Bærbar strålingsdetektor: 10 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

Dette er en opplæring for å designe, konstruere og teste din egen bærbare silisiumfotodiode strålingsdetektor egnet for 5keV-10MeV deteksjonsområdet for å nøyaktig kvantifisere lavenergi gammastråler som kommer fra radioaktive kilder! Vær oppmerksom hvis du ikke vil bli en radioaktiv zombie: det er ikke trygt å være i nærheten av kilder til høy stråling, og denne enheten bør IKKE brukes som en pålitelig måte å oppdage potensielt skadelig stråling på.

La oss starte med litt bakgrunnsvitenskap om detektoren før vi går videre til konstruksjonen. Over er en fantastisk video fra Veritasium som forklarer hva stråling er og hvor den kommer fra.

Trinn 1: Først masse fysikk

(Figurlegende: Ioniserende stråling danner elektronhullspar i det indre området som resulterer i en ladningspuls.)

Gnistkamre, Geigers og fotomultiplikatorrørdetektorer … alle disse type detektorer er enten tungvint, kostbare eller bruker høyspenninger for å operere. Det er noen produsentvennlige Geiger-rørtyper, for eksempel https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 og https://www.adafruit.com/product/483. Andre metoder for å detektere stråling er detektorer i fast tilstand (f.eks. Germanium-detektorer). Disse er imidlertid dyre å produsere og krever spesialisert utstyr (tenk kjøling av flytende nitrogen!). Tvert imot er solid-state-detektorer svært kostnadseffektive. De er mye brukt og spiller en vesentlig rolle i høyenergipartikkelfysikk, medisinsk fysikk og astrofysikk.

Her bygger vi en bærbar solid state-strålingsdetektor som er i stand til å nøyaktig kvantifisere og detektere lavenergi gammastråler som kommer fra radioaktive kilder. Enheten består av en rekke omvendte partiske silisium-PiN-dioder med stor overflate, som sender ut til en ladningsforsterker, en differensiatorforsterker, en diskriminator og en komparator. Utgangen fra alle påfølgende trinn blir konvertert til digitale signaler for analyse. Vi starter med å beskrive prinsippene for silisiumpartikkeldetektorer, PiN -dioder, omvendt forspenning og andre tilhørende parametere. Vi vil deretter forklare de forskjellige undersøkelsene som ble utført, og valgene som ble gjort. Til slutt introduserer vi den siste prototypen og testen.

SolidState -detektorer

I mange applikasjoner for strålingsdeteksjon har bruk av et fast deteksjonsmedium en betydelig fordel (alternativt kalt halvlederdiodedetektorer eller solid-state-detektorer). Silisiumdioder er valgbare detektorer for et stort antall applikasjoner, spesielt når tunge ladede partikler er involvert. Hvis måling av energi ikke er nødvendig, tillater de utmerkede timingegenskapene til silisiumdiodedetektorer en nøyaktig telling og sporing av ladede partikler.

For måling av elektroner med høy energi eller gammastråler kan detektordimensjoner holdes mye mindre enn alternativer. Bruken av halvledermaterialer som strålingsdetektorer resulterer også i et større antall bærere for en gitt hendelsesstrålingshendelse, og derfor en lavere statistisk grense for energioppløsning enn det er mulig med andre detektortyper. Følgelig realiseres den beste energioppløsningen som er mulig i dag ved bruk av slike detektorer.

De grunnleggende informasjonsbærerne er elektronhullspar opprettet langs banen som den ladede partikkelen tar gjennom detektoren (se figuren ovenfor). Ved å samle disse elektronhullsparene, målt som ladninger ved sensorens elektroder, dannes deteksjonssignalet, og det går videre til forsterknings- og diskrimineringstrinn. Ytterligere ønskelige trekk ved solid-state detektorer er en kompakt størrelse, relativt raske timingegenskaper og en effektiv tykkelse (*). Som med enhver detektor er det ulemper, inkludert begrensning til små størrelser og relativt mulighet for disse enhetene til å gjennomgå ytelsesforringelse fra stråleindusert skade.

(*: Tynne sensorer minimerer flere spredninger, mens tykkere sensorer genererer flere ladninger når en partikkel krysser underlaget.)

