Hordozható sugárzásérzékelő: 10 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Ez egy oktatóanyag a saját hordozható szilícium fotódióda-sugárzás-érzékelő tervezéséhez, gyártásához és teszteléséhez, amely alkalmas az 5keV-10MeV érzékelési tartományra, hogy pontosan számszerűsítse a radioaktív forrásokból származó alacsony energiájú gamma-sugarakat! Vigyázzon, ha nem akar radioaktív zombivá válni: nem biztonságos nagy sugárzású források közelében tartózkodni, és ezt az eszközt NEM szabad megbízható módon felderíteni a potenciálisan káros sugárzást.

Kezdjük egy kis háttértudással az érzékelőn, mielőtt hozzáfogunk az építéséhez. A fenti egy csodálatos videó a Veritasiustól, amely elmagyarázza, hogy mi a sugárzás és honnan származik.

1. lépés: Először is, sok fizika

(Az ábra legendája: Az ionizáló sugárzás elektron-lyuk párokat képez a belső régióban, ami töltési impulzust eredményez.)

Szikrakamrák, Geiger-féle és fénysokszorozó csőérzékelők … mindezek az érzékelőtípusok nehézkesek, drágák vagy nagyfeszültségűek. Van néhány gyártóbarát Geiger cső típus, például https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 és https://www.adafruit.com/product/483. A sugárzás észlelésének egyéb módszerei a szilárdtest-érzékelők (pl. Germánium-érzékelők). Ezek gyártása azonban drága, és speciális berendezéseket igényel (gondoljunk csak a folyékony nitrogénhűtésre!). Éppen ellenkezőleg, a szilárdtest-érzékelők nagyon költséghatékonyak. Széles körben használják, és alapvető szerepet játszanak a nagy energiájú részecskefizikában, az orvosi fizikában és az asztrofizikában.

Itt egy hordozható szilárdtest-sugárzás-érzékelőt építünk, amely képes pontosan meghatározni és érzékelni a radioaktív forrásokból származó alacsony energiájú gamma-sugarakat. A készülék fordított előfeszítésű, nagy felületű szilícium PiN diódákból áll, amelyek egy töltés-előerősítőre, egy differenciáló erősítőre, egy megkülönböztetőre és egy összehasonlítóra továbbítanak. Az egymást követő szakaszok kimenetei digitális jelekké alakulnak elemzés céljából. Kezdjük azzal, hogy leírjuk a szilíciumrészecske -érzékelők, a PiN diódák, a fordított előfeszítés és más kapcsolódó paraméterek alapelveit. Ezután elmagyarázzuk a különböző vizsgálatokat és a választásokat. A végén bemutatjuk a végső prototípust és a tesztelést.

SolidState detektorok

Számos sugárzás-észlelési alkalmazásban a szilárd érzékelő közeg használata jelentős előny (más néven félvezető dióda-érzékelők vagy szilárdtest-érzékelők). A szilíciumdiódák számos alkalmazás számára választott érzékelők, különösen akkor, ha nehéz töltésű részecskékről van szó. Ha az energia mérésére nincs szükség, a szilíciumdióda -érzékelők kiváló időzítési jellemzői lehetővé teszik a töltött részecskék pontos számlálását és nyomon követését.

Nagy energiájú elektronok vagy gamma-sugarak mérésére az érzékelő méretei sokkal kisebbek lehetnek, mint az alternatívák. A félvezető anyagok sugárérzékelőként történő alkalmazása szintén nagyobb hordozók számát eredményezi egy adott incidens sugárzási eseményhez, és ezért alacsonyabb statisztikai határt jelent az energiafelbontásban, mint más detektor típusoknál. Következésképpen a ma elérhető legjobb energiafelbontás az ilyen érzékelők használatával valósul meg.

