Bærbar strålingsdetektor: 10 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Dette er en vejledning til at designe, konstruere og teste din egen bærbare Silicon fotodiode strålingsdetektor egnet til 5keV-10MeV detektionsområdet for nøjagtigt at kvantificere lavenergi gammastråler fra radioaktive kilder! Vær opmærksom, hvis du ikke ønsker at blive en radioaktiv zombie: det er ikke sikkert at være i nærheden af kilder til høj stråling, og denne enhed bør IKKE bruges som en pålidelig måde at detektere potentielt skadelig stråling på.

Lad os starte med lidt baggrundsvidenskab om detektoren, før vi går i gang med konstruktionen. Ovenfor er en vidunderlig video fra Veritasium, der forklarer, hvad stråling er, og hvor den kommer fra.

Trin 1: Først masser af fysik

(Figurlegende: Ioniserende stråling danner elektronhullepar i det indre område, hvilket resulterer i en ladningspuls.)

Gnistkamre, Geigers og fotomultiplikatorrørdetektorer … alle disse typer detektorer er enten besværlige, dyre eller bruger højspændinger til drift. Der er et par makervenlige Geiger-rørtyper, såsom https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 og https://www.adafruit.com/product/483. Andre metoder til påvisning af stråling er detektorer i fast tilstand (f.eks. Germanium-detektorer). Disse er imidlertid dyre at producere og kræver specialudstyr (tænk køling af flydende nitrogen!). Tværtimod er solid-state detektorer meget omkostningseffektive. De er meget udbredt og spiller en væsentlig rolle inden for partikelfysik med høj energi, medicinsk fysik og astrofysik.

Her bygger vi en bærbar solid-state strålingsdetektor, der er i stand til nøjagtigt at kvantificere og detektere lavenergi gammastråler, der kommer fra radioaktive kilder. Enheden består af en vifte af omvendt forudindtaget store overfladearealer silicium PiN-dioder, der sender til en ladningsforstærker, en differentiatorforstærker, en diskriminator og en komparator. Outputtet fra alle på hinanden følgende faser konverteres til digitale signaler til analyse. Vi starter med at beskrive principperne for siliciumpartikeldetektorer, PiN -dioder, reverse biasing og andre tilhørende parametre. Vi forklarer derefter de forskellige undersøgelser, der blev foretaget, og de valg, der blev truffet. I sidste ende introducerer vi den sidste prototype og testen.

SolidState -detektorer

I mange strålingsdetekteringsapplikationer er brugen af et fast detektionsmedium en betydelig fordel (alternativt kaldet halvlederdiodedetektorer eller detektorer i fast tilstand). Siliciumdioder er valgbare detektorer til et stort antal applikationer, især når der er tale om tungladede partikler. Hvis måling af energi ikke er påkrævet, tillader siliciumdiodedetektorernes fremragende timingegenskaber en præcis optælling og sporing af ladede partikler.

Til måling af elektroner med høj energi eller gammastråler kan detektordimensioner holdes meget mindre end alternativer. Anvendelsen af halvledermaterialer som strålingsdetektorer resulterer også i et større antal bærere for en given hændelse for indfaldende stråling og derfor en lavere statistisk grænse for energiopløsning, end det er muligt med andre detektortyper. Derfor opnås den bedste energiopløsning, der kan opnås i dag, ved brug af sådanne detektorer.

De grundlæggende informationsbærere er elektronhulspar, der er skabt langs stien, som den ladede partikel tager gennem detektoren (se figuren ovenfor). Ved at indsamle disse elektronhullepar, målt som ladninger ved sensorens elektroder, dannes detektionssignalet, og det går videre til forstærkning og diskrimineringstrin. Yderligere ønskelige træk ved solid-state detektorer er en kompakt størrelse, relativt hurtige timingegenskaber og en effektiv tykkelse (*). Som med enhver detektor er der ulemper, herunder begrænsning til små størrelser og relativt mulighed for, at disse enheder kan undergå ydelsesforringelse fra stråleinduceret skade.

(*: Tynde sensorer minimerer flere spredninger, hvorimod tykkere sensorer genererer flere ladninger, når en partikel krydser substratet.)

