Bärbar strålningsdetektor: 10 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Detta är en handledning för att designa, konstruera och testa din egen bärbara Silicon-fotodiodstrålningsdetektor som är lämplig för 5keV-10MeV-detektionsområdet för att exakt kvantifiera lågenergi gammastrålning från radioaktiva källor! Var uppmärksam om du inte vill bli en radioaktiv zombie: det är inte säkert att vara i närheten av högstrålningskällor, och den här enheten ska INTE användas som ett pålitligt sätt att upptäcka potentiellt skadlig strålning.

Låt oss börja med lite bakgrundsvetenskap om detektorn innan vi går in på dess konstruktion. Ovan är en underbar video från Veritasium som förklarar vad strålning är och varifrån den kommer.

Steg 1: Först massor av fysik

(Figurförklaring: Joniserande strålning bildar elektronhålspar i det inneboende området vilket resulterar i en laddningspuls.)

Gnistkammare, Geigers och fotomultiplikatorrördetektorer … alla dessa typer av detektorer är antingen besvärliga, dyra eller använder högspänningar för att fungera. Det finns några tillverkarvänliga Geiger-rörtyper, till exempel https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 och https://www.adafruit.com/product/483. Andra metoder för att detektera strålning är solid-state-detektorer (t.ex. Germanium-detektorer). Dessa är dock dyra att producera och kräver specialutrustning (tänk kylning av flytande kväve!). Tvärtom är solid-state-detektorer mycket kostnadseffektiva. De används i stor utsträckning och spelar en viktig roll inom partikelfysik med hög energi, medicinsk fysik och astrofysik.

Här bygger vi en bärbar strålningsdetektor för fast tillstånd som kan kvantifiera och detektera gammarenergi med låg energi från radioaktiva källor. Enheten består av en rad omvända förspända kisel-PiN-dioder med stor yta, som matas ut till en laddningsförstärkare, en differentialförstärkare, en diskriminator och en komparator. Utgången från alla på varandra följande steg omvandlas till digitala signaler för analys. Vi börjar med att beskriva principerna för kiselpartikeldetektorer, PiN -dioder, omvänd förspänning och andra tillhörande parametrar. Vi kommer sedan att förklara de olika undersökningarna som gjordes och de val som gjordes. I slutändan presenterar vi den slutliga prototypen och testningen.

SolidState -detektorer

I många strålningsdetekteringsapplikationer är användningen av ett fast detektionsmedium av avsevärd fördel (alternativt kallad halvledardioddetektorer eller halvledardetektorer). Kiseldioder är valbara detektorer för ett stort antal applikationer, särskilt när tunga partiklar är inblandade. Om mätning av energi inte krävs medger de utmärkta timingegenskaperna hos kiseldioddetektorer en exakt räkning och spårning av laddade partiklar.

För mätning av elektroner med hög energi eller gammastrålning kan detektormåttet hållas mycket mindre än alternativ. Användningen av halvledarmaterial som strålningsdetektorer resulterar också i ett större antal bärare för en given infallande strålningshändelse, och därför en lägre statistisk gräns för energiopplösning än vad som är möjligt med andra detektortyper. Följaktligen realiseras den bästa energiupplösning som kan uppnås idag genom användning av sådana detektorer.

De grundläggande informationsbärarna är elektronhålspar som skapas längs vägen som den laddade partikeln tar genom detektorn (se figur ovan). Genom att samla dessa elektronhålspar, mätt som laddningar vid sensorns elektroder, bildas detektionssignalen och den går vidare till förstärknings- och diskrimineringssteg. Ytterligare önskvärda egenskaper hos solid-state-detektorer är en kompakt storlek, relativt snabba timingegenskaper och en effektiv tjocklek (*). Som med alla detektorer finns det nackdelar, inklusive begränsningen till små storlekar och relativt möjlighet för dessa enheter att genomgå prestandaförsämring från strålningsinducerad skada.

(*: Tunna sensorer minimerar flera spridningar, medan tjockare sensorer genererar fler laddningar när en partikel passerar substratet.)

