Prijenosni detektor zračenja: 10 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Ovo je vodič za projektiranje, konstrukciju i testiranje vlastitog prijenosnog detektora zračenja od silicijske foto-diode pogodnog za raspon detekcije 5keV-10MeV za precizno kvantificiranje gama-zraka niske energije koje dolaze iz radioaktivnih izvora! Obratite pažnju ako ne želite postati radioaktivni zombi: nije sigurno biti u blizini izvora jakog zračenja i ovaj uređaj se NE smije koristiti kao pouzdan način za otkrivanje potencijalno štetnog zračenja.

Počnimo s malo pozadinske nauke o detektoru prije nego što krenemo u njegovu konstrukciju. Gore je prekrasan Veritasium video zapis koji objašnjava šta je zračenje i odakle dolazi.

Korak 1: Prvo, puno fizike

(Legenda o slici: Ionizirajuće zračenje stvara parove elektron-rupa u unutrašnjoj regiji što rezultira impulsom naboja.)

Komore sa svjećicama, Geiger-ovi i foto-multiplikatori cijevnih detektora … sve ove vrste detektora su ili glomazne, skupe ili za rad koriste visoke napone. Postoji nekoliko tipova Geiger cijevi prilagođenih proizvođačima, poput https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product/483. Druge metode za detekciju zračenja su detektori čvrstog stanja (npr. Germanijevi detektori). Međutim, oni su skupi za proizvodnju i zahtijevaju specijaliziranu opremu (pomislite na hlađenje tekućim dušikom!). Naprotiv, poluprovodnički detektori su vrlo isplativi. Oni se široko koriste i igraju bitnu ulogu u fizici čestica visokih energija, medicinskoj fizici i astrofizici.

Ovdje izrađujemo prijenosni detektor radijacije u čvrstom stanju koji može precizno kvantificirati i detektirati gama-zrake niske energije koji dolaze iz radioaktivnih izvora. Uređaj se sastoji od niza reverzibilnih silikonskih PiN dioda velike površine, koje izlaze na pretpojačalo naboja, pojačalo diferencijatora, diskriminator i komparator. Izlaz svih uzastopnih faza pretvara se u digitalne signale radi analize. Počet ćemo opisujući principe detektora čestica silicija, PiN dioda, obrnutog biasiranja i drugih povezanih parametara. Zatim ćemo objasniti različite istrage koje su provedene i načinjene izbore. Na kraju ćemo predstaviti konačni prototip i testiranje.

SolidState detektori

U mnogim aplikacijama za detekciju zračenja, upotreba čvrstog detekcijskog medija ima značajnu prednost (alternativno se nazivaju poluvodički detektori ili poluprovodnički detektori). Silikonske diode su detektori izbora za veliki broj primjena, posebno kada se radi o česticama s teškim nabojem. Ako mjerenje energije nije potrebno, izvrsne vremenske karakteristike detektora sa silikonskom diodom omogućuju precizno brojanje i praćenje nabijenih čestica.

Za mjerenje elektrona velike energije ili gama zraka, dimenzije detektora mogu se držati mnogo manje od alternativa. Korištenje poluvodičkih materijala kao detektora zračenja također rezultira većim brojem nosača za određeni incidentni zračni događaj, a samim tim i nižom statističkom granicom energetske rezolucije nego što je moguće s drugim vrstama detektora. Shodno tome, upotrebom takvih detektora postiže se najbolja energetska rezolucija koja se danas može postići.

Osnovni nosioci informacija su parovi elektron-rupa stvoreni duž putanje koju nabijena čestica prolazi kroz detektor (vidi gornju sliku). Prikupljanjem ovih parova elektron-rupa, mjereno kao naboji na elektrodama senzora, formira se signal detekcije, koji prelazi u faze pojačanja i diskriminacije. Dodatne poželjne karakteristike poluprovodničkih detektora su kompaktna veličina, relativno brze vremenske karakteristike i efikasna debljina (*). Kao i kod svakog detektora, postoje nedostaci, uključujući ograničenje na male veličine i relativno mogućnost da ti uređaji propadnu performanse zbog oštećenja uzrokovanih zračenjem.

(*: Tanki senzori minimiziraju višestruko rasipanje, dok deblji senzori stvaraju više naboja kada čestica pređe podlogu.)

P − i − N diode:

Svaka vrsta detektora zračenja proizvodi karakterističan izlaz nakon interakcije sa zračenjem. Interakcije čestica s materijom razlikuju se po tri učinka:

1. fotoelektrični efekat
2. Comptonovo rasipanje
3. Proizvodnja u paru.

