Detector de radiații portabil: 10 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

Acesta este un tutorial pentru a proiecta, construi și testa propriul detector de radiații portabil din silicon foto-diodă adecvat pentru gama de detectare 5keV-10MeV pentru a cuantifica cu exactitate razele gamma cu energie scăzută provenite din surse radioactive! Acordați atenție dacă nu doriți să deveniți un zombie radioactiv: nu este sigur să vă aflați în apropierea surselor de radiații ridicate, iar acest dispozitiv NU ar trebui să fie folosit ca un mod fiabil de detectare a radiațiilor potențial dăunătoare.

Să începem cu puțină știință de fundal pe detector înainte de a intra în construcția acestuia. Mai sus este un minunat videoclip de la Veritasium care explică ce este radiația și de unde provine.

Pasul 1: În primul rând, multă fizică

(Legenda figurii: Radiațiile ionizante formează perechi electron-gaură în regiunea intrinsecă rezultând un impuls de încărcare.)

Camere de scânteie, detectoare de tuburi Geiger și foto-multiplicatoare … toate aceste tipuri de detectoare sunt fie greoaie, scumpe, fie folosesc tensiuni ridicate pentru a funcționa. Există câteva tipuri de tuburi Geiger compatibile cu producătorii, cum ar fi https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product / 483. Alte metode de detectare a radiațiilor sunt detectoarele în stare solidă (de exemplu, detectoarele de germaniu). Cu toate acestea, acestea sunt scumpe de produs și necesită echipamente specializate (gândiți-vă la răcirea cu azot lichid!). Dimpotrivă, detectoarele în stare solidă sunt foarte rentabile. Acestea sunt utilizate pe scară largă și joacă un rol esențial în fizica particulelor cu energie ridicată, fizica medicală și astrofizică.

Aici, construim un detector portabil de radiații în stare solidă capabil să cuantifice și să detecteze cu exactitate razele gamma de energie scăzută provenite din surse radioactive. Dispozitivul constă dintr-o serie de diode PiN din siliciu cu suprafață mare, polarizate invers, care emit către un pre-amplificator de încărcare, un amplificator diferențiator, un discriminator și un comparator. Ieșirea tuturor etapelor succesive este convertită în semnale digitale pentru analiză. Vom începe prin a descrie principiile detectoarelor de particule de siliciu, diodele PiN, polarizarea inversă și alți parametri asociați. Vom explica apoi diferitele investigații care au fost efectuate și alegerile făcute. La final, vom introduce prototipul final și testarea.

Detectoare SolidState

În multe aplicații de detectare a radiațiilor, utilizarea unui mediu de detecție solid este de un avantaj semnificativ (denumite în mod alternativ detectoare cu diode semiconductoare sau detectoare cu stare solidă). Diodele de siliciu sunt detectoarele la alegere pentru un număr mare de aplicații, mai ales atunci când sunt implicate particule încărcate. Dacă nu este necesară măsurarea energiei, caracteristicile excelente de sincronizare ale detectoarelor cu diode de siliciu permit o numărare și urmărire precisă a particulelor încărcate.

Pentru măsurarea electronilor cu energie ridicată sau a razelor gamma, dimensiunile detectorului pot fi păstrate mult mai mici decât alternativele. Utilizarea materialelor semiconductoare ca detectoare de radiații are ca rezultat și un număr mai mare de purtători pentru un anumit eveniment de radiație incident și, prin urmare, o limită statistică mai mică pentru rezoluția energiei decât este posibilă cu alte tipuri de detectoare. În consecință, cea mai bună rezoluție de energie realizabilă astăzi se realizează prin utilizarea unor astfel de detectoare.

Purtătorii de informații fundamentali sunt perechi de găuri electronice create de-a lungul traseului parcurs de particula încărcată prin detector (a se vedea figura de mai sus). Prin colectarea acestor perechi electron-gaură, măsurate ca sarcini la electrozii senzorului, se formează semnalul de detecție și trece la etapele de amplificare și discriminare. Caracteristicile suplimentare de dorit ale detectoarelor în stare solidă sunt o dimensiune compactă, caracteristici de sincronizare relativ rapide și o grosime eficientă (*). Ca și în cazul oricărui detector, există dezavantaje, inclusiv limitarea la dimensiuni mici și posibilitatea relativă a acestor dispozitive de a suferi degradarea performanței din cauza daunelor provocate de radiații.

(*: Senzorii subțiri minimizează împrăștierea multiplă, în timp ce senzorii mai groși generează mai multe sarcini atunci când o particulă traversează substratul.)

