Prenosni detektor sevanja: 10 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

To je vadnica za oblikovanje, izdelavo in preizkušanje lastnega prenosnega detektorja sevanja s foto-diodami iz silicijevega dioksida, primernega za območje odkrivanja 5keV-10MeV za natančno količinsko opredelitev nizkoenergijskih gama žarkov, ki prihajajo iz radioaktivnih virov! Bodite pozorni, če ne želite postati radioaktivni zombi: v bližini virov visokega sevanja ni varno in te naprave NE smete uporabljati kot zanesljiv način odkrivanja potencialno škodljivega sevanja.

Začnimo z malo znanja o detektorju, preden se lotimo njegove gradnje. Zgoraj je čudovit videoposnetek podjetja Veritasium, ki pojasnjuje, kaj je sevanje in od kod prihaja.

1. korak: Najprej veliko fizike

(Legenda na sliki: ionizirajoče sevanje tvori pare elektron-luknje v notranjem območju, kar povzroči impulz naboja.)

Vžigalne komore, Geigerjevi in cevni detektorji z multiplikatorjem fotografij … vse te vrste detektorjev so okorne, drage ali za delovanje uporabljajo visoke napetosti. Obstaja nekaj proizvajalcem prijaznih tipov cevi Geiger, na primer https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product/483. Druge metode za odkrivanje sevanja so detektorji v trdnem stanju (npr. Germanijevi detektorji). Vendar pa so te izdelave drage in zahtevajo posebno opremo (pomislite na hlajenje s tekočim dušikom!). Nasprotno, polprevodniški detektorji so zelo stroškovno učinkoviti. Veliko se uporabljajo in imajo bistveno vlogo v fiziki delcev z visoko energijo, medicinski fiziki in astrofiziki.

Tukaj gradimo prenosni detektor sevanja v trdnem stanju, ki lahko natančno količinsko opredeli in zazna nizkoenergijske gama žarke, ki prihajajo iz radioaktivnih virov. Naprava je sestavljena iz niza obratno pristranskih silicijevih diod PiN velike površine, ki oddajajo na predpojačevalnik polnjenja, diferencialni ojačevalnik, diskriminator in primerjalnik. Izhod vseh zaporednih stopenj se pretvori v digitalne signale za analizo. Začeli bomo z opisom načel detektorjev silicijevih delcev, diod PiN, povratnega odmika in drugih povezanih parametrov. Nato bomo razložili različne preiskave, ki so bile opravljene, in izbrane odločitve. Na koncu bomo predstavili končni prototip in testiranje.

SolidState detektorji

V mnogih aplikacijah za odkrivanje sevanja je uporaba trdnega medija za odkrivanje pomembna prednost (alternativno imenovani detektorji polprevodniških diod ali detektorji polprevodnika). Silicijeve diode so detektorji izbire za veliko število aplikacij, še posebej, če gre za težko nabite delce. Če merjenje energije ni potrebno, odlične časovne značilnosti detektorjev silicijeve diode omogočajo natančno štetje in sledenje nabitih delcev.

Za merjenje visokoenergijskih elektronov ali gama žarkov lahko dimenzije detektorja ostanejo precej manjše od alternativ. Uporaba polprevodniških materialov kot detektorjev sevanja povzroči tudi večje število nosilcev za določen dogodek sevalnega sevanja in zato nižjo statistično mejo energetske ločljivosti, kot je to mogoče pri drugih vrstah detektorjev. Posledično se z uporabo takšnih detektorjev doseže najboljša današnja energetska ločljivost.

Temeljni nosilci informacij so pari elektron-luknja, ustvarjeni vzdolž poti, ki jo napolnjeni delci opravijo skozi detektor (glej zgornjo sliko). Z zbiranjem teh parov elektron-luknja, merjenih kot naboji na elektrodah senzorja, se oblikuje signal za zaznavanje in preide v stopnje ojačanja in diskriminacije. Dodatne zaželene lastnosti polprevodniških detektorjev so kompaktna velikost, sorazmerno hitre časovne značilnosti in učinkovita debelina (*). Kot pri vsakem detektorju obstajajo pomanjkljivosti, vključno z omejitvijo na majhne velikosti in relativno možnostjo, da se te naprave poslabšajo zaradi poškodb, ki jih povzroči sevanje.

(*: Tanki senzorji zmanjšajo večkratna razprševanja, medtem ko debelejši senzorji ustvarijo več nabojev, ko delci prečkajo podlago.)

P − i − N diode:

Vsaka vrsta detektorja sevanja po interakciji z sevanjem ustvari značilen izhod. Interakcije delcev s snovjo se razlikujejo po treh učinkih:

1. fotoelektrični učinek
2. Comptonovo sipanje
3. Proizvodnja v parih.

