Портативный детектор излучения: 10 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Это руководство по проектированию, конструированию и тестированию вашего собственного портативного кремниевого фотодиодного детектора излучения, подходящего для диапазона обнаружения 5 кэВ-10 МэВ, для точного количественного определения гамма-излучения низкой энергии, исходящего от радиоактивных источников! Обратите внимание, если вы не хотите стать радиоактивным зомби: находиться рядом с источниками сильного излучения небезопасно, и это устройство НЕ следует использовать как надежный способ обнаружения потенциально опасного излучения.

Давайте начнем с небольшой предыстории детектора, прежде чем мы перейдем к его конструкции. Выше замечательный видеоролик от Veritasium, объясняющий, что такое излучение и откуда оно берется.

Шаг 1. Во-первых, много физики

(Легенда к рисунку: ионизирующее излучение образует пары электрон-дырка во внутренней области, что приводит к импульсу заряда.)

Искровые камеры, детекторы Гейгера и фотоумножители … все эти типы детекторов либо громоздки, либо дороги, либо используют для работы высокое напряжение. Существует несколько типов трубок Гейгера, удобных для производителей, например https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 и https://www.adafruit.com/product / 483. Другими методами обнаружения излучения являются твердотельные детекторы (например, германиевые детекторы). Однако они дороги в производстве и требуют специального оборудования (подумайте об охлаждении жидким азотом!). Напротив, твердотельные детекторы очень рентабельны. Они широко используются и играют важную роль в физике частиц высоких энергий, медицинской физике и астрофизике.

Здесь мы создаем портативный твердотельный детектор излучения, способный точно определять количество и обнаруживать гамма-лучи низкой энергии, исходящие от радиоактивных источников. Устройство состоит из массива кремниевых PiN-диодов с большой площадью поверхности с обратным смещением, которые выводятся на предварительный усилитель заряда, дифференцирующий усилитель, дискриминатор и компаратор. Выходные данные всех последовательных этапов преобразуются в цифровые сигналы для анализа. Мы начнем с описания принципов работы кремниевых детекторов частиц, PiN-диодов, обратного смещения и других связанных параметров. Затем мы расскажем о различных исследованиях, которые были проведены, и о сделанном выборе. В конце мы познакомим вас с финальным прототипом и тестированием.

Твердотельные детекторы

Во многих приложениях для обнаружения излучения значительным преимуществом является использование твердой среды обнаружения (также называемой полупроводниковыми диодными детекторами или твердотельными детекторами). Кремниевые диоды являются предпочтительными детекторами для большого числа приложений, особенно когда речь идет о тяжелых заряженных частицах. Если измерение энергии не требуется, превосходные временные характеристики кремниевых диодных детекторов позволяют точно подсчитывать и отслеживать заряженные частицы.

Для измерения электронов высоких энергий или гамма-излучения размеры детектора могут быть намного меньше, чем у альтернативных вариантов. Использование полупроводниковых материалов в качестве детекторов излучения также приводит к большему количеству носителей для данного события падающего излучения и, следовательно, к более низкому статистическому пределу разрешения по энергии, чем это возможно с другими типами детекторов. Следовательно, наилучшее энергетическое разрешение, достижимое сегодня, достигается за счет использования таких детекторов.

Основными носителями информации являются электронно-дырочные пары, созданные на пути заряженной частицы через детектор (см. Рисунок выше). Собирая эти электронно-дырочные пары, измеряемые как заряды на электродах датчика, формируется сигнал обнаружения, который переходит к этапам усиления и дискриминации. Дополнительными желательными характеристиками твердотельных детекторов являются компактный размер, относительно быстрые временные характеристики и эффективная толщина (*). Как и у любого детектора, у него есть недостатки, включая ограничение небольшими размерами и относительную возможность ухудшения характеристик этих устройств из-за радиационного повреждения.

(*: Тонкие сенсоры сводят к минимуму множественное рассеяние, тогда как более толстые сенсоры генерируют больше зарядов, когда частица пересекает подложку.)

P − i − N диоды:

Каждый тип детектора излучения выдает характерный выходной сигнал после взаимодействия с излучением. Взаимодействие частиц с веществом различают тремя эффектами:

1. фотоэлектрический эффект
2. Комптоновское рассеяние
3. Парное производство.

