Kaasaskantav kiirgusandur: 10 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

See on õpetus oma kaasaskantava ränifoto-dioodi kiirgusdetektori kavandamiseks, konstrueerimiseks ja katsetamiseks, mis sobib 5keV-10MeV tuvastusvahemikule, et täpselt mõõta radioaktiivsetest allikatest pärinevaid madala energiaga gammakiirgusi! Pöörake tähelepanu, kui te ei soovi muutuda raadioaktiivseks zombiks: kõrge kiirguse allikate läheduses viibimine ei ole ohutu ja seda seadet EI TOHI kasutada usaldusväärselt potentsiaalselt kahjuliku kiirguse tuvastamiseks.

Alustame väikese taustateadusega detektorist, enne kui läheme selle ehitamisele. Ülal on Veritasiumi suurepärane video, mis selgitab, mis on kiirgus ja kust see pärineb.

Samm: esiteks palju füüsikat

(Joonise legend: Ioniseeriv kiirgus moodustab sisemises piirkonnas elektron-augu paarid, mille tulemuseks on laenguimpulss.)

Sädekambrid, Geigeri ja fotokordistiga toruandurid… kõik seda tüüpi detektorid on kas tülikad, kallid või kasutavad töötamiseks kõrgepinget. Seal on mõned tootjasõbralikud Geigeri torutüübid, näiteks https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 ja https://www.adafruit.com/product/483. Teised kiirguse tuvastamise meetodid on tahkisdetektorid (nt germaaniumdetektorid). Nende tootmine on aga kallis ja nõuab spetsiaalset varustust (mõelge vedela lämmastiku jahutamisele!). Vastupidi, tahkisdetektorid on väga kulutõhusad. Neid kasutatakse laialdaselt ja neil on oluline roll suure energiaga osakeste füüsikas, meditsiinifüüsikas ja astrofüüsikas.

Siin ehitame kaasaskantava tahkis-kiirgusdetektori, mis on võimeline täpselt kvantifitseerima ja tuvastama radioaktiivsetest allikatest pärinevaid madala energiaga gammakiiri. Seade koosneb mitmest pöördpingestatud suure pindalaga räni PiN dioodist, mis väljastavad laengu eelvõimendile, diferentseerimisvõimendile, diskrimineerijale ja võrdlusele. Kõigi järgnevate etappide väljund teisendatakse analüüsiks digitaalsignaalideks. Alustuseks kirjeldame räniosakeste detektorite, PiN -dioodide, pöördpingestuse ja muude seotud parameetrite põhimõtteid. Seejärel selgitame erinevaid uurimisi ja tehtud valikuid. Lõpuks tutvustame lõplikku prototüüpi ja testimist.

SolidState'i detektorid

Paljudes kiirguse tuvastamise rakendustes on tahke detekteerimiskandja kasutamine märkimisväärne eelis (alternatiivina nimetatakse neid pooljuhtdioodidetektoriteks või tahkisdetektoriteks). Ränidioodid on paljudes rakendustes valitud detektorid, eriti kui tegemist on raskesti laetud osakestega. Kui energia mõõtmine pole vajalik, võimaldavad ränidioodidetektorite suurepärased ajastusomadused laetud osakeste täpset loendamist ja jälgimist.

Suure energiaga elektronide või gammakiirguse mõõtmiseks võib detektori mõõtmeid hoida palju väiksemaks kui alternatiive. Pooljuhtmaterjalide kasutamine kiirgusdetektorina toob kaasa ka suurema hulga kandjaid antud kiirgusjuhtumi korral ja seega madalama statistilise piiri energia eraldusvõimele kui teist tüüpi detektorite puhul. Järelikult saavutatakse tänapäeval parim saavutatav energialahendus selliste detektorite abil.