P − i − N -dioder:

Hver type stråledetektor gir en karakteristisk utgang etter interaksjon med stråling. Interaksjoner mellom partikler og materie kjennetegnes av tre effekter:

1. den fotoelektriske effekten
2. Compton spredning
3. Par-produksjon.

Det grunnleggende prinsippet for en plan silisiumdetektor er bruken av et PN -kryss der partikler interagerer via disse tre fenomenene. Den enkleste plane silisiumsensoren består av et P-dopet substrat og et N-implantat på den ene siden. Elektronhullspar opprettes langs en partikkelbane. I området for PN -krysset er det en region gratis transportører, kalt uttømmingssonen. Elektronhullsparene som er opprettet i denne regionen er atskilt med et omgivende elektrisk felt. Derfor kan ladningsbærerne måles på enten N- eller P -siden av silisiummaterialet. Ved å bruke en omvendt forspenning på PN-kryssdioden vokser den utarmede sonen og kan dekke hele sensorsubstratet. Du kan lese mer om dette her: Pin Junction Wikipedia -artikkel.

En PiN-diode har en egen i-region, mellom P- og N-veikryssene, oversvømmet med ladningsbærere fra P- og N-regionene. Denne brede iboende regionen betyr også at dioden har en lav kapasitans når den er forspent. I en PiN -diode eksisterer uttømmingsregionen nesten fullstendig i den indre regionen. Denne tømmingsregionen er mye større enn med en vanlig PN -diode. Dette øker volumet der elektronhullspar kan genereres av et innfallende foton. Hvis et elektrisk felt påføres halvledermaterialet, gjennomgår både elektronene og hullene en migrasjon. PiN-dioden er omvendt forspent slik at hele i-laget blir oppbrukt av frie bærere. Denne omvendte forspenningen skaper et elektrisk felt over i-laget slik at elektronene feies til P-laget og hullene, til N-laget (*4).

Strømmen av bærere som respons på en strålingspuls utgjør den målte strømpulsen. For å maksimere denne strømmen må i-regionen være så stor som mulig. Egenskapene til krysset er slik at det leder svært lite strøm når det er forspent i motsatt retning. P-siden av krysset blir negativ med hensyn til N-siden, og den naturlige potensialforskjellen fra den ene siden av krysset til den andre forbedres. Under disse omstendighetene er det minoritetsbærerne som tiltrekkes over krysset, og fordi konsentrasjonen er relativt lav, er reversstrømmen over dioden ganske liten. Når en omvendt forspenning påføres krysset, vises praktisk talt all den påførte spenningen over tømmingsområdet, fordi dens motstand er mye høyere enn for det normale N- eller P-materialet. Faktisk fremhever den omvendte forspenningen potensialforskjellen over krysset. Tykkelsen på uttømmingsområdet økes også, og utvider volumet over hvilket strålingsproduserte ladningsbærere samles. Når det elektriske feltet er tilstrekkelig høyt, blir ladningssamlingen fullført, og pulshøyden endres ikke lenger med ytterligere økninger i detektorens forspenning.

(*1: Elektroner i et bundet tilstand av et atom blir slått ut av fotoner når energien til de innfallende partiklene er høyere enn bindingsenergien.; *2: Interaksjon som involverer spredning av en partikkel fra et fritt eller løst bundet elektron, og overføring av noe av energien til elektronet.; *3: Produksjon av en elementarpartikkel og dens antipartikkel. * *: Elektroner trekkes i motsatt retning av den elektriske feltvektoren, mens hull beveger seg i den samme retning som det elektriske feltet.)

Trinn 2: Utforskning

Dette er prototypeversjonen av "detektoren" som vi konstruerte, feilsøkte og testet. Det er en matrise som består av flere sensorer for å ha en "CCD" stil strålesensor. Som nevnt tidligere er alle silisiumhalvledere følsomme for stråling. Avhengig av hvor presis den er, og sensorene som brukes kan man også få en grov ide om energinivået til partikkelen som forårsaket et treff.

Vi har brukt ubeskyttede dioder som allerede er beregnet på sensing, som når de er forspent (og skjermet det mot synlig lys), kan registrere treff fra beta- og gammastråling ved å forsterke de små signalene og lese utdataene med en mikrokontroller. Alfa -stråling kan imidlertid sjelden oppdages fordi den ikke kan trenge gjennom selv tynt stoff eller polymerskjerming. Vedlagt er en fantastisk video fra Veritasium, som forklarer de forskjellige strålingstypene (Alpha, Beta & Gamma).