Основным принципом плоского кремниевого детектора является использование PN-перехода, в котором частицы взаимодействуют посредством этих трех явлений. Простейший планарный кремниевый сенсор состоит из подложки, легированной P, и N-имплантата с одной стороны. Электронно-дырочные пары создаются вдоль траектории частицы. В области PN-перехода есть область, свободная от носителей заряда, называемая зоной обеднения. Создаваемые в этой области электронно-дырочные пары разделены окружающим электрическим полем. Следовательно, носители заряда могут быть измерены как на N, так и на P-стороне кремниевого материала. При приложении напряжения обратного смещения к диоду с PN-переходом обедненная зона увеличивается и может покрывать всю подложку датчика. Вы можете узнать больше об этом здесь: Статья в Википедии о Pin Junction.

PiN-диод имеет внутреннюю i-область между P- и N-переходами, заполненную носителями заряда из P- и N-областей. Эта широкая собственная область также означает, что диод имеет низкую емкость при обратном смещении. В PiN-диоде обедненная область почти полностью находится внутри собственной области. Эта область обеднения намного больше, чем у обычного диода PN. Это увеличивает объем, в котором электронно-дырочные пары могут быть созданы падающим фотоном. Если к полупроводниковому материалу приложить электрическое поле, то и электроны, и дырки будут мигрировать. PiN-диод имеет обратное смещение, так что весь i-слой обеднен свободными носителями. Это обратное смещение создает электрическое поле на i-слое, так что электроны уносятся в P-слой, а дырки - в N-слой (* 4).

Поток носителей в ответ на импульс излучения составляет измеряемый импульс тока. Чтобы максимизировать этот ток, i-область должна быть как можно больше. Свойства перехода таковы, что он проводит очень небольшой ток при смещении в обратном направлении. Сторона P перехода становится отрицательной по отношению к стороне N, и естественная разность потенциалов от одной стороны перехода к другой увеличивается. В этих условиях неосновные носители тока притягиваются через переход, и, поскольку их концентрация относительно мала, обратный ток через диод довольно мал. Когда к переходу прикладывается обратное смещение, практически все приложенное напряжение появляется в области истощения, потому что его удельное сопротивление намного выше, чем у нормального материала N или P-типа. Действительно, обратное смещение усиливает разность потенциалов на переходе. Толщина обедненной области также увеличивается, увеличивая объем, в котором собираются носители заряда, произведенные излучением. Когда электрическое поле становится достаточно высоким, сбор заряда завершается, и высота импульса больше не изменяется при дальнейшем увеличении напряжения смещения детектора.

(* 1: Электроны в связанном состоянии атома выбиваются фотонами, когда энергия падающих частиц выше, чем энергия связи. * 2: Взаимодействие, включающее рассеяние частицы на свободном или слабосвязанном электроне, и передача части энергии электрону.; * 3: Производство элементарной частицы и ее античастицы.; * 4: Электроны тянутся в направлении, противоположном вектору электрического поля, тогда как дырки движутся в том же направлении. направление как электрическое поле.)

Шаг 2: Исследование

Это прототипная версия «детектора», которую мы сконструировали, отладили и протестировали. Это матрица, состоящая из нескольких датчиков, которые имеют датчик излучения типа «CCD». Как упоминалось ранее, все кремниевые полупроводники чувствительны к излучению. В зависимости от его точности и используемых датчиков можно также получить приблизительное представление об уровне энергии частицы, вызвавшей попадание.

Мы использовали неэкранированные диоды, уже предназначенные для измерения, которые при обратном смещении (и экранировании его от видимого света) могут регистрировать попадания от бета- и гамма-излучения, усиливая крошечные сигналы и считывая выходные данные с помощью микроконтроллера. Однако альфа-излучение можно обнаружить редко, поскольку оно не может проникнуть даже через тонкую ткань или полимерную защиту. Прилагается замечательное видео от Veritasium, в котором объясняются различные типы излучения (альфа, бета и гамма).