Põhilised infokandjad on elektron-aukude paarid, mis on loodud mööda laetud osakeste detektori kaudu kulgevat rada (vt joonis ülal). Nende elektron-aukude paaride kogumisel, mis on mõõdetud laengutena anduri elektroodidel, moodustub tuvastussignaal ning see läheb edasi võimendus- ja eristamisetappi. Tahkisdetektorite täiendavad soovitavad omadused on kompaktne suurus, suhteliselt kiire ajastusomadused ja efektiivne paksus (*). Nagu igal detektoril, on ka puudusi, sealhulgas väikeste mõõtmete piiramine ja suhteliselt võimalus, et need seadmed halvenevad kiirgusest põhjustatud kahjustuste tõttu.

(*: Õhukesed andurid minimeerivad mitmekordset hajumist, samas kui paksemad andurid tekitavad rohkem laenguid, kui osake läbib aluspinna.)

P -i -N dioodid:

Iga kiirgusdetektori tüüp annab pärast kiirgusega suhtlemist iseloomuliku väljundi. Osakeste interaktsioone ainega eristab kolm mõju:

1. fotoelektriline efekt
2. Comptoni hajumine
3. Paaritootmine.

Tasapinnalise ränidetektori põhiprintsiip on PN -ristmiku kasutamine, milles osakesed suhtlevad nende kolme nähtuse kaudu. Lihtsaim tasapinnaline räniandur koosneb P-legeeritud substraadist ja N-implantaadist ühel küljel. Elektron-augu paarid luuakse mööda osakeste trajektoori. PN -ristmiku piirkonnas on tasuta kandjate piirkond, mida nimetatakse ammendumistsooniks. Selles piirkonnas loodud elektron-augu paarid on eraldatud ümbritseva elektriväljaga. Seetõttu saab laengukandjaid mõõta kas ränimaterjali N- või P -pool. Pöördpinge pinge rakendamisel PN-ristmikdioodile kasvab ammendunud tsoon ja võib katta kogu anduri substraadi. Lisateavet selle kohta saate lugeda siit: Pin Junction Wikipedia Artikkel.

PiN dioodil on sisemine i piirkond P ja N ristmike vahel, mis on üle ujutatud P- ja N-piirkondade laengukandjatega. See lai sisemine piirkond tähendab ka seda, et dioodil on tagurpidi nihutamisel madal mahtuvus. PiN dioodis on ammendumispiirkond peaaegu täielikult sisemises piirkonnas. See ammendumispiirkond on palju suurem kui tavalise PN -dioodi korral. See suurendab helitugevust, kus langeva footoni abil saab genereerida elektron-augu paare. Kui pooljuhtmaterjalile rakendatakse elektrivälja, migreeruvad nii elektronid kui ka augud. PiN-diood on vastupidiselt kallutatud, nii et kogu i-kiht on vaba kandjatest tühi. See vastupidine nihutus loob elektrivälja üle i-kihi, nii et elektronid pühitakse P-kihile ja augud N-kihile (*4).

Kandjate vool kiirgusimpulsi alusel moodustab mõõdetud voolupulsi. Selle voolu maksimeerimiseks peab i-piirkond olema võimalikult suur. Ristmiku omadused on sellised, et vastupidises suunas kallutatuna juhib see väga vähe voolu. Ristmiku P-pool muutub N-poole suhtes negatiivseks ja loomulik potentsiaalide erinevus ristmiku ühelt küljelt teisele suureneb. Nendes tingimustes tõmbavad ristmikku just vähemuskandjad ja kuna nende kontsentratsioon on suhteliselt madal, on dioodi vastupidine vool üsna väike. Kui ristmikule rakendatakse pöördpinget, ilmneb praktiliselt kogu rakendatud pinge kogu ammendumispiirkonnas, kuna selle takistus on palju suurem kui tavalisel N- või P-tüüpi materjalil. Tõepoolest, vastupidine eelarvamus rõhutab potentsiaalset erinevust ristmikul. Samuti suureneb ammendumispiirkonna paksus, laiendades kiirgust tekitavate laengukandjate kogumist. Kui elektriväli on piisavalt kõrge, saab laengukogumine lõpule ja impulsi kõrgus ei muutu enam, kui detektori eelpinge suureneb veelgi.