Osnovni princip ravnog silicijskog detektora je upotreba PN spoja u kojem čestice stupaju u interakciju putem ova tri fenomena. Najjednostavniji plosnati silikonski senzor sastoji se od P legirane podloge i N-implantata s jedne strane. Parovi elektron-rupa stvaraju se duž putanje čestica. U području PN spoja postoji regija bez nosača naboja, koja se naziva zona iscrpljivanja. Parovi elektron-rupa stvoreni u ovoj regiji odvojeni su okolnim električnim poljem. Stoga se nositelji naboja mogu mjeriti na N ili P strani silicijskog materijala. Primjenom napona obrnute pristranosti na PN spojnu diodu, osiromašena zona raste i može pokriti cijelu podlogu senzora. Više o ovome možete pročitati ovdje: Članci Wikipedije Pin Junction.

PiN dioda ima svojstveni i region, između P i N spojeva, preplavljen nosačima naboja iz P i N-regiona. Ovo široko unutarnje područje također znači da dioda ima nizak kapacitet pri obrnutoj pristranosti. U PiN diodi, područje iscrpljivanja postoji gotovo potpuno unutar unutrašnjeg područja. Ovo područje iscrpljivanja je mnogo veće nego kod obične PN diode. Ovo povećava volumen gdje parovi elektron-rupa mogu nastati upadnim fotonom. Ako se na poluvodički materijal primijeni električno polje, i elektroni i rupe podliježu migraciji. PiN dioda je obrnuto pristrana, tako da je cijeli i-sloj osiromašen slobodnim nosačima. Ova obrnuta pristranost stvara električno polje preko i-sloja tako da se elektroni prenose u P-sloj i rupe, u N-sloj (*4).

Protok nosača kao odgovor na impuls zračenja čini izmjereni impuls struje. Da bi se povećala ova struja, i-regija mora biti što je moguće veća. Svojstva spoja su takva da provodi vrlo malo struje kada se nagne u obrnutom smjeru. P-strana spoja postaje negativna u odnosu na N-stranu, a prirodna razlika potencijala s jedne strane spoja na drugu se povećava. U tim okolnostima, manjinski nosači se privlače preko spoja, a budući da je njihova koncentracija relativno niska, obrnuta struja kroz diodu je prilično mala. Kada se na spoj primijeni obrnuta pristranost, gotovo se sav primijenjeni napon pojavljuje preko područja iscrpljivanja, jer je njegova otpornost mnogo veća od normalnog materijala tipa N ili P. Zaista, obrnuta pristranost naglašava razliku potencijala na spoju. Debljina područja iscrpljivanja se također povećava, čime se proširuje volumen preko kojeg se sakupljaju nosači naboja proizvedeni zračenjem. Nakon što je električno polje dovoljno visoko, prikupljanje naboja postaje potpuno, a visina impulsa se više ne mijenja s daljnjim povećanjem napona prednapona detektora.

(*1: Elektroni u vezanom stanju atoma izbijaju fotoni kada je energija upadnih čestica veća od energije vezanja. * *2: Interakcija koja uključuje raspršivanje čestice na slobodnom ili slabo vezanom elektronu, i prijenos neke energije na elektron. smjer kao električno polje.)

Korak 2: Istraživanje

Ovo je prototip verzija "detektora" koji smo konstruisali, otklonili greške i testirali. To je matrica koja se sastoji od više senzora koji imaju senzor zračenja u "CCD" stilu. Kao što je ranije spomenuto, svi silicijski poluvodiči su osjetljivi na zračenje. Ovisno o tome koliko je precizan i senzorima koji se koriste može se dobiti i gruba predstava o nivou energije čestice koja je uzrokovala udar.

Koristili smo neoklopljene diode koje su već namijenjene za detekciju, koje kad su obrnute (i zaklonjene od vidljive svjetlosti), mogu registrirati pogotke iz beta i gama zračenja pojačavanjem sitnih signala i čitanjem izlaznih podataka pomoću mikrokontrolera. Alfa zračenje se, međutim, rijetko može otkriti jer ne može prodrijeti čak ni u tanku tkaninu ili polimernu zaštitu. U prilogu je prekrasan Veritasium video zapis koji objašnjava različite vrste zračenja (alfa, beta i gama).