De første design-iterasjonene brukte en annen sensor (en BPW-34 fotodiode; en berømt sensor hvis du googler rundt). Det er til og med noen få relaterte instrukser som bruker den for å oppdage stråling, for eksempel denne utmerkede: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Men fordi den hadde noen feil og ikke fungerte optimalt, bestemte vi oss for å utelate detaljene i denne prototypen fra denne instruksjonsboken for å unngå at produsenter bygger en detektor full av feil. Vi har imidlertid lagt ved designfilene og skjemaet hvis noen er interessert.

Trinn 3: Designet

(Bildelegender: (1) Blokkdiagram for detektor: fra signalopprettelse til datainnsamling., (2) Spesifikasjoner for fotodioden X100-7: 100 mm^2 aktivt område, 0,9 mm utarmet sone, lysblokkerende belegg, lav mørk strøm … Som vist i absorpsjonssannsynlighetsplottet, absorberer PiN-dioder lett gammastråleenergi, (3) Bruksnotat fra produsenten som bekreftet designkonseptet og bidro til å velge de første komponentverdiene.

Vi nøyde oss med en større områdesensor, nemlig X100−7 fra First Sensor. For testformål og modularitet designet vi tre forskjellige porsjoner, stablet på hverandre: Sensorer og forsterkning (forsterker med lavt støynivå + pulsformende forsterker), Diskriminatorer og komparator, DC/DC -regulering og DAQ (Arduino for datainnsamling). Hvert trinn ble satt sammen, validert og testet separat som du vil se i neste trinn.

En hovedfordel med halvlederdetektorer er den lille ioniseringsenergien (E), uavhengig av både energien og typen innfallende stråling. Denne forenklingen gjør det mulig å redegjøre for et antall elektronhullspar når det gjelder innfallende strålingsenergi, forutsatt at partikkelen er fullstendig stoppet i detektorens aktive volum. For silisium ved 23C (*) har vi E ~ 3.6eV. Forutsatt at all energi er avsatt og ved hjelp av ioniseringsenergien kan vi beregne antall elektroner produsert av en gitt kilde. For eksempel vil en 60keVgamma-stråle fra en Americium-241-kilde resultere i en avsatt ladning på 0,045 fC/keV. Som vist i spesifikasjonene til diodespesifikasjonene, kan uttømmingsområdet tilnærmes over konstant over en forspenning på omtrent ~ 15V. Dette setter målområdet for vår forspenning til 12-15V. (*: E øker med synkende temperatur.)

Funksjonaliteten til detektorens forskjellige moduler, deres bestanddeler og tilhørende beregninger. Ved evaluering av detektoren var sensitiviteten (*1) avgjørende. En ekstremt sensitiv ladningsforsterker er nødvendig fordi en hendende gammastråle bare kan generere noen få tusen elektroner i halvlederutarmningsområdet. Fordi vi forsterker en liten strømpuls, må spesiell oppmerksomhet rettes mot valg av komponenter, nøye skjerming og kretskortoppsett.

(*1: Minimum energi som skal deponeres i detektoren for å produsere et tydelig signal, og signal-til-støy-forholdet.)

For å velge komponentverdier riktig oppsummerer jeg først kravene, de spesifikasjonene og begrensningene:

Sensorer:

• Stort mulig deteksjonsområde, 1keV-1MeV
• Lav kapasitans for å minimere støy, 20pF-50pF
• Ubetydelig lekkasjestrøm under omvendt skjevhet.

Forsterkning og diskriminering:

• Lad følsomme forforsterkere
• Differensiator for pulsforming
• Komparator for signalpuls når den er over den angitte terskelen
• Komparator for støyutgang når det er innenfor terskelintervallet
• Komparator for kanal tilfeldigheter
• Generell terskel for hendelsesfiltrering.

Digital og mikrokontroller:

• Raske analog-til-digitale omformere
• Utdata for behandling og brukergrensesnitt.

Strøm og filtrering:

• Spenningsregulatorer for alle trinn
• Høyspenningsforsyning for å generere skjevheten
• Riktig filtrering av all strømfordeling.

Jeg valgte følgende komponenter:

• DC Boost -omformer: LM 2733
• Ladeforsterkere: AD743
• Andre op-forsterkere: LM393 og LM741
• DAQ/avlesning: Arduino Nano.