Az alapvető információhordozók elektron-lyuk párok, amelyek a töltött részecske által az érzékelőn keresztül vezetett út mentén jönnek létre (lásd a fenti ábrát). Ezeknek az elektron-lyuk pároknak az összegyűjtésével, amelyeket töltésként mérünk az érzékelő elektródáinál, az észlelési jel keletkezik, és továbbhalad az erősítés és a megkülönböztetés szakaszaiba. A szilárdtest-érzékelők további kívánatos jellemzői a kompakt méret, viszonylag gyors időzítési jellemzők és a tényleges vastagság (*). Mint minden érzékelőnek, ennek is vannak hátrányai, beleértve a kis méretre való korlátozást és az eszközök relatív lehetőségét arra, hogy a sugárzás okozta károsodás következtében csökkenjenek a teljesítményükben.

(*: A vékony érzékelők minimalizálják a többszörös szóródást, míg a vastagabb érzékelők több töltést generálnak, amikor egy részecske áthalad az aljzaton.)

P − i − N diódák:

A sugárzás -érzékelő minden típusa jellegzetes kimenetet eredményez a sugárzással való kölcsönhatás után. A részecskék anyaggal való kölcsönhatását három hatás különbözteti meg:

1. a fotoelektromos hatás
2. Compton szórás
3. Párgyártás.

A síkbeli szilíciumdetektor alapelve egy olyan PN -csomópont használata, amelyben a részecskék e három jelenség révén kölcsönhatásba lépnek. A legegyszerűbb síkbeli szilíciumérzékelő P adalékolt szubsztrátumból és egyik oldalán N-implantátumból áll. Elektron-lyuk párok jönnek létre a részecskék pályája mentén. A PN -csomópont területén van egy ingyenes hordozókból álló régió, az úgynevezett kimerülési zóna. Az ebben a régióban létrehozott elektron-lyuk párokat egy környező elektromos mező választja el. Ezért a töltéshordozók a szilícium anyag N vagy P oldalánál mérhetők. Ha fordított előfeszítésű feszültséget alkalmaz a PN-csomópont-diódára, a kimerült zóna növekszik, és lefedheti a teljes érzékelő-hordozót. Erről bővebben itt olvashat: Pin Junction Wikipedia cikk.

Egy PiN dióda belső i régióval rendelkezik a P és N csomópontok között, elárasztva a P és N régiók töltéshordozóival. Ez a széles belső terület azt is jelenti, hogy a dióda alacsony kapacitással rendelkezik fordított előfeszítés esetén. Egy PiN diódában a kimerülési régió szinte teljesen a belső régióban található. Ez a kimerülési tartomány sokkal nagyobb, mint egy normál PN diódánál. Ez növeli azt a térfogatot, ahol az elektron-lyuk párokat egy beeső foton generálhatja. Ha elektromos mezőt alkalmaznak a félvezető anyagra, mind az elektronok, mind a lyukak vándorolnak. A PiN dióda fordított előfeszítésű, így a teljes i-réteg kimerül a szabad hordozókból. Ez a fordított torzítás elektromos teret hoz létre az i-rétegen, így az elektronok a P-réteghez és a lyukakhoz, az N-réteghez söpörnek (*4).

A hordozók áramlása a sugárzási impulzus hatására képezi a mért áramimpulzust. Ennek az áramnak a maximalizálása érdekében az i-régiónak a lehető legnagyobbnak kell lennie. A csomópont tulajdonságai olyanok, hogy ellenkező irányú előfeszítés esetén nagyon kis áramot vezet. A csomópont P-oldala negatív lesz az N-oldalhoz képest, és a csomópont egyik oldaláról a másikra érkező természetes potenciálkülönbség fokozódik. Ilyen körülmények között a kisebbségi hordozók vonzódnak a csomóponton keresztül, és mivel koncentrációjuk viszonylag alacsony, a dióda keresztirányú fordított árama meglehetősen kicsi. Ha fordított előfeszítést alkalmazunk a csomóponton, akkor gyakorlatilag az összes feszültség megjelenik a kimerülési tartományban, mivel ellenállása sokkal nagyobb, mint a normál N vagy P típusú anyagé. Valójában a fordított torzítás hangsúlyozza a potenciális különbséget a csomópontban. A kimerülési régió vastagsága is megnő, megnövelve azt a térfogatot, amelyen a sugárzás által előállított töltéshordozók összegyűjthetők. Ha az elektromos mező kellően magas, a töltésgyűjtés befejeződik, és az impulzus magassága már nem változik az érzékelő torzítási feszültségének további növekedésével.

