Draagbare stralingsdetektor: 10 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

Dit is 'n handleiding om u eie draagbare Silicon-fotodiode-stralingsdetektor te ontwerp, te bou en te toets wat geskik is vir die 5keV-10MeV-opsporingsreeks om lae-energie-gammastrale van radioaktiewe bronne akkuraat te kwantifiseer! Gee aandag as u nie 'n radioaktiewe zombie wil word nie: dit is nie veilig om naby strale te wees nie, en hierdie toestel moet NIE as 'n betroubare manier gebruik word om moontlike skadelike straling op te spoor nie.

Kom ons begin met 'n bietjie agtergrondwetenskap oor die detektor voordat ons met die konstruksie daarvan begin. Hierbo is 'n wonderlike video van Veritasium wat verduidelik wat bestraling is en waar dit vandaan kom.

Stap 1: Eerstens, baie fisika

(Figuurlegende: Ioniserende straling vorm elektron-gatpare in die intrinsieke gebied wat 'n ladingpuls tot gevolg het.)

Vonkamers, Geiger's, en Foto-vermenigvuldiger buisdetectoren … al die soorte detectoren is omslagtig, duur of gebruik hoogspanning om te werken. Daar is 'n paar vervaardiger-vriendelike Geiger-buissoorte, soos https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 en https://www.adafruit.com/product/483. Ander metodes om straling op te spoor, is vaste toestand detektore (bv. Germanium detektors). Dit is egter duur om te vervaardig en benodig gespesialiseerde toerusting (dink aan verkoeling met vloeibare stikstof!). Inteendeel, vaste-staat detektore is baie koste-effektief. Hulle word wyd gebruik en speel 'n belangrike rol in hoë-energie deeltjiefisika, mediese fisika en astrofisika.

Hier bou ons 'n draagbare stralingsdetektor in vaste toestand wat in staat is om lae-energie gammastrale van radioaktiewe bronne akkuraat te kwantifiseer en op te spoor. Die toestel bestaan uit 'n verskeidenheid omgekeerde bevooroordeelde silikon PiN-diodes met 'n groot oppervlakte, wat na 'n laai-voorversterker, 'n differensiatorversterker, 'n diskriminator en 'n vergelyker uitgaan. Die uitset van alle opeenvolgende fases word omgeskakel in digitale seine vir analise. Ons begin met die beskrywing van die beginsels van silikondeeltjie -detektore, PiN -diodes, omgekeerde vooroordeel en ander verwante parameters. Ons verduidelik dan die verskillende ondersoeke wat gedoen is en die keuses wat gemaak is. Uiteindelik stel ons die finale prototipe en die toets bekend.

SolidState -detektore

In baie toepassings vir stralingsopsporing is die gebruik van 'n vaste opsporingsmedium van groot voordeel (alternatiewelik halfgeleiderdiode-detektore of vaste toestand detektore genoem). Silisiumdiodes is die voorkeurverklikkers vir 'n groot aantal toepassings, veral as swaar gelaaide deeltjies betrokke is. As die meting van energie nie nodig is nie, laat die uitstekende tydsberekeningseienskappe van silikondiode -detektore toe om gelaaide deeltjies akkuraat te tel en op te spoor.

Vir die meting van hoë-energie-elektrone of gammastralings, kan detektorafmetings baie kleiner as alternatiewe gehou word. Die gebruik van halfgeleiermateriaal as stralingsdetektore lei ook tot 'n groter aantal draers vir 'n gegewe invallende stralingsgebeurtenis, en dus 'n laer statistiese beperking op energieoplossing as wat met ander detektortipes moontlik is. Gevolglik word die beste energie -resolusie wat vandag haalbaar is, gerealiseer deur die gebruik van sulke detektore.

