite her schon ganz gut passen. Und was die absolute Lage anbelangt, dann kann das wirklich an den ,,Calibration Coefficients" für die Energie-Kalibrierung des Radiacode liegen. Ich habe meine Energie-Kalibrierung nach dem Verfahren, was ich in:
 
http://www.opengeiger.de/AnleitungSpektrumKalRC101.pdf

beschrieben habe, gemacht. Man kann beim RC-101 ja nicht beeinflussen in welche Bins die jeweiligen Pulshöhen sortiert werden, sondern man kann nur bestimmen, was als Energien unten entlang der x-Achse des Spektrums unter die Bins geschrieben wird, und das beeinflussen diese Koeffizienten. Sie definieren ein Polynom anhand dessen die Bins in Energie umgerechnet werden. Das bedeutet, dieses Polynom soll quasi die Energie=f(Bin-Index) Funktion approximieren. Diese Approximation gelingt aber leider nur mehr oder weniger gut, wenn man sie über den ganzen Energiebereich des RC-101 hinweg macht. Sie hat dann lokal doch manchmal deutliche Abweichungen. Das ist, wenn man nur 3 Koeffizienten hat und diese Funktion ne gewisse Welligkeit hat doch ne gewisse Herausforderung, diese Approximation überall gut hinzubekommen. Bei meinem Rauchmelderspektrum sieht man daher deutlich, dass der Peak bei 67keV rauskommt und nicht bei 59keV, da ich natürlich darauf geachtet habe, dass diese Energie-Kalibrierung über den ganzen Energie-Bereich des RC-101 gut sein soll, und nicht nur im X-Ray Bereich unter 200keV.

Also ich denke, wer bei Röntgenenergien unterwegs sein will, der sollte für den Bereich unter 200keV separate X-Ray Kalibrier-Koeffizienten bestimmen, vielleicht mit dem Lu176, dem Am241 und wenn das geht mit der Ba137m Linie bei 32.193keV, welches man im Cs137 Spektrum sehen könnte, falls man einen guten Prüfstrahler hat. Ich werde das jetzt noch an meinem Spark-Gap Röhrchen testen, ob man da diese 32keV Linie ausmachen kann. Vielleicht kann das noch jemand testen, ob man diese Linie gut findet.

Und im Grunde genommen, könnte man, wenn man die Hochspannungsmessung sauber hinbekommt, und das Maximum der Bremsstrahlungsverteilung richtig ausrechnet, zumindest eine Stützstelle für die X-Ray Kalibrier-Koeffizienten auch relativ gut festlegen. Auch das könnte jemand, der ne einstellbare Hochspannungsquelle hat, einfach mal ausprobieren.

[DL3HRT]

Ich habe heute die Energiekalibrierung meines RadiaCode-101 bei niedrigen Energien überprüft. Dazu eignen sich sowohl Am-241 als auch Cs-137, da bei Röntgenfluoreszenz bei 26 keV bzw. 32 keV zeigen. Ich habe festgestellt, dass mein RadiaCode-101 in diesem Bereich ca. 7 keV zuviel anzeigt.

Daher habe ich noch einmal eine Messung durchgeführt und dabei die Hochspannung nur auf 25 kV eingestellt. Die Röntgenemission beginnt bei knapp über 23 kV und bei 25 kV ist die Zählrate noch sehr übersichtlich. Der Strom durch die Röhre war kleiner als 1 µA, also so gut wie nichts. Das Spektrum habe ich als CSV-Datei exportiert und danach in Excel weiterverarbeitet (Korrektur der Energie, keine Filterung etc.).
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[etalon]

Eigentlich wollte ich ja erst mal nichts mehr schreiben... 

Was man bei den Röntgen-Spektren von @DL3HRT sieht, ist eine Überlagerung von mehreren Ursachen. Ich versuche sie mal etwas aufzudröseln...

Beginnen wir bei der Röhre. Wenn ich das richtig in Erinnerung habe, dann ist die Annode ein Metallzylinder, der die Kathode mantelförmig umgibt. Die Annode besteht vermutlich aus Stahl(?) und ist rund 1mm(?) dick. Dann kommt noch die Glaswandung der Röhre. Das alles bildet für Röntgenstrahlung mit Emax= 35/45 keV eine starke Filterung für die niedrigen Energien. Dann gibt es noch die vorgelagerten Strukturen des Radiacode, welche auch nochmals filtern. Das heißt, das Spektrum, welches am Detektor des Radiacode ankommt, ist wohl schon sehr aufgehärtet und hat unterhalb der Emax wohl nur noch sehr wenig Photonenfluß. Man kann das zum Vergleich auch schön an dem von Peter gerechneten Spektrum mit 60kV und 2,5mm Alufilterung sehen, was da passiert.

