Prenosný detektor žiarenia: 10 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Toto je návod na navrhnutie, konštrukciu a testovanie vášho vlastného prenosného silikónového fotodiodového detektora žiarenia vhodného pre detekčný rozsah 5keV-10MeV na presnú kvantifikáciu nízkoenergetických gama lúčov pochádzajúcich z rádioaktívnych zdrojov! Dávajte si pozor, ak sa nechcete stať rádioaktívnou zombie: nie je bezpečné nachádzať sa v blízkosti zdrojov silného žiarenia a toto zariadenie by NEMALO byť používané ako spoľahlivý spôsob detekcie potenciálne škodlivého žiarenia.

Začnime malou vedou o pozadí detektora, než sa pustíme do jeho konštrukcie. Hore je nádherné video z Veritasium, ktoré vysvetľuje, čo je žiarenie a odkiaľ pochádza.

Krok 1: Po prvé, veľa fyziky

(Legenda obrázku: Ionizujúce žiarenie tvorí páry elektrón-diera vo vnútornej oblasti, čo má za následok nabíjací impulz.)

Iskrové komory, Geigerove a fotonásobičové trubicové detektory … všetky tieto typy detektorov sú buď ťažkopádne, drahé alebo na obsluhu používajú vysoké napätie. Existuje niekoľko typov Geigerových rúr vhodných pre výrobcov, ako napríklad https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product/483. Ďalšími metódami na zisťovanie žiarenia sú detektory v pevnej fáze (napr. Detektory germánia). Ich výroba je však drahá a vyžadujú si špeciálne vybavenie (myslite na chladenie kvapalným dusíkom!). Naopak, detektory v pevnej fáze sú veľmi nákladovo efektívne. Sú široko používané a hrajú zásadnú úlohu vo fyzike častíc s vysokou energiou, lekárskej fyzike a astrofyzike.

Tu staviame prenosný detektor žiarenia v pevnom stave, ktorý je schopný presne kvantifikovať a detegovať nízkoenergetické gama lúče pochádzajúce z rádioaktívnych zdrojov. Zariadenie pozostáva z radu reverzne predpätých silikónových diód PiN s veľkým povrchovým povrchom, ktoré vystupujú do predzosilňovača nabíjania, zosilňovača diferenciátora, diskriminátora a komparátora. Výstup všetkých po sebe nasledujúcich fáz sa prevedie na digitálne signály na analýzu. Začneme popisom princípov detektorov kremíkových častíc, diód PiN, reverzného predpätia a ďalších súvisiacich parametrov. Potom vysvetlíme rôzne vyšetrovania, ktoré boli vykonané, a prijaté rozhodnutia. Na záver predstavíme konečný prototyp a testovanie.

Detektory SolidState

V mnohých aplikáciách na detekciu žiarenia je významnou výhodou použitie pevného detekčného média (alternatívne sa nazýva polovodičový diódový detektor alebo detektor v pevnej fáze). Silikónové diódy sú detektormi voľby pre veľký počet aplikácií, najmä ak sú v nich zapojené ťažké nabité častice. Ak nie je potrebné meranie energie, vynikajúce časové charakteristiky detektorov kremíkových diód umožňujú presné počítanie a sledovanie nabitých častíc.

Na meranie vysokoenergetických elektrónov alebo gama lúčov môžu byť rozmery detektora oveľa menšie ako alternatívy. Použitie polovodičových materiálov ako detektorov žiarenia má tiež za následok väčší počet nosičov pre danú incidentnú radiačnú udalosť, a teda nižší štatistický limit pre rozlíšenie energie, ako je možné u iných typov detektorov. V dôsledku toho sa pomocou týchto detektorov dosahuje najlepšie energetické rozlíšenie, aké je dnes možné dosiahnuť.