Die fundamentele inligtingsdraers is elektrongatpare wat geskep word langs die pad wat die gelaaide deeltjie deur die detektor neem (sien figuur hierbo). Deur hierdie elektrongatpare te versamel, gemeet as ladings by die elektrodes van die sensor, word die opsporingsein gevorm en gaan dit na versterkings- en diskriminasie-stadiums. Bykomende wenslike kenmerke van vaste toestand detektore is 'n kompakte grootte, relatief vinnige tydseienskappe en 'n effektiewe dikte (*). Soos met enige detektor, is daar nadele, insluitend die beperking tot klein afmetings en die relatiewe moontlikheid dat hierdie toestelle prestasie-agteruitgang kan ondergaan as gevolg van stralings veroorsaakde skade.

(*: Dun sensors verminder veelvoudige verstrooiings, terwyl dikker sensors meer ladings genereer wanneer 'n deeltjie die substraat deurkruis.)

P − i − N diodes:

Elke tipe stralingsdetektor lewer 'n kenmerkende uitset na interaksie met straling. Interaksies van deeltjies met materie word gekenmerk deur drie effekte:

1. die foto-elektriese effek
2. Compton verstrooiing
3. Paar-produksie.

Die basiese beginsel van 'n plat silikondetektor is die gebruik van 'n PN -aansluiting waarin deeltjies deur hierdie drie verskynsels in wisselwerking tree. Die eenvoudigste vlakke silikon sensor bestaan uit 'n P gedoteerde substraat en 'n N-inplanting aan die een kant. Elektron-gatpare word langs 'n deeltjiebaan geskep. In die gebied van die PN -aansluiting is daar 'n gebied wat gratis draers, die uitputtingsone, genoem word. Die elektron-gatpare wat in hierdie gebied geskep word, word geskei deur 'n omliggende elektriese veld. Daarom kan die laaddraers aan die N- of P -kant van die silikonmateriaal gemeet word. Deur 'n omgekeerde voorspanning op die PN-aansluitdiode toe te pas, groei die uitgeputte sone en kan die volledige sensorsubstraat bedek. U kan hier meer hieroor lees: Pin Junction Wikipedia -artikel.

'N PiN-diode het 'n intrinsieke i-gebied, tussen die P- en N-aansluitings, oorstroom met ladingsdraers uit die P- en N-streke. Hierdie wye intrinsieke gebied beteken ook dat die diode 'n lae kapasitansie het as dit omgekeerd is. In 'n PiN -diode bestaan die uitputtingsgebied byna heeltemal binne die intrinsieke gebied. Hierdie uitputtingsgebied is baie groter as met 'n gewone PN -diode. Dit verhoog die volume waar elektron-gatpare deur 'n invallende foton gegenereer kan word. As 'n elektriese veld op die halfgeleiermateriaal toegepas word, ondergaan beide die elektrone en gate 'n migrasie. Die PiN-diode is omgekeerd bevooroordeeld, sodat die hele i-laag uitgeput is van gratis draers. Hierdie omgekeerde vooroordeel skep 'n elektriese veld oor die i-laag sodat die elektrone na die P-laag en die gate na die N-laag (*4) gevee word.

Die vloei van draers in reaksie op 'n stralingspuls vorm die gemete stroompuls. Om hierdie stroom te maksimeer, moet die i-gebied so groot as moontlik wees. Die eienskappe van die aansluiting is sodanig dat dit baie min stroom gelei wanneer dit in die omgekeerde rigting is. Die P-kant van die aansluiting word negatief ten opsigte van die N-kant, en die natuurlike potensiaalverskil van die een kant van die aansluiting na die ander word verbeter. Onder hierdie omstandighede is dit die minderheidsdraers wat oor die aansluiting trek, en omdat die konsentrasie daarvan relatief laag is, is die omgekeerde stroom oor die diode redelik klein. As 'n omgekeerde vooroordeel op die aansluiting toegepas word, verskyn feitlik al die toegepaste spanning oor die uitputtingsgebied, omdat die weerstand daarvan baie hoër is as dié van die normale N- of P-tipe materiaal. Die omgekeerde vooroordeel beklemtoon inderdaad die potensiële verskil oor die aansluiting. Die dikte van die uitputtingsgebied word ook verhoog, wat die volume uitbrei waaroor stralings geproduseerde ladingsdraers versamel word. Sodra die elektriese veld voldoende hoog is, word die ladingversameling voltooi en word die pulshoogte nie meer verander met verdere toenames in die detektor -voorspanning.

