Přenosný detektor záření: 10 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Toto je návod, jak navrhnout, postavit a otestovat vlastní přenosný silikonový fotodiodový detektor záření vhodný pro detekční rozsah 5keV-10MeV pro přesnou kvantifikaci nízkoenergetických gama paprsků pocházejících z radioaktivních zdrojů! Věnujte pozornost, pokud se nechcete stát radioaktivním zombie: není bezpečné se pohybovat kolem zdrojů vysokého záření a toto zařízení NESMÍ být používáno jako spolehlivý způsob detekce potenciálně škodlivého záření.

Začněme malou vědou o pozadí na detektoru, než přejdeme k jeho konstrukci. Nahoře je nádherné video z Veritasium vysvětlující, co je radiace a odkud pochází.

Krok 1: Za prvé, spousta fyziky

(Legenda obrázku: Ionizující záření vytváří páry elektronů a děr ve vnitřní oblasti, což má za následek nabíjecí puls.)

Zapalovací komory, Geigerovy a fotonásobičové trubicové detektory … všechny tyto typy detektorů jsou buď těžkopádné, drahé nebo k provozu používají vysokonapěťová. Existuje několik typů Geigerových trubek vhodných pro výrobce, například https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product/483. Dalšími způsoby detekce záření jsou detektory v pevné fázi (např. Detektory Germanium). Jejich výroba je však nákladná a vyžadují speciální vybavení (myslete na chlazení kapalným dusíkem!). Polovodičové detektory jsou naopak velmi nákladově efektivní. Jsou široce používány a hrají zásadní roli ve fyzice částic s vysokou energií, lékařské fyzice a astrofyzice.

Zde stavíme přenosný detektor záření v pevné fázi, který je schopen přesně kvantifikovat a detekovat nízkoenergetické gama paprsky pocházející z radioaktivních zdrojů. Zařízení se skládá z řady reverzně zkreslených křemíkových diod diody PiN s velkým povrchem, které vystupují do předzesilovače náboje, zesilovače diferenciátoru, diskriminátoru a komparátoru. Výstup všech po sobě jdoucích fází je převeden na digitální signály pro analýzu. Začneme popisem principů detektorů křemíkových částic, PiN diod, reverzního předpětí a dalších souvisejících parametrů. Poté vysvětlíme různá vyšetřování, která byla provedena, a provedená rozhodnutí. Nakonec představíme finální prototyp a testování.

Detektory SolidState

V mnoha aplikacích pro detekci záření je použití tuhého detekčního média významnou výhodou (alternativně nazývané polovodičové diodové detektory nebo detektory v pevné fázi). Křemíkové diody jsou detektory volby pro velký počet aplikací, zvláště když jsou zapojeny těžké nabité částice. Pokud není měření energie požadováno, vynikající časové charakteristiky detektorů křemíkových diod umožňují přesné počítání a sledování nabitých částic.

Pro měření vysokoenergetických elektronů nebo gama paprsků mohou být rozměry detektoru mnohem menší než alternativy. Použití polovodičových materiálů jako detektorů záření má také za následek větší počet nosičů pro danou incidentní radiační událost, a tedy nižší statistický limit pro energetické rozlišení, než je možné u jiných typů detektorů. V důsledku toho je pomocí těchto detektorů dosahováno nejlepšího možného energetického rozlišení, jaké lze dnes dosáhnout.

Základními nosiči informací jsou páry elektronů a děr vytvořené podél dráhy, kterou prochází nabitá částice detektorem (viz obrázek výše). Shromážděním těchto párů elektron-díra, měřeno jako náboje na elektrodách senzoru, se vytvoří detekční signál, který postupuje do stupňů zesílení a diskriminace. Mezi další žádoucí vlastnosti detektorů v pevné fázi patří kompaktní velikost, relativně rychlé charakteristiky časování a efektivní tloušťka (*). Jako u každého detektoru existují nevýhody, včetně omezení na malé velikosti a relativně možnosti, že tato zařízení budou podléhat degradaci výkonu v důsledku poškození způsobeného zářením.

(*: Tenké senzory minimalizují více rozptylů, zatímco silnější senzory generují více nábojů, když částice prochází substrátem.)