(*1: aatomiga seotud olekus olevad elektronid löövad footonid välja, kui langevate osakeste energia on suurem kui seondumisenergia. ja osa energia ülekandmine elektronile.; *3: Elementaarosakeste ja nende osakestevastaste osakeste tootmine. suunda nagu elektriväli.)

2. samm: uurimine

See on meie loodud, silutud ja testitud "detektori" prototüüpversioon. See on maatriks, mis koosneb mitmest andurist ja millel on "CCD" stiilis kiirgusandur. Nagu varem mainitud, on kõik räni pooljuhid kiirguse suhtes tundlikud. Sõltuvalt selle täpsusest ja kasutatavatest anduritest saab ka ligikaudse ülevaate löögi põhjustanud osakese energiatasemest.

Oleme kasutanud juba tuvastamiseks mõeldud varjestamata dioode, mis tagurpidi kallutatuna (ja varjates nähtava valguse eest) suudavad registreerida beeta- ja gammakiirguse tabamusi, võimendades pisikesi signaale ja lugedes väljundandmeid mikrokontrolleriga. Alfa kiirgust saab aga harva tuvastada, kuna see ei suuda tungida isegi õhukesest kangast või polümeerist varjestusse. Lisatud on suurepärane video Veritasiumist, mis selgitab erinevaid kiirguse liike (alfa, beeta ja gamma).

Esialgsetes disaini iteratsioonides kasutati erinevat andurit (fotodiood BPW-34; kuulus andur, kui guugeldate). On isegi mõned seotud Instructables, mis kasutavad seda just sellise kiirguse tuvastamiseks nagu see suurepärane: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Kuid kuna sellel oli mõningaid vigu ja see ei töötanud optimaalselt, otsustasime selle prototüübi üksikasjad käesolevast juhendist välja jätta, et vältida tegijate vigu täis detektori ehitamist. Lisasime siiski disainifailid ja skeemi juhuks, kui kedagi huvitab.

3. samm: disain

(Kujutiste legendid: (1) Detektori plokkskeem: signaali loomisest andmete kogumiseni., (2) Fotodioodi X100-7 spetsifikatsioonid: 100 mm^2 aktiivne ala, 0,9 mm ammendunud tsoon, kerge blokeeriv kate, madal tume vool… Nagu on näidatud neeldumistõenäosuste graafikul, neelavad PiN dioodid kergesti gammakiirguse energiat. (3) Tootja rakendusmärkus, mis kinnitas disainikontseptsiooni ja aitas valida komponentide esialgseid väärtusi.

Leppisime suurema ala anduriga, nimelt First Sensori X100−7. Testimiseks ja modulaarsuseks kavandasime kolm erinevat osa, mis olid üksteise peale laotud: andurid ja võimendus (madala müratasemega võimendi + impulsi kujundav võimendi), diskrimineerijad ja võrdlus, DC/DC reguleerimine ja DAQ (Arduino andmete hankimiseks). Iga etapp pandi kokku, valideeriti ja testiti eraldi, nagu näete järgmises etapis.

Pooljuhtdetektorite peamine eelis on väike ionisatsioonienergia (E), mis ei sõltu nii kiirgusest kui ka energiast. See lihtsustamine võimaldab langeva kiirgusenergia osas arvestada mitmete elektron-aukude paaridega, tingimusel et osake on detektori aktiivmahu piires täielikult peatatud. Räni temperatuuril 23 ° C (*) on meil E ~ 3,6eV. Eeldades, et kogu energia on ladestatud ja ionisatsioonienergiat kasutades saame arvutada antud allika poolt toodetud elektronide arvu. Näiteks 60keVgamma-ray Americium-241 allikast tooks kaasa laetud laengu 0,045 fC/keV. Nagu on näidatud dioodide spetsifikatsioonides, saab umbes ~ 15 V nihkepinge kohal ammendumispiirkonda hinnata konstantsena. See seab meie eelpinge sihtvahemikuks 12–15 V. (*: E suureneb temperatuuri langedes.)