Základnými nosičmi informácií sú páry elektrón-diera vytvorené pozdĺž dráhy, ktorou nabitá častica prechádza detektorom (pozri obrázok vyššie). Zhromaždením týchto párov elektrón-diera, meraných ako náboje na elektródach senzora, sa vytvorí detekčný signál, ktorý prejde do fáz zosilnenia a diskriminácie. Ďalšími požadovanými vlastnosťami detektorov v pevnej fáze sú kompaktné rozmery, relatívne rýchle časovacie charakteristiky a účinná hrúbka (*). Ako každý detektor má svoje nevýhody, vrátane obmedzenia na malé veľkosti a relatívne možnosti, že tieto zariadenia budú podliehať degradácii výkonu v dôsledku poškodenia spôsobeného žiarením.

(*: Tenké senzory minimalizujú viacnásobné rozptýlenie, zatiaľ čo hrubšie senzory generujú viac nábojov, keď častica prechádza substrátom.)

P -i -N diódy:

Každý typ detektora žiarenia produkuje po interakcii so žiarením charakteristický výstup. Interakcie častíc s hmotou sa líšia tromi účinkami:

1. fotoelektrický efekt
2. Comptonov rozptyl
3. Párová výroba.

Základným princípom planárneho kremíkového detektora je použitie PN spoja, v ktorom častice interagujú prostredníctvom týchto troch javov. Najjednoduchší planárny kremíkový senzor sa skladá z substrátu dopovaného P a N-implantátu na jednej strane. Páry elektrónových dier sa vytvárajú pozdĺž trajektórie častíc. V oblasti križovatky PN sa nachádza región bezplatných nosičov, ktorý sa nazýva zóna vyčerpania. Páry elektrón-diera vytvorené v tejto oblasti sú oddelené okolitým elektrickým poľom. Nosiče náboja je preto možné merať buď na N, alebo P -strane silikónového materiálu. Priložením reverzného predpätia na prechodovú diódu PN vyčerpaná zóna rastie a môže pokryť celý substrát senzora. Viac si o tom môžete prečítať tu: Článok Wikipédie Pin Junction.

Dióda PiN má vnútornú oblasť i medzi križovatkami P a N zaplavenú nosičmi náboja z oblastí P a N. Táto široká vnútorná oblasť tiež znamená, že dióda má pri reverznom predpätí nízku kapacitu. V dióde PiN oblasť vyčerpania existuje takmer úplne vo vnútornej oblasti. Táto oblasť vyčerpania je oveľa väčšia ako u bežnej diódy PN. To zvyšuje objem, v ktorom môžu byť páry elektrón-diera generované dopadajúcim fotónom. Ak je na polovodičový materiál aplikované elektrické pole, elektróny aj diery prejdú migráciou. Dióda PiN je reverzne predpätá, takže celá i-vrstva je zbavená voľných nosičov. Toto reverzné zaujatie vytvára elektrické pole naprieč i-vrstvou, takže elektróny sú pozametané k P-vrstve a dieram, k N-vrstve (*4).

Tok nosných v reakcii na impulz žiarenia predstavuje nameraný prúdový impulz. Na maximalizáciu tohto prúdu musí byť i-región čo najväčší. Vlastnosti križovatky sú také, že pri predpätí v opačnom smere vedie veľmi malý prúd. Strana P križovatky sa stáva negatívnou vzhľadom na stranu N a zvyšuje sa rozdiel prirodzeného potenciálu z jednej strany križovatky na druhú. Za týchto okolností sú to menšinové nosiče, ktoré sú priťahované cez križovatku, a pretože ich koncentrácia je relatívne nízka, spätný prúd cez diódu je dosť malý. Keď je na križovatku aplikované reverzné predpätie, prakticky všetko aplikované napätie sa objaví v oblasti vyčerpania, pretože jeho odpor je oveľa vyšší ako odpor normálneho materiálu typu N alebo P. Reverzná zaujatosť skutočne zvýrazňuje potenciálny rozdiel na križovatke. Hrúbka oblasti vyčerpania sa tiež zvýši, čím sa rozšíri objem, v ktorom sa zhromažďujú nosiče náboja produkované žiarením. Akonáhle je elektrické pole dostatočne vysoké, zber náboja sa dokončí a výška impulzu sa už nemení s ďalším nárastom predpätia detektora.