(*1: Az atom kötött állapotú elektronjait fotonok ütik ki, ha a beeső részecskék energiája nagyobb, mint a kötési energia. és az energia egy részének átvitele az elektronra.; *3: Elemi részecske és antirészecskéjének előállítása. irányban, mint az elektromos mező.)

2. lépés: Feltárás

Ez a "detektor" prototípus -változata, amelyet mi készítettünk, hibakeresettünk és teszteltünk. Ez egy mátrix, amely több érzékelőből áll, és rendelkezik "CCD" típusú sugárzási érzékelővel. Mint korábban említettük, minden szilícium félvezető érzékeny a sugárzásra. Attól függően, hogy mennyire pontos, és az alkalmazott szenzoroktól is nagyjából képet kaphatunk a találatot okozó részecske energiaszintjéről.

Már érzékelésre szánt árnyékolatlan diódákat használtunk, amelyek fordított előfeszítéssel (és a látható fénytől árnyékolva) regisztrálhatják a béta- és gamma -sugárzásból származó találatokat az apró jelek felerősítésével és a kimeneti adatok mikrokontrollerrel történő leolvasásával. Az alfa sugárzást azonban ritkán lehet kimutatni, mert még vékony szövet vagy polimer árnyékoláson sem tud áthatolni. Csatolva egy csodálatos videó a Veritasiustól, amely elmagyarázza a különböző sugárzástípusokat (alfa, béta és gamma).

A kezdeti tervezési iterációkban más érzékelőt használtak (egy BPW-34 fotodiódát; egy híres érzékelőt, ha google-olunk). Még néhány kapcsolódó Instructables is használja a sugárzás észlelésére, például ez a kiváló: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Mivel azonban hibákat tartalmazott, és nem működött optimálisan, úgy döntöttünk, hogy kihagyjuk ennek a prototípusnak a részleteit az utasításból, hogy elkerüljük, hogy a gyártók hibákkal teli detektort építsenek. Csatoltuk azonban a tervfájlokat és a vázlatot, ha valakit érdekel.

3. lépés: A tervezés

(Képmagyarázatok: (1) Az érzékelő tömbvázlata: a jel létrehozásától az adatgyűjtésig., (2) Az X100-7 fotodiódák specifikációi: 100 mm^2 aktív terület, 0,9 mm-es kimerült zóna, fénygátló bevonat, alacsony sötét áram… Amint az abszorpciós valószínűségi ábrán látható, a PiN diódák könnyen elnyelik a gamma-energiát, (3) A gyártó alkalmazási megjegyzése, amely megerősítette a tervezési koncepciót és segített a kezdeti komponensértékek kiválasztásában.

Belenyugodtunk egy nagyobb területű érzékelőbe, nevezetesen az X100−7 -be a First Sensorból. A tesztelés és a modularitás érdekében három különböző részt terveztünk egymásra rakva: Érzékelők és erősítés (alacsony zajszintű töltéserősítő + impulzusformáló erősítő), Megkülönböztetők és összehasonlító, DC/DC szabályozás és DAQ (Arduino adatgyűjtéshez). Minden lépést külön szereltünk össze, validáltunk és teszteltünk, amint azt a következő lépésben látni fogja.

A félvezető detektorok fő előnye a kicsi ionizációs energia (E), amely független mind az energiától, mind a beeső sugárzás típusától. Ez az egyszerűsítés lehetővé teszi számos elektron-lyuk pár figyelembevételét a beeső sugárzási energia tekintetében, feltéve, hogy a részecske teljesen leáll az érzékelő aktív térfogatán belül. Szilícium esetén 23 ° C -on (*) E ~ 3,6eV. Ha feltételezzük, hogy minden energia lerakódik, és az ionizációs energiát felhasználva kiszámíthatjuk az adott forrás által termelt elektronok számát. Például egy 60 kV-os gamma-sugárzás Americium-241 forrásból 0,045 fC/keV lerakódott töltést eredményezne. Amint azt a dióda specifikációi mutatják, körülbelül 15 V előfeszítő feszültség felett a kimerülési tartomány állandónak tekinthető. Ez beállítja az előfeszítési feszültségünk céltartományát 12–15 V -ra. (*: E csökken a hőmérséklet csökkenésével.)