(*1: Elektrone in die gebonde toestand van 'n atoom word deur fotone uitgeslaan wanneer die energie van die invallende deeltjies hoër is as die bindingsenergie.; *2: Interaksie wat die verspreiding van 'n deeltjie van 'n vry of los gebonde elektron behels en die oordrag van 'n deel van die energie na die elektron.; *3: Produksie van 'n elementêre deeltjie en sy anti-deeltjie.; *4: Elektrone word in die teenoorgestelde rigting getrek as die elektriese veldvektor, terwyl gate in dieselfde rigting as die elektriese veld.)

Stap 2: Verkenning

Dit is die prototipe weergawe van die "detector" wat ons gebou, ontfout en getoets het. Dit is 'n matriks wat bestaan uit veelvuldige sensors met 'n stralingsensor in 'CCD' styl. Soos reeds genoem, is alle silikon-halfgeleiers sensitief vir bestraling. Afhangende van hoe akkuraat dit is, en die sensors wat gebruik word, kan u ook 'n ruwe idee kry van die energievlak van die deeltjie wat 'n treffer veroorsaak het.

Ons het onbeskermde diodes gebruik wat reeds bedoel is vir sensing, wat, wanneer dit omgekeerd is (en dit teen sigbare lig beskerm), treffers van beta- en gammastraling kan registreer deur die klein seine te versterk en die uitsetdata met 'n mikrobeheerder te lees. Alfa -straling kan egter selde opgespoor word omdat dit nie selfs dun weefsel of polimeerafskerming kan binnedring nie. Hierby is 'n wonderlike video van Veritasium, wat die verskillende tipes straling (Alpha, Beta & Gamma) verduidelik.

Die aanvanklike ontwerp-herhalings het 'n ander sensor gebruik ('n BPW-34-fotodiode; 'n bekende sensor as u rondkyk). Daar is selfs 'n paar verwante instruksies wat dit gebruik vir die opsporing van bestraling, soos hierdie uitstekende een: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Omdat dit 'n paar foute bevat en nie optimaal funksioneer nie, het ons besluit om die besonderhede van hierdie prototipe uit hierdie instruksies weg te laat om te voorkom dat Makers 'n detektor vol foute bou. Ons het wel die ontwerplêers en skematika aangeheg as iemand belangstel.

Stap 3: Die ontwerp

(Beeldlegendes: (1) Blokdiagram van detektor: van die skep van seine tot die verkryging van data., (2) Spesifikasies van die X100-7 fotodiode: 100 mm^2 aktiewe gebied, 0,9 mm uitgeputte sone, ligblokkende laag, lae donker stroom … Soos getoon in die opname-waarskynlikheidsgraf, absorbeer PiN-diodes maklik gammastraal-energie, (3) Toepassingsnota van die vervaardiger wat die ontwerpkonsep bevestig het en gehelp het om die aanvanklike komponentwaardes te kies.

Ons het genader vir 'n groter oppervlaktesensor, naamlik die X100−7 van First Sensor. Vir toetsdoeleindes en modulariteit het ons drie verskillende gedeeltes ontwerp wat op mekaar gestapel is: Sensors en versterking (laeruisversterker + versterker vir polsvorming), Diskriminators en vergelykers, DC/DC -regulering en die DAQ (Arduino vir data -verkryging). Elke fase is afsonderlik saamgestel, gevalideer en getoets, soos u in die volgende stap sal sien.