Ytterligere pålagte spesifikasjoner inkluderer:

• Driftshastighet:> 250 kHz (84 kanaler), 50 kHz (tilfeldighet)
• Oppløsning: 10bit ADC
• Samplingsfrekvens: 5 kHz (8 kanaler)
• Spenninger: 5V Arduino, 9V op-ampere, ~ 12V Biasing.

Det overordnede arrangementet og rekkefølgen til komponentene ovenfor er representert i blokkdiagrammet. Vi gjorde beregningene med komponentverdier som ble brukt under testfasen (se det tredje bildet). (*: Noen komponentverdier er ikke de samme som opprinnelig planlagt eller de samme som de som er på plass, men disse beregningene gir likevel en veiledning.)

Trinn 4: Kretsene

(Figurlegender: (1) Overordnet skjematisk trinn 1-3 i en enkelt kanal, inkludert diodebasering og spenningsdelere som gir referanser til hvert trinn, kretsunderseksjoner.)

La oss nå forklare "flyt" av deteksjonssignalet til en av de fire kanalene fra opprettelsen til digital oppkjøp.

1. stadie

Det eneste signalet av interesse stammer fra fotodiodene. Disse sensorene er omvendt partisk. Forspenningsforsyningen er en stabil 12V som kjøres gjennom et lavpassfilter for å eliminere uønsket støy større enn 1Hz. Ved ionisering av tømmingsområdet opprettes en ladningspuls ved pinnene på dioden. Dette signalet blir tatt opp av vårt første forsterkningstrinn: ladeforsterkeren. En ladningsforsterker kan lages med hvilken som helst operasjonsforsterker, men spesifikasjoner med lav støy er veldig viktig.

Trinn 2

Målet med dette stadiet er å konvertere ladningspulsen som detekteres ved inverteringsinngangen, til en likspenning ved op-forsterkerens utgang. Den ikke-inverterende inngangen filtreres og settes til en spenningsdeler på et kjent og valgt nivå. Denne første etappen er vanskelig å stille inn, men etter mange tester nøyde vi oss med en tilbakemeldingskondensator på 2 [pF] og en tilbakekoblingsmotstand på 44 [MOhm], noe som resulterte i en puls på 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. En omvendt aktiv båndpassfilterforsterker, som fungerer som en differensiator, følger ladningsforsterkeren. Dette trinnet filtrerer og konverterer DC -nivået fra de forrige trinnene til en puls med en forsterkning på 100. Rådetektorsignalet blir sonderet ved utgangen av dette trinnet.

Trinn 3

Neste i rekken er signal- og støykanalene. Disse to utgangene går direkte til DAQ så vel som til den andre analoge kretskortet. Begge fungerer som op-ampere-komparatorer. Den eneste forskjellen mellom de to er at støykanalen har en lavere spenning ved sin ikke-inverterende inngang enn signalkanalen, og signalkanalen filtreres også for å fjerne frekvenser over den forventede utgangspulsen fra det andre forsterkningstrinnet. En LM741 op-amp fungerer som en komparator mot en variabel terskel for å diskriminere signalkanalen, slik at detektoren bare kan sende utvalgte hendelser til ADC/MCU. En variabel motstand på den ikke-inverterende inngangen angir utløsernivået. I dette stadiet (tilfeldighetsteller) mates signaler fra hver kanal til en op-amp som fungerer som en summeringskrets. En fast terskel er satt sammen med to aktive kanaler. Op-amp sender ut høy hvis to eller flere fotodioder registrerer et treff samtidig.

Merk: Vi gjorde en avgjørende feil ved å plassere DC/DC-trinnomformeren for forspenningskraften i nærheten av ladningsfølsomme forsterkere på forsterkningskortet. Kanskje vi fikser dette i en senere versjon.

Trinn 5: Forsamlingen

Lodding, mye lodding … Fordi sensoren valgt for sluttdetektoren bare eksisterer som en SMT -fotavtrykkskomponent, måtte vi designe PCB (2 lag). Derfor ble alle tilhørende kretser også migrert til PCB -plater i stedet for brødbrettet. Alle analoge komponenter ble plassert på to separate PCB -er, og de digitale komponentene på en annen for å unngå støyforstyrrelser. Dette var de første PCBene vi noensinne laget, så vi måtte få litt hjelp til oppsettet i Eagle. Det viktigste kretskortet er sensorene og forsterkningen. Med et oscilloskop som overvåker utgangene ved testpunkter, kan detektoren utelukkende fungere med dette kortet (DAQ bypass). Jeg fant og fikset feilene mine; disse inkluderte feil komponentfotavtrykk, noe som resulterte i at støyforsterkerne våre med lav støy ble avlyttet og komponenter som ble byttet ut med alternativer. I tillegg ble to filtre lagt til designet for å undertrykke ringesvingninger.