U početnim iteracijama dizajna korišten je drugi senzor (fotodioda BPW-34; poznati senzor ako progutate okolo). Postoji čak nekoliko povezanih instruktora koji ga koriste u svrhu otkrivanja zračenja, poput ovog izvrsnog: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Međutim, budući da je imao nekih grešaka i nije funkcionirao optimalno, odlučili smo izostaviti detalje ovog prototipa iz ovog uputstva kako bismo izbjegli da proizvođači naprave detektor pun nedostataka. Ipak, priložili smo datoteke dizajna i shemu u slučaju da je netko zainteresiran.

Korak 3: Dizajn

(Legende o slici: (1) Blok dijagram detektora: od stvaranja signala do prikupljanja podataka., (2) Specifikacije fotodiode X100-7: 100 mm^2 aktivna površina, 0,9 mm iscrpljena zona, premaz za blokiranje svjetla, slaba tamna struja… Kao što je prikazano na grafikonu vjerojatnosti apsorpcije, PiN diode lako apsorbiraju energiju gama zraka, (3) Napomena o prijavi proizvođača koja je potvrdila koncept dizajna i pomogla pri odabiru početnih vrijednosti komponenti.

Odlučili smo se za senzor veće površine, naime, X100−7 iz prvog senzora. Za potrebe testiranja i modularnosti, dizajnirali smo tri različita dijela, naslagana jedan na drugi: Senzori i pojačanje (pojačalo s niskim šumom + pojačalo za oblikovanje impulsa), Diskriminatori i komparator, DC/DC regulacija i DAQ (Arduino za prikupljanje podataka). Svaka faza je sastavljena, potvrđena i zasebno testirana, kao što ćete vidjeti u sljedećem koraku.

Glavna prednost poluvodičkih detektora je mala energija ionizacije (E), neovisna i o energiji i o vrsti upadnog zračenja. Ovo pojednostavljenje omogućuje da se u obzir unese energija zračenja upiše niz parova elektron-rupa, pod uvjetom da se čestica potpuno zaustavi unutar aktivne zapremine detektora. Za silicij na 23C (*) imamo E ~ 3.6eV. Pretpostavimo da je sva energija taložena i koristeći energiju ionizacije možemo izračunati broj elektrona koje proizvodi određeni izvor. Na primjer, 60-keV gama zraka iz izvora Americium-241 rezultirala bi taloženim nabojem od 0,045 fC/keV. Kao što je prikazano u specifikacijama specifikacija diode, iznad napona od oko 15 V područje iscrpljivanja može se aproksimirati kao konstantno. Ovo postavlja raspon cilja za naš prednapon na 12−15V. (*: E raste sa smanjenjem temperature.)

Funkcionalnost različitih modula detektora, njihovi sastavni dijelovi i povezani proračuni. Prilikom ocjenjivanja detektora, osjetljivost (*1) je bila presudna. Potrebno je izuzetno osjetljivo pretpojačalo naboja jer upadni gama-zrak može generirati samo nekoliko tisuća elektrona u području iscrpljivanja poluvodiča. Budući da pojačavamo mali strujni impuls, posebnu pažnju moramo posvetiti izboru komponenti, pažljivom oklopu i rasporedu ploča.

(*1: Minimalna energija koja se mora deponirati u detektoru za stvaranje posebnog signala i omjer signal / šum.)

Da bih pravilno odabrao vrijednosti komponenti, najprije sažimam zahtjeve, željene specifikacije i ograničenja:

Senzori:

• Veliki mogući raspon detekcije, 1keV-1MeV
• Mali kapacitet za smanjenje buke, 20pF-50pF
• Zanemariva struja curenja pri obrnutoj pristranosti.

Pojačavanje i diskriminacija:

• Predpojačala osjetljiva na punjenje
• Diferencijal za oblikovanje impulsa
• Komparator za signalni impuls kada je iznad postavljenog praga
• Uporednik za izlaz buke kada je unutar intervala praga
• Komparator za slučajne slučajnosti kanala
• Opći prag za filtriranje događaja.

Digitalni i mikrokontroler:

• Brzi analogno-digitalni pretvarači
• Izlazni podaci za obradu i korisničko sučelje.

Napajanje i filtriranje:

• Regulatori napona za sve faze
• Visokonaponsko napajanje za stvaranje snage pristranosti
• Pravilno filtriranje sve distribucije energije.

Odabrao sam sljedeće komponente:

• DC Boost pretvarač: LM 2733
• Pojačala za punjenje: AD743
• Ostala op-pojačala: LM393 i LM741
• DAQ/Očitavanje: Arduino Nano.