В начальных итерациях дизайна использовался другой датчик (фотодиод BPW-34; известный датчик, если вы погуглите). Есть даже несколько связанных Instructables, которые используют его для самой цели обнаружения излучения, например, этот отличный: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Однако, поскольку в нем были некоторые ошибки и он не работал оптимально, мы решили опустить детали этого прототипа из этой инструкции, чтобы производители не создали детектор, полный недостатков. Однако мы приложили файлы дизайна и схему на случай, если кому-то это интересно.

Шаг 3: Дизайн

(Обозначения к изображениям: (1) Блок-схема детектора: от создания сигнала до сбора данных., (2) Технические характеристики фотодиода X100-7: активная область 100 мм ^ 2, обедненная зона 0,9 мм, светозащитное покрытие, низкий темновой ток… Как показано на графике вероятности поглощения, PiN-диоды легко поглощают энергию гамма-излучения. (3) Указание производителя, подтверждающее концепцию конструкции и помогающее выбрать начальные значения компонентов.

Мы остановились на датчике большей площади, а именно на X100-7 от First Sensor. Для целей тестирования и модульности мы разработали три разные части, наложенные друг на друга: датчики и усиление (малошумящий усилитель заряда + усилитель формирования импульсов), дискриминаторы и компаратор, регулирование постоянного / постоянного тока и DAQ (Arduino для сбора данных). Каждый этап был собран, утвержден и протестирован отдельно, как вы увидите на следующем этапе.

Основным преимуществом полупроводниковых детекторов является малая энергия ионизации (E), не зависящая как от энергии, так и от типа падающего излучения. Это упрощение позволяет учесть количество электронно-дырочных пар с точки зрения энергии падающего излучения при условии, что частица полностью остановлена в активном объеме детектора. Для кремния при 23C (*) E ~ 3,6 эВ. Предполагая, что вся энергия вкладывается, и используя энергию ионизации, мы можем вычислить количество электронов, произведенных данным источником. Например, гамма-излучение 60 кэВ от источника америций-241 приведет к накопившемуся заряду 0,045 фКл / кэВ. Как показано в спецификациях диодов, выше напряжения смещения примерно ~ 15 В область истощения можно приблизительно считать постоянной. Это устанавливает целевой диапазон для нашего напряжения смещения 12-15 В. (*: E увеличивается с понижением температуры.)

Функциональные возможности различных модулей детектора, их составляющих и связанных с ними расчетов. При оценке детектора решающее значение имела чувствительность (* 1). Требуется чрезвычайно чувствительный предварительный усилитель заряда, поскольку падающее гамма-излучение может генерировать только несколько тысяч электронов в области обеднения полупроводника. Поскольку мы усиливаем крошечный импульс тока, особое внимание следует уделять выбору компонентов, тщательному экранированию и компоновке печатной платы.

(* 1: Минимальная энергия, которую необходимо вложить в детектор для получения четкого сигнала, и отношение сигнал / шум.)

Чтобы правильно выбрать значения компонентов, я сначала резюмирую требования, желаемые спецификации и ограничения:

Датчики:

• Большой возможный диапазон обнаружения, 1кэВ-1МэВ
• Низкая емкость для минимизации шума, 20 пФ-50 пФ
• Незначительный ток утечки при обратном смещении.

Усиление и дискриминация:

• Предварительные усилители, чувствительные к заряду
• Дифференциатор для формирования импульса
• Компаратор для сигнального импульса при превышении установленного порога
• Компаратор для вывода шума в пределах порогового интервала
• Компаратор совпадений каналов
• Общий порог для фильтрации событий.

Цифровой и микроконтроллер:

• Быстрые аналого-цифровые преобразователи
• Выходные данные для обработки и пользовательского интерфейса.

Питание и фильтрация:

• Регуляторы напряжения для всех ступеней
• Источник высокого напряжения для генерации мощности смещения
• Правильная фильтрация всего распределения мощности.

Я выбрал следующие компоненты:

• Повышающий преобразователь постоянного тока: LM 2733
• Усилители заряда: AD743
• Другие операционные усилители: LM393 и LM741
• DAQ / Считывание: Arduino Nano.