Trinn 6: Vedlegget

Målet med det 3D -trykte huset, blyarket og skummet er for: monteringsformål, termisk isolasjon, å gi et støyskjerm og å blokkere omgivelseslys, og tydeligvis for å beskytte elektronikken. 3D -utskrift STL -filer er vedlagt.

Trinn 7: Arduino-opplesning

Avlesningsdelen (ADC/DAQ) av detektoren består av en Arduino Mini (kode vedlagt). Denne mikrokontrolleren overvåker utgangene til de fire detektorene og strømforsyningen til den senere (sporkraftkvaliteten), og sender deretter ut alle dataene på den serielle utgangen (USB) for videre analyse eller opptak.

En Processing desktop -applikasjon ble utviklet (vedlagt) for å plotte alle innkommende data.

Trinn 8: Testing

(Figurlegender: (1) Resulterende puls for en 60Co-kilde (t ~ 760ms) signal-til-støy-forhold ~ 3: 1., (2) Injeksjon som tilsvarer ladningen deponert av en energikilde ~ 2 MeV., (3) Injeksjon som tilsvarer ladningen deponert av en 60Co -kilde (~ 1,2 MeV)).

Ladeinjeksjon ble utført med en pulsgenerator koblet til en kondensator (1pF) på sensorputen og avsluttet til bakken via en 50Ohm motstand. Disse prosedyrene gjorde at jeg kunne teste kretsene mine, finjustere komponentverdiene og simulere responsene til fotodiodene når de ble utsatt for en aktiv kilde. Vi satte både en Americium − 241 (60 KeV) og en Iron − 55 (5,9 KeV) kilde foran de to aktive fotodiodene, og ingen av kanalene så et karakteristisk signal. Vi bekreftet via pulsinjeksjoner, og konkluderte med at pulser fra disse kildene var under den observerbare terskelen på grunn av støynivå. Imidlertid kunne vi fortsatt se treff fra en 60Co (1,33 MeV) kilde. Den viktigste begrensende faktoren under testene var den betydelige støyen. Det var mange støykilder og få forklaringer på hva som genererte disse. Vi fant at en av de mest betydningsfulle og skadelige kildene var tilstedeværelsen av støy før det første forsterkningstrinnet. På grunn av den store gevinsten ble denne lyden forsterket nesten hundre ganger! Kanskje feil effektfiltrering og Johnson-støy som ble injisert på nytt i tilbakemeldingsløkkene til forsterkerstadiene også bidro (dette vil forklare det lave signalet til støyforholdet). Vi undersøkte ikke avhengigheten av støy med skjevhet, men vi kan se nærmere på det i fremtiden.

Trinn 9: Det større bildet

Se videoen fra Veritasium om de mest radioaktive stedene på jorden!

Hvis du har kommet så langt og fulgt trinnene, gratulerer! Du har bygget et apparat for virkelige applikasjoner som LHC! Kanskje du bør vurdere et karriereskifte og gå inn på kjernefysisk område:) I mer tekniske termer har du bygget en strålingsdetektor i solid tilstand som består av en matrise av fotodioder og tilhørende kretser for å lokalisere og diskriminere hendelser. Detektoren består av flere forsterkningstrinn som konverterer små ladningspulser til observerbare spenninger og diskriminerer og sammenligner dem. En komparator, mellom kanaler, gir også informasjon om romlig fordeling av oppdagede hendelser. Du inkorporerte også bruken av en Arduino mikrokontroller og viktig programvare for datainnsamling og analyse.

Trinn 10: Referanser

I tillegg til de fantastiske PDF -filene som er vedlagt, er det noen relaterte informasjonsressurser:

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

- Første sensor, første sensor PIN PD datablad Del Beskrivelse X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

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

- C. Thiel, En introduksjon til halvlederstrålingsdetektorer, web. fysikk.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

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