Dodatne nametnute specifikacije uključuju:

• Radna brzina:> 250 kHz (84 kanala), 50 kHz (slučajno)
• Rezolucija: 10 -bitni ADC
• Brzina uzorkovanja: 5 kHz (8 kanala)
• Napon: 5V Arduino, 9V op-pojačala, ~ 12V Biasing.

Cjelokupni raspored i redoslijed gore navedenih komponenti predstavljeni su na slici blok dijagrama. Napravili smo proračune sa vrijednostima komponenti koje su korištene tokom faze testiranja (vidi treću sliku). (*: Neke vrijednosti komponenti nisu iste kao što su prvobitno planirane niti iste kao one koje su trenutno na snazi; ipak ovi proračuni pružaju okvir smjernica.)

Korak 4: Krugovi

(Legende na slici: (1) Opća shema faza 1-3 jednog kanala, uključujući baziranje dioda i razdjelnike napona koji pružaju reference za svaku fazu, pododsjeke kruga.)

Objasnimo sada "tok" detekcijskog signala jednog od četiri kanala od njegovog stvaranja do digitalne akvizicije.

Faza 1

Jedini signal od interesa dolazi iz fotodioda. Ovi senzori su obrnuto pristrani. Napajanje je stabilnih 12V koje prolazi kroz niskopropusni filter kako bi se uklonili svi neželjeni šumovi veći od 1Hz. Nakon ionizacije područja iscrpljivanja, na pinovima diode stvara se impuls naboja. Ovaj signal hvata naša prva faza pojačanja: pojačalo naboja. Pojačalo naboja može se napraviti sa bilo kojim operativnim pojačalom, ali specifikacija niske buke je vrlo važna.

Faza 2

Cilj ove faze je pretvaranje impulsa naboja detektovanog na invertirajućem ulazu u istosmjerni napon na izlazu op-pojačala. Neinvertirajući ulaz se filtrira i postavlja na razdjelnik napona na poznatom i odabranom nivou. Ovu prvu fazu je teško podesiti, ali nakon brojnih ispitivanja odlučili smo se za povratni kondenzator od 2 [pF] i povratni otpornik od 44 [MOhm], što je rezultiralo impulsom od 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. Invertirajuće pojačalo s aktivnim pojasom filtera, koje djeluje kao diferencijator, prati pojačalo naboja. Ova faza filtrira i pretvara pretvoreni istosmjerni nivo, koji izlazi iz prethodne faze u impuls s pojačanjem od 100. Sirovi signal detektora se ispituje na izlazu ove faze.

Faza 3

Sljedeći na redu su kanali signala i šuma. Ova dva izlaza idu direktno na DAQ kao i na drugu analognu PCB. Oba funkcioniraju kao komparatori op-pojačala. Jedina razlika između ova dva je u tome što kanal šuma ima niži napon na svom neinvertirajućem ulazu od signalnog kanala, a signalni kanal se također filtrira kako bi se uklonile frekvencije iznad očekivanog izlaznog impulsa iz druge faze pojačanja. Op-pojačalo LM741 djeluje kao komparator u odnosu na promjenjivi prag za diskriminaciju signalnog kanala, omogućavajući detektoru samo slanje odabranih događaja na ADC/MCU. Promenljivi otpornik na neinvertirajućem ulazu postavlja nivo okidača. U ovoj fazi (brojač koincidencija), signali sa svakog kanala se šalju na op-amp pojačalo koje djeluje kao zbirno kolo. Postavljen je fiksni prag koji se podudara s dva aktivna kanala. Op-pojačalo daje visok izlaz ako dvije ili više fotodioda registriraju pogodak istovremeno.

Napomena: Napravili smo ključnu grešku stavljanjem DC/DC pojačanog pretvarača snage biasinga blizu op-pojačala osjetljivih na naboj na PCB pojačala. Možda ćemo ovo popraviti u kasnijoj verziji.

Korak 5: Skupština

Lemljenje, puno lemljenja … Budući da senzor odabran za konačni detektor postoji samo kao komponenta otiska SMT -a, morali smo dizajnirati PCB -e (2 sloja). Stoga su sva povezana kola također migrirana na PCB ploče, a ne na matičnu ploču. Sve analogne komponente smještene su na dvije odvojene štampane ploče, a digitalne na drugu kako bi se izbjegle smetnje. Ovo su bili prvi PCB -i koje smo ikada napravili pa smo morali dobiti pomoć za raspored u Eagle -u. Najvažnija PCB ploča je senzora i pojačala. Pomoću osciloskopa koji nadzire izlaze na ispitnim mjestima, detektor može raditi samo s ovom pločom (DAQ bypass). Pronašao sam i ispravio svoje greške; to uključuje pogrešne otiske komponenti, što je dovelo do toga da naši op-pojačala s niskim šumom budu prisluškivani, i komponente na kraju vijeka trajanja koje su zamijenjene alternativama. Osim toga, dizajnu su dodana dva filtera za suzbijanje oscilacija zvonjenja.

