Преносим детектор на радиация: 10 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

Това е урок за проектиране, конструиране и тестване на вашия собствен преносим силиконов фотодиоден детектор на радиация, подходящ за диапазона на откриване 5keV-10MeV за точно количествено определяне на ниско енергийни гама-лъчи, идващи от радиоактивни източници! Обърнете внимание, ако не искате да се превърнете в радиоактивно зомби: не е безопасно да се намирате в близост до източници на силно излъчване и това устройство НЕ трябва да се използва като надежден начин за откриване на потенциално опасна радиация.

Нека започнем с малко предистория на детектора, преди да преминем към неговото изграждане. По -горе е прекрасно видео от Veritasium, обясняващо какво е радиация и откъде идва.

Стъпка 1: Първо, много физика

(Легенда на фигурата: Йонизиращото лъчение образува двойки електронни дупки във вътрешната област, което води до импулс на заряд.)

Искрови камери, тръби на Гайгер и фотоумножители … всички тези видове детектори са или тромави, скъпи или използват високи напрежения за работа. Има няколко удобни за производителя тръби Geiger, като https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product/483. Други методи за откриване на радиация са твърдотелни детектори (например германиеви детектори). Те обаче са скъпи за производство и изискват специално оборудване (помислете за охлаждане с течен азот!). Напротив, твърдотелните детектори са много рентабилни. Те се използват широко и играят съществена роля във физиката на частиците с висока енергия, медицинската физика и астрофизиката.

Тук ние изграждаме преносим твърд радиационен детектор, способен точно да определя количествено и да открива ниско енергийни гама-лъчи, идващи от радиоактивни източници. Устройството се състои от масив от обратно наклонени силициеви PiN диоди с голяма повърхност, които извеждат към предварително усилвател на заряд, диференциращ усилвател, дискриминатор и сравнител. Изходът на всички последователни етапи се преобразува в цифрови сигнали за анализ. Ще започнем с описание на принципите на детекторите на силициеви частици, PiN диодите, обратното отклонение и други свързани параметри. След това ще обясним различните разследвания, които са проведени, и направените избори. В крайна сметка ще представим окончателния прототип и тестването.

SolidState детектори

В много приложения за откриване на радиация използването на твърда среда за откриване е от значително предимство (алтернативно наричани полупроводникови диодни детектори или твърдотелни детектори). Силициевите диоди са детекторите на избор за голям брой приложения, особено когато са включени тежки заредени частици. Ако не се изисква измерване на енергия, отличните времеви характеристики на силиконовите диодни детектори позволяват точно преброяване и проследяване на заредени частици.

За измерване на високоенергийни електрони или гама-лъчи, размерите на детектора могат да се поддържат много по-малки от алтернативите. Използването на полупроводникови материали като детектори на радиация също води до по -голям брой носители за дадено инцидентно радиационно събитие и следователно по -ниска статистическа граница на енергийната разделителна способност, отколкото е възможно при други видове детектори. Следователно най -добрата енергийна резолюция, постижима днес, се постига чрез използването на такива детектори.

Основните носители на информация са двойки електронни дупки, създадени по пътя, поет от заредената частица през детектора (виж фигурата по-горе). Чрез събирането на тези двойки електрон-дупка, измерени като заряди на електродите на сензора, се формира детектиращият сигнал и той преминава към етапи на усилване и дискриминация. Допълнителни желани характеристики на твърдотелни детектори са компактни размери, относително бързи времеви характеристики и ефективна дебелина (*). Както при всеки детектор, има недостатъци, включително ограничаването до малки размери и относителната възможност тези устройства да се подложат на влошаване на производителността от радиационно предизвикани повреди.

(*: Тънките сензори минимизират многократно разсейване, докато по -дебелите сензори генерират повече заряди, когато частица пресича субстрата.)

P − i − N диоди:

Всеки тип детектор на радиация произвежда характерен изход след взаимодействие с радиацията. Взаимодействието на частиците с материята се отличава с три ефекта:

1. фотоелектрически ефект
2. Комптоново разсейване
3. Производство по двойки.