'N Groot voordeel van halfgeleierverklikkers is die klein ionisasie -energie (E), onafhanklik van beide die energie en die tipe invallende straling. Hierdie vereenvoudiging maak voorsiening vir 'n aantal elektron-gatpare in terme van die invallende stralingsenergie, mits die deeltjie heeltemal gestop is binne die aktiewe volume van die detektor. Vir silikon by 23C (*) het ons E ~ 3.6eV. As ons aanneem dat alle energie neergelê word en deur die ionisasie -energie te gebruik, kan ons die aantal elektrone wat deur 'n gegewe bron geproduseer word, bereken. Byvoorbeeld, 'n 60keVgamma-straal van 'n Americium-241-bron sou 'n neergelate lading van 0,045 fC/keV tot gevolg hê. Soos aangedui in die spesifikasies van die diodespesifikasies, kan die uitputtingsgebied bo konstante spanning by ongeveer ~ 15V benader word. Dit stel die teikenbereik vir ons voorspanning op 12−15V. (*: E neem toe met dalende temperatuur.)

Die funksionaliteit van die verskillende modules van die detektor, hul bestanddele en gepaardgaande berekeninge. By die evaluering van die detektor was die sensitiwiteit (*1) van kardinale belang. 'N Uiters sensitiewe ladingvoorversterker is nodig omdat 'n invallende gammastraal slegs 'n paar duisend elektrone in die halfgeleieruitputtingsgebied kan genereer. Omdat ons 'n klein stroompuls versterk, moet spesiale aandag gegee word aan die keuse van komponente, noukeurige afskerming en uitleg van die printplaat.

(*1: Minimum energie wat in die detektor gestort moet word om 'n duidelike sein en die sein-ruisverhouding te produseer.)

Om die komponentwaardes korrek te kies, som ek eers die vereistes, die gewenste spesifikasies en die beperkings op:

Sensors:

• Groot moontlike opsporingsbereik, 1keV-1MeV
• Lae kapasitansie om geraas te verminder, 20pF-50pF
• Geringbare lekstroom onder omgekeerde vooroordeel.

Amplifikasie en diskriminasie:

• Laai sensitiewe voorversterkers
• Differensiator vir polsvorming
• Vergelyker vir seinpuls bo die vasgestelde drempel
• Vergelyker vir geraasuitvoer binne drempelinterval
• Vergelyker vir kanaaltoevallighede
• Algemene drempel vir gebeurtenisfiltering.

Digitale en mikrobeheerder:

• Vinnige analoog-na-digitale omsetters
• Uitsetdata vir verwerking en gebruikerskoppelvlak.

Krag en filter:

• Spanningsreguleerders vir alle fases
• Hoëspanningstoevoer om die vooroordeelkrag op te wek
• Behoorlike filter van alle kragverspreiding.

Ek het die volgende komponente gekies:

• DC Boost -omskakelaar: LM 2733
• Laaiversterkers: AD743
• Ander op-versterkers: LM393 en LM741
• DAQ/uitlees: Arduino Nano.

Bykomende opgelegde spesifikasies sluit in:

• Bedryfstempo:> 250 kHz (84 kanale), 50 kHz (toeval)
• Resolusie: 10bit ADC
• Monstertempo: 5 kHz (8 kanale)
• Spannings: 5V Arduino, 9V op-ampère, ~ 12V Biasing.

Die algehele rangskikking en volgorde van bogenoemde komponente word in die blokdiagram figuur voorgestel. Ons het die berekeninge gemaak met komponentwaardes wat tydens die toetsfase gebruik is (sien die derde prentjie). (*: Sommige komponentwaardes is nie dieselfde as wat aanvanklik beplan is nie, en ook nie dieselfde as die huidige nie; hierdie berekeninge bied egter 'n leidraad.)

Stap 4: Die stroombane

Kom ons verduidelik nou die 'vloei' van die opsporingsein van een van die vier kanale vanaf die skepping daarvan tot digitale verkryging.

Fase 1

Die enigste sein van belang is afkomstig van die fotodiodes. Hierdie sensors is omgekeerd bevooroordeeld. Die voorspanningsvoorsiening is 'n stabiele 12V wat deur 'n laagdeurlaatfilter loop om ongewenste geraas groter as 1Hz uit te skakel. By ionisering van die uitputtingsgebied word 'n ladingpuls by die penne van die diode geskep. Hierdie sein word opgeneem deur ons eerste versterkingsfase: die laadversterker. 'N Laadversterker kan met enige operasionele versterker gemaak word, maar die spesifikasie van lae geraas is baie belangrik.