Detektori erinevate moodulite funktsionaalsus, nende koostisosad ja nendega seotud arvutused. Detektori hindamisel oli tundlikkus (*1) ülioluline. Vajalik on ülitundlik laengu eelvõimendi, sest langev gammakiirgus võib pooljuhtide ammendumispiirkonnas tekitada vaid paar tuhat elektroni. Kuna võimendame väikest voolupulsi, tuleb erilist tähelepanu pöörata komponentide valikule, hoolikale varjestusele ja trükkplaadi paigutusele.

(*1: minimaalne energia, mis tuleb detektorisse eraldada, et tekitada selge signaal, ja signaali-müra suhe.)

Komponentide väärtuste õigeks valimiseks võtan kõigepealt kokku nõuded, soovitud spetsifikatsioonid ja piirangud:

Andurid:

• Suur võimalik avastamisulatus, 1keV-1MeV
• Madal mahtuvus müra minimeerimiseks, 20pF-50pF
• Ebaoluline lekkevool pöördpinge korral.

Võimendamine ja diskrimineerimine:

• Laadimistundlikud eelvõimendid
• Diferentsiaal impulsi kujundamiseks
• Signaalimpulsi komparaator, kui see ületab määratud läve
• Võrdleja müraväljundi saavutamiseks lävivahemiku piires
• Kanalite kokkusattumuste võrdlus
• Sündmuste filtreerimise üldine lävi.

Digitaalne ja mikrokontroller:

• Kiired analoog-digitaalmuundurid
• Väljundandmed töötlemiseks ja kasutajaliides.

Toide ja filtreerimine:

• Pingeregulaatorid kõikidele etappidele
• Kõrgpinge toide, et tekitada eelpinget
• Kogu toitejaotuse nõuetekohane filtreerimine.

Valisin järgmised komponendid:

• Alalisvoolu võimendusmuundur: LM 2733
• Laadimisvõimendid: AD743
• Muud võimendid: LM393 ja LM741
• DAQ/näidud: Arduino Nano.

Täiendavad spetsifikatsioonid hõlmavad järgmist:

• Töökiirus:> 250 kHz (84 kanalit), 50 kHz (kokkusattumus)
• Eraldusvõime: 10 -bitine ADC
• Proovi sagedus: 5 kHz (8 kanalit)
• Pinged: 5V Arduino, 9V op-amp, ~ 12V Biasing.

Ülaltoodud komponentide üldine paigutus ja järjekord on esitatud plokkskeemi joonisel. Arvutused tegime testimisfaasis kasutatud komponentide väärtustega (vt kolmas pilt). (*: Mõned komponentide väärtused ei ole samad, mis algselt planeeritud ega samad, mis praegu kehtivad; sellegipoolest annavad need arvutused suunava raamistiku.)

Samm: ahelad

(Jooniste kirjeldused: (1) Ühe kanali etappide 1-3 skemaatiline skeem, sealhulgas dioodide baas- ja pingejaoturid, mis viitavad igale etapile, ahela alamjaotised.)

Selgitame nüüd ühe nelja kanali tuvastussignaali "voogu" selle loomisest kuni digitaalse hankimiseni.

1. etapp

Ainus huvipakkuv signaal pärineb fotodioodidest. Need andurid on vastupidi kallutatud. Eelpingetoide on stabiilne 12 V, mis juhitakse läbi madalpääsfiltri, et kõrvaldada soovimatu müra, mis on suurem kui 1 Hz. Kahanemispiirkonna ioniseerimisel tekib dioodi tihvtidele laenguimpulss. Selle signaali võtab vastu meie esimene võimendusaste: laengu võimendi. Laadimisvõimendit saab valmistada mis tahes operatsioonivõimendiga, kuid madala müratasemega spetsifikatsioon on väga oluline.