Основният принцип на плосък силициев детектор е използването на PN преход, в който частиците взаимодействат чрез тези три явления. Най-простият плосък силиконов сензор се състои от легиран с Р субстрат и N-имплант от едната страна. Двойки електрон-дупка се създават по траектория на частиците. В зоната на PN кръстовището има регион, свободен от носители на заряд, наречен зона на изчерпване. Двойките електрон-дупка, създадени в тази област, са разделени от заобикалящо електрическо поле. Следователно носителите на заряд могат да бъдат измерени или на N, или на P -страни на силициевия материал. Чрез прилагане на напрежение с обратно отклонение към диода на PN кръстовището, изчерпаната зона нараства и може да покрие целия субстрат на сензора. Можете да прочетете повече за това тук: Статия в Wikipedia на Pin Junction.

PiN диод има присъща i област, между P и N кръстовищата, наводнена с носители на заряд от P и N-области. Тази широка присъща област също означава, че диодът има нисък капацитет, когато е обърнат обратно. В PiN диод, изчерпателната област съществува почти изцяло в присъщата област. Тази област на изчерпване е много по -голяма, отколкото при обикновен PN диод. Това увеличава обема, където двойките електрон-дупка могат да бъдат генерирани от падащ фотон. Ако към полупроводниковия материал се приложи електрическо поле, електроните и дупките претърпяват миграция. PiN диодът е обърнат обратно, така че целият i-слой е изчерпан от свободни носители. Това обратно отклонение създава електрическо поле през i-слоя, така че електроните се преместват към P-слоя и дупките, към N-слоя (*4).

Потокът от носители в отговор на импулс на радиация представлява измерения импулс на ток. За да се увеличи максимално този ток, i-регионът трябва да бъде възможно най-голям. Свойствата на кръстовището са такива, че той провежда много малък ток, когато е отклонен в обратна посока. P-страната на кръстовището става отрицателна по отношение на N-страната и естествената разлика в потенциала от едната страна на кръстовището към другата се засилва. При тези обстоятелства малцинствените носители се привличат през кръстовището и тъй като концентрацията им е относително ниска, обратният ток през диода е доста малък. Когато към кръстовището се приложи обратно отклонение, почти цялото приложено напрежение се появява в областта на изчерпване, тъй като съпротивлението му е много по-високо от това на нормалния материал от тип N или Р. Всъщност обратното отклонение подчертава потенциалната разлика в кръстовището. Дебелината на областта на изчерпване също се увеличава, разширявайки обема, върху който се събират произведени от радиация носители на заряд. След като електрическото поле е достатъчно високо, събирането на заряд става пълно и височината на импулса вече не се променя с по -нататъшно увеличаване на напрежението на отклонение на детектора.

(*1: Електроните в свързаното състояние на атом се избиват от фотони, когато енергията на падащите частици е по -висока от енергията на свързване. *2: Взаимодействие, включващо разсейване на частица от свободен или слабо свързан електрон, и прехвърлянето на част от енергията към електрона.; *3: Производство на елементарна частица и нейните античастици. посока като електрическото поле.)

Стъпка 2: Проучване

Това е прототипната версия на "детектора", който конструирахме, отстранихме грешки и тествахме. Това е матрица, състояща се от множество сензори, за да има сензор за излъчване в стил "CCD". Както бе споменато по-рано, всички силициеви полупроводници са чувствителни към радиация. В зависимост от това колко точен е и използваните сензори, може да се получи приблизителна представа и за енергийното ниво на частицата, причинила удар.

Използвали сме екранирани диоди, които вече са предназначени за откриване, които, когато са обърнати обратно (и го предпазват от видима светлина), могат да регистрират попадения от бета и гама лъчение чрез усилване на малките сигнали и четене на изходните данни с микроконтролер. Алфа лъчението обаче рядко може да бъде открито, тъй като не може да проникне дори през тънка тъкан или полимерно екраниране. Приложено е прекрасно видео от Veritasium, което обяснява различните видове радиация (Алфа, Бета и Гама).