Fase 2

Die doel van hierdie fase is om die ladingpuls wat by die omkeerinvoer opgespoor word, om te skakel in 'n gelykstroomspanning by die op-amp se uitset. Die nie-omkeer-ingang word gefiltreer en op 'n bekende en gekose vlak op 'n spanningsverdeler gestel. Hierdie eerste fase is moeilik om in te stel, maar na talle toetse het ons besluit op 'n terugvoerkapasitor van 2 [pF] en 'n terugvoerweerstand van 44 [MOhm], wat 'n puls van 2 [pF] × 44 [MOhm] tot gevolg het. = 88 [miks]. 'N Omgekeerde aktiewe bandpass -filterversterker, wat soos 'n differensiator optree, volg die laaiversterker. Hierdie fase filtreer en omskakel die DC -vlak van die omskakelaars, wat uit die vorige fase voortspruit in 'n puls met 'n versterking van 100. Die rou detektorsignaal word by die uitset van hierdie fase ondersoek.

Fase 3

Volgende in die ry is die sein- en geraaskanale. Hierdie twee uitsette gaan direk na die DAQ sowel as na die tweede analoog PCB. Albei funksioneer as op-amp-vergelykers. Die enigste verskil tussen die twee is dat die geraaskanaal 'n laer spanning het by die nie-omkeer-ingang daarvan as die seinkanaal, en die seinkanaal word ook gefiltreer om frekwensies bo die verwagte uitsetpuls uit die tweede versterkingsfase te verwyder. 'N LM741 op-amp werk as 'n vergelyker teen 'n veranderlike drempel om die seinkanaal te diskrimineer, waardeur die detektor slegs geselekteerde gebeure na die ADC/MCU kan stuur. 'N Veranderlike weerstand op die nie-omkeer-invoer stel die snellervlak. In hierdie stadium (toevalsteller) word seine van elke kanaal gevoer na 'n op-amp wat as 'n somstroombaan optree. 'N Vaste drempel word saamgestel met twee aktiewe kanale. Die op-amp uitset hoog as twee of meer fotodiodes gelyktydig 'n treffer registreer.

Opmerking: ons het 'n deurslaggewende fout gemaak deur die DC/DC step-up-omskakelaar van die vooroordeelkrag naby die laadsensitiewe op-versterkers op die versterkingskaart te plaas. Miskien sal ons dit in 'n latere weergawe regstel.

Stap 5: Die vergadering

Soldeer, baie soldeer … Omdat die sensor wat vir die einddetektor gekies is, slegs bestaan as 'n SMT -voetafdrukkomponent, moes ons PCB's (2 lae) ontwerp. Daarom is alle verwante stroombane ook na PCB -borde gemigreer eerder as op die broodbord. Alle analoog komponente is op twee afsonderlike PCB's geplaas, en die digitale komponente op 'n ander om geraasstoornisse te voorkom. Dit was die eerste PCB's wat ons ooit gemaak het, so ons moes hulp kry vir die uitleg in Eagle. Die belangrikste PCB is die van die sensors en versterking. Met 'n ossilloskoop wat die uitsette by toetspunte monitor, kan die detektor slegs met hierdie bord werk (DAQ-omleiding). Ek het my foute gevind en reggemaak; dit het verkeerde voetspore van die komponent ingesluit, wat daartoe gelei het dat ons versterkers met 'n lae geraas draad-getik is, en komponente wat uit die einde van die lewe vervang is met alternatiewe. Boonop is twee filters by die ontwerp gevoeg om lui -ossillasies te onderdruk.

Stap 6: Die omhulsel

Die doel van die 3D -gedrukte omhulsel, die loodvel en skuim is vir: monteerdoeleindes, termiese isolasie, die verskaffing van 'n geluidskerm, en om omringende lig te blokkeer en klaarblyklik om die elektronika te beskerm. 3D -druk STL -lêers word aangeheg.