(*1: Elektróny vo viazanom stave atómu sú vyrazené fotónmi, keď je energia dopadajúcich častíc vyššia ako väzbová energia. *2: Interakcia zahŕňajúca rozptyl častice z voľného alebo voľne viazaného elektrónu, a prenos časti energie na elektrón. *3: Výroba elementárnej častice a jej antičastice. *4: Elektróny sú nakreslené v opačnom smere ako vektor elektrického poľa, zatiaľ čo diery sa pohybujú v rovnakom smere. smer ako elektrické pole.)

Krok 2: Prieskum

Toto je prototyp verzie „detektora“, ktorý sme skonštruovali, odladili a testovali. Je to matica pozostávajúca z viacerých senzorov, ktoré majú snímač žiarenia v štýle „CCD“. Ako bolo uvedené vyššie, všetky kremíkové polovodiče sú citlivé na žiarenie. V závislosti od presnosti a použitých senzorov si môžete urobiť približnú predstavu o energetickej hladine častice, ktorá spôsobila zásah.

Použili sme netienené diódy už určené na snímanie, ktoré pri reverznom predpätí (a tienení pred viditeľným svetlom) môžu registrovať zásahy žiarenia beta a gama zosilnením drobných signálov a čítaním výstupných údajov pomocou mikrokontroléra. Alfa žiarenie je však možné detekovať len zriedka, pretože nemôže preniknúť ani cez tenké tkaninové alebo polymérové tienenie. V prílohe je nádherné video z Veritasium, ktoré vysvetľuje rôzne druhy žiarenia (Alpha, Beta & Gamma).

Pôvodné iterácie návrhu používali iný senzor (fotodióda BPW-34; známy senzor, ak si googlíte). Existuje dokonca niekoľko súvisiacich inštrukcií, ktoré ho používajú na samotný účel detekcie žiarenia, ako je tento vynikajúci: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Pretože však mal niekoľko chýb a nefungoval optimálne, rozhodli sme sa z tohto návodu vynechať detaily tohto prototypu, aby sa zabránilo tomu, že by výrobcovia zostrojili detektor plný nedostatkov. V prípade záujmu sme však priložili súbory s návrhom a schému.

Krok 3: Dizajn

(Obrazové legendy: (1) Blokový diagram detektora: od vytvorenia signálu po zber dát., (2) Špecifikácia fotodiódy X100-7: 100 mm^2 aktívna oblasť, zóna s nedostatkom 0,9 mm, poťah blokujúci svetlo, nízky tmavý prúd … Ako je znázornené na grafe pravdepodobnosti absorpcie, diódy PiN ľahko absorbujú energiu gama žiarenia, (3) Aplikačná poznámka výrobcu, ktorý potvrdil koncepciu návrhu a pomohol vybrať počiatočné hodnoty komponentov.

Vyrovnávali sme sa s snímačom väčšej plochy, konkrétne X100−7 od prvého snímača. Na testovacie účely a modularitu sme navrhli tri rôzne časti, ktoré sú na sebe uložené: Senzory a zosilnenie (nízkošumový nabíjací zosilňovač + zosilňovač tvarovania impulzov), diskriminátory a komparátor, regulácia DC/DC a DAQ (Arduino na získavanie údajov). Každá fáza bola zostavená, overená a testovaná samostatne, ako uvidíte v nasledujúcom kroku.

Hlavnou výhodou polovodičových detektorov je malá ionizačná energia (E), nezávislá na energii a type dopadajúceho žiarenia. Toto zjednodušenie umožňuje zohľadniť množstvo párov elektrón-diera z hľadiska energie dopadajúceho žiarenia za predpokladu, že je častica úplne zastavená v aktívnom objeme detektora. Pre kremík pri 23 ° C (*) máme E ~ 3,6 eV. Za predpokladu, že je všetka energia uložená a pomocou ionizačnej energie môžeme vypočítať počet elektrónov produkovaných daným zdrojom. Napríklad žiarenie 60 kV gama zo zdroja Americium-241 by viedlo k uloženému náboju 0,045 fC/keV. Ako je uvedené v špecifikáciách špecifikácií diód, nad predpätím napätia približne ~ 15 V je možné oblasť vyčerpania aproximovať ako konštantnú. Tým sa nastaví cieľový rozsah pre naše predpínacie napätie na 12–15V. (*: E sa zvyšuje s klesajúcou teplotou.)