Az érzékelő különböző moduljainak funkcionalitása, azok összetevői és a kapcsolódó számítások. Az érzékelő értékelésénél az érzékenység (*1) volt döntő. Rendkívül érzékeny töltés-előerősítőre van szükség, mert egy beeső gamma-sugár csak néhány ezer elektronot generálhat a félvezető kimerülési tartományban. Mivel felerősítünk egy apró áramimpulzust, különös figyelmet kell fordítani az alkatrészek kiválasztására, a gondos árnyékolásra és az áramköri elrendezésre.

(*1: Minimális energia, amelyet az érzékelőbe kell helyezni, hogy megkülönböztethető jelet állítson elő, és a jel-zaj arány.)

Az alkatrészértékek megfelelő megválasztásához először összefoglalom a követelményeket, a kívánt specifikációkat és a korlátozásokat:

Érzékelők:

• Nagy lehetséges észlelési tartomány, 1keV-1MeV
• Alacsony kapacitás a zaj minimalizálása érdekében, 20pF-50pF
• Elhanyagolható szivárgási áram fordított előfeszítés esetén.

Erősítés és diszkrimináció:

• Töltésre érzékeny előerősítők
• Differenciátor az impulzus alakításához
• A jelimpulzus összehasonlítója, ha a beállított küszöbérték felett van
• Összehasonlító a zajkimenethez, ha küszöbérték intervallumon belül van
• Összehasonlító a csatorna véletlenekhez
• Az eseményszűrés általános küszöbértéke.

Digitális és mikrovezérlő:

• Gyors analóg-digitális átalakítók
• Kimeneti adatok a feldolgozáshoz és a felhasználói felülethez.

Teljesítmény és szűrés:

• Feszültségszabályozók minden fokozathoz
• Nagyfeszültségű tápegység előfeszítő áram előállításához
• Az összes áramelosztás megfelelő szűrése.

A következő összetevőket választottam:

• DC Boost átalakító: LM 2733
• Töltőerősítők: AD743
• Egyéb op-erősítők: LM393 és LM741
• DAQ/kiolvasás: Arduino Nano.

A további előírások a következők:

• Működési frekvencia:> 250 kHz (84 csatorna), 50 kHz (véletlen)
• Felbontás: 10 bites ADC
• Mintavételi frekvencia: 5 kHz (8 csatorna)
• Feszültség: 5V Arduino, 9V op-amper, ~ 12V Biasing.

A fenti komponensek általános elrendezését és sorrendjét a tömbvázlat ábrája mutatja. A számításokat a tesztelési fázisban használt komponensértékekkel végeztük (lásd a harmadik képet). (*: Egyes komponensek értékei nem azonosak az eredetileg tervezettel, és nem azonosak a jelenleg érvényben lévőkkel; ennek ellenére ezek a számítások iránymutató keretet adnak.)

4. lépés: Az áramkörök

(Jelmagyarázatok: (1) Egyetlen csatorna 1-3. Szakaszának általános vázlata, beleértve a dióda-alapozást és a feszültségosztókat, amelyek hivatkozásokat tartalmaznak az egyes szakaszokra, áramkör-alszakaszokra.)

Most magyarázzuk el a négy csatorna egyikének észlelési jelének "áramlását" a létrehozásától a digitális felvételig.

1. szakasz

Az egyetlen érdekes jel a fotodiódákból származik. Ezek az érzékelők fordított irányúak. Az előfeszítő tápegység stabil 12 V, amelyet aluláteresztő szűrőn vezetnek át, hogy kiküszöböljék az 1 Hz -nél nagyobb nem kívánt zajt. A kimerülési régió ionizálásakor töltési impulzus jön létre a dióda csapjain. Ezt a jelet az első erősítési szakaszunk veszi fel: a töltéserősítő. Töltéserősítő bármilyen operációs erősítővel elkészíthető, de az alacsony zajszintű specifikáció nagyon fontos.