P − i − N diode:

Fiecare tip de detector de radiații produce o ieșire caracteristică după interacțiunea cu radiația. Interacțiunile particulelor cu materia se disting prin trei efecte:

1. efectul foto-electric
2. Împrăștierea Compton
3. Producție în perechi.

Principiul de bază al unui detector de siliciu plan este utilizarea unei joncțiuni PN în care particulele interacționează prin aceste trei fenomene. Cel mai simplu senzor planar de siliciu constă dintr-un substrat dopat P și un N-implant pe o parte. Perechile electron-gaură sunt create de-a lungul unei traiectorii de particule. În zona joncțiunii PN, există o regiune fără transportatori, numită zona de epuizare. Perechile electron-gaură create în această regiune sunt separate de un câmp electric înconjurător. Prin urmare, purtătorii de încărcare pot fi măsurați fie la partea N, fie la partea P a materialului de siliciu. Prin aplicarea unei tensiuni de polarizare inversă diodei de joncțiune PN, zona epuizată crește și poate acoperi substratul complet al senzorului. Puteți citi mai multe despre acest lucru aici: Pin Wikipedia articol Wikipedia.

O diodă PiN are o regiune i intrinsecă, între joncțiunile P și N, inundată cu purtători de sarcină din regiunile P și N. Această regiune intrinsecă largă înseamnă, de asemenea, că dioda are o capacitate scăzută atunci când este polarizată invers. Într-o diodă PiN, regiunea de epuizare există aproape complet în regiunea intrinsecă. Această regiune de epuizare este mult mai mare decât în cazul unei diode PN obișnuite. Aceasta crește volumul în care perechile electron-gaură pot fi generate de un foton incident. Dacă un material electric este aplicat materialului semiconductor, atât electronii, cât și găurile suferă o migrație. Dioda PiN este inversată, astfel încât întregul strat i să fie epuizat de purtători liberi. Această polarizare inversă creează un câmp electric peste stratul i, astfel încât electronii să fie mutați către stratul P și găuri, către stratul N (* 4).

Fluxul purtătorilor ca răspuns la un impuls de radiație constituie impulsul curent măsurat. Pentru a maximiza acest curent, regiunea i trebuie să fie cât mai mare posibil. Proprietățile joncțiunii sunt de așa natură încât conduce un curent foarte mic atunci când este polarizat în direcția inversă. Latura P a joncțiunii devine negativă față de partea N și diferența naturală de potențial de la o parte a joncțiunii la cealaltă este îmbunătățită. În aceste condiții, purtătorii minoritari sunt atrași de joncțiune și, deoarece concentrația lor este relativ scăzută, curentul invers din diodă este destul de mic. Când se aplică o polarizare inversă la joncțiune, practic toată tensiunea aplicată apare în regiunea de epuizare, deoarece rezistivitatea sa este mult mai mare decât cea a materialului normal de tip N sau P. Într-adevăr, polarizarea inversă accentuează diferența de potențial între joncțiune. Grosimea regiunii de epuizare este, de asemenea, crescută, extinzând volumul peste care sunt colectați purtătorii de încărcare produși de radiații. Odată ce câmpul electric este suficient de ridicat, colectarea încărcăturii devine completă, iar înălțimea impulsului nu se mai modifică odată cu creșterea în continuare a tensiunii de polarizare a detectorului.

(* 1: Electronii aflați în starea legată a unui atom sunt eliminați de fotoni atunci când energia particulelor incidente este mai mare decât energia de legare; și transferul unei părți din energie către electron.; * 3: Producerea unei particule elementare și a anti-particulei acesteia; ca câmp electric.)

Pasul 2: Explorare

Aceasta este versiunea prototip a „detectorului” pe care am construit-o, depanată și testată. Este o matrice formată din mai mulți senzori pentru a avea un senzor de radiație în stil „CCD”. După cum sa menționat anterior, toți semiconductorii de siliciu sunt sensibili la radiații. În funcție de cât de precis este și de senzorii utilizați, puteți obține, de asemenea, o idee aproximativă asupra nivelului de energie al particulei care a provocat o lovitură.

Am folosit diode neecranate deja destinate detectării, care atunci când sunt polarizate invers (și protejate de lumina vizibilă), pot înregistra hit-uri din radiațiile Beta și Gamma amplificând semnalele minuscule și citind datele de ieșire cu un microcontroler. Cu toate acestea, radiațiile alfa pot fi detectate rareori, deoarece nu pot pătrunde nici măcar în țesăturile subțiri sau în ecranarea polimerului. Atașat este un minunat videoclip de la Veritasium, care explică diferitele tipuri de radiații (Alpha, Beta și Gamma).

