Prijenosni detektor zračenja: 10 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

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

Počnimo s malo pozadinske znanosti o detektoru prije nego što krenemo u njegovu izgradnju. Gore se nalazi prekrasan video zapis Veritasium -a koji objašnjava što je zračenje i odakle dolazi.

Korak 1: Prvo, puno fizike

(Legenda slike: Ionizirajuće zračenje stvara parove elektron-rupa u unutarnjoj regiji što rezultira impulsom naboja.)

Komore sa svjećicama, Geiger-ovi i foto-multiplikatori cijevnih detektora … sve ove vrste detektora su ili nezgrapne, skupe ili za rad koriste visoke napone. Postoji nekoliko 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, detektori čvrstog stanja vrlo su isplativi. Oni se široko koriste i imaju 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 niskoenergetske gama-zrake koje dolaze iz radioaktivnih izvora. Uređaj se sastoji od niza reverzibilnih silikonskih PiN dioda velike površine, koje izlaze na pretpojačalo naboja, pojačalo diferencijatora, diskriminator i usporednik. Izlaz svih uzastopnih stupnjeva pretvara se u digitalne signale radi analize. Počet ćemo opisujući principe detektora čestica silicija, PiN dioda, obrnutog biasiranja i drugih pridruženih 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 otkrivanje zračenja, upotreba čvrstog medija za detekciju ima značajnu prednost (alternativno se nazivaju detektori poluvodičkih dioda ili detektori u čvrstom stanju). Silicijske diode su detektori izbora za veliki broj primjena, osobito kada se radi o česticama s teškim nabojem. Ako mjerenje energije nije potrebno, izvrsne vremenske karakteristike detektora od silicijeve diode omogućuju točno brojanje i praćenje nabijenih čestica.

Za mjerenje visokoenergetskih elektrona 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 time i nižom statističkom granicom energetske razlučivosti nego što je moguće s drugim vrstama detektora. Posljedično, upotrebom takvih detektora danas se postiže najbolja energetska razlučivost koja se danas može postići.

Temeljni nositelji informacija su parovi elektron-rupa stvoreni duž puta koji nabijena čestica prolazi kroz detektor (vidi gornju sliku). Prikupljanjem ovih parova elektron-rupa, mjerenih kao naboji na elektrodama senzora, formira se signal detekcije koji prelazi u faze pojačanja i diskriminacije. Dodatne poželjne značajke poluprovodničkih detektora su kompaktna veličina, relativno brze vremenske karakteristike i učinkovita debljina (*). Kao i kod svakog detektora, postoje nedostaci, uključujući ograničenje na male veličine i relativno mogućnost da se ti uređaji degradiraju 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 efekt
2. Comptonovo raspršenje
3. Proizvodnja u paru.

Temeljni princip ravnog silicijskog detektora je korištenje PN spoja u kojem čestice stupaju u interakciju putem ta tri fenomena. Najjednostavniji plosnati silicijski senzor sastoji se od supstrata dopiranog P 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 silicijevog materijala. Primjenom napona obrnutog pristranosti na diodu spoja PN, osiromašena zona raste i može pokriti cijelu podlogu osjetnika. Više o ovome možete pročitati ovdje: Članci Wikipedije Pin Junction.

PiN dioda ima svojstveno područje i, između P i N spojeva, preplavljeno nosačima naboja iz P i N-područja. Ovo široko unutarnje područje također znači da dioda ima nizak kapacitet kada je obrnuta. U PiN diodi, područje iscrpljivanja postoji gotovo potpuno unutar unutarnjeg područja. Ovo područje iscrpljivanja mnogo je veće nego kod obične PN diode. To povećava volumen gdje parovi elektron-rupa mogu nastati upadnim fotonom. Ako se na poluvodički materijal primijeni električno polje, i elektroni i rupe prolaze kroz migraciju. 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 vodi vrlo malo struje kada je pristran 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 su nositelji privučeni preko spoja, a budući da je njihova koncentracija relativno niska, obrnuta struja kroz diodu je prilično mala. Kad se na spoj primijeni obrnuta pristranost, praktički se sav primijenjeni napon pojavljuje na području iscrpljivanja, jer je njegov otpor mnogo veći od normalnog materijala tipa N ili P. Doista, obrnuta pristranost naglašava razliku potencijala na spoju. Debljina područja iscrpljivanja također se povećava, čime se proširuje volumen na kojem se prikupljaju 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 izbacuju se fotoni kada je energija upadnih čestica veća od energije vezanja. *2: Interakcija koja uključuje raspršivanje čestice na slobodnom ili slabo vezanom elektronu, i prijenos dijela energije na elektron. smjer kao električno polje.)