Дополнительные обязательные спецификации включают:

• Рабочая частота:> 250 кГц (84 канала), 50 кГц (совпадение)
• Разрешение: 10-битный АЦП
• Частота дискретизации: 5 кГц (8 каналов)
• Напряжения: 5 В Arduino, операционные усилители 9 В, смещение ~ 12 В.

Общее расположение и порядок перечисленных выше компонентов представлены на блок-схеме. Мы провели расчеты со значениями компонентов, используемыми на этапе тестирования (см. Третье изображение). (*: Некоторые значения компонентов не совпадают с первоначально запланированными и текущими; тем не менее, эти расчеты служат ориентиром.)

Шаг 4: схемы

(Обозначения к рисункам: (1) Общая схема этапов 1–3 одного канала, включая основание диодов и делители напряжения, которые содержат ссылки на каждую ступень, подсекции схемы.)

Давайте теперь объясним «поток» сигнала обнаружения одного из четырех каналов от его создания до цифрового захвата.

Этап 1

Единственный интересующий сигнал исходит от фотодиодов. Эти датчики имеют обратное смещение. Источник смещения - это стабильное напряжение 12 В, которое пропускается через фильтр нижних частот для устранения любых нежелательных шумов, превышающих 1 Гц. При ионизации обедненной области на выводах диода создается импульс заряда. Этот сигнал улавливается нашим первым каскадом усиления: усилителем заряда. Усилитель заряда может быть изготовлен с любым операционным усилителем, но очень важны характеристики низкого уровня шума.

2 этап

Задача этого этапа - преобразовать импульс заряда, обнаруженный на инвертирующем входе, в постоянное напряжение на выходе операционного усилителя. Неинвертирующий вход фильтруется и устанавливается на делитель напряжения на известном и выбранном уровне. Этот первый каскад сложно настроить, но после многочисленных тестов мы остановились на конденсаторе обратной связи 2 [пФ] и резисторе обратной связи 44 [МОм], что дало импульс 2 [пФ] × 44 [МОм] = 88 [мкс]. Усилитель с инвертирующим активным полосовым фильтром, который действует как дифференциатор, следует за усилителем заряда. Этот каскад фильтрует и преобразует преобразованный уровень постоянного тока, исходящий от предыдущего каскада, в импульс с коэффициентом усиления 100. Необработанный сигнал детектора исследуется на выходе этого каскада.

3 этап

На очереди каналы сигнала и шума. Эти два выхода идут напрямую на DAQ, а также на вторую аналоговую печатную плату. Оба работают как компараторы операционных усилителей. Единственное различие между ними состоит в том, что шумовой канал имеет более низкое напряжение на неинвертирующем входе, чем сигнальный канал, а сигнальный канал также фильтруется для удаления частот выше ожидаемого выходного импульса от второго каскада усиления. Операционный усилитель LM741 действует как компаратор с переменным порогом, чтобы различать канал сигнала, позволяя детектору отправлять только события выбора на АЦП / MCU. Переменный резистор на неинвертирующем входе устанавливает уровень срабатывания. На этом этапе (счетчик совпадений) сигналы от каждого канала подаются на операционный усилитель, действующий как суммирующая схема. Устанавливается фиксированный порог, совпадающий с двумя активными каналами. Операционный усилитель выдает высокий уровень, если два или более фотодиода регистрируют попадание одновременно.

Примечание. Мы допустили серьезную ошибку, поместив повышающий преобразователь мощности смещения в постоянный ток рядом с чувствительными к заряду операционными усилителями на печатной плате усиления. Возможно, мы исправим это в более поздней версии.

Шаг 5: Сборка

Пайка, много пайки… Поскольку датчик, выбранный для окончательного детектора, существует только как компонент SMT, нам пришлось спроектировать печатные платы (2 слоя). Поэтому все связанные схемы также были перенесены на печатные платы, а не на макетную плату. Все аналоговые компоненты были размещены на двух отдельных печатных платах, а цифровые компоненты - на другой, чтобы избежать шумовых помех. Это были первые печатные платы, которые мы когда-либо делали, поэтому нам пришлось немного помочь с компоновкой в Eagle. Самая важная печатная плата - это датчики и усилитель. Если осциллограф контролирует выходы в контрольных точках, детектор может работать только с этой платой (байпас DAQ). Я нашел и исправил свои ошибки; К ним относятся неправильные посадочные места для компонентов, что привело к тому, что наши малошумящие операционные усилители были подключены к проводам, а компоненты с истекшим сроком службы были заменены альтернативными. Дополнительно в конструкцию были добавлены два фильтра для подавления вызывных колебаний.