Funkčnosť rôznych modulov detektora, ich zložiek a súvisiacich výpočtov. Pri hodnotení detektora bola zásadná citlivosť (*1). Je potrebný mimoriadne citlivý predzosilňovač náboja, pretože dopadajúce gama žiarenie môže v oblasti vyčerpania polovodičov generovať iba niekoľko tisíc elektrónov. Pretože zosilňujeme malý prúdový impulz, je potrebné venovať osobitnú pozornosť výberu komponentov, starostlivému tieneniu a rozloženiu obvodovej dosky.

(*1: Minimálna energia, ktorá sa má uložiť v detektore na vytvorenie odlišného signálu a pomer signálu k šumu.)

Aby som správne vybral hodnoty komponentov, najskôr zhrniem požiadavky, požadované špecifikácie a obmedzenia:

Senzory:

• Veľký možný rozsah detekcie, 1keV-1MeV
• Nízka kapacita na minimalizáciu šumu, 20 pF-50 pF
• Zanedbateľný zvodový prúd pri reverznom predpätí.

Zosilnenie a diskriminácia:

• Predzosilňovače citlivé na nabíjanie
• Diferenciátor na tvarovanie impulzov
• Komparátor pre signálny impulz pri prekročení nastaveného prahu
• Komparátor pre hlukový výstup v medznom intervale
• Komparátor pre náhody kanálov
• Všeobecný prah pre filtrovanie udalostí.

Digitálny a mikroovládač:

• Rýchle analógovo-digitálne prevodníky
• Výstupné údaje na spracovanie a užívateľské rozhranie.

Výkon a filtrovanie:

• Regulátory napätia pre všetky stupne
• Vysokonapäťové napájanie na generovanie predpätia
• Správne filtrovanie všetkých rozvodov energie.

Vybral som nasledujúce komponenty:

• DC Boost Converter: LM 2733
• Zosilňovače nabíjania: AD743
• Ostatné operačné zosilňovače: LM393 a LM741
• DAQ/čítanie: Arduino Nano.

Medzi ďalšie uložené špecifikácie patria:

• Prevádzková rýchlosť:> 250 kHz (84 kanálov), 50 kHz (zhoda okolností)
• Rozlíšenie: 10bit ADC
• Vzorkovacia frekvencia: 5kHz (8 kanálov)
• Napätia: 5V Arduino, 9V operačné zosilňovače, ~ 12V predpätie.

Celkové usporiadanie a poradie vyššie uvedených komponentov je znázornené na obrázku blokového diagramu. Výpočty sme urobili s hodnotami komponentov použitých počas testovacej fázy (pozri tretí obrázok). (*: Niektoré hodnoty komponentov nie sú rovnaké ako pôvodne plánované, ani rovnaké ako tie, ktoré sú v súčasnosti k dispozícii; tieto výpočty napriek tomu poskytujú orientačný rámec.)

Krok 4: Okruhy

(Legendy k obrázku: (1) Celková schéma fáz 1-3 jedného kanála vrátane základne diódy a deličov napätia, ktoré poskytujú odkazy na každý stupeň, podsekcie obvodov.)

Vysvetlíme teraz „tok“detekčného signálu jedného zo štyroch kanálov od jeho vytvorenia po digitálne zachytenie.

Fáza 1

Jediný požadovaný signál pochádza z fotodiód. Tieto senzory sú reverzne predpäté. Napätie je stabilné 12 V, ktoré je vedené cez dolnopriepustný filter, aby sa odstránil akýkoľvek nežiaduci šum väčší ako 1 Hz. Po ionizácii oblasti vyčerpania sa na kolíkoch diódy vytvorí nabíjací impulz. Tento signál zachytáva náš prvý zosilňovací stupeň: nabíjací zosilňovač. Nabíjací zosilňovač je možné vyrobiť s akýmkoľvek operačným zosilňovačom, ale špecifikácia nízkeho šumu je veľmi dôležitá.