Първоначалните итерации на дизайна използваха различен сензор (фотодиод BPW-34; известен сензор, ако разгледате наоколо). Има дори няколко свързани Instructables, които го използват за целите на откриване на радиация, като тази отлична: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Въпреки това, тъй като имаше някои грешки и не функционираше оптимално, решихме да пропуснем подробностите за този прототип от тази инструкция, за да избегнем създателите на детектор, пълен с недостатъци. Ние обаче прикачихме файловете за проектиране и схеми, в случай че някой се интересува.

Стъпка 3: Дизайнът

(Легенди на изображението: (1) Блокова диаграма на детектора: от създаване на сигнал до събиране на данни., (2) Спецификации на фотодиода X100-7: 100 mm^2 активна зона, 0,9 мм изчерпана зона, покритие, блокиращо светлината, слаб тъмен ток … Както е показано на графиката за вероятност на абсорбция, PiN диодите лесно поглъщат енергията на гама-лъчите, (3) Бележка за заявлението на производителя, която потвърждава концепцията за проектиране и помага за избора на първоначалните стойности на компонентите.

Ние се задоволихме с по -голям сензор за площ, а именно, X100−7 от First Sensor. За целите на тестването и модулността, ние проектирахме три различни части, подредени една върху друга: сензори и усилване (усилвател с ниско ниво на шум + усилвател за оформяне на импулси), дискриминатори и сравнител, DC/DC регулиране и DAQ (Arduino за събиране на данни). Всеки етап беше сглобен, валидиран и тестван отделно, както ще видите в следващата стъпка.

Основно предимство на полупроводниковите детектори е малката йонизационна енергия (E), независима както от енергията, така и от вида на падащото излъчване. Това опростяване позволява да се отчетат няколко двойки електрон-дупка по отношение на енергията на падащото излъчване, при условие че частицата е напълно спряна в активния обем на детектора. За силиций при 23C (*) имаме E ~ 3.6eV. Ако приемем, че цялата енергия е депозирана и използвайки йонизационната енергия, можем да изчислим броя на електроните, произведени от даден източник. Например, 60keV-гама-лъч от източник на Americium-241 би довел до депозиран заряд от 0.045 fC/keV. Както е показано в спецификациите на спецификациите на диодите, над напрежение на сместване от приблизително ~ 15V, областта на изчерпване може да бъде апроксимирана като постоянна. Това задава целевия диапазон за нашето напрежение на отклонение до 12−15V. (*: E се увеличава с понижаване на температурата.)

Функционалността на различните модули на детектора, техните компоненти и свързаните изчисления. При оценката на детектора чувствителността (*1) беше от решаващо значение. Необходим е изключително чувствителен предусилвател на заряд, тъй като падащият гама-лъч може да генерира само няколко хиляди електрона в областта на изчерпване на полупроводника. Тъй като усилваме малък токов импулс, трябва да се обърне специално внимание на избора на компоненти, внимателното екраниране и разположението на платката.

(*1: Минимална енергия, която трябва да се депозира в детектора за генериране на отделен сигнал и съотношението сигнал / шум.)

За да избера правилно стойностите на компонентите, първо обобщавам изискванията, желаните спецификации и ограниченията:

Сензори:

• Голям възможен обхват на откриване, 1keV-1MeV
• Нисък капацитет за минимизиране на шума, 20pF-50pF
• Незначителен ток на изтичане при обратно отклонение.

Усилване и дискриминация:

• Предварителни усилватели, чувствителни към зареждане
• Диференциатор за оформяне на импулси
• Сравнител за сигнален импулс, когато е над зададения праг
• Сравнител за изходния шум, когато е в праговия интервал
• Сравнител за съвпадения на каналите
• Общ праг за филтриране на събития.

Цифров и микроконтролер:

• Бързи аналогово-цифрови преобразуватели
• Изходни данни за обработка и потребителски интерфейс.

Захранване и филтриране:

• Регулатори на напрежение за всички етапи
• Захранване с високо напрежение за генериране на мощност на отклонение
• Правилно филтриране на цялото разпределение на мощността.

Избрах следните компоненти:

• DC усилващ преобразувател: LM 2733
• Усилватели на заряд: AD743
• Други оп-усилватели: LM393 и LM741
• DAQ/Отчитане: Arduino Nano.