P − i − N -dioder:

Varje typ av strålningsdetektor ger en karakteristisk utgång efter interaktion med strålning. Interaktioner mellan partiklar och materia kännetecknas av tre effekter:

1. den fotoelektriska effekten
2. Compton spridning
3. Parproduktion.

Grundprincipen för en plan kiseldetektor är användningen av en PN -övergång där partiklar interagerar via dessa tre fenomen. Den enklaste plana kiselsensorn består av ett P-dopat substrat och ett N-implantat på ena sidan. Elektronhålspar skapas längs en partikelbana. I området för PN -korsningen finns det en region utan kostnad bärare, kallad utarmningszonen. Elektronhålsparen som skapas i denna region separeras av ett omgivande elektriskt fält. Därför kan laddningsbärarna mätas antingen på N- eller P -sidan av kiselmaterialet. Genom att applicera en omvänd förspänning på PN-övergångsdioden växer den utarmade zonen och kan täcka hela sensorsubstratet. Du kan läsa mer om detta här: Pin Junction Wikipedia -artikel.

En PiN-diod har en inneboende i-region, mellan P- och N-korsningarna, översvämmad med laddningsbärare från P- och N-regionerna. Denna breda inneboende region innebär också att dioden har en låg kapacitans vid omvänd förspänning. I en PiN -diod existerar utarmningsregionen nästan helt inom den inneboende regionen. Denna utarmningsregion är mycket större än med en vanlig PN -diod. Detta ökar volymen där elektronhålspar kan genereras av en infallande foton. Om ett elektriskt fält appliceras på halvledarmaterialet, genomgår både elektronerna och hålen en migration. PiN-dioden är omvänd förspänd så att hela i-skiktet är utarmat av fria bärare. Denna omvända förspänning skapar ett elektriskt fält över i-lagret så att elektronerna sveps till P-lagret och hålen, till N-lagret (*4).

Flödet av bärare som svar på en strålningspuls utgör den uppmätta strömpulsen. För att maximera denna ström måste i-regionen vara så stor som möjligt. Kopplingens egenskaper är sådana att den leder mycket lite ström när den är förspänd i omvänd riktning. Korsningens P-sida blir negativ med avseende på N-sidan, och den naturliga potentialskillnaden från ena sidan av korsningen till den andra förbättras. Under dessa omständigheter är det minoritetsbärarna som dras över korsningen och eftersom deras koncentration är relativt låg är omvänd ström över dioden ganska liten. När en omvänd förspänning appliceras på korsningen visas praktiskt taget all applicerad spänning över utarmningsområdet, eftersom dess resistivitet är mycket högre än för det normala N- eller P-typmaterialet. Faktum är att den omvända förspänningen accentuerar potentialskillnaden över korsningen. Tjockleken på utarmningsområdet ökar också, vilket ökar volymen över vilken strålningsproducerade laddningsbärare samlas. När det elektriska fältet är tillräckligt högt blir laddningssamlingen komplett och pulshöjden ändras inte längre med ytterligare ökning av detektorns förspänning.

(*1: Elektroner i atomens bundna tillstånd slås ut av fotoner när energin hos de infallande partiklarna är högre än bindningsenergin.; *2: Interaktion som involverar spridning av en partikel från en fri eller löst bunden elektron, och överföring av en del av energin till elektronen.; *3: Produktion av en elementär partikel och dess antipartikel. * *: Elektroner dras i motsatt riktning mot den elektriska fältvektorn, medan hål rör sig i samma riktning som det elektriska fältet.)

Steg 2: Utforskning

Detta är prototypversionen av "detektorn" som vi konstruerade, felsökte och testade. Det är en matris som består av flera sensorer för att ha en "CCD" stil strålningssensor. Som nämnts tidigare är alla kiselhalvledare känsliga för strålning. Beroende på hur exakt det är och vilka sensorer som används kan man också få en grov uppfattning om energinivån för partikeln som orsakade en träff.