2. szakasz

Ennek a szakasznak az a célja, hogy az invertáló bemeneten észlelt töltési impulzust egyenáramú feszültséggé alakítsa az op-erősítő kimenetén. A nem invertáló bemenetet szűrjük, és ismert és választott szinten feszültségosztóra állítjuk. Ezt az első lépést nehéz hangolni, de számos teszt után 2 [pF] visszacsatolási kondenzátorra és 44 [MOhm] visszacsatoló ellenállásra jutottunk, ami 2 [pF] × 44 [MOhm] impulzust eredményezett = 88 [μs]. Egy fordított aktív sávszűrő -erősítő, amely differenciálóként működik, követi a töltéserősítőt. Ez a szakasz kiszűri és átalakítja az átalakított egyenáramú szintet, amely az előző szakaszból származik, 100 -as erősítéssel.

3. szakasz

A sorban a jel- és zajcsatornák állnak. Ez a két kimenet közvetlenül a DAQ -hoz, valamint a második analóg PCB -hez kerül. Mindkettő op-erősítő komparátorként működik. Az egyetlen különbség a kettő között az, hogy a zajcsatorna nem invertáló bemeneténél alacsonyabb feszültségű, mint a jelcsatorna, és a jelcsatornát is szűrik, hogy eltávolítsák a második erősítési fokozatból a várt kimeneti impulzus feletti frekvenciákat. Az LM741 op-erősítő összehasonlító eszközként működik a változó küszöbérték ellen, hogy megkülönböztesse a jelcsatornát, lehetővé téve az érzékelő számára, hogy csak bizonyos eseményeket küldjön az ADC/MCU-nak. A nem invertáló bemeneten lévő változó ellenállás beállítja a trigger szintet. Ebben a szakaszban (véletlenszámláló) az egyes csatornák jeleit egy összegző áramkörként működő op-erősítőhöz táplálják. Rögzített küszöb van beállítva, amely egybeesik két aktív csatornával. Az op-amp magas, ha két vagy több fotodióda egyidejűleg regisztrál találatot.

Megjegyzés: Súlyos hibát követtünk el, amikor az előfeszítő DC/DC fokozóátalakítót a töltésérzékeny op-erősítők közelébe helyeztük az erősítő NYÁK-on. Talán ezt egy későbbi verzióban javítjuk.

5. lépés: Az összeszerelés

Forrasztás, sok forrasztás… Mivel a végső érzékelőhöz kiválasztott érzékelő csak SMT lábnyom komponensként létezik, PCB -ket kellett terveznünk (2 réteg). Ezért az összes kapcsolódó áramkört áthelyezték a NYÁK lapokra is, nem pedig a kenyérlapra. Az összes analóg komponenst két különálló PCB -re helyezték, a digitális komponenseket pedig egy másikra, hogy elkerüljék a zajzavarokat. Ezek voltak az első PCB -k, amelyeket valaha készítettünk, ezért segítséget kellett kérnünk az Eagle elrendezéséhez. A legfontosabb NYÁK az érzékelők és az erősítésé. Az oszcilloszkóppal a kimeneti pontokat figyelve a tesztpontokban az érzékelő kizárólag ezzel a kártyával működhet (DAQ bypass). Megtaláltam és kijavítottam a hibáimat; ezek rossz alkatrész-lábnyomokat tartalmaztak, ami azt eredményezte, hogy az alacsony zajszintű op-erősítőinket lecsatlakoztatták, és az élettartam végi alkatrészeket alternatívákkal cserélték le. Ezenkívül két szűrőt is hozzáadtak a tervezéshez a csengetési rezgések elnyomására.

6. lépés: A ház

A 3D nyomtatott burkolat, az ólomlemez és a hab célja: szerelés, hőszigetelés, zajvédelem biztosítása, valamint a környezeti fény blokkolása, és nyilvánvalóan az elektronika védelme. 3D nyomtatási STL fájlok csatolva.