P − i − N diody:

Každý typ detektoru záření vytváří po interakci se zářením charakteristický výstup. Interakce částic s hmotou se vyznačují třemi efekty:

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

Základním principem planárního křemíkového detektoru je použití PN přechodu, ve kterém částice interagují prostřednictvím těchto tří jevů. Nejjednodušší planární křemíkový senzor se skládá z substrátu dopovaného P a N-implantátu na jedné straně. Páry elektronů a děr se vytvářejí podél trajektorie částic. V oblasti křižovatky PN se nachází region bezplatných nosičů, kterému se říká zóna vyčerpání. Páry elektronů a děr vytvořené v této oblasti jsou odděleny okolním elektrickým polem. Nosiče náboje lze proto měřit buď na straně N nebo P křemíkového materiálu. Aplikováním reverzního předpětí na přechodovou diodu PN vyčerpaná zóna roste a může pokrýt celý substrát senzoru. Více si o tom můžete přečíst zde: Článek Pin Wikipedia Wikipedia.

Dioda PiN má vnitřní oblast i mezi křižovatkami P a N zaplavenou nosiči náboje z oblastí P a N. Tato široká vnitřní oblast také znamená, že dioda má při reverzním předpětí nízkou kapacitu. V diodě PiN oblast vyčerpání existuje téměř úplně uvnitř vnitřní oblasti. Tato oblast vyčerpání je mnohem větší než u běžné diody PN. To zvyšuje objem, kde mohou být páry elektronů a děr generovány dopadajícím fotonem. Pokud je na polovodičový materiál aplikováno elektrické pole, elektrony i díry projdou migrací. PiN dioda je reverzně předpjatá, takže celá i-vrstva je ochuzena o volné nosiče. Toto reverzní zkreslení vytváří elektrické pole napříč i-vrstvou, takže elektrony jsou zameteny do P-vrstvy a otvorů, do N-vrstvy (*4).

Tok nosných v reakci na puls záření tvoří měřený proudový impuls. Aby byl tento proud maximalizován, musí být i-region co největší. Vlastnosti křižovatky jsou takové, že při předpětí v opačném směru vede velmi malý proud. P-strana křižovatky se stává negativní vzhledem k N-straně a rozdíl přirozeného potenciálu z jedné strany křižovatky na druhou se zvyšuje. Za těchto okolností jsou to menšinové nosiče, které jsou přitahovány přes křižovatku, a protože jejich koncentrace je relativně nízká, zpětný proud přes diodu je poměrně malý. Když je na křižovatku aplikováno obrácené předpětí, prakticky celé aplikované napětí se objeví v oblasti vyčerpání, protože jeho měrný odpor je mnohem vyšší než u normálního materiálu typu N nebo P. Reverzní zkreslení skutečně zdůrazňuje potenciální rozdíl napříč křižovatkou. Tloušťka oblasti vyčerpání se také zvětší, čímž se rozšíří objem, přes který se shromažďují nosiče náboje produkované zářením. Jakmile je elektrické pole dostatečně vysoké, sběr náboje se dokončí a výška impulsu se již nemění s dalším zvýšením předpětí detektoru.

(*1: Elektrony ve vázaném stavu atomu jsou vyrazeny fotony, když je energie dopadajících částic vyšší než vazebná energie. *2: Interakce zahrnující rozptyl částice z volného nebo volně vázaného elektronu, a přenos části energie na elektron; *3: Výroba elementární částice a její antičástice; *4: Elektrony jsou kresleny v opačném směru než vektor elektrického pole, zatímco otvory se pohybují stejným způsobem směr jako elektrické pole.)

Krok 2: Průzkum

Toto je prototypová verze „detektoru“, který jsme zkonstruovali, odladili a testovali. Je to matice skládající se z více senzorů, které mají snímač záření ve stylu „CCD“. Jak již bylo zmíněno dříve, všechny křemíkové polovodiče jsou citlivé na záření. V závislosti na tom, jak je přesný, a použitých čidlech lze také získat hrubou představu o energetické úrovni částice, která způsobila zásah.

Použili jsme nestíněné diody již určené ke snímání, které při reverzním předpětí (a stínění před viditelným světlem) mohou registrovat zásahy záření Beta a Gamma zesílením drobných signálů a čtením výstupních dat pomocí mikrokontroléru. Alfa záření je však možné detekovat jen zřídka, protože nemůže proniknout ani přes tenké stínění látky nebo polymeru. V příloze je nádherné video z Veritasium, které vysvětluje různé druhy záření (Alpha, Beta & Gamma).