Osnovno načelo ravninskega silicijevega detektorja je uporaba PN stika, v katerem delci medsebojno delujejo prek teh treh pojavov. Najenostavnejši ravninski silicijev senzor je sestavljen iz substrata, dopiranega s P, in N-implantata na eni strani. Pari elektronskih lukenj nastanejo vzdolž poti delcev. Na območju križišča PN obstaja območje brez nosilcev naboja, imenovano območje izčrpanosti. Pari elektronskih lukenj, ustvarjeni na tem področju, so ločeni z okoliškim električnim poljem. Zato je mogoče nosilce naboja izmeriti na strani N ali P silicijevega materiala. Z uporabo povratne napetosti na PN-stično diodo izčrpano območje raste in lahko pokrije celotno podlago senzorja. Več o tem lahko preberete tukaj: članek Wikipedia Pin Junction.

Dioda PiN ima lastno območje i med stikoma P in N, preplavljeno z nosilci naboja iz regij P in N. To široko notranje območje pomeni tudi, da ima dioda nizko kapacitivnost, ko je vzvratno pristranska. V diodi PiN območje izčrpavanja obstaja skoraj v celoti znotraj notranjega območja. To območje izčrpanosti je veliko večje kot pri običajni PN diodi. To poveča prostornino, kjer lahko vpadni foton ustvari pare elektron-luknja. Če na polprevodniški material nanesemo električno polje, se elektroni in luknje selijo. Dioda PiN je obratno pristranska, tako da je celotna i-plast osiromašena prostih nosilcev. Ta obratna pristranskost ustvarja električno polje čez i-plast, tako da se elektroni odnesejo v P-plast in luknje v N-plast (*4).

Tok nosilcev kot odziv na impulz sevanja predstavlja izmerjeni tok toka. Da bi povečali ta tok, mora biti območje i čim večje. Lastnosti stičišča so takšne, da pri premikanju v obratni smeri vodi zelo malo toka. P-stran stika postane negativna glede na N-stran, razlika v naravnem potencialu z ene strani križišča na drugo pa se poveča. V teh okoliščinah se čez križišče pritegnejo manjšinski nosilci in ker je njihova koncentracija relativno nizka, je povratni tok skozi diodo precej majhen. Ko se na stičišču uporabi obratna pristranskost, se na območju izčrpavanja pojavi skoraj vsa uporabljena napetost, ker je njena upornost veliko višja od normalnega materiala tipa N ali P. Dejansko obratna pristranskost poudarja potencialno razliko na stičišču. Poveča se tudi debelina območja izčrpanosti, s čimer se razširi prostornina, na kateri se zbirajo nosilci naboja, proizvedeni s sevanjem. Ko je električno polje dovolj visoko, se zbiranje naboja zaključi in višina impulza se ne spreminja več z nadaljnjim povečanjem napetosti pristranskosti detektorja.

(*1: Elektroni v vezanem stanju atoma izločijo fotoni, če je energija vpadnih delcev višja od energije vezave. *2: Interakcija, ki vključuje razprševanje delca na prostem ali ohlapno vezanem elektronu, in prenos nekaj energije na elektron.; *3: Proizvodnja elementarnega delca in njegovega delca. smeri kot električno polje.)

2. korak: Raziskovanje

To je prototipna različica "detektorja", ki smo jo izdelali, odpravili napake in preizkusili. To je matrika, sestavljena iz več senzorjev, ki imajo senzor sevanja v slogu "CCD". Kot smo že omenili, so vsi silicijevi polprevodniki občutljivi na sevanje. Glede na to, kako natančen je in uporabljenih senzorjev, lahko dobite tudi grobo predstavo o ravni energije delca, ki je povzročil zadetek.

Uporabili smo že zaščitene diode, ki so namenjene zaznavanju, ki lahko pri obratno pristranskosti (in zaščiti pred vidno svetlobo) registrirajo zadetke iz sevanja beta in gama z ojačanjem drobnih signalov in branjem izhodnih podatkov z mikrokrmilnikom. Alfa sevanje pa je redko mogoče zaznati, ker ne more prodreti niti v tanko tkanino ali polimerno zaščito. V prilogi je čudovit videoposnetek podjetja Veritasium, ki pojasnjuje različne vrste sevanja (alfa, beta in gama).