Fáza 2

Cieľom tejto fázy je previesť nabíjací impulz detegovaný na invertujúcom vstupe na jednosmerné napätie na výstupe operačného zosilňovača. Neinvertujúci vstup je filtrovaný a nastavený na delič napätia na známej a zvolenej úrovni. Tento prvý stupeň je ťažké naladiť, ale po mnohých testoch sme sa uspokojili so spätnoväzbovým kondenzátorom 2 [pF] a spätnou väzbou s odporom 44 [MOhm], čo viedlo k impulzu 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. Inverzný aktívny zosilňovač pásmového filtra, ktorý funguje ako diferenciátor, nasleduje za nabíjacím zosilňovačom. Tento stupeň filtruje a prevádza konvertovanú úroveň DC, vychádzajúcu z predchádzajúceho stupňa, na impulz so ziskom 100. Na výstupe z tohto stupňa je sondovaný nespracovaný signál detektora.

Fáza 3

Ďalej v poradí sú kanály signálu a šumu. Tieto dva výstupy idú priamo do DAQ, ako aj do druhého analógového PCB. Oba fungujú ako komparátory operačných zosilňovačov. Jediný rozdiel medzi týmito dvoma je v tom, že šumový kanál má na svojom neinvertujúcom vstupe nižšie napätie ako signálny kanál a signálny kanál je tiež filtrovaný, aby sa z druhého zosilňovacieho stupňa odstránili frekvencie nad očakávaným výstupným impulzom. Operačný zosilňovač LM741 funguje ako komparátor voči variabilnému prahu na diskrimináciu signálneho kanála, čo umožňuje detektoru odosielať iba vybrané udalosti do ADC/MCU. Variabilný odpor na neinvertujúcom vstupe nastavuje spúšťaciu úroveň. V tejto fáze (počítadlo náhod) sú signály z každého kanála privádzané do operačného zosilňovača, ktorý funguje ako súčtový obvod. Pevný prah je nastavený súčasne s dvoma aktívnymi kanálmi. Operačný zosilňovač má vysoký výkon, ak dve alebo viac fotodiód zaregistrujú zásah súčasne.

Poznámka: Urobili sme zásadnú chybu tým, že sme zosilňovací menič DC/DC predpätého výkonu umiestnili do blízkosti zosilňovačov citlivých na nabíjanie na PCB zosilňovača. Možno to opravíme v neskoršej verzii.

Krok 5: Zhromaždenie

Spájkovanie, veľa spájkovania … Pretože snímač vybraný pre konečný detektor existuje iba ako súčasť stopy SMT, museli sme navrhnúť dosky plošných spojov (2 vrstvy). Preto boli všetky súvisiace obvody migrované skôr na dosky plošných spojov než na dosku. Všetky analógové komponenty boli umiestnené na dvoch oddelených doskách plošných spojov a digitálne komponenty na ďalších, aby sa zabránilo rušeniu. Toto boli prvé PCB, ktoré sme kedy vyrobili, takže sme museli získať pomoc s rozložením v Eagle. Najdôležitejšou doskou plošných spojov sú snímače a zosilňovače. Vďaka osciloskopu monitorujúcemu výstupy v testovacích bodoch môže detektor pracovať výlučne s touto doskou (obtok DAQ). Našiel som a opravil svoje chyby; tieto zahŕňali nesprávne stopy komponentov, čo viedlo k tomu, že naše zosilňovače s nízkym šumom boli odpájané drôtom a komponenty na konci životnosti boli vymenené za alternatívy. Okrem toho boli do konštrukcie pridané dva filtre na potlačenie oscilácií zvonenia.

Krok 6: Príloha

Cieľom puzdra 3D, oloveného plechu a peny je: montážne účely, tepelná izolácia, zabezpečenie protihlukového štítu, blokovanie okolitého svetla a evidentná ochrana elektroniky. Priložené sú súbory STL pre 3D tlač.