Vi har använt oskärmade dioder som redan är avsedda för avkänning, som vid omvänd förspänning (och avskärmad från synligt ljus) kan registrera träffar från beta- och gammastrålning genom att förstärka de små signalerna och läsa utdata med en mikrokontroller. Alfastrålning kan dock sällan detekteras eftersom den inte kan tränga igenom ens tunt tyg eller polymerskärmning. Bifogad är en underbar video från Veritasium, som förklarar de olika typerna av strålning (Alpha, Beta & Gamma).

De första design-iterationerna använde en annan sensor (en BPW-34-fotodiod; en berömd sensor om du googlar runt). Det finns till och med några relaterade instruktioner som använder den i syfte att detektera strålning som den här utmärkta: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Men eftersom den hade några buggar och inte fungerade optimalt, bestämde vi oss för att utelämna detaljerna i denna prototyp från denna instruktion för att undvika att tillverkare bygger en detektor full av brister. Vi bifogade dock designfilerna och schematisk om någon är intresserad.

Steg 3: Designen

(Bildförklaringar: (1) Blockdiagram för detektor: från signalskapande till datainsamling., (2) Specifikationer för fotodioden X100-7: 100 mm^2 aktivt område, 0,9 mm utarmad zon, ljusblockerande beläggning, låg mörk ström … Som visas i absorptionssannolikhetsdiagrammet, absorberar PiN-dioder lätt gammastrålenergi, (3) Tillverkningsanmärkning från tillverkaren som bekräftade designkonceptet och hjälpte till att välja initiala komponentvärden.

Vi nöjde oss med en större områdessensor, nämligen X100−7 från First Sensor. För teständamål och modularitet konstruerade vi tre olika delar, staplade på varandra: Sensorer och förstärkning (lågbrusladdningsförstärkare + pulsformande förstärkare), Diskriminatorer och komparator, DC/DC -reglering och DAQ (Arduino för datainsamling). Varje etapp monterades, validerades och testades separat som du kommer att se i nästa steg.

En huvudfördel med halvledardetektorer är den lilla joniseringsenergin (E), oberoende av både energin och typen av infallande strålning. Denna förenkling gör det möjligt att redogöra för ett antal elektronhålspar när det gäller den infallande strålningsenergin, förutsatt att partikeln är helt stoppad inom detektorns aktiva volym. För kisel vid 23C (*) har vi E ~ 3.6eV. Om vi antar att all energi deponeras och med hjälp av joniseringsenergin kan vi beräkna antalet elektroner som produceras av en given källa. Till exempel skulle en 60keVgamma-stråle från en Americium-241-källa resultera i en deponerad laddning på 0,045 fC/keV. Som visas i specifikationerna för diodspecifikationerna kan utarmningsregionen uppskattas till konstant över en förspänning på cirka ~ 15V. Detta sätter målområdet för vår förspänning till 12−15V. (*: E ökar med sjunkande temperatur.)

Funktionaliteten hos detektorns olika moduler, deras beståndsdelar och tillhörande beräkningar. Vid utvärdering av detektorn var känsligheten (*1) avgörande. En extremt känslig laddningsförstärkare krävs eftersom en infallande gammastrålning bara kan generera några tusen elektroner i halvledarutarmningsområdet. Eftersom vi förstärker en liten strömpuls måste särskild uppmärksamhet ägnas åt val av komponenter, noggrann skärmning och kretskortlayout.

(*1: Minsta energi som ska deponeras i detektorn för att producera en distinkt signal och förhållandet mellan signal och brus.)

För att korrekt välja komponentvärden sammanfattar jag först kraven, de önskade specifikationerna och begränsningarna:

Sensorer:

• Stort möjligt detekteringsområde, 1keV-1MeV
• Låg kapacitans för att minimera brus, 20pF-50pF
• Försumbar läckström under omvänd förspänning.

Förstärkning och diskriminering:

• Ladda känsliga förförstärkare
• Differentiator för pulsformning
• Jämförare för signalpuls över den inställda tröskeln
• Jämförare för brusutmatning inom tröskelintervallet
• Jämförare för kanalsammanfall
• Allmän tröskel för händelsefiltrering.

Digital och mikrokontroller:

• Snabba analog-till-digital-omvandlare
• Utdata för bearbetning och användargränssnitt.