Počáteční iterace návrhu používaly jiný senzor (fotodioda BPW-34; slavný senzor, pokud si googlíte). Existuje dokonce několik souvisejících instruktáží, které jej používají pro samotný účel detekce záření, jako je tento vynikající: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Protože však měl nějaké chyby a nefungoval optimálně, rozhodli jsme se z tohoto Instructables vynechat podrobnosti o tomto prototypu, abychom se vyhnuli tomu, aby si Makers stavěli detektor plný nedostatků. Připojili jsme však návrhové soubory a schéma pro případ, že by to někoho zajímalo.

Krok 3: Design

(Legendy obrázku: (1) Blokový diagram detektoru: od vytvoření signálu po sběr dat., (2) Specifikace fotodiody X100-7: aktivní oblast 100 mm^2, zóna ochuzená o 0,9 mm, povlak blokující světlo, nízký proud proudu … Jak je znázorněno na grafu pravděpodobnosti absorpce, diody PiN snadno absorbují energii gama záření, (3) Aplikační poznámka výrobce, který potvrdil koncepci návrhu a pomohl vybrat počáteční hodnoty komponent.

Usadili jsme se pro větší oblastní senzor, konkrétně X100−7 od First Sensor. Pro testovací účely a modularitu jsme navrhli tři různé části, které jsou na sobě: senzory a zesílení (nízkošumový nabíjecí zesilovač + zesilovač pulzního tvarování), diskriminátory a komparátor, regulace DC/DC a DAQ (Arduino pro sběr dat). Každá fáze byla sestavena, ověřena a testována samostatně, jak uvidíte v dalším kroku.

Hlavní výhodou polovodičových detektorů je malá ionizační energie (E), nezávislá jak na energii, tak na druhu dopadajícího záření. Toto zjednodušení umožňuje zohlednit množství párů elektronů a děr, pokud jde o energii dopadajícího záření, za předpokladu, že je částice zcela zastavena v aktivním objemu detektoru. Pro křemík při 23 ° C (*) máme E ~ 3,6 eV. Za předpokladu, že je veškerá energie uložena, a pomocí ionizační energie můžeme vypočítat počet elektronů produkovaných daným zdrojem. Například paprsek 60 kV gama ze zdroje Americium − 241 by měl za následek uložený náboj 0,045 fC/keV. Jak je uvedeno ve specifikacích specifikací diod, nad předpěťovým napětím přibližně ~ 15 V lze oblast vyčerpání aproximovat jako konstantní. Tím se nastaví cílový rozsah pro naše předpínací napětí na 12–15V. (*: E se zvyšuje s klesající teplotou.)

Funkčnost různých modulů detektoru, jejich složek a souvisejících výpočtů. Při hodnocení detektoru byla zásadní citlivost (*1). Je vyžadován extrémně citlivý předzesilovač náboje, protože dopadající gama záření může generovat pouze několik tisíc elektronů v oblasti vyčerpání polovodičů. Protože zesilováme malý proudový impuls, je třeba věnovat zvláštní pozornost výběru součástek, pečlivému stínění a rozvržení desky plošných spojů.

(*1: Minimální energie, která má být uložena v detektoru k vytvoření odlišného signálu a poměru signálu k šumu.)

Abych správně vybral hodnoty komponent, nejprve shrnu požadavky, požadované specifikace a omezení:

Senzory:

• Velký možný rozsah detekce, 1keV-1MeV
• Nízká kapacita pro minimalizaci šumu, 20pF-50pF
• Zanedbatelný svodový proud při reverzním předpětí.

Zesílení a diskriminace:

• Předzesilovače citlivé na nabíjení
• Diferenciátor pro tvarování pulzů
• Komparátor pro signální puls při překročení nastaveného prahu
• Komparátor pro hlukový výstup v mezním intervalu
• Komparátor náhod kanálů
• Obecný práh pro filtrování událostí.

Digitální a mikrořadič:

• Rychlé analogově-digitální převodníky
• Výstupní data pro zpracování a uživatelské rozhraní.

Napájení a filtrování:

• Regulátory napětí pro všechny stupně
• Vysokonapěťové napájení pro generování předpětí
• Správné filtrování všech rozvodů energie.

Vybral jsem následující komponenty:

• DC Boost Converter: LM 2733
• Zesilovače nabíjení: AD743
• Ostatní operační zesilovače: LM393 a LM741
• DAQ/čtení: Arduino Nano.