P − i − N -dioder:

Hver type strålingsdetektor producerer en karakteristisk output efter interaktion med stråling. Interaktioner mellem partikler og stof kendetegnes ved tre effekter:

1. den fotoelektriske effekt
2. Compton spredning
3. Par-produktion.

Grundprincippet for en plan siliciumdetektor er brugen af et PN -kryds, hvor partikler interagerer via disse tre fænomener. Den enkleste plane siliciumsensor består af et P-dopet substrat og et N-implantat på den ene side. Elektronhulspar dannes langs en partikelbane. I området for PN -krydset er der en region gratis transportører, kaldet udtømningszonen. Elektronhulsparene, der er skabt i denne region, adskilles af et omgivende elektrisk felt. Derfor kan ladningsbærerne måles på enten N- eller P -siden af siliciummaterialet. Ved at anvende en reverse-bias-spænding på PN-krydsdioden vokser den udtømte zone og kan dække hele sensorsubstratet. Du kan læse mere om dette her: Pin Junction Wikipedia -artikel.

En PiN-diode har en iboende i-region mellem P- og N-krydsene, oversvømmet med ladningsbærere fra P- og N-regionerne. Denne brede iboende region betyder også, at dioden har en lav kapacitans, når den er forspændt. I en PiN -diode eksisterer udtømningsområdet næsten fuldstændigt inden for den iboende region. Denne udtømningsregion er meget større end med en almindelig PN -diode. Dette øger volumenet, hvor elektronhulspar kan genereres af en indfaldende foton. Hvis et elektrisk felt påføres halvledermaterialet, undergår både elektronerne og hullerne en migration. PiN-dioden er omvendt forudindtaget, så hele i-laget er udtømt for frie bærere. Denne omvendte bias skaber et elektrisk felt hen over i-laget, så elektronerne fejes til P-laget og hullerne til N-laget (*4).

Bærestrømmen som reaktion på en strålingspuls udgør den målte strømpuls. For at maksimere denne strøm skal i-regionen være så stor som muligt. Krydsets egenskaber er sådan, at det leder meget lidt strøm, når det er forspændt i omvendt retning. P-siden af krydset bliver negativ med hensyn til N-siden, og den naturlige potentialeforskel fra den ene side af krydset til den anden forbedres. Under disse omstændigheder er det minoritetsbærerne, der tiltrækkes hen over krydset, og fordi deres koncentration er relativt lav, er omvendt strøm over dioden ganske lille. Når der påføres en omvendt bias på krydset, vises næsten al den påførte spænding på tværs af udtømningsområdet, fordi dets resistivitet er meget højere end for det normale N- eller P-type materiale. Faktisk fremhæver den omvendte bias den potentielle forskel på tværs af krydset. Tykkelsen af udtømningsområdet øges også, hvilket forlænger mængden, over hvilken strålingsproducerede ladningsbærere opsamles. Når det elektriske felt er tilstrækkeligt højt, bliver ladningsopsamlingen komplet, og pulshøjden ændres ikke længere med yderligere stigninger i detektorens forspænding.

(*1: Elektroner i et atoms bundne tilstand slås ud af fotoner, når energien fra de indfaldende partikler er højere end bindingsenergien.; *2: Interaktion, der involverer spredning af en partikel fra en fri eller løst bundet elektron, og overførsel af noget af energien til elektronen.; *3: Produktion af en elementarpartikel og dens antipartikel. * *: Elektroner trækkes i den modsatte retning af den elektriske feltvektor, mens huller bevæger sig i den samme retning som det elektriske felt.)

Trin 2: Efterforskning

Dette er prototypeversionen af "detektoren", som vi konstruerede, debugger og testede. Det er en matrix, der består af flere sensorer for at have en "CCD" -strålingssensor. Som nævnt tidligere er alle siliciumhalvledere følsomme over for stråling. Afhængigt af hvor præcis det er, og de anvendte sensorer kan man også få en grov ide om energiniveauet for partiklen, der forårsagede et hit.

Vi har brugt ikke -afskærmede dioder, der allerede er beregnet til sensing, som, når de er omvendt forudindtaget (og afskærmet for synligt lys), kan registrere hits fra beta- og gammastråling ved at forstærke de små signaler og læse outputdataene med en mikrokontroller. Alfastråling kan imidlertid sjældent påvises, fordi den ikke kan trænge igennem selv tyndt stof eller polymerafskærmning. Vedhæftet er en vidunderlig video fra Veritasium, som forklarer de forskellige strålingstyper (Alpha, Beta & Gamma).