Daher ist der sehr steile Anstieg hin zu Emax zu erklären. Im Spektrum sieht man schön Emax bei rund 35 keV, was ja passt. Was die Form betrifft, so ist man in diesem kleinen Energiebereich mit dem Radiacode doch recht undersampled, da die Impulse nur in ein, zwei Kanäle einlaufen. Durch die verwendete Glättungsfunktion wird das Ganze nochmal zusätzlich verschmiert, da diese ja am Anfang des Spektrums gegen Null strebt.

Dann sollte eigentlich oberhalb von 35 keV nichts mehr kommen. Das Spektrum sollte dort hart gegen Null abfallen. Das tut es aber nicht. Das hat auch wieder mehrere Gründe.
Zum Einen gibt es bei den hohen Zählraten, wie Bernd schon richtig schreibt, einen gewissen Pile up. Das zu verhindern wird bei professionellen Geräten durch einen gegateten ADC/MCA erreicht, welcher durch einen schnellen Zeit-Signalzweig getriggert wird (der energetische Signalzweig ist durch Peakumformung relativ langsam). Um so kürzer das Gate offen ist, desto weniger Pile up hat man, dafür verliert man viele Pulse und die Totzeit steigt. Daher ist diese Einstellung immer ein gewisser trade off. Ich glaube allerdings nicht, dass der Radiacode soetwas hat, daher würde ich da auch bei hohen Zählraten ein gewisses Pile up erwarten, aber dafür sehr wenig Totzeit.

Jetzt ist das bei hohen Zählraten und vor allem hohen Photonenflüssen, wie man sie bei ,,Röntgenröhren" erwarten kann, nicht das einzige Problem, denn man hat auch viele unkorrelierte Summationen. Wenn so viele Photonen den Detektor treffen, dann kommt es statistisch halt zunehmend wahrscheinlich vor, dass mehrere Photonen ihre Energie im Kristall gleichzeitig (teil-)deponieren, was dann einer höheren Summenenergie entspricht. Diese wird dann im MCA entsprechend weiter rechts einsortiert.

Beide Ursachen erzeugen Impulse jenseits der 35 keV, aber beide sind sehr Zählraten- und Photonenflussabhängig. Das heißt, bei der letzten Messung mit entsprechend Abstand und deutlich reduzierter Zählrate/Photonenfluss, müsste das relativ zur Zählrate weniger werden. Wird es aber nicht so signifikant, wie man es erwarten würde. Warum, bringt uns zum Hauptgrund der Spektrenform >35 keV.

Zum einen ist man wieder Opfer der wenigen Kanäle des Radiacode und der mathematischen Glättung. Das ist ganz äquivalent zu der niederenergetischen Seite. Allerdings kommt hier auch noch die sehr schlechte Zähl-Statistik zum Tragen (gilt natürlich auch für die niederenergetische Seite des ,,Peaks"), welche so ein kleiner Kristall halt nunmal hat. Und die macht halt die Peaks breit (energetische Auflösung schlecht), selbst wenn der eigentliche Peak eigentlich bei 35 keV senkrecht abfallen müsste, so ist dieser doch nur das Abbild einer mittleren Photonenanzahl, welche der Kristall bei dieser Energie eben liefert. Das können aber bei schlechter Statistik (großes sigma) auch mal ein paar Photonen mehr oder weniger sein, was dann eben nicht zu einem senkrechten Abfall der Kante bei 35 keV führt, sondern zu einer erwartbaren Gaussverteilung der rechten Flanke. Und das ist sehr schön vor allem im letzten Spektrum von @DL3HRT und in dem 59 keV Spektrum von Bernd zu sehen und sicher der Hauptgrund, warum man in diesem Spektrum >35 keV noch Signal hat...

Ich hoffe, dass das jetzt nicht zu verworren war, und man wenigstens etwas folgen konnte... 

P.S.: Das sind übrigens die selben Effekte, wie man sie an Comptonkanten in Spektren findet...   

[DL8BCN]

Das ist schon ein sehr komplexes Thema!
Gut das wir hier Fachleute haben, die ein wenig Licht ins Dunkle bringen
Man muss schon gewillt sein, sich intensiv mit der Sache zu beschäftigen, sonst kann man sicherlich nicht folgen.