Mezi další uložené specifikace patří:

• Pracovní frekvence:> 250 kHz (84 kanálů), 50 kHz (náhoda)
• Rozlišení: 10bit ADC
• Vzorkovací frekvence: 5kHz (8 kanálů)
• Napětí: 5V Arduino, 9V operační zesilovače, ~ 12V předpětí.

Celkové uspořádání a pořadí výše uvedených komponent je znázorněno na obrázku blokového schématu. Výpočty jsme provedli s hodnotami komponent použitých během testovací fáze (viz třetí obrázek). (*: Některé hodnoty komponent nejsou stejné, jak byly původně plánovány, ani stejné jako ty, které jsou v současné době zavedeny; nicméně tyto výpočty poskytují vodicí rámec.)

Krok 4: Obvody

(Legendy obrázku: (1) Celkové schéma stupňů 1-3 jednoho kanálu, včetně základny diod a děličů napětí, které poskytují odkazy na každý stupeň, dílčí sekce obvodů.)

Pojďme si nyní vysvětlit „tok“detekčního signálu jednoho ze čtyř kanálů od jeho vytvoření po digitální akvizici.

Fáze 1

Jediný požadovaný signál pochází z fotodiod. Tyto senzory jsou reverzně předpětí. Předpětí je stabilní 12 V, které prochází nízkoprůchodovým filtrem, aby se odstranil nežádoucí šum větší než 1 Hz. Po ionizaci oblasti vyčerpání se na kolících diody vytvoří nabíjecí impuls. Tento signál je zachycen naším prvním zesilovacím stupněm: zesilovačem náboje. Zesilovač náboje lze vyrobit s jakýmkoli operačním zesilovačem, ale specifikace nízkého šumu je velmi důležitá.

Fáze 2

Cílem této fáze je převést nabíjecí impuls detekovaný na invertujícím vstupu na stejnosměrné napětí na výstupu operačního zesilovače. Neinvertující vstup je filtrován a nastaven na dělič napětí na známé a zvolené úrovni. Tento první stupeň je obtížné vyladit, ale po mnoha testech jsme se spokojili s kondenzátorem zpětné vazby 2 [pF] a zpětným odporem 44 [MOhm], což vedlo k pulsu 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. Invertující aktivní pásmový filtrační zesilovač, který funguje jako derivátor, následuje zesilovač náboje. Tato fáze filtruje a převádí převedenou DC úroveň, vycházející z předchozího stupně, na impuls se ziskem 100. Na výstupu této fáze je snímán surový signál detektoru.

Fáze 3

Další v pořadí jsou kanály signálu a šumu. Tyto dva výstupy jdou přímo do DAQ i do druhého analogového PCB. Oba fungují jako komparátory operačních zesilovačů. Jediným rozdílem mezi nimi je, že šumový kanál má na svém neinvertujícím vstupu nižší napětí než signální kanál a signální kanál je také filtrován, aby odstranil frekvence nad očekávaným výstupním impulzem z druhého zesilovacího stupně. Operační zesilovač LM741 funguje jako komparátor proti proměnné prahové hodnotě, aby diskriminoval signální kanál, což umožňuje detektoru odesílat pouze vybrané události do ADC/MCU. Proměnný odpor na neinvertujícím vstupu nastavuje spouštěcí úroveň. V této fázi (koincidenční čítač) jsou signály z každého kanálu přiváděny do operačního zesilovače fungujícího jako sčítací obvod. Pevný práh je nastaven shodně se dvěma aktivními kanály. Výstupy operačního zesilovače jsou vysoké, pokud dvě nebo více fotodiod zaregistrují zásah současně.

Poznámka: Udělali jsme zásadní chybu tím, že jsme krokový převodník DC/DC předpěťového výkonu umístili poblíž zesilovačů citlivých na nabíjení na desce zesílení. Možná to vyřešíme v pozdější verzi.