2. etapp

Selle etapi eesmärk on muuta inverteerivas sisendis tuvastatud laenguimpulss alalispingeks op-amp väljundis. Mitteinverteeriv sisend filtreeritakse ja seatakse teadaoleval ja valitud tasemel pingejagurile. Seda esimest etappi on raske häälestada, kuid pärast arvukaid katseid otsustasime tagasiside kondensaatori 2 [pF] ja tagasivoolutakistuse 44 [MOhm], mille tulemuseks oli impulss 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. Inverteeriv aktiivne ribalaiuse filtri võimendi, mis toimib diferentseerijana, järgib laenguvõimendit. See etapp filtreerib ja teisendab teisendatud alalisvoolu taseme, mis pärineb eelmisest etapist, impulssiks, mille võimendus on 100. Toores detektori signaali mõõdetakse selle etapi väljundis.

3. etapp

Järgmisena on signaali- ja mürakanalid. Need kaks väljundit lähevad otse DAQ -le ja teisele analoog -PCB -le. Mõlemad toimivad võrdlusvõimenditena. Ainus erinevus nende kahe vahel on see, et mürakanalil on selle mitteinverteeriva sisendi korral madalam pinge kui signaalikanalil ja ka signaalikanal filtreeritakse, et eemaldada teisest võimendusastmest eeldatava väljundimpulsi ületavad sagedused. LM741 op-amp toimib võrdlejana muutuva lävega, et diskrimineerida signaalikanalit, võimaldades detektoril saata ainult valitud sündmusi ADC/MCU-le. Muutumatu takisti mitteinverteerivas sisendis seab päästiku taseme. Selles etapis (juhusloendur) suunatakse iga kanali signaalid op-võimendisse, mis toimib summeerimisahelana. Fikseeritud künnis seatakse kokku kahe aktiivse kanaliga. Op-amp väljund on kõrge, kui kaks või enam fotodioodi registreerivad tabamuse samaaegselt.

Märkus. Me tegime olulise vea, pannes DC/DC võimendusvõimsuse muunduri võimendusplaadile laadimistundlike op-võimendite lähedale. Võib -olla parandame selle hilisemas versioonis.

Samm: kokkupanek

Jootmine, palju jootmist… Kuna lõplikuks detektoriks valitud andur eksisteerib ainult SMT jalajälje komponendina, pidime kavandama trükkplaate (2 kihti). Seetõttu viidi kogu sellega seotud vooluahel üle ka PCB -plaatidele, mitte leivaplaadile. Kõik analoogkomponendid paigutati kahele eraldi PCB -le ja digitaalsed komponendid teisele, et vältida mürahäireid. Need olid esimesed PCB -d, mida me kunagi tegime, nii et pidime Eagle'i paigutuse jaoks abi saama. Kõige olulisem trükkplaat on andurite ja võimenduse trükkplaat. Ostsilloskoobiga, mis jälgib väljundeid testpunktides, saab detektor töötada ainult selle plaadiga (DAQ ümbersõit). Leidsin ja parandasin oma vead; need hõlmasid valesid komponentide jalajälgi, mille tulemuseks oli meie madala müratasemega võimendite juhtmeühendus, ja kasutuskõlbmatud komponendid, mis asendati alternatiividega. Lisaks lisati konstruktsioonile kaks filtrit helina võnkumiste summutamiseks.

6. samm: ümbris

3D -prinditud korpuse, pliilehe ja vahu eesmärk on: paigaldus, soojusisolatsioon, mürakilbi pakkumine, ümbritseva valguse blokeerimine ja ilmselt elektroonika kaitsmine. Lisatud on 3D -printimise STL -failid.