[Peter-1]

Liebe Röntgenfreunde,

ich habe mal schnell gerechnet. Mit den Daten der NIST für den Massenschwächungskoeffizient und der Annahme der Materialien zeigt sich dieses Bild.
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Hilft vielleich auch wieder etwas weiter.

[DL3HRT]

Beginnen wir bei der Röhre. Wenn ich das richtig in Erinnerung habe, dann ist die Annode ein Metallzylinder, der die Kathode mantelförmig umgibt. Die Annode besteht vermutlich aus Stahl(?) und ist rund 1mm(?) dick. Dann kommt noch die Glaswandung der Röhre. Das alles bildet für Röntgenstrahlung mit Emax= 35/45 keV eine starke Filterung für die niedrigen Energien. Dann gibt es noch die vorgelagerten Strukturen des Radiacode, welche auch nochmals filtern. Das heißt, das Spektrum, welches am Detektor des Radiacode ankommt, ist wohl schon sehr aufgehärtet und hat unterhalb der Emax wohl nur noch sehr wenig Photonenfluß. Man kann das zum Vergleich auch schön an dem von Peter gerechneten Spektrum mit 60kV und 2,5mm Alufilterung sehen, was da passiert.

Das Anodenmaterial kann auch Nickel sein aber das kommt aufs Gleiche raus. Die Bleche haben eine geringere Dicke, sicherlich <0.5mm. Aber du hast natürlich Recht, dass das bereits Glas der Röhre die niederenergetische Strahlung herausfiltert und dann auch noch das Gehäuse des RadiaCode-101.

Zum einen ist man wieder Opfer der wenigen Kanäle des Radiacode und der mathematischen Glättung.

Richtig, denn der Abstand zwischen zwei Kanälen beträgt 2,4 keV. Geht man von Quantisierungsfehlern des AD-Wandlers von 1-2 Bit aus, so ist die gemessene Energie dann schon 2,4 keV oder 4,8 keV zu hoch oder zu niedrig. Ein Photon mit einer Energie von 30 keV kann also im Extremfall als 25,2 keV oder 34,8 keV registriert werden.

[opengeiger.de]

Während Etalon uns nochmal weitere Details zum Geschehen bei DL3HRTs Versuchen genannt hat, die das was wir da sehen erklärt (super! Danke!), ist meine SparkGap Messung in der Bleikammer in der Zwischenzeit recht brauchbar gelaufen (mit 3-stündigem Background). Ich habe in der Grafik auf der x-Achse nur die Bins dargestellt und nicht die von der Energie-Kalibrierung zugeordneten Energien. Wenn ich mir das so anschaue, dann denke ich doch, dass man hier bei meinem RC-101 ganz vorne in Bin 3 die 32keV Linie des Ba137m aus dem Cs137 Zerfall ganz deutlich sieht.

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Das heißt aber, man könnte die, zusammen mit der Am241 Linie bei 59keV (bei mir in Bin 6) für eine spezielle X-Ray Energie-Kalibrierung des RC-101 benutzen. Meiner Meinung nach könnte man zudem, wenn man sich nur auf den Energiebereich ganz da vorne bei den niederen Energien beschränkt, den Koeffizienten a2 einfach mal zu Null setzen und einen linearen Zusammenhang unterstellen (lineare Trendlinie in Excel). Aus der 32keV Linie und der 59keV Linie kann man dann a0 und a1 graphisch bestimmen lassen. Man kanns aber auch ganz einfach ausrechnen (beispielsweise bei meinem RC-101): a1=(59-32)/(6-3)=9 und a0=59-a1*6=5. Und das müsste dann zwischen 10keV und 100keV auf jeden Fall gut passen. Ich denke den quadratischen Term mit a2 braucht man nur wenn die Energie-Kalibrierung auch noch hoch bis zu Energien von 3MeV stimmen soll. Dadurch könnte es aber im unteren Bereich auch wieder etwas ungenauer werden. Vielleicht hilft so eine spezielle X-Ray Energie-Kalibrierung, abzusichern, dass die Energiewerte auf der x-Achse stimmen. Oder, was meinen die RC-101 Experten? 

[DL3HRT]

Ja, so habe ich die Energiekalibrierung bei meinem RadiaCode-101 überprüft. Die untere Cs-137 Linie ist eindeutig zu sehen und die war bei meinem Gerät 7 keV zu weit oben. Ich habe das Spektrum dann also CSV-Datei exportiert. Da bekommt man Kanalnummer und Zählrate. Die Energie habe ich mir dann mit den drei Koeffizienten selbst ausgerechnet und dabei die 7 keV abgezogen.