Допълнителните наложени спецификации включват:

• Работна честота:> 250 kHz (84 канала), 50 kHz (съвпадение)
• Резолюция: 10 -битов ADC
• Честота на дискретизация: 5kHz (8 канала)
• Напрежения: 5V Arduino, 9V оп-усилватели, ~ 12V Biasing.

Цялостното подреждане и ред на горните компоненти са представени на фигурата на блоковата диаграма. Направихме изчисленията със стойности на компонентите, използвани по време на фазата на тестване (вижте третото изображение). (*: Някои стойности на компонентите не са същите като първоначално планираните, нито същите като тези в момента; въпреки това тези изчисления предоставят ориентировъчна рамка.)

Стъпка 4: Веригите

(Легенди на фигурата: (1) Обща схема на етапи 1-3 на един канал, включително базиране на диоди и делители на напрежение, които осигуряват препратки към всеки етап, подсекции на веригата.)

Нека сега обясним "потока" на сигнала за откриване на един от четирите канала от създаването му до цифровото придобиване.

Етап 1

Единственият интересен сигнал идва от фотодиодите. Тези сензори са обърнати обратно. Захранващото напрежение е стабилно 12V, което се пропуска през нискочестотен филтър, за да се елиминира всеки нежелан шум, по -голям от 1Hz. При йонизация на областта на изчерпване се създава заряден импулс върху щифтовете на диода. Този сигнал се улавя от първия ни етап на усилване: усилвателя на заряда. Усилвател на заряд може да бъде направен с всеки операционен усилвател, но спецификацията на ниския шум е много важна.

Етап 2

Целта на този етап е да преобразува импулса на заряда, открит на инвертиращия вход, в DC напрежение на изхода на оп-усилвателя. Неинвертиращият вход се филтрира и настройва на делител на напрежение на известно и избрано ниво. Този първи етап е труден за настройка, но след многобройни тестове се задоволихме с кондензатор за обратна връзка от 2 [pF] и резистор за обратна връзка от 44 [MOhm], което доведе до импулс от 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. Инвертиращ усилвател с активен лентов филтър, който действа като диференциатор, следва усилвателя на заряда. Този етап филтрира и преобразува преобразуващото DC ниво, излъчвано от предишния етап в импулс с усилване 100. Суровият детекторен сигнал се изследва на изхода на този етап.

Етап 3

Следващи по ред са каналите за сигнал и шум. Тези два изхода отиват директно към DAQ, както и към втората аналогова печатна платка. И двете функционират като сравнителни операционни усилватели. Единствената разлика между двете е, че шумният канал има по-ниско напрежение на своя неинвертиращ вход от сигналния канал, а сигналният канал също се филтрира, за да премахне честотите над очаквания изходен импулс от втория усилващ етап. Оптичен усилвател LM741 действа като сравнител срещу променлив праг, за да различи сигналния канал, което позволява на детектора да изпраща само избрани събития до ADC/MCU. Променлив резистор на неинвертиращия вход задава нивото на задействане. В този етап (брояч на съвпадения) сигналите от всеки канал се подават към оп-усилвател, действащ като сумираща схема. Задава се фиксиран праг, съвпадащ с два активни канала. Операционният усилвател извежда високо, ако два или повече фотодиода регистрират удар едновременно.

Забележка: Направихме решаваща грешка, като поставихме DC/DC усилващ преобразувател на мощността на отклонение близо до чувствителните към заряд оп-усилватели на усилвателната платка. Може би ще поправим това в по -късна версия.

Стъпка 5: Сглобяването

Запояване, много запояване … Тъй като сензорът, избран за крайния детектор, съществува само като компонент за отпечатък на SMT, трябваше да проектираме печатни платки (2 слоя). Следователно, всички свързани схеми също бяха мигрирани към печатни платки, а не към платката. Всички аналогови компоненти бяха поставени на две отделни печатни платки, а цифровите компоненти на друга, за да се избегнат шумови смущения. Това бяха първите печатни платки, които някога сме правили, така че трябваше да получим помощ за оформлението в Eagle. Най -важната печатна платка е тази на сензорите и усилването. С осцилоскоп, който следи изходите в тестови точки, детекторът може да работи само с тази платка (DAQ байпас). Открих и поправих грешките си; те включват погрешни отпечатъци на компоненти, което доведе до това, че нашите нискошумови операционни усилватели се подслушват, и компоненти в края на експлоатационния живот, които бяха заменени с алтернативи. Освен това към дизайна бяха добавени два филтъра за потискане на звънещите трептения.