Krok 7: Načítanie Arduina

Odčítaná (ADC/DAQ) časť detektora pozostáva z Arduino Mini (kód je priložený). Tento mikrokontrolér monitoruje výstupy štyroch detektorov a napájací zdroj pre neskoršie (kvalita napájania stopy), potom vysiela všetky údaje na sériový výstup (USB) na ďalšiu analýzu alebo záznam.

Na vykreslenie všetkých prichádzajúcich údajov bola vyvinutá (priložená) počítačová aplikácia Processing.

Krok 8: Testovanie

(Legendy obrázku: (1) Výsledný impulz zdroja 60Co (t ~ 760ms) odstup signálu od šumu ~ 3: 1., (2) Injekcia ekvivalentná náboju uloženému zdrojom energie ~ 2 MeV., (3) Vstrekovanie ekvivalentné náboju uloženému zdrojom 60Co (~ 1,2 MeV)).

Injekcia náboja sa uskutočnila pomocou impulzného generátora spojeného s kondenzátorom (1 pF) na senzorovej podložke a ukončeného k zemi pomocou rezistora 50 Ohm. Tieto postupy mi umožnili otestovať moje obvody, doladiť hodnoty súčiastok a simulovať reakcie fotodiód pri pôsobení aktívneho zdroja. Pred dve aktívne fotodiódy sme nastavili zdroj Americium − 241 (60 KeV) a Iron − 55 (5,9 KeV) a ani jeden kanál nevidel výrazný signál. Overili sme pomocou impulzných injekcií a dospeli sme k záveru, že impulzy z týchto zdrojov boli pod hladinou pozorovateľného kvôli hladinám hluku. Stále sme však mohli vidieť zásahy zo zdroja 60Co (1,33 MeV). Hlavným limitujúcim faktorom počas testov bol výrazný hluk. Existuje mnoho zdrojov hluku a len málo vysvetlení, čo ich spôsobuje. Zistili sme, že jedným z najvýznamnejších a najškodlivejších zdrojov bola prítomnosť šumu pred prvým zosilňovacím stupňom. Vďaka obrovskému zisku bol tento hluk zosilnený takmer stonásobne! Možno k tomu prispelo aj nesprávne filtrovanie výkonu a Johnsonov šum znovu vstrekovaný do slučiek spätnej väzby stupňov zosilňovača (to by vysvetľovalo nízky pomer signálu k šumu). Neskúmali sme závislosť hluku s predpätím, ale v budúcnosti by sme sa na to mohli pozrieť.

Krok 9: Väčší obraz

Pozrite si video z Veritasium o najradioaktívnejších miestach na Zemi!

Ak ste sa dostali až sem a dodržali ste uvedené kroky, gratulujeme! Postavili ste zariadenie pre aplikácie v reálnom svete, ako je LHC! Možno by ste mali zvážiť zmenu kariéry a ísť do oblasti jadrovej fyziky:) Technickejšie povedané, zostrojili ste detektor radiácie v pevnej fáze pozostávajúci z matice fotodiód a súvisiacich obvodov na lokalizáciu a diskrimináciu udalostí. Detektor pozostáva z viacerých zosilňovacích stupňov, ktoré prevádzajú malé nábojové impulzy na pozorovateľné napätie, ktoré potom rozlišujú a porovnávajú. Komparátor medzi kanálmi tiež poskytuje informácie o priestorovom rozložení zistených udalostí. Začlenili ste tiež použitie mikrokontroléra Arduino a základného softvéru na zber a analýzu údajov.

Krok 10: Referencie

Okrem nádherných priložených súborov PDF uvádzame aj niekoľko súvisiacich informačných zdrojov:

- F. A. Smith, Primer vo fyzike aplikovaného žiarenia, World Scientific, River Edge, New Jersey, 2000.

- Prvý snímač, Prvý snímač PIN PD Dátový list Popis časti X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul a Hill, Winfield, Umenie elektroniky. Cambridge University Press, 1989.

- C. Thiel, Úvod do detektorov polovodičového žiarenia, Web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- Lyndon Evans, The Large Hadron Collider: a Marvel of Technology, Ed. EPFL Press, 2009.