Korak 2: Istraživanje

Ovo je prototip verzija "detektora" koju smo konstruirali, ispravljali pogreške 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 osjetljivi su na zračenje. Ovisno o tome koliko je precizan i korištenim senzorima može se dobiti i okvirna predodžba o razini energije čestice koja je uzrokovala udar.

Koristili smo nezaštićene diode koje su već bile 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 mikrokontrolerom. Alfa zračenje se, međutim, rijetko može otkriti jer ne može prodrijeti čak ni u tanku tkaninu ili polimernu zaštitu. U privitku je prekrasan video zapis Veritasium, koji objašnjava različite vrste zračenja (alfa, beta i gama).

Početne iteracije dizajna koristile su drugačiji senzor (fotodioda BPW-34; poznati senzor ako proguglate). 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 pojedinosti o ovom prototipu iz ovog Instructablesa kako bismo izbjegli da Proizvođači naprave detektor pun nedostataka. Ipak smo priložili 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 aktivno područje, 0,9 mm iscrpljena zona, premaz za blokiranje svjetla, niska tamna struja … Kao što je prikazano na grafikonu vjerojatnosti apsorpcije, PiN diode lako apsorbiraju energiju gama zraka, (3) Napomena proizvođača o prijavi koja je potvrdila koncept projektiranja 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 usporedba, 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 uzme u obzir energija upadnog zračenja u obzir broj parova elektron-rupa, pod uvjetom da se čestica potpuno zaustavi unutar aktivnog volumena detektora. Za silicij na 23C (*) imamo E ~ 3,6eV. Pretpostavimo da se taloži sva energija i pomoću energije 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 dioda, područje iznad napona od približno 15 V područje iscrpljivanja može se aproksimirati kao konstantno. Time se postavlja ciljani raspon za naš napon prednapon na 12−15V. (*: E raste sa smanjenjem temperature.)

Funkcionalnost različitih modula detektora, njihovi sastavni dijelovi i povezani izračuni. Prilikom ocjenjivanja detektora, osjetljivost (*1) je bila presudna. Potrebno je iznimno osjetljivo pretpojačalo naboja jer upadna gama zraka može generirati samo nekoliko tisuća elektrona u području iscrpljivanja poluvodiča. Budući da pojačavamo mali strujni impuls, posebnu pozornost moramo posvetiti izboru komponenti, pažljivom oklopu i rasporedu pločica.

(*1: Minimalna energija koja se mora deponirati u detektoru za stvaranje različitog 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 pod obrnutom pristranošću.

Pojačavanje i diskriminacija:

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

Digitalni i mikrokontroler:

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

Snaga i filtriranje:

• Regulatori napona za sve stupnjeve
• 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 gornjih komponenti predstavljeni su na slici blok dijagrama. Napravili smo izračune s vrijednostima komponenti koje su korištene tijekom faze testiranja (vidi treću sliku). (*: Neke vrijednosti komponenti nisu iste kao što su prvotno planirane niti iste kao one koje su trenutno na snazi; unatoč tome ti izračuni pružaju okvir smjernica.)

Korak 4: Krugovi

(Legende na slici: (1) Opća shema stupnjeva 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 nastanka do digitalne akvizicije.

Faza 1

Jedini signal od interesa potječe s fotodioda. Ti su senzori obrnuto pristrani. Napajanje je stabilnih 12 V 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 uzima naša prva faza pojačanja: pojačalo naboja. Pojačalo naboja može se napraviti s bilo kojim operativnim pojačalom, ali specifikacija niske buke je vrlo važna.

Faza 2

Cilj ove faze je pretvoriti impuls naboja otkriven na invertirajućem ulazu u istosmjerni napon na izlazu op-pojačala. Neinvertirajući ulaz se filtrira i postavlja na razdjelnik napona na poznatoj i odabranoj razini. 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, slijedi pojačalo naboja. Ova faza filtrira i pretvara pretvorenu istosmjernu razinu, koja 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 izravno na DAQ, kao i na drugi analogni PCB. Obje služe 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 uklonio frekvencije iznad očekivanog izlaznog impulsa iz drugog stupnja pojačanja. Optičko pojačalo LM741 djeluje kao usporednik s promjenjivim pragom za razlikovanje signalnog kanala, što detektoru omogućuje slanje samo odabranih događaja na ADC/MCU. Promjenjivi otpornik na neinvertirajućem ulazu postavlja razinu okidača. U ovoj fazi (brojač koincidencija) signali iz svakog kanala dovode se do op-amp-a koji djeluje kao sažeti krug. Postavljen je fiksni prag koji se podudara s dva aktivna kanala. Op-pojačalo daje visoki izlaz ako dvije ili više fotodioda registriraju pogodak istodobno.