7. lépés: Arduino kiolvasás

Az érzékelő kiolvasó (ADC/DAQ) része egy Arduino Mini (kód csatolva). Ez a mikrokontroller figyeli a négy érzékelő kimeneteit és a tápellátást a későbbihez (sáv teljesítmény minősége), majd a soros kimeneten (USB) lévő összes adatot továbbítja további elemzés vagy rögzítés céljából.

Feldolgozó asztali alkalmazást fejlesztettek ki (mellékelve) az összes bejövő adat ábrázolásához.

8. lépés: Tesztelés

(Ábrafeliratok: (1) 60Co forrásból származó impulzus (t ~ 760ms) jel-zaj arány ~ 3: 1., (2) Injektálás, amely egyenértékű a ~ 2 MeV energiaforrás által lerakott töltéssel, (3) Injektálás, amely egyenértékű a 60Co forrás által lerakott töltéssel (~ 1,2 MeV)).

A töltés befecskendezését egy impulzusgenerátorral végeztük, amely az érzékelőpárnán lévő kondenzátorhoz (1pF) volt csatlakoztatva, és egy 50 ohmos ellenálláson keresztül a földhöz lett kötve. Ezek az eljárások lehetővé tették az áramkörök tesztelését, az összetevők értékeinek finomhangolását és a fotodióda válaszainak szimulálását, amikor aktív forrásnak vannak kitéve. A két aktív fotódióda elé állítottunk egy Americium-241 (60 KeV) és egy Iron-55 (5,9 KeV) forrást is, és egyik csatorna sem látott megkülönböztető jelet. Impulzus injekciókkal ellenőriztük, és arra a következtetésre jutottunk, hogy az ezekből a forrásokból származó impulzusok a zajszint miatt a megfigyelhető küszöb alatt voltak. Azonban továbbra is láthattuk a 60Co (1,33 MeV) forrásból származó találatokat. A vizsgálatok során a fő korlátozó tényező a jelentős zaj volt. Sok zajforrás volt és kevés magyarázat arra, hogy mi okozza ezeket. Azt találtuk, hogy az egyik legjelentősebb és legveszélyesebb forrás a zaj jelenléte az első erősítési szakasz előtt. A hatalmas nyereség miatt ez a zaj majdnem százszorosára erősödött! Talán a nem megfelelő teljesítményszűrés és az erősítőfokok visszacsatolási hurkába visszafecskendezett Johnson-zaj is hozzájárult (ez megmagyarázná az alacsony jel-zaj arányt). Nem vizsgáltuk a zaj függőségét torzítással, de lehet, hogy a jövőben tovább vizsgáljuk ezt.

9. lépés: A nagyobb kép

Nézze meg a Veritasium videóját a Föld radioaktívabb helyeiről!

Ha idáig eljutott, és követte a lépéseket, akkor gratulálunk! Olyan készüléket épített a valós alkalmazásokhoz, mint az LHC! Talán fontolóra kell vennie a karrierváltást, és bele kell mennie a nukleáris fizika területébe:) Technikai értelemben véve épített egy szilárdtest-sugárzás-érzékelőt, amely egy foto-diódák mátrixából és a kapcsolódó áramkörökből áll, hogy lokalizálja és megkülönböztesse az eseményeket. Az érzékelő több erősítési szakaszból áll, amelyek kis töltésimpulzusokat figyelhető feszültséggé alakítanak, majd megkülönböztetik és összehasonlítják őket. Egy összehasonlító a csatornák között információkat is szolgáltat az észlelt események térbeli eloszlásáról. Ön beépítette az Arduino mikrovezérlő és az alapvető adatgyűjtési és elemzési szoftver használatát is.

10. lépés: Hivatkozások

A mellékelt csodálatos PDF -ek mellett néhány kapcsolódó információs forrást is talál:

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

- Első érzékelő, első érzékelő PIN PD adatlap Részleírás X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul és Hill, Winfield, Az elektronika művészete. Cambridge University Press, 1989.

- C. Thiel, Bevezetés a félvezető sugárzás -detektorokba, Web. fizika.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

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