De første design-iterationer brugte en anden sensor (en BPW-34 fotodiode; en berømt sensor, hvis du googler rundt). Der er endda et par relaterede instruktioner, der bruger det til det formål at detektere stråling som denne fremragende: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Men fordi den havde nogle fejl og ikke fungerede optimalt, besluttede vi at udelade detaljerne i denne prototype fra denne instruktion for at undgå, at producenter bygger en detektor fuld af fejl. Vi vedhæftede dog designfilerne og skematisk, hvis nogen er interesseret.

Trin 3: Designet

(Billedlegender: (1) Blokdiagram over detektor: fra signaloprettelse til dataindsamling., (2) Specifikationer for X100-7 fotodioden: 100 mm^2 aktivt område, 0,9 mm forarmet zone, lysblokerende belægning, lav mørk strøm … Som vist i absorptionssandsynlighedsdiagrammet absorberer PiN-dioder let gamma-stråleenergi, (3) Ansøgningsnotat fra producenten, der bekræftede designkonceptet og hjalp med at vælge de første komponentværdier.

Vi nøjedes med en større områdesensor, nemlig X100−7 fra First Sensor. Til testformål og modularitet designede vi tre forskellige portioner, stablet på hinanden: Sensorer og forstærkning (lavstøjs ladningsforstærker + pulsformende forstærker), Diskriminatorer og komparator, DC/DC -regulering og DAQ (Arduino til dataindsamling). Hvert trin blev samlet, valideret og testet separat, som du vil se i det næste trin.

En hovedfordel ved halvlederdetektorer er den lille ioniseringsenergi (E), uafhængig af både energien og typen af indfaldende stråling. Denne forenkling gør det muligt at redegøre for et antal elektronhulspar med hensyn til den indfaldende strålingsenergi, forudsat at partiklen er helt stoppet inden for detektorens aktive volumen. For silicium ved 23C (*) har vi E ~ 3.6eV. Forudsat at al energi er deponeret og ved hjælp af ioniseringsenergien kan vi beregne antallet af elektroner produceret af en given kilde. For eksempel ville en 60keVgamma-stråle fra en Americium-241 kilde resultere i en deponeret ladning på 0,045 fC/keV. Som vist i specifikationerne for diodespecifikationerne kan udtømningsområdet tilnærmes over konstant over en forspænding på ca. ~ 15V. Dette sætter målområdet for vores forspændingsspænding til 12-15V. (*: E stiger med faldende temperatur.)

Funktionaliteten af detektorens forskellige moduler, deres bestanddele og tilhørende beregninger. Ved vurdering af detektoren var følsomheden (*1) afgørende. En ekstremt følsom ladningsforstærker er påkrævet, fordi en hændende gammastråle muligvis kun genererer et par tusinde elektroner i halvlederudtømningsområdet. Fordi vi forstærker en lille strømpuls, skal der lægges særlig vægt på valg af komponenter, omhyggelig afskærmning og printkortlayout.

(*1: Minimum energi, der skal afsættes i detektoren for at producere et tydeligt signal, og signal-støj-forholdet.)

For korrekt at vælge komponentværdier opsummerer jeg først kravene, de ønskede specifikationer og begrænsningerne:

Sensorer:

• Stort muligt registreringsområde, 1keV-1MeV
• Lav kapacitans for at minimere støj, 20pF-50pF
• Ubetydelig lækstrøm under omvendt bias.

Forstærkning og diskrimination:

• Opladningsfølsomme forforstærkere
• Differentiator til pulsformning
• Komparator for signalpuls, når den er over den indstillede tærskel
• Komparator til støjudgang inden for tærskelintervallet
• Komparator for kanal tilfældigheder
• Generel tærskel for hændelsesfiltrering.

Digital og mikrokontroller:

• Hurtige analog-til-digitale omformere
• Outputdata til behandling og brugergrænseflade.

Strøm og filtrering:

• Spændingsregulatorer til alle trin
• Højspændingsforsyning til at generere bias-strømmen
• Korrekt filtrering af al strømfordeling.