Pri začetnih iteracijah načrtovanja je bil uporabljen drugačen senzor (fotodioda BPW-34; slavni senzor, če poiščete naokoli). Obstaja celo nekaj povezanih Instructables, ki ga uporabljajo za namen odkrivanja sevanja, kot je to odlično: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Ker pa je imel nekaj hroščev in ni deloval optimalno, smo se odločili, da podrobnosti tega prototipa izpustimo iz teh navodil, da bi preprečili, da bi ustvarjalci izdelali detektor, poln napak. Priložili smo oblikovalske datoteke in shemo, če koga zanima.

3. korak: Oblikovanje

(Legende o sliki: (1) Blokovni diagram detektorja: od ustvarjanja signala do zbiranja podatkov., (2) Specifikacije fotodiode X100-7: 100 mm^2 aktivno območje, 0,9 mm osiromašeno območje, premaz za blokiranje svetlobe, nizek temen tok… Kot je prikazano na ploskvi verjetnosti absorpcije, diode PiN zlahka absorbirajo energijo gama žarkov, (3) Opomba proizvajalca, ki je potrdila zasnovo zasnove in pomagala pri izbiri začetnih vrednosti komponent.

Odločili smo se za senzor večje površine, in sicer X100−7 iz prvega senzorja. Za namene testiranja in modularnosti smo oblikovali tri različne dele, zložene drug na drugega: senzorje in ojačevalnik (ojačevalnik nizkega šuma + ojačevalnik za oblikovanje impulzov), diskriminatorje in primerjalnik, regulacija DC/DC in DAQ (Arduino za zbiranje podatkov). Vsaka stopnja je bila sestavljena, potrjena in preizkušena ločeno, kot boste videli v naslednjem koraku.

Glavna prednost polprevodniških detektorjev je majhna ionizacijska energija (E), neodvisna tako od energije kot od vrste vpadnega sevanja. Ta poenostavitev omogoča upoštevanje številnih parov elektron-luknja v smislu vpadne energije sevanja, pod pogojem, da se delci popolnoma ustavijo v aktivni prostornini detektorja. Za silicij pri 23C (*) imamo E ~ 3,6eV. Ob predpostavki, da je vsa energija odložena, in z uporabo energije ionizacije lahko izračunamo število elektronov, ki jih proizvede določen vir. Na primer, 60keV gama žarki iz vira Americium-241 bi povzročili naloženo naboj 0,045 fC/keV. Kot je prikazano v specifikacijah specifikacij diod, lahko območje izčrpavanja nad napetostjo pristranskosti približno ~ 15V približamo kot konstantno. S tem nastavimo ciljno območje za našo napetost na 12-15V. (*: E narašča z zniževanjem temperature.)

Funkcionalnost različnih modulov detektorja, njihove sestavine in z njimi povezani izračuni. Pri ocenjevanju detektorja je bila občutljivost (*1) ključnega pomena. Potreben je izredno občutljiv predpojačevalnik naboja, ker lahko vpadni gama-žarek proizvede le nekaj tisoč elektronov v območju izčrpavanja polprevodnikov. Ker ojačamo majhen tok toka, je treba posebno pozornost nameniti izbiri komponent, skrbnemu oklopu in postavitvi vezja.

(*1: Najmanjša energija, ki jo je treba deponirati v detektorju za ustvarjanje ločenega signala, in razmerje signal / šum.)

Za pravilno izbiro vrednosti komponent najprej povzamem zahteve, želene specifikacije in omejitve:

Senzorji:

• Veliko območje zaznavanja, 1keV-1MeV
• Nizka kapacitivnost za zmanjšanje hrupa, 20pF-50pF
• Zanemarljiv tok puščanja pri obratni pristranskosti.

Ojačanje in diskriminacija:

• Predojačevalniki, občutljivi na polnjenje
• Diferencial za oblikovanje impulzov
• Primerjalnik za signalni impulz, ko je nad nastavljenim pragom
• Primerjalnik za izhod hrupa, ko je znotraj praga
• Primerjalnik za naključja kanalov
• Splošni prag za filtriranje dogodkov.

Digitalni in mikro krmilnik:

• Hitri analogno-digitalni pretvorniki
• Izhodni podatki za obdelavo in uporabniški vmesnik.

Napajanje in filtriranje:

• Regulatorji napetosti za vse stopnje
• Visokonapetostno napajanje za ustvarjanje pristranske moči
• Pravilno filtriranje celotne distribucije energije.

Izbral sem naslednje komponente:

• Pretvornik DC Boost: LM 2733
• Ojačevalniki polnjenja: AD743
• Drugi op-ojačevalniki: LM393 in LM741
• DAQ/odčitavanje: Arduino Nano.