Iterațiile inițiale de proiectare au folosit un senzor diferit (o fotodiodă BPW-34; un senzor celebru dacă faceți google). Există chiar și câteva instrumente conexe care îl folosesc în scopul detectării radiațiilor, cum ar fi cea excelentă: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Cu toate acestea, deoarece avea unele erori și nu funcționa optim, am decis să omitem detaliile acestui prototip din acest manual pentru a evita producătorilor să construiască un detector plin de defecte. Cu toate acestea, am atașat fișierele de proiectare și schema în cazul în care cineva este interesat.

Pasul 3: Proiectarea

(Legendele imaginii: (1) Diagrama bloc a detectorului: de la crearea semnalului la achiziționarea datelor., (2) Specificații ale fotodiodei X100-7: 100 mm ^ 2 zonă activă, 0,9 mm zonă epuizată, acoperire de blocare a luminii, curent întunecat scăzut … După cum se arată în graficul de probabilitate de absorbție, diodele PiN absorb ușor energia razelor gamma, (3) Notă de aplicare a producătorului, care a confirmat conceptul de proiectare și a ajutat la alegerea valorilor inițiale ale componentelor.

Ne-am stabilit pentru un senzor de zonă mai mare, și anume X100−7 de la First Sensor. În scopuri de testare și modularitate, am proiectat trei porțiuni diferite, suprapuse unele pe altele: senzori și amplificare (amplificator cu încărcare redusă a zgomotului + amplificator de modelare a impulsurilor), discriminatori și comparator, reglare DC / DC și DAQ (Arduino pentru achiziția de date). Fiecare etapă a fost asamblată, validată și testată separat așa cum veți vedea în pasul următor.

Un avantaj principal al detectoarelor semiconductoare este energia de ionizare mică (E), independentă atât de energie, cât și de tipul radiației incidente. Această simplificare permite luarea în considerare a unui număr de perechi electron-gaură în ceea ce privește energia radiației incidente, cu condiția ca particula să fie complet oprită în volumul activ al detectorului. Pentru siliciu la 23C (*) avem E ~ 3.6eV. Presupunând că toată energia este depusă și folosind energia de ionizare putem calcula numărul de electroni produși de o sursă dată. De exemplu, o rază de 60keVgamma dintr-o sursă de Americium − 241 ar duce la o taxă depusă de 0,045 fC / keV. După cum se arată în specificațiile specificațiilor diodei, deasupra unei tensiuni de polarizare de aproximativ ~ 15V, regiunea de epuizare poate fi aproximată ca constantă. Aceasta setează domeniul țintă pentru tensiunea noastră de polarizare la 12−15V. (*: E crește odată cu scăderea temperaturii.)

Funcționalitatea diferitelor module ale detectorului, componentele acestora și calculele asociate. La evaluarea detectorului, sensibilitatea (* 1) a fost crucială. Este necesar un pre-amplificator de încărcare extrem de sensibil, deoarece o rază gamma incidentă poate genera doar câteva mii de electroni în regiunea de epuizare a semiconductorilor. Deoarece amplificăm un impuls mic de curent, trebuie acordată o atenție deosebită selecției componentelor, ecranării cu atenție și aspectului plăcii de circuite.

(* 1: Energia minimă care trebuie depusă în detector pentru a produce un semnal distinct și raportul semnal-zgomot.)

Pentru a alege corect valorile componentelor, rezum mai întâi cerințele, specificațiile dorite și constrângerile:

Senzori:

• Domeniu mare de detectare posibil, 1keV-1MeV
• Capacitate scăzută pentru a minimiza zgomotul, 20pF-50pF
• Curent de scurgere neglijabil sub polarizare inversă.

Amplificare și discriminare:

• Pre-amplificatoare sensibile la încărcare
• Diferențiator pentru modelarea pulsului
• Comparator pentru impulsul semnalului când este peste pragul stabilit
• Comparator pentru ieșirea zgomotului în intervalul de prag
• Comparator pentru coincidențele canalului
• Prag general pentru filtrarea evenimentelor.

Digital și microcontroler:

• Convertoare rapide analog-digitale
• Date de ieșire pentru procesare și interfață cu utilizatorul.

Putere și filtrare:

• Regulatoare de tensiune pentru toate etapele
• Alimentare de înaltă tensiune pentru a genera puterea de polarizare
• Filtrarea corectă a întregii distribuții de energie.

Am ales următoarele componente:

• Convertor DC Boost: LM 2733
• Amplificatoare de încărcare: AD743
• Alte amplificatoare opționale: LM393 și LM741
• DAQ / Citire: Arduino Nano.