Jeg valgte følgende komponenter:

• DC Boost -konverter: LM 2733
• Opladningsforstærkere: AD743
• Andre op-forstærkere: LM393 & LM741
• DAQ/Udlæsning: Arduino Nano.

Yderligere pålagte specifikationer omfatter:

• Driftshastighed:> 250 kHz (84 kanaler), 50 kHz (tilfældighed)
• Opløsning: 10bit ADC
• Prøvehastighed: 5 kHz (8 kanaler)
• Spændinger: 5V Arduino, 9V op-ampere, ~ 12V Biasing.

Det overordnede arrangement og rækkefølgen af ovenstående komponenter er repræsenteret i blokdiagrammet. Vi foretog beregningerne med komponentværdier, der blev brugt under testfasen (se det tredje billede). (*: Nogle komponentværdier er ikke de samme som oprindeligt planlagt eller de samme som de aktuelt på plads; ikke desto mindre giver disse beregninger en vejledende ramme.)

Trin 4: Kredsløbene

(Figurlegender: (1) Overordnet skematisk af trin 1-3 i en enkelt kanal, herunder diodebasering og spændingsdelere, der giver referencer til hvert trin, kredsløbssektioner.)

Lad os nu forklare "strømmen" af detektionssignalet fra en af de fire kanaler fra dets oprettelse til digital erhvervelse.

Scene 1

Det eneste signal af interesse stammer fra fotodioderne. Disse sensorer er omvendt forudindtaget. Forspændingsforsyningen er en stabil 12V, der køres gennem et lavpasfilter for at fjerne uønsket støj større end 1Hz. Ved ionisering af udtømningsområdet dannes en ladningspuls ved diodernes stifter. Dette signal optages af vores første forstærkningstrin: ladningsforstærkeren. En ladningsforstærker kan laves med enhver operationsforstærker, men lav støjspecifikation er meget vigtig.

Trin 2

Formålet med dette trin er at konvertere den ladningspuls, der detekteres ved den inverterende indgang, til en jævnstrømsspænding ved op-forstærkerens udgang. Den ikke-inverterende indgang filtreres og indstilles til en spændingsdeler på et kendt og valgt niveau. Denne første fase er svær at indstille, men efter adskillige tests nøjedes vi med en feedback-kondensator på 2 [pF] og en feed-back-modstand på 44 [MOhm], hvilket resulterede i en puls på 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. En omvendt aktiv båndpasfilterforstærker, der fungerer som en differentiator, følger ladningsforstærkeren. Dette trin filtrerer og konverterer DC -niveauet for konvertere, der stammer fra det foregående trin til en puls med en forstærkning på 100. Det rå detektorsignal sondes ved udgangen af dette trin.

Trin 3

Næste i rækken er signal- og støjkanalerne. Disse to udgange går direkte til DAQ såvel som til det andet analoge printkort. Begge fungerer som op-ampere-komparatorer. Den eneste forskel mellem de to er, at støjkanalen har en lavere spænding ved sin ikke-inverterende indgang end signalkanalen, og signalkanalen filtreres også for at fjerne frekvenser over den forventede udgangspuls fra det andet forstærkningstrin. En LM741 op-amp fungerer som en komparator mod en variabel tærskel for at diskriminere signalkanalen, så detektoren kun kan sende udvalgte hændelser til ADC/MCU. En variabel modstand på den ikke-inverterende indgang sætter triggerniveauet. I dette trin (tilfældighedstæller) føres signaler fra hver kanal til en op-amp, der fungerer som et summerende kredsløb. En fast tærskel er sat sammen med to aktive kanaler. Op-amp udsender høje, hvis to eller flere fotodioder registrerer et hit samtidigt.

Bemærk: Vi begik en afgørende fejl ved at placere DC/DC step-up-konverteren af forspændingseffekten nær de ladningsfølsomme op-ampere på forstærkningskortet. Måske løser vi dette i en senere version.