[opengeiger.de]

Daher habe ich noch einmal eine Messung durchgeführt und dabei die Hochspannung nur auf 25 kV eingestellt. Die Röntgenemission beginnt bei knapp über 23 kV und bei 25 kV ist die Zählrate noch sehr übersichtlich. Der Strom durch die Röhre war kleiner als 1 µA, also so gut wie nichts. Das Spektrum habe ich als CSV-Datei exportiert und danach in Excel weiterverarbeitet (Korrektur der Energie, keine Filterung etc.).
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Super, dann ist doch dieses Diagramm von DL3HRT jetzt zusammen mit Etalons und Peters Erklärungen quasi der Gold-Standard, und die Röhren- und Radiacode-Freaks wissen nun, wie man so ein Spektrum hinbekommt!   

Mir persönlich reichts allerdings, wenn ich die Spektren der Röhren-Fachleute hier gepostet sehe.        

[opengeiger.de]

Was mir jetzt noch auffällt, wenn z.B. bei meinem RC-101 die 32keV des Cs137 in Bin 3 rauskommen und das Am241 in Bin 6, dann passt das ja mit dem Tritium-Gaslicht in Bin 1 doch eigentlich auch ganz gut  . Denn wenn sich so die X-Ray Energie-Cal im Falle meines RC-101 mit A0=5 und A1=9 aus der Am241 und der Cs137 Linie ergibt, dann lautet die Energie-Cal ja:

E = A0+A1*Bin

und wenn ich da nun für Bin=1 für das Tritium Gaslicht einsetze, kommt was raus? 

Frage an @DL3HRT  und an die anderen, in welchem Bin kommt denn bei Eurem RC-101 die Am241 Linie bei 59keV und die Cs137 Linie bei 32keV raus? Ist das immer Bin 3 und 6? Wie stark variiert das denn überhaupt von Gerät zu Gerät?

Wär doch mal ganz nett zu wissen, vielleicht ist die E = 5+9*Bin eine ganz brauchbare, generische X-Ray Energie-Cal für den RC-101?
   

[DL3HRT]

Frage an @DL3HRT  und an die anderen, in welchem Bin kommt denn bei Eurem RC-101 die Am241 Linie bei 59keV und die Cs137 Linie bei 32keV raus? Ist das immer Bin 3 und 6? Wie stark variiert das denn überhaupt von Gerät zu Gerät?

32 keV kann man aus meinem letzten Röntgenspektrum auszählen, weil die einzelnen Kanäle markiert sind. Wenn ich anfange bei 0 zu zählen, komme ich auf Bin 13. Es scheint von Gerät zu Gerät doch recht unterschiedlich zu sein. Bei mir läuft allerdings schon die neue Version mit 1024 Kanälen.

[opengeiger.de]

32 keV kann man aus meinem letzten Röntgenspektrum auszählen, weil die einzelnen Kanäle markiert sind. Wenn ich anfange bei 0 zu zählen, komme ich auf Bin 13. Es scheint von Gerät zu Gerät doch recht unterschiedlich zu sein.

Ok, jetzt müssen wir aber sehen, dass Du schon auf Version 1.30 bist, d.h. dein Spektrum hat 1024 Bins. Ich hab noch Version 1.20 also 256 Bins, das ist ein Faktor 4 Unterschied. Ich müsste sinnigerweise meine Zählung der Bins auch bei Null beginnen, damit ist die 32keV Linie des Cs137 bei 2 und die 59keV Linie des Am241 bei 5. Dann wäre die X-Ray Energie-Cal für mein 256-Bin Spektrum (bis Version 1.20) bei:
 
E=14 + 9*Bin_256

Nun sind in Deinem Excel Spektrum die 59keV des Am241 leider nicht sichtbar, aber nehmen wir mal den letzen Bin Nr 21 (erster Bin ist Nr 0), der liegt bei 51keV, wenn ich das richtig sehe. Also hätten wir bei Dir:

E = 1.125 + 2.375*Bin_1024

für das 1024-Bin Spektrum (ab Version 1.30)

Nun können wir ja mal versuchen Deine 1024-Bin X-Ray Energie-Cal mit dem Faktor in eine 256-Bin Cal umzurechnen. Dann käm da raus:

E = 4.5 + 9.5*Bin_256

Damit läge also bei Dir, wenn Du noch Version 1.20 hättest mit einem 256-Bin Spektrum die Cs137 Linie bei 32keV in Bin 3 und die Am241 Linie in Bin 6 (wenn man die Bins ab 0 zählt) während sie bei mir ja in Bin 2 und Bin 5 liegen. Also genau um 1 versetzt.