Stap 7: Arduino-uitlees

Die uitlees (ADC/DAQ) deel van die detektor bestaan uit 'n Arduino Mini (kode aangeheg). Hierdie mikrobeheerder monitor die uitsette van die vier detektore en die toevoerkrag na die later (spoorkragkwaliteit), en voer dan al die data op die seriële uitset (USB) uit vir verdere ontleding of opname.

'N Verwerkingskerm -toepassing is ontwikkel (aangeheg) om alle inkomende data te teken.

Stap 8: Toets

(Figuurlegendes: (1) Resultate polsslag van 'n 60Co-bron (t ~ 760ms) sein-tot-geraas-verhouding ~ 3: 1., (2) Inspuiting gelykstaande aan die lading wat deur 'n energiebron ~ 2 MeV neergelê word, (3) Inspuiting gelykstaande aan die heffing wat deur 'n 60Co -bron inbetaal is (~ 1.2 MeV)).

Laai -inspuiting is uitgevoer met 'n polsgenerator wat gekoppel is aan 'n kondensator (1pF) by die sensorblok en met 'n weerstand van 50 Ohm tot op die aarde beëindig word. Hierdie prosedures het my in staat gestel om my stroombane te toets, die komponentwaardes te verfyn en die reaksies van die fotodiodes te simuleer wanneer dit aan 'n aktiewe bron blootgestel word. Ons het beide 'n Americium − 241 (60 KeV) en 'n Iron − 55 (5.9 KeV) bron voor die twee aktiewe fotodiodes gestel, en nie een van die kanale het 'n kenmerkende sein gesien nie. Ons het geverifieer via pulsinspuitings en tot die gevolgtrekking gekom dat die pulse van hierdie bronne onder die waarneembare drempel was as gevolg van geraasvlakke. Ons kon egter steeds treffers van 'n bron van 60Co (1.33 MeV) sien. Die belangrikste beperkende faktor tydens die toetse was die beduidende geraas. Daar was baie bronne van geraas en min verduidelikings oor wat dit veroorsaak het. Ons het gevind dat die teenwoordigheid van geraas voor die eerste versterkingsfase een van die belangrikste en nadeligste bronne was. As gevolg van die groot wins, is hierdie geraas amper honderdvoudig versterk! Miskien het onbehoorlike kragfiltering en Johnson-geraas wat weer in die terugvoerlusse van die versterkerstadia ingespuit is, ook bygedra (dit sou die lae sein-ruisverhouding verklaar). Ons het nie die afhanklikheid van geraas met vooroordeel ondersoek nie, maar ons kan dit in die toekoms verder ondersoek.

Stap 9: Die groter prentjie

Kyk na die video van Veritasium oor die mees radioaktiewe plekke op aarde!

As u so ver gekom het en die stappe gevolg het, baie geluk! U het 'n apparaat vir werklike toepassings soos die LHC gebou! Miskien moet u 'n loopbaanverandering oorweeg en op die gebied van kernfisika gaan.:) In meer tegniese terme het u 'n soliede toestand stralingsdetektor gebou wat bestaan uit 'n matriks van fotodiodes en gepaardgaande stroombane om gebeure te lokaliseer en te diskrimineer. Die detektor bestaan uit veelvuldige versterkingsfases wat klein ladingspulse omskakel in waarneembare spannings en dit dan onderskei en vergelyk. 'N Vergelyker tussen kanale verskaf ook inligting rakende die ruimtelike verspreiding van bespeurde gebeurtenisse. U het ook die gebruik van 'n Arduino-mikrobeheerder en noodsaaklike sagteware vir die insameling en ontleding van data ingesluit.

Stap 10: Verwysings

Benewens die wonderlike PDF's wat hierby aangeheg is, is hier ook 'n paar verwante informatiewe bronne:

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

- Eerste sensor, eerste sensor PIN PD datablad Onderdeelbeskrywing X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

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

- C. Thiel, 'n Inleiding tot halfgeleierstralingsdetektore, web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

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