Specificațiile suplimentare impuse includ:

• Rata de operare:> 250 kHz (84 canale), 50 kHz (coincidență)
• Rezoluție: 10 biți ADC
• Rată de eșantionare: 5kHz (8 canale)
• Tensiuni: 5V Arduino, 9V op-amps, ~ 12V Biasing.

Aranjamentul general și ordinea componentelor de mai sus sunt reprezentate în figura schemei bloc. Am făcut calculele cu valorile componentelor utilizate în timpul fazei de testare (a se vedea a treia imagine). (*: Unele valori ale componentelor nu sunt aceleași cu cele planificate inițial și nici aceleași cu cele existente în prezent; totuși, aceste calcule oferă un cadru de orientare.)

Pasul 4: Circuite

(Figura legende: (1) Schema generală a etapelor 1-3 ale unui singur canal, inclusiv bazarea diodelor și divizoarele de tensiune care oferă referințe la fiecare etapă, subsecțiuni de circuit.)

Să explicăm acum „fluxul” semnalului de detectare a unuia dintre cele patru canale de la crearea sa la achiziția digitală.

Etapa 1

Singurul semnal de interes provine din fotodiodele. Acești senzori sunt polarizați invers. Alimentarea cu polarizare este un 12V stabil care rulează printr-un filtru low-pass pentru a elimina orice zgomot nedorit mai mare de 1Hz. La ionizarea regiunii de epuizare, se creează un impuls de încărcare la pinii diodei. Acest semnal este preluat de prima noastră etapă de amplificare: amplificatorul de încărcare. Un amplificator de încărcare poate fi realizat cu orice amplificator operațional, dar specificațiile cu zgomot redus sunt foarte importante.

Etapa 2

Obiectivul acestei etape este de a converti impulsul de încărcare detectat la intrarea inversoare, într-o tensiune continuă la ieșirea amplificatorului op. Intrarea fără inversare este filtrată și setată la un divizor de tensiune la un nivel cunoscut și ales. Această primă etapă este dificil de reglat, dar după numeroase teste ne-am stabilit pentru un condensator de feedback de 2 [pF] și un rezistor de reacție de 44 [MOhm], rezultând un impuls de 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. Un amplificator de filtru activ cu bandă inversă, care acționează ca un diferențiator, urmează amplificatorul de încărcare. Această etapă filtrează și convertește nivelul de curent continuu, care emană din etapa anterioară într-un impuls cu un câștig de 100. Semnalul brut al detectorului este testat la ieșirea din această etapă.

Etapa 3

Următoarele linii sunt canalele de semnal și zgomot. Aceste două ieșiri merg direct la DAQ, precum și la al doilea PCB analogic. Ambele funcționează ca comparatori de amplificatori op. Singura diferență dintre cele două este că canalul de zgomot are o tensiune mai mică la intrarea sa fără inversare decât canalul de semnal, iar canalul de semnal este, de asemenea, filtrat pentru a elimina frecvențele peste impulsul de ieșire așteptat din a doua etapă de amplificare. Un op-amp LM741 acționează ca un comparator împotriva unui prag variabil pentru a discrimina canalul de semnal, permițând detectorului să trimită doar evenimente selectate către ADC / MCU. Un rezistor variabil pe intrarea care nu inversează setează nivelul declanșatorului. În această etapă (contor de coincidență), semnalele de la fiecare canal sunt alimentate către un amplificator opțional care acționează ca un circuit de sumare. Un prag fix este setat coincizând cu două canale active. Op-amp-urile produc ieșiri mari dacă două sau mai multe fotodiode înregistrează un hit simultan.

Notă: Am făcut o greșeală crucială punând convertorul DC / DC step-up converter al puterii de polarizare în apropierea amplificatoarelor sensibile la încărcare de pe placa de amplificare. Poate că vom remedia problema într-o versiune ulterioară.

Pasul 5: Adunarea

Lipire, mult lipire … Deoarece senzorul selectat pentru detectorul final există doar ca componentă de amprentă SMT, a trebuit să proiectăm PCB-uri (2 straturi). Prin urmare, toate circuitele asociate au fost, de asemenea, migrate pe plăci PCB, mai degrabă decât pe placă. Toate componentele analogice au fost plasate pe două PCB-uri separate, iar componentele digitale pe altul pentru a evita interferențele de zgomot. Acestea au fost primele PCB-uri pe care le-am făcut vreodată, așa că a trebuit să obținem ajutor pentru aspectul din Eagle. Cel mai important PCB este cel al senzorilor și al amplificării. Cu un osciloscop care monitorizează ieșirile la punctele de testare, detectorul poate funcționa exclusiv cu această placă (bypass DAQ). Mi-am găsit și am remediat erorile; acestea au inclus amprente greșite ale componentelor, ceea ce a dus la amplificările operaționale cu zgomot redus, care au fost conectate la sârmă și componente la sfârșitul duratei de viață care au fost schimbate cu alternative. În plus, au fost adăugate două filtre la proiectare pentru a suprima oscilațiile de apel.