Das heisst so unterschiedlich ist das gar nicht! Allerdings hat dieser Versatz um 1 im 256-Bin Spektrum gleich einen nachhaltigen Einfluss auf die Kalibrierkoeffizienten A0 und A1.

Das wirft jetzt aber doch die Frage auf, sind denn die 1024 Bins im 1024-Bin Spektrum des RC-101 wirklich "echte" 1024 Bins? Dass der ADC im MCA ein 10Bit ADC ist, ist gut vorstellbar, das ist ja bei Mikrocontrollern dieser Art wirklich der Mindest-Standard. Aber wie groß ist denn die Zahl der "effektiven Bits" bei dem 1cm^3 Kristall mit SiPM und den nachfolgenden OPs zur Verstärkung (d.h. wie groß ist ENOB, für die Fachleute gesprochen)? Die Zahl der effektiven Bits ist doch so grob zum Signal-zu-Rausch Abstand (SNR) im Gerät proportional und das Rauschen wird nicht gerade -100dBm sein. Die Frage ist daher, sind das wirklich 10 effektive Bits? Ich kanns mir kaum vorstellen. Also macht es dann wirklich Sinn, den Bereich der Pulshöhen in 1024 Klassen aufzuteilen? Oder sind die 1024 Bins im Spektrum ab V1.30 nicht einfach nur äquivalent zu den 256 Klassen des bisherigen MCA und das wurde so gemacht, damit das genau so schön aussieht wie beim Raysid und der MCA läuft in Wirklichkeit fast wie bisher eben dann mit 256 "effektiven Bins"? 

Tja, spannende Frage. Wer knackt die Nuss?       


 (Edited)
 

[DL3HRT]

Das wirft jetzt aber doch die Frage auf, sind denn die 1024 Bins im 1024-Bin Spektrum des RC-101 wirklich "echte" 1024 Bins? Dass der ADC im MCA ein 10Bit ADC ist, ist gut vorstellbar, das ist ja bei Mikrocontrollern dieser Art wirklich der Mindest-Standard. Aber wie groß ist denn die Zahl der "effektiven Bits" bei dem 1cm^3 Kristall mit SiPM und den nachfolgenden OPs zur Verstärkung (d.h. wie groß ist ENOB, für die Fachleute gesprochen)?

Ich lasse dir einen Teil der Antwort einfach selbst geben. 

Irgendjemand im Forum hat geschrieben im RC101 ist ein STM32L475 verbaut. Und ich meine, im Video "von dem mit den blauen Handschuhen" auch einen STM32 Baustein gesehen zu haben. Der STM32L475 hat drei 12bit ADCs, die im interleaved mode mit 5 Megasamples pro Sekunde laufen können.

Wenn 12bit ADCs verwendet werden, dann sind 10 effektive Bits schon realistisch. Das setzt natürlich voraus, dass die Signalaufbereitung so gestaltet ist, dass man den gesamten Messbereich der ADCs auch nutzen kann.

Ein anderer Aspekt der genauen Energiekalibrierung ist der Einfluss der Temperatur auf den Kristall. Der wird zwar laut Aussage der Entwickler kompensiert. Die Frage ist allerdings, wo die Temperatur gemessen wird.

[Henri]

Wenn 12bit ADCs verwendet werden, dann sind 10 effektive Bits schon realistisch. Das setzt natürlich voraus, dass die Signalaufbereitung so gestaltet ist, dass man den gesamten Messbereich der ADCs auch nutzen kann.

Ein anderer Aspekt der genauen Energiekalibrierung ist der Einfluss der Temperatur auf den Kristall. Der wird zwar laut Aussage der Entwickler kompensiert. Die Frage ist allerdings, wo die Temperatur gemessen wird.

Na ja, bei (laut Datenblatt) 12 +/-1 % FWHM bei 662 keV sind 1024 Kanäle eh nur Kosmetik... Es wollten ja unbedingt alle dieses Feature, nun ist es da, aber der verbaute Kristall begrenzt halt schon sehr deutlich die Möglichkeiten des Geräts. Daran kann man mit einem Software-Update auch nichts mehr ändern...