Шаг 6: корпус

Назначение корпуса, напечатанного на 3D-принтере, свинцового листа и пенопласта: для монтажа, теплоизоляции, обеспечения шумозащиты и блокировки окружающего света и, очевидно, для защиты электроники. Файлы STL для 3D-печати прилагаются.

Шаг 7: считывание Arduino

Считывающая (АЦП / DAQ) часть детектора состоит из Arduino Mini (код прилагается). Этот микроконтроллер контролирует выходы четырех детекторов и подачу питания на них (отслеживает качество электроэнергии), а затем выводит все данные на последовательный выход (USB) для дальнейшего анализа или записи.

Настольное приложение Processing было разработано (приложено) для отображения всех входящих данных.

Шаг 8: Тестирование

(Обозначения к рисункам: (1) Результирующий импульс источника 60Co (t ~ 760 мс) отношение сигнал / шум ~ 3: 1., (2) Инжекция, эквивалентная заряду, нанесенному источником энергии ~ 2 МэВ., (3) Инжекция, эквивалентная заряду, нанесенному источником 60Co (~ 1,2 МэВ)).

Инжекция заряда осуществлялась с помощью генератора импульсов, подключенного к конденсатору (1 пФ) на сенсорной площадке и заземленного через резистор 50 Ом. Эти процедуры позволили мне протестировать свои схемы, точно настроить значения компонентов и смоделировать отклики фотодиодов при воздействии активного источника. Мы установили источники америций-241 (60 кэВ) и железа-55 (5,9 кэВ) перед двумя активными фотодиодами, и ни один из каналов не увидел отличительного сигнала. Мы проверили с помощью инжекции импульсов и пришли к выводу, что импульсы от этих источников были ниже наблюдаемого порога из-за уровней шума. Однако нам все же удалось увидеть попадания от источника 60Co (1,33 МэВ). Основным ограничивающим фактором во время испытаний был значительный шум. Было много источников шума и мало объяснений того, что их создает. Мы обнаружили, что одним из наиболее значительных и вредных источников было присутствие шума перед первым каскадом усиления. Из-за огромного усиления этот шум был усилен почти в сто раз! Возможно, неправильная фильтрация мощности и шум Джонсона, повторно введенный в контуры обратной связи каскадов усилителя, также внесли свой вклад (это могло бы объяснить низкое отношение сигнал / шум). Мы не исследовали зависимость шума от смещения, но мы можем изучить это в будущем.

Шаг 9: большая картина

Смотрите видео от Veritasium о самых радиоактивных местах на Земле!

Если вы зашли так далеко и выполнили все шаги, поздравляем! Вы построили аппарат для реальных приложений вроде LHC! Возможно, вам стоит подумать о смене карьеры и заняться ядерной физикой:) Говоря техническим языком, вы построили твердотельный детектор излучения, состоящий из матрицы фотодиодов и связанных с ними схем для локализации и распознавания событий. Детектор состоит из нескольких каскадов усиления, которые преобразуют небольшие импульсы заряда в наблюдаемые напряжения, затем распознают и сравнивают их. Компаратор между каналами также предоставляет информацию о пространственном распределении обнаруженных событий. Вы также использовали микроконтроллер Arduino и необходимое программное обеспечение для сбора и анализа данных.

Шаг 10: ссылки

В дополнение к прилагаемым замечательным PDF-файлам, вот несколько связанных информационных ресурсов:

- Ф. А. Смит, Учебник по прикладной радиационной физике, World Scientific, River Edge, NJ, 2000.

- Первый датчик, первый датчик PIN Лист данных PD Описание детали X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Горовиц, Пол и Хилл, Уинфилд, Искусство электроники. Издательство Кембриджского университета, 1989.

- К. Тиль, Введение в полупроводниковые детекторы излучения, Интернет. Physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- Линдон Эванс, Большой адронный коллайдер: чудо техники, Под ред. EPFL Press, 2009.