Стъпка 6: Приложението

Целта на 3D отпечатания корпус, оловния лист и пяната е за: монтажни цели, топлоизолация, осигуряване на шумозащита и за блокиране на околната светлина и очевидно за защита на електрониката. Прикачени са STL файлове за 3D печат.

Стъпка 7: Отчитане на Arduino

Частта за отчитане (ADC/DAQ) на детектора се състои от Arduino Mini (приложен код). Този микроконтролер следи изходите на четирите детектора и захранващото захранване към по -късните (качество на проследяването на мощността), след което извежда всички данни от серийния изход (USB) за по -нататъшен анализ или запис.

Разработено е приложение за обработка на настолни компютри (приложено) за начертаване на всички входящи данни.

Стъпка 8: Тестване

(Легенди на фигурата: (1) Резултатният импулс на източник на 60Co (t ~ 760ms) съотношение сигнал / шум ~ 3: 1., (2) Инжектиране еквивалентно на заряда, депозиран от източник на енергия ~ 2 MeV., (3) Инжектиране, еквивалентно на заряда, депозиран от източник на 60Co (~ 1,2 MeV)).

Инжектирането на заряд се извършва с импулсен генератор, свързан към кондензатор (1pF) на сензорната подложка и завършен към маса чрез резистор 50Ohm. Тези процедури ми позволиха да тествам веригите си, да настроя фино стойностите на компонентите и да симулирам реакциите на фотодиодите, когато са изложени на активен източник. Зададохме източник на Americium-241 (60 KeV) и Iron-55 (5.9 KeV) пред двата активни фото-диода и нито един от каналите не видя отличителен сигнал. Проверихме чрез инжектиране на импулси и заключихме, че импулсите от тези източници са под наблюдавания праг поради нивата на шум. Все пак успяхме да видим попадения от източник на 60Co (1,33 MeV). Основният ограничаващ фактор по време на тестовете беше значителният шум. Имаше много източници на шум и малко обяснения какво ги генерира. Открихме, че един от най -значимите и вредни източници е наличието на шум преди първия етап на усилване. Поради огромната печалба този шум беше усилен почти стократно! Може би неправилното филтриране на мощността и шумът на Джонсън, отново инжектиран в контурите за обратна връзка на усилвателните етапи също са допринесли (това би обяснило ниското съотношение сигнал / шум). Не изследвахме зависимостта на шума с отклонение, но може да разгледаме това по -нататък в бъдеще.

Стъпка 9: По -голямата картина

Гледайте видеото от Veritasium за най -радиоактивните места на земята!

Ако сте стигнали дотук и сте следвали стъпките, тогава поздравления! Изградили сте апарат за реални приложения като LHC! Може би трябва да помислите за промяна в кариерата и да отидете в областта на ядрената физика:) В по-технически аспект сте изградили твърдотелен радиационен детектор, състоящ се от матрица от фото-диоди и свързана схема за локализиране и дискриминиране на събития. Детекторът се състои от множество етапи на усилване, които преобразуват малки импулси на заряд в наблюдавани напрежения, след което ги различават и сравняват. Сравнителят между каналите също предоставя информация относно пространственото разпределение на откритите събития. Също така включихте използването на микроконтролер Arduino и основен софтуер за събиране и анализ на данни.

Стъпка 10: Препратки

В допълнение към прекрасните прикачени PDF файлове, ето някои свързани информационни ресурси:

- F. A. Smith, A Primer in Applied Radiation Physics, World Scientific, River Edge, NJ, 2000.

- Първи сензор, първи сензор ПИН PD PD Информационен лист Част Описание X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Хоровиц, Пол и Хил, Уинфийлд, Изкуството на електрониката. Cambridge University Press, 1989 г.

- C. Thiel, Въведение в полупроводниковите радиационни детектори, Web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- Линдън Еванс, Големият адронен колайдер: Технологично чудо, Изд. EPFL Press, 2009 г.