Dodatne vsiljene specifikacije vključujejo:

• Delovna hitrost:> 250 kHz (84 kanalov), 50 kHz (naključje)
• Ločljivost: 10 -bitni ADC
• Hitrost vzorčenja: 5kHz (8 kanalov)
• Napetosti: 5V Arduino, 9V op-amp, ~ 12V Biasing.

Celotna razporeditev in vrstni red zgornjih komponent sta predstavljena na sliki blok diagrama. Naredili smo izračune z vrednostmi komponent, uporabljenimi v fazi testiranja (glej tretjo sliko). (*: Nekatere vrednosti komponent niso enake prvotno načrtovanim in niso enake tistim, ki so trenutno na voljo; kljub temu ti izračuni dajejo okvirni okvir.)

4. korak: Vezja

(Legende na sliki: (1) Splošna shema stopenj 1-3 enega kanala, vključno z osnovo diod in delilniki napetosti, ki zagotavljajo sklice na vsako stopnjo, pododseke vezja.)

Pojasnimo zdaj "tok" zaznavnega signala enega od štirih kanalov od njegovega nastanka do digitalnega pridobivanja.

1. stopnja

Edini zanimiv signal izvira iz fotodiod. Ti senzorji so obratno pristranski. Napajalni napajalnik je stabilen 12V, ki poteka skozi nizkoprepustni filter za odpravo kakršnega koli neželenega hrupa, večjega od 1Hz. Po ionizaciji območja izčrpavanja se na nožicah diode ustvari impulz naboja. Ta signal pobere naša prva stopnja ojačevalnika: ojačevalnik naboja. Ojačevalnik naboja je mogoče izdelati s katerim koli operacijskim ojačevalnikom, vendar je specifikacija nizkega hrupa zelo pomembna.

2. stopnja

Namen te stopnje je pretvoriti impulz polnjenja, zaznan na invertirnem vhodu, v enosmerno napetost na izhodu op-amp. Neinvertirni vhod je filtriran in nastavljen na delilnik napetosti na znani in izbrani ravni. To prvo stopnjo je težko nastaviti, vendar smo se po številnih testih odločili za povratni kondenzator 2 [pF] in povratni upor 44 [MOhm], kar je povzročilo impulz 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. Ojačevalnik aktivnega pasovnega pasovnega pasu, ki deluje kot diferenciator, sledi ojačevalniku naboja. Ta stopnja filtrira in pretvori pretvorbo DC ravni, ki izhaja iz prejšnje stopnje v impulz z ojačitvijo 100. Surovi detektorski signal se sondira na izhodu te stopnje.

3. stopnja

Naslednja na vrsti sta signalna in hrupna kanala. Ta dva izhoda greta neposredno na DAQ, pa tudi na drugo analogno tiskano vezje. Oba delujeta kot primerjalnika op-amp. Edina razlika med tema dvema je, da ima šumni kanal nižjo napetost na svojem neinvertirajočem vhodu kot signalni kanal, signalni kanal pa je tudi filtriran, da odstrani frekvence nad pričakovanim izhodnim impulzom iz druge ojačevalne stopnje. Op-amp LM741 deluje kot primerjalec proti spremenljivemu pragu za razlikovanje signalnega kanala, kar detektorju omogoča, da pošlje samo izbrane dogodke na ADC/MCU. Spremenljiv upor na neinvertirajočem vhodu nastavi nivo sprožilca. Na tej stopnji (števec naključij) se signali iz vsakega kanala dovajajo v op-amp, ki deluje kot seštevalno vezje. Nastavljen je fiksni prag, ki sovpada z dvema aktivnima kanaloma. Op-amp oddaja visoko, če dve ali več fotodiod istočasno registrira zadetek.

Opomba: Naredili smo ključno napako, tako da smo DC/DC povečevalni pretvornik z močjo prilagajanja postavili blizu op-ojačevalcev, občutljivih na naboj, na ojačevalnem tiskanem vezju. Morda bomo to popravili v kasnejši različici.

5. korak: Sestavljanje

Spajkanje, veliko spajkanja … Ker senzor, izbran za končni detektor, obstaja le kot komponenta odtisa SMT, smo morali oblikovati tiskane vezje (2 plasti). Zato so bila vsa povezana vezja preseljena tudi na plošče PCB in ne na matično ploščo. Vse analogne komponente so bile nameščene na dveh ločenih tiskanih vezjih, digitalne komponente pa na drugi, da bi se izognili motnjam hrupa. To so bili prvi PCB -ji, ki smo jih kdaj izdelali, zato smo morali poiskati pomoč pri postavitvi v Eaglu. Najpomembnejša tiskana vezja so senzorji in ojačevalniki. Z osciloskopom, ki spremlja izhode na preskusnih točkah, lahko detektor deluje samo s to ploščo (DAQ bypass). Našel sem in popravil svoje napake; ti so vključevali napačne odtise komponent, zaradi česar so bili naši op-ojačevalniki z nizkim šumom prisluškovani, in komponente izrabljene življenjske dobe, ki so jih zamenjali z alternativami. Poleg tega sta bila zasnovi dodana dva filtra za zatiranje zvonjenja.