Trin 5: Forsamlingen

Lodning, masser af lodning … Fordi den sensor, der blev valgt til slutdetektoren, kun eksisterer som en SMT -fodaftrykskomponent, måtte vi designe printkort (2 lag). Derfor blev alle tilhørende kredsløb også migreret over på printkort frem for brødbrættet. Alle analoge komponenter blev placeret på to separate PCB'er, og de digitale komponenter på en anden for at undgå støjforstyrrelser. Dette var de første printkort, vi nogensinde lavede, så vi var nødt til at få lidt hjælp til layoutet i Eagle. Den vigtigste print er sensorernes og forstærkningens. Med et oscilloskop, der overvåger output på testpunkter, kan detektoren udelukkende fungere med dette kort (DAQ bypass). Jeg fandt og rettede mine fejl; disse omfattede forkerte komponentfodspor, hvilket resulterede i, at vores støjsvage op-forstærkere blev trådtappede og komponenter, der blev udskiftet med alternativer. Derudover blev to filtre tilføjet til designet for at undertrykke ringesvingninger.

Trin 6: Vedlægget

Målet med den 3D -trykte kappe, blyarket og skummet er til: monteringsformål, termisk isolering, tilvejebringelse af et støjskærm og blokering af omgivende lys og tydeligvis at beskytte elektronikken. 3D -udskrivning af STL -filer er vedhæftet.

Trin 7: Arduino-aflæsning

Den udlæste (ADC/DAQ) del af detektoren består af en Arduino Mini (kode vedhæftet). Denne mikrokontroller overvåger output fra de fire detektorer og strømforsyning til den senere (sporstrømskvalitet), og udsender derefter alle dataene på den serielle udgang (USB) til yderligere analyse eller optagelse.

En Processing desktop -applikation blev udviklet (vedhæftet) til at plotte alle indgående data.

Trin 8: Test

(Figurlegender: (1) Resulterende puls fra en 60Co-kilde (t ~ 760ms) signal-støjforhold ~ 3: 1., (2) Injektion svarende til ladningen afsat af en energikilde ~ 2 MeV., (3) Injektion svarende til ladningen deponeret af en 60Co kilde (~ 1,2 MeV)).

Opladningsindsprøjtning blev udført med en pulsgenerator koblet til en kondensator (1pF) ved sensorpladen og afsluttet til jord via en 50Ohm modstand. Disse procedurer gjorde det muligt for mig at teste mine kredsløb, finjustere komponentværdierne og simulere reaktionerne fra fotodioderne, når de blev udsat for en aktiv kilde. Vi satte både en Americium − 241 (60 KeV) og en Iron − 55 (5,9 KeV) kilde foran de to aktive fotodioder, og ingen af kanalerne så et karakteristisk signal. Vi verificerede via pulsinjektioner og konkluderede, at pulserne fra disse kilder var under den observerbare tærskel på grund af støjniveauer. Vi kunne dog stadig se hits fra en 60Co (1,33 MeV) kilde. Den største begrænsende faktor under testene var den betydelige støj. Der var mange støjkilder og få forklaringer på, hvad der genererede disse. Vi fandt ud af, at en af de mest betydningsfulde og skadelige kilder var tilstedeværelsen af støj før det første forstærkningstrin. På grund af den enorme gevinst blev denne støj forstærket næsten hundrede gange! Måske bidrog forkert effektfiltrering og Johnson-støj, der blev injiceret igen i feedback-sløjferne på forstærkerstadierne (dette ville forklare det lave signal-til-støj-forhold). Vi undersøgte ikke afhængigheden af støj med forspænding, men vi kan se nærmere på det i fremtiden.

Trin 9: Det større billede

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

Hvis du nåede så langt og fulgte trinene, så tillykke! Du har bygget et apparat til virkelige applikationer som LHC! Måske skulle du overveje et karriereskift og gå ind på atomfysisk område:) I mere tekniske termer har du bygget en strålingsdetektor i fast tilstand bestående af en matrix af fotodioder og tilhørende kredsløb for at lokalisere og diskriminere begivenheder. Detektoren består af flere forstærkningstrin, der konverterer små ladningspulser til observerbare spændinger og derefter diskriminerer og sammenligner dem. En komparator, mellem kanaler, giver også oplysninger om den rumlige fordeling af detekterede hændelser. Du har også inkorporeret brugen af en Arduino mikrokontroller og vigtig software til dataindsamling og analyse.

Trin 10: Referencer

Ud over de vidunderlige PDF -filer, der er vedhæftet, er her nogle relaterede informative ressourcer:

- 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 introduktion til halvlederstrålingsdetektorer, web. fysik.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

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