Krok 5: Shromáždění

Pájení, spousta pájení … Protože senzor vybraný pro konečný detektor existuje pouze jako součást SMT stopy, museli jsme navrhnout PCB (2 vrstvy). Proto byly všechny přidružené obvody migrovány spíše na desky plošných spojů než na prkénko. Všechny analogové komponenty byly umístěny na dvě oddělené desky plošných spojů a digitální komponenty na jiné, aby se zabránilo rušení šumem. Jednalo se o první PCB, které jsme kdy vyrobili, takže jsme museli získat pomoc s rozložením v Eagle. Nejdůležitější PCB je ze senzorů a zesílení. S osciloskopem monitorujícím výstupy v testovacích bodech může detektor pracovat pouze s touto deskou (obtok DAQ). Našel jsem a opravil své chyby; tyto zahrnovaly špatné stopy komponent, což mělo za následek, že naše zesilovače s nízkým šumem byly odposlouchávány a součásti na konci životnosti, které byly vyměněny za alternativy. Kromě toho byly do konstrukce přidány dva filtry pro potlačení kmitání vyzvánění.

Krok 6: Příloha

Cílem 3D tištěného pouzdra, olověného plechu a pěny je: montážní účely, tepelná izolace, zajištění protihlukového stínění a blokování okolního světla a evidentně ochrana elektroniky. Soubory STL pro 3D tisk jsou přiloženy.

Krok 7: Načtení Arduina

Odečtená (ADC/DAQ) část detektoru se skládá z Arduino Mini (připojený kód). Tento mikrokontrolér monitoruje výstupy čtyř detektorů a napájecí napětí pro pozdější (kvalita napájení stopy), poté vydává všechna data na sériový výstup (USB) pro další analýzu nebo záznam.

Pro vykreslení všech příchozích dat byla vyvinuta (přiložena) desktopová aplikace Processing.

Krok 8: Testování

(Legendy obrázku: (1) Výsledný impuls zdroje 60Co (t ~ 760ms) odstup signálu od šumu ~ 3: 1., (2) Injekce ekvivalentní náboji uloženému zdrojem energie ~ 2 MeV., (3) Injekce ekvivalentní náboji uloženému zdrojem 60Co (~ 1,2 MeV)).

Injekce náboje byla provedena pulzním generátorem spojeným s kondenzátorem (1 pF) na senzorové podložce a zakončena k zemi přes odpor 50 Ohmů. Tyto postupy mi umožnily otestovat mé obvody, doladit hodnoty komponent a simulovat reakce fotodiod při vystavení aktivnímu zdroji. Před dvě aktivní fotodiody jsme nastavili zdroj Americium − 241 (60 KeV) a Iron − 55 (5,9 KeV) a žádný kanál neviděl výrazný signál. Ověřili jsme pomocí pulzních injekcí a došli jsme k závěru, že impulsy z těchto zdrojů byly pod hladinou pozorovatelnosti kvůli hladinám hluku. Stále jsme však mohli vidět zásahy ze zdroje 60Co (1,33 MeV). Hlavním limitujícím faktorem během testů byl výrazný hluk. Bylo mnoho zdrojů hluku a jen málo vysvětlení, co je generovalo. Zjistili jsme, že jedním z nejvýznamnějších a nejškodlivějších zdrojů byla přítomnost šumu před prvním zesilovacím stupněm. Kvůli obrovskému zisku byl tento hluk zesílen téměř stonásobně! Možná také přispělo nesprávné filtrování výkonu a Johnsonův šum znovu vstřikovaný do zpětnovazebních smyček stupňů zesilovače (to by vysvětlovalo nízký poměr signálu k šumu). Nezkoumali jsme závislost hluku s ovlivněním, ale v budoucnu bychom se tím mohli zabývat dále.

Krok 9: Větší obrázek

Podívejte se na video z Veritasium o nejvíce radioaktivních místech na Zemi!

Pokud jste se dostali až sem a dodrželi jste kroky, pak gratulujeme! Postavili jste zařízení pro aplikace v reálném světě, jako je LHC! Možná byste měli zvážit změnu kariéry a jít do oblasti jaderné fyziky:) Z technického hlediska jste postavili detektor radiace v pevné fázi skládající se z matice fotodiod a přidružených obvodů pro lokalizaci a rozlišování událostí. Detektor se skládá z několika stupňů zesílení, které převádějí malé nabíjecí impulzy na pozorovatelná napětí, která je následně rozlišují a porovnávají. Komparátor mezi kanály také poskytuje informace o prostorovém rozložení detekovaných událostí. Také jste začlenili použití mikrokontroléru Arduino a základního softwaru pro sběr a analýzu dat.

Krok 10: Reference

Kromě nádherných přiložených souborů PDF je zde také několik souvisejících informačních zdrojů:

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

- První senzor, První senzor PIN Datový list PIN Popis součásti X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

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

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

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