6. korak: Ohišje

Cilj 3D natisnjenega ohišja, svinčenega lista in pene je za: namene namestitve, toplotno izolacijo, zaščito pred hrupom in blokiranje zunanje svetlobe ter očitno zaščito elektronike. Priložene so datoteke STL za 3D tiskanje.

7. korak: Odčitavanje Arduina

Odčitani (ADC/DAQ) del detektorja je sestavljen iz Arduino Mini (koda priložena). Ta mikrokrmilnik nadzoruje izhode štirih detektorjev in napajanje kasnejšega (sledenje kakovosti energije), nato odda vse podatke o serijskem izhodu (USB) za nadaljnjo analizo ali snemanje.

Namizna aplikacija Processing je bila razvita (priložena) za risanje vseh dohodnih podatkov.

8. korak: Testiranje

(Legende na sliki: (1) Nastali impulz razmerja signal / šum vira 60Co (t ~ 760ms) ~ 3: 1., (2) Vbrizgavanje, ekvivalentno naboju, ki ga nanese vir energije ~ 2 MeV., (3) Vbrizgavanje, ekvivalentno naboju, ki ga naloži vir 60Co (~ 1,2 MeV)).

Injekcijo polnjenja smo izvedli z impulznim generatorjem, povezanim s kondenzatorjem (1pF) na senzorski ploščici, in prekinili ozemljitev preko upora 50Ohm. Ti postopki so mi omogočili, da preizkusim svoja vezja, natančno nastavim vrednosti komponent in simuliram odzive fotodiod, ko so izpostavljeni aktivnemu viru. Pred dvema aktivnima foto-diodama smo nastavili vir Americium-241 (60 KeV) in železo-55 (5,9 KeV), pri čemer noben kanal ni videl posebnega signala. Preverili smo z vbrizgi impulzov in ugotovili, da so bili impulzi iz teh virov zaradi ravni hrupa pod opaznim pragom. Vendar smo še vedno lahko videli zadetke iz vira 60Co (1,33 MeV). Glavni omejevalni dejavnik med preskusi je bil precejšen hrup. Bilo je veliko virov hrupa in malo razlag o tem, kaj jih povzroča. Ugotovili smo, da je bil eden najpomembnejših in najbolj škodljivih virov prisotnost hrupa pred prvo stopnjo ojačanja. Zaradi velikega dobička se je ta hrup povečal skoraj stokrat! Morda sta k temu prispevala tudi nepravilno filtriranje moči in Johnsonov šum, ki je bil znova vnesen v povratne zanke ojačevalnih stopenj (to bi pojasnilo nizko razmerje signal / šum). Nismo raziskovali odvisnosti hrupa s pristranskostjo, vendar bi to lahko v prihodnosti preučili.

9. korak: Večja slika

Oglejte si videoposnetek Veritasium o najbolj radioaktivnih krajih na svetu!

Če ste prišli tako daleč in sledili korakom, potem čestitam! Zgradili ste aparat za aplikacije v resničnem svetu, kot je LHC! Morda bi morali razmisliti o spremembi poklica in se odpraviti na področje jedrske fizike:) Natančneje rečeno, zgradili ste polprevodniški detektor sevanja, sestavljen iz matrike foto-diod in pripadajočih vezij za lokalizacijo in razlikovanje dogodkov. Detektor je sestavljen iz več ojačevalnih stopenj, ki pretvorijo majhne impulze naboja v opazne napetosti, ki jih nato ločijo in primerjajo. Primerjalnik med kanali ponuja tudi informacije o prostorski porazdelitvi zaznanih dogodkov. Vključili ste tudi uporabo mikrokrmilnika Arduino in bistveno programsko opremo za zbiranje in analizo podatkov.

10. korak: Reference

Poleg čudovitih priloženih datotek PDF je tu še nekaj sorodnih informativnih virov:

- F. A. Smith, Primer v uporabni fiziki sevanja, World Scientific, River Edge, NJ, 2000.

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

- Horowitz, Paul in Hill, Winfield, Umetnost elektronike. Cambridge University Press, 1989.

- C. Thiel, Uvod v detektorje polprevodniških sevanj, splet. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

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