Pasul 6: Incinta

Scopul carcasei imprimate 3D, a plăcii de plumb și a spumei este pentru: scopuri de montare, izolare termică, asigurarea unui scut de zgomot și blocarea luminii ambientale și, evident, pentru protejarea electronice. Sunt atașate fișiere STL de imprimare 3D.

Pasul 7: Citire Arduino

Partea de citire (ADC / DAQ) a detectorului constă dintr-un Arduino Mini (cod atașat). Acest microcontroler monitorizează ieșirile celor patru detectoare și puterea de alimentare către cea ulterioară (calitatea puterii pistei), apoi transmite toate datele de pe ieșirea serială (USB) pentru analize sau înregistrări ulterioare.

O aplicație desktop de procesare a fost dezvoltată (atașată) pentru a grafica toate datele primite.

Pasul 8: Testare

(Figura legende: (1) Pulsul rezultat al unei surse de 60Co (t ~ 760ms) raport semnal / zgomot ~ 3: 1., (2) Injecție echivalentă cu încărcătura depusă de o sursă de energie ~ 2 MeV., (3) Injecție echivalentă cu sarcina depusă de o sursă de 60Co (~ 1,2 MeV)).

Injecția de încărcare s-a făcut cu un generator de impulsuri cuplat la un condensator (1pF) la senzorul și terminat la masă printr-un rezistor de 50 Ohm. Aceste proceduri mi-au permis să-mi testez circuitele, să reglez valorile componentelor și să simulez răspunsurile fotodiodelor atunci când sunt expuse la o sursă activă. Am stabilit atât o sursă Americium − 241 (60 KeV), cât și o sursă Iron − 55 (5,9 KeV) în fața celor două foto-diode active și niciunul dintre canale nu a văzut un semnal distinctiv. Am verificat prin injecții cu impulsuri și am ajuns la concluzia că impulsurile din aceste surse erau sub pragul observabil din cauza nivelurilor de zgomot. Cu toate acestea, am reușit încă să vedem accesări dintr-o sursă de 60Co (1,33 MeV). Factorul limitativ major în timpul testelor a fost zgomotul semnificativ. Au existat multe surse de zgomot și puține explicații cu privire la ceea ce le genera. Am constatat că una dintre cele mai semnificative și dăunătoare surse a fost prezența zgomotului înainte de prima etapă de amplificare. Datorită câștigului uriaș, acest zgomot a fost amplificat de aproape o sută de ori! Poate că au contribuit și filtrarea necorespunzătoare a puterii și zgomotul Johnson re-injectat în buclele de feedback ale etapelor amplificatorului (acest lucru ar explica raportul scăzut semnal / zgomot). Nu am investigat dependența zgomotului de părtinire, dar am putea analiza mai departe în viitor.

Pasul 9: Imaginea mai mare

Urmăriți videoclipul de la Veritasium despre cele mai radioactive locuri de pe pământ!

Dacă ați ajuns până aici și ați urmat pașii, atunci felicitări! Ați construit un aparat pentru aplicații din lumea reală precum LHC! Poate că ar trebui să luați în considerare o schimbare de carieră și să intrați în domeniul fizicii nucleare:) În termeni mai tehnici, ați construit un detector de radiații în stare solidă constând dintr-o matrice de foto-diode și circuite asociate pentru localizarea și discriminarea evenimentelor. Detectorul constă din mai multe etape de amplificare care transformă impulsurile de încărcare mici în tensiuni observabile, apoi le discriminează și le compară. Un comparator, între canale, oferă și informații cu privire la distribuția spațială a evenimentelor detectate. De asemenea, ați încorporat utilizarea unui microcontroler Arduino și a unui software esențial pentru colectarea și analiza datelor.

Pasul 10: Referințe

Pe lângă minunatele PDF-uri atașate, iată câteva resurse informative conexe:

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

- Primul senzor, primul senzor PIN PD Fișă tehnică Descriere piesă X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul și Hill, Winfield, The Art of Electronics. Cambridge University Press, 1989.

- C. Thiel, Introducere în detectoarele de radiații semiconductoare, web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

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