Ström och filtrering:

• Spänningsregulatorer för alla steg
• Högspänningsförsörjning för att generera förspänningskraften
• Korrekt filtrering av all effektfördelning.

Jag valde följande komponenter:

• DC Boost -omvandlare: LM 2733
• Laddningsförstärkare: AD743
• Andra op-förstärkare: LM393 & LM741
• DAQ/avläsning: Arduino Nano.

Ytterligare pålagda specifikationer inkluderar:

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

Det övergripande arrangemanget och ordningen för komponenterna ovan representeras i blockdiagrammet. Vi gjorde beräkningarna med komponentvärden som användes under testfasen (se den tredje bilden). (*: Vissa komponentvärden är inte desamma som ursprungligen planerade eller de samma som för närvarande. Dessa beräkningar ger dock en vägledning.)

Steg 4: Kretsarna

(Figurförklaringar: (1) Övergripande schema över steg 1-3 i en enda kanal, inklusive diodbasering och spänningsdelare som ger referenser till varje steg, kretsundersektioner.

Låt oss nu förklara "flödet" för detekteringssignalen för en av de fyra kanalerna från dess skapande till digital förvärv.

Steg 1

Den enda signalen av intresse kommer från fotodioderna. Dessa sensorer är omvända. Förspänningsförsörjningen är en stabil 12V som drivs genom ett lågpassfilter för att eliminera oönskat brus större än 1Hz. Vid jonisering av utarmningsregionen skapas en laddningspuls vid diodens stift. Denna signal tas upp av vårt första förstärkningssteg: laddningsförstärkaren. En laddningsförstärkare kan göras med valfri operationsförstärkare, men specifikationer för lågt brus är mycket viktigt.

Steg 2

Målet med detta steg är att omvandla laddningspulsen som detekteras vid inverteringsingången till en likspänning vid op-ampars utgång. Den icke-inverterande ingången filtreras och ställs in på en spänningsdelare vid en känd och vald nivå. Det här första steget är svårt att ställa in, men efter många tester nöjde vi oss med en återkopplingskondensator på 2 [pF] och ett återkopplingsmotstånd på 44 [MOhm], vilket resulterade i en puls på 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. En inverterande aktiv bandpassfilterförstärkare, som fungerar som en differentiator, följer laddningsförstärkaren. Detta steg filtrerar och konverterar omvandlarnas DC -nivå, som kommer från föregående steg till en puls med en förstärkning på 100. Rå detektorsignalen sonderas vid utgången från detta steg.

Steg 3

Nästa på raden är signal- och bruskanalerna. Dessa två utgångar går direkt till DAQ såväl som till det andra analoga kretskortet. Båda fungerar som op-amp-jämförare. Den enda skillnaden mellan de två är att bruskanalen har en lägre spänning vid dess icke-inverterande ingång än signalkanalen, och signalkanalen filtreras också för att ta bort frekvenser över den förväntade utgångspulsen från det andra förstärkningssteget. En LM741 op-amp fungerar som en komparator mot en variabel tröskel för att diskriminera signalkanalen, så att detektorn endast kan skicka utvalda händelser till ADC/MCU. Ett variabelt motstånd på den icke-inverterande ingången sätter utlösningsnivån. I detta steg (slumpmätare) matas signaler från varje kanal till en op-amp som fungerar som en summeringskrets. Ett fast tröskelvärde sätts samman med två aktiva kanaler. Op-amp-utgångarna ger höga om två eller fler fotodioder registrerar en träff samtidigt.

Obs: Vi gjorde ett avgörande misstag genom att placera DC/DC-stegomvandlaren för förspänningskraften nära laddningskänsliga op-ampere på förstärkningskortet. Kanske fixar vi detta i en senare version.