Korak 6: Ograđivanje

Cilj 3D štampanog kućišta, olovnog lima i pjene je za: montažne svrhe, toplinsku izolaciju, zaštitu od buke i blokiranje ambijentalnog svjetla te očito zaštitu elektronike. Priložene su STL datoteke za 3D štampanje.

Korak 7: Očitavanje Arduina

Očitani (ADC/DAQ) dio detektora sastoji se od Arduino Mini (kôd u prilogu). Ovaj mikrokontroler nadzire izlaze četiri detektora i napajanje za kasnije (kvaliteta napajanja praćenja), a zatim šalje sve podatke na serijskom izlazu (USB) za daljnju analizu ili snimanje.

Desktop aplikacija Processing razvijena je (u prilogu) za iscrtavanje svih dolaznih podataka.

Korak 8: Testiranje

(Legende na slici: (1) Rezultujući impuls izvora signala 60Co (t ~ 760ms) omjer signala i šuma ~ 3: 1., (2) Ubrizgavanje ekvivalentno naboju nanesenom izvorom energije ~ 2 MeV., (3) Ubrizgavanje ekvivalentno naboju nanesenom od izvora 60Co (~ 1,2 MeV)).

Injektiranje naboja izvedeno je s generatorom impulsa spojenim na kondenzator (1pF) na podlozi senzora i prekinuto na masu preko otpornika od 50 Ohma. Ove procedure su mi omogućile da testiram svoja kola, fino podesim vrijednosti komponenti i simuliram odziv fotodioda kada su izložene aktivnom izvoru. Postavili smo i Americium-241 (60 KeV) i Iron-55 (5,9 KeV) izvor ispred dvije aktivne foto-diode, a nijedan kanal nije vidio karakterističan signal. Provjerili smo injekcijama impulsa i zaključili da su impulsi iz ovih izvora bili ispod vidljivog praga zbog nivoa buke. Međutim, i dalje smo mogli vidjeti hitove iz izvora 60Co (1,33 MeV). Glavni ograničavajući faktor tokom ispitivanja bila je značajna buka. Bilo je mnogo izvora buke i malo objašnjenja o tome šta ih generira. Otkrili smo da je jedan od najznačajnijih i najštetnijih izvora bila prisutnost šuma prije prve faze pojačanja. Zbog ogromnog dobitka, ova buka je pojačana gotovo sto puta! Možda su i nepravilno filtriranje snage i Johnsonov šum ponovo ubrizgani u povratne sprege stepena pojačala također doprinijeli (ovo bi objasnilo nizak omjer signala i šuma). Nismo istraživali ovisnost buke s pristrasnošću, ali bismo to mogli razmotriti u budućnosti.

Korak 9: Veća slika

Pogledajte video zapis s Veritasium o najradioaktivnijim mjestima na svijetu!

Ako ste ovoliko uspjeli i slijedili ste korake, čestitam! Izgradili ste aparat za primjene u stvarnom svijetu poput LHC-a! Možda biste trebali razmisliti o promjeni karijere i otići u područje nuklearne fizike:) U tehničkom smislu, izgradili ste detektor zračenja u čvrstom stanju koji se sastoji od matrice foto-dioda i pripadajućih kola za lokalizaciju i diskriminaciju događaja. Detektor se sastoji od više stupnjeva pojačanja koji pretvaraju male impulse naboja u vidljive napone, zatim ih razlikuju i uspoređuju. Komparator, između kanala, također pruža informacije o prostornoj distribuciji otkrivenih događaja. Također ste uključili upotrebu Arduino mikrokontrolera i bitan softver za prikupljanje i analizu podataka.

Korak 10: Reference

Osim divnih PDF -ova u prilogu, evo i nekih povezanih informativnih izvora:

- F. A. Smith, Primer u primenjenoj fizici zračenja, World Scientific, River Edge, NJ, 2000.

- Prvi senzor, prvi senzor PIN PD Tehnički list Opis dijela X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul and Hill, Winfield, Umjetnost elektronike. Cambridge University Press, 1989.

- C. Thiel, Uvod u poluprovodničke detektore zračenja, Web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- Lyndon Evans, Veliki hadronski sudarač: čudo tehnologije, Ed. EPFL Press, 2009.