Samm: Arduino lugemine

Anduri näidu (ADC/DAQ) osa koosneb Arduino Mini-st (kood lisatud). See mikrokontroller jälgib nelja anduri väljundeid ja toiteallikat hilisemale (raja toite kvaliteet), seejärel väljastab kõik andmed jadaväljundist (USB) edasiseks analüüsiks või salvestamiseks.

Töötati töölauarakendus (lisatud) kõigi sissetulevate andmete joonistamiseks.

8. etapp: testimine

(Jooniste kirjeldused: (1) 60Co allika (t ~ 760ms) signaali ja müra suhe ~ 3: 1, (2) Süstimine, mis on võrdne ~ 2 MeV energiaallika laetud laenguga, (3) Süstimine, mis on võrdne 60Co allika laetud laenguga (~ 1,2 MeV)).

Laengu süstimine viidi läbi impulssgeneraatoriga, mis oli ühendatud anduripadja kondensaatoriga (1pF) ja lõpetatud maandusega 50Ohm takisti kaudu. Need protseduurid võimaldasid mul testida oma vooluahelaid, peenhäälestada komponentide väärtusi ja simuleerida fotodioodide reaktsioone aktiivse allikaga kokkupuutel. Seadsime kahe aktiivse fotodioodi ette nii Americium − 241 (60 KeV) kui ka Iron − 55 (5,9 KeV) allika ning kumbki kanal ei näinud eristavat signaali. Kontrollisime impulssüstide abil ja jõudsime järeldusele, et nende allikate impulsid olid mürataseme tõttu alla vaadeldava läve. Siiski nägime endiselt hitte 60Co (1,33 MeV) allikast. Katsete ajal oli peamine piirav tegur märkimisväärne müra. Seal oli palju müraallikaid ja vähe selgitusi selle kohta, mis neid tekitab. Leidsime, et üks olulisemaid ja kahjulikumaid allikaid oli müra olemasolu enne esimest võimendusetappi. Tänu suurele võimendusele võimendas see müra peaaegu sada korda! Võib-olla aitasid kaasa ka vale võimsuse filtreerimine ja võimendi astmete tagasisideahelatesse uuesti süstitud Johnsoni müra (see seletaks madala signaali ja müra suhte). Me ei uurinud müra sõltuvust eelarvamustega, kuid võiksime seda tulevikus veelgi uurida.

9. samm: suurem pilt

Vaata Veritasiumi videot maailma kõige radioaktiivsemate kohtade kohta!

Kui jõudsite nii kaugele ja järgisite samme, siis palju õnne! Olete loonud aparaadi reaalsete rakenduste jaoks nagu LHC! Võib-olla peaksite kaaluma karjäärimuutust ja minema tuumafüüsika valdkonda:) Tehnilisemalt öeldes olete sündmuste lokaliseerimiseks ja eristamiseks ehitanud fotodioodide maatriksist koosneva tahkiskiirgusdetektori ja sellega seotud vooluahela. Detektor koosneb mitmest võimendusastmest, mis muudavad väikesed laenguimpulsid jälgitavaks pingeks, seejärel eristavad ja võrdlevad neid. Võrdluskanalite vahel saab teavet ka tuvastatud sündmuste ruumilise jaotuse kohta. Samuti kasutasite Arduino mikrokontrolleri ja olulist tarkvara andmete kogumiseks ja analüüsimiseks.

10. samm: viited

Lisaks lisatud suurepärastele PDF -failidele on siin ka mõned seotud teabeallikad:

- F. A. Smith, Rakendatud kiirgusfüüsika aabits, World Scientific, River Edge, NJ, 2000.

- Esimene andur, esimese anduri PIN PD andmeleht Osa kirjeldus X100-7 SMD, veeb. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul ja Hill, Winfield, Elektroonika kunst. Cambridge'i ülikooli kirjastus, 1989.

- C. Thiel, Sissejuhatus pooljuhtkiirguse detektoritesse, veeb. füüsika.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- Lyndon Evans, Suur hadronite põrkur: tehnoloogia ime, Ed. EPFL Press, 2009.