Steg 5: Monteringen

Lödning, massor av lödningar … Eftersom sensorn som valts för slutdetektorn bara existerar som en SMT -fotavtryckskomponent, var vi tvungna att designa kretskort (2 lager). Därför migrerades alla associerade kretsar till PCB -skivor snarare än brödbrädan. Alla analoga komponenter placerades på två separata kretskort och de digitala komponenterna på en annan för att undvika störningar. Detta var de första kretskort som vi någonsin gjort så vi var tvungna att få lite hjälp med layouten i Eagle. Det viktigaste kretskortet är sensorernas och förstärkningens. Med ett oscilloskop som övervakar utgångarna vid testpunkter kan detektorn endast arbeta med detta kort (DAQ bypass). Jag hittade och fixade mina fel; dessa inkluderade felaktiga komponentfotavtryck, vilket resulterade i att våra lågbrusande förstärkare blev tråduttagna och uttjänta komponenter som byttes ut med alternativ. Dessutom tillsattes två filter till konstruktionen för att undertrycka ringoscillationer.

Steg 6: Kapslingen

Målet med det 3D -tryckta höljet, blyarket och skummet är för: monteringsändamål, värmeisolering, att ge en bullersköld och att blockera omgivande ljus och tydligen för att skydda elektroniken. 3D -utskrift STL -filer bifogas.

Steg 7: Arduino-avläsning

Uppläsning (ADC/DAQ) delen av detektorn består av en Arduino Mini (kod bifogad). Denna mikrokontroller övervakar utgångarna från de fyra detektorerna och matningseffekten till den senare (spårkvaliteten) och matar sedan ut alla data på den seriella utgången (USB) för vidare analys eller inspelning.

En bearbetning av skrivbordsprogram utvecklades (bifogas) för att plotta all inkommande data.

Steg 8: Testning

) 3) Injektion motsvarande laddningen som deponerats av en 60Co -källa (~ 1,2 MeV)).

Laddningsinjektion utfördes med en pulsgenerator kopplad till en kondensator (1pF) vid sensorplattan och avslutades till jord via ett 50Ohm -motstånd. Dessa procedurer gjorde det möjligt för mig att testa mina kretsar, finjustera komponentvärdena och simulera fotodiodernas svar när de utsattes för en aktiv källa. Vi ställde både en Americium − 241 (60 KeV) och en Iron − 55 (5,9 KeV) källa framför de två aktiva fotodioderna, och ingen av kanalerna såg någon särskiljande signal. Vi verifierade via pulsinjektioner och drog slutsatsen att pulserna från dessa källor låg under det observerbara tröskelvärdet på grund av bullernivåer. Vi kunde dock fortfarande se träffar från en 60Co (1,33 MeV) -källa. Den största begränsande faktorn under testerna var det betydande bullret. Det fanns många bullerkällor och få förklaringar till vad som orsakade dessa. Vi fann att en av de mest signifikanta och skadliga källorna var förekomsten av brus före det första förstärkningssteget. På grund av den enorma vinsten förstärktes detta brus nästan hundra gånger! Kanske bidrog felaktig effektfiltrering och Johnson-brus som återinsprutades i förstärkarstegens återkopplingsslingor (detta skulle förklara det låga signal-brusförhållandet). Vi undersökte inte beroende av buller med förspänning, men vi kan undersöka det ytterligare i framtiden.

Steg 9: Den större bilden

Se videon från Veritasium om de mest radioaktiva platserna på jorden!

Om du har kommit så här långt och följt stegen, grattis! Du har byggt en apparat för verkliga applikationer som LHC! Kanske borde du överväga ett karriärbyte och gå in på kärnfysikområdet:) I mer tekniska termer har du byggt en strålningsdetektor i solid state som består av en matris av fotodioder och tillhörande kretsar för att lokalisera och diskriminera händelser. Detektorn består av flera förstärkningssteg som omvandlar små laddningspulser till observerbara spänningar och sedan diskriminerar och jämför dem. En komparator, mellan kanaler, ger också information om den rumsliga fördelningen av upptäckta händelser. Du har också införlivat användningen av en Arduino mikrokontroller och viktig programvara för datainsamling och analys.

Steg 10: Referenser

Förutom de underbara PDF -filer som bifogas, här är några relaterade informativa resurser:

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

- Första sensorn, första sensorn PIN PD Datablad Artikelbeskrivning X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

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

- C. Thiel, En introduktion till halvledarstrålningsdetektorer, webb. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

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