Napomena: Napravili smo ključnu pogrešku stavljanjem DC/DC pojačanog pretvarača snage biasinga blizu op-pojačala osjetljivih na naboj na PCB pojačala. Možda ćemo to 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 svi povezani sklopovi također migrirani na PCB ploče, a ne na matičnu ploču. Sve analogne komponente smještene su na dvije zasebne tiskane ploče, a digitalne na drugu kako bi se izbjegle smetnje. To su bili prvi PCB -i koje smo ikada napravili pa smo morali dobiti pomoć za raspored u Eagleu. Najvažniji PCB je senzor i pojačalo. Uz osciloskopski nadzor izlaza na ispitnim mjestima, detektor može raditi samo s ovom pločom (DAQ premosnica). Pronašao sam i ispravio svoje greške; to uključuje pogrešne tragove komponenti, što je dovelo do toga da se naši op-pojačala s niskim šumom prisluškuju i komponente na kraju vijeka trajanja koje su zamijenjene alternativama. Dodatno, dizajnu su dodana dva filtra za suzbijanje oscilacija zvonjenja.

Korak 6: Ograđivanje

Cilj 3D tiskanog kućišta, olovnog lima i pjene je za: montažu, toplinsku izolaciju, zaštitu od buke i blokiranje svjetla u okolini te očito zaštitu elektronike. Priložene su STL datoteke za 3D ispis.

Korak 7: Očitavanje Arduina

Očitani (ADC/DAQ) dio detektora sastoji se od Arduino Mini (kod u prilogu). Ovaj mikrokontroler nadzire izlaze četiri detektora i napajanje kasnije (kvaliteta napajanja na tragu), a zatim šalje sve podatke na serijskom izlazu (USB) radi daljnje analize ili snimanja.

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

Korak 8: Testiranje

(Legende na slici: (1) Rezultirajući impuls omjera signal / šum izvora 60Co (t ~ 760ms) ~ 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. Ti su mi postupci omogućili testiranje mojih sklopova, fino podešavanje vrijednosti komponenti i simulaciju odziva fotodioda pri izlaganju aktivnom izvoru. Postavili smo i Americium-241 (60 KeV) i Iron-55 (5,9 KeV) izvor ispred dvije aktivne foto-diode, a niti jedan kanal nije vidio karakterističan signal. Provjerili smo injekcijama impulsa i zaključili da su impulsi iz ovih izvora ispod razine šuma ispod uočljivog praga. Međutim, i dalje smo mogli vidjeti hitove iz izvora 60Co (1,33 MeV). Glavni ograničavajući faktor tijekom ispitivanja bila je značajna buka. Bilo je mnogo izvora buke i malo objašnjenja o tome što ih generira. Utvrdili smo da je jedan od najznačajnijih i najštetnijih izvora prisutnost šuma prije prve faze pojačanja. Zbog ogromnog dobitka ova je buka pojačana gotovo stotinu puta! Možda su pridonijeli i nepravilno filtriranje snage i Johnsonov šum ponovno ubrizgan u povratne sprege stupnjeva pojačala (to bi objasnilo nizak omjer signala i šuma). Nismo istraživali ovisnost buke s pristranošću, ali bismo to mogli razmotriti u budućnosti.

Korak 9: Veća slika

Pogledajte video iz Veritasiuma o najradioaktivnijim mjestima na svijetu!

Ako ste uspjeli dovde i slijedili korake, čestitamo! Izgradili ste aparat za primjene u stvarnom svijetu poput LHC-a! Možda biste trebali razmisliti o promjeni karijere i otići na područje nuklearne fizike:) Tehnički rečeno, izgradili ste detektor zračenja u čvrstom stanju koji se sastoji od matrice foto-dioda i pripadajućih strujnih krugova za lokalizaciju i razlikovanje 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 raspodjeli otkrivenih događaja. Također ste uključili upotrebu Arduino mikrokontrolera i bitan softver za prikupljanje i analizu podataka.

10. korak: Reference

Osim izvrsnih PDF -ova u privitku, ovdje su i neki povezani informativni izvori:

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

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

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

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

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