Draagbare stralingsdetector - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Dit is een tutorial om uw eigen draagbare silicium fotodiode stralingsdetector te ontwerpen, te bouwen en te testen die geschikt is voor het 5keV-10MeV detectiebereik voor het nauwkeurig kwantificeren van laag-energetische gammastraling afkomstig van radioactieve bronnen! Let op als je geen radioactieve zombie wilt worden: het is niet veilig om in de buurt van bronnen van hoge straling te zijn en dit apparaat mag NIET worden gebruikt als een betrouwbare manier om potentieel schadelijke straling te detecteren.

Laten we beginnen met een beetje achtergrondwetenschap over de detector voordat we verder gaan met de constructie ervan. Hierboven staat een prachtige video van Veritasium waarin wordt uitgelegd wat straling is en waar het vandaan komt.

Stap 1: Eerst, veel natuurkunde

(Figuurlegenda: Ioniserende straling vormt elektron-gatparen in het intrinsieke gebied, wat resulteert in een laadpuls.)

Vonkkamers, Geiger's en Photo-multiplier-buisdetectoren … al deze soorten detectoren zijn ofwel omslachtig, duur of gebruiken hoge spanningen om te werken. Er zijn een paar makervriendelijke Geiger-buistypes, zoals https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product/483. Andere methoden voor het detecteren van straling zijn vastestofdetectoren (bijv. Germaniumdetectoren). Deze zijn echter duur om te produceren en vereisen gespecialiseerde apparatuur (denk aan koeling met vloeibare stikstof!). Integendeel, solid-state detectoren zijn zeer kosteneffectief. Ze worden veel gebruikt en spelen een essentiële rol in de hoogenergetische deeltjesfysica, medische fysica en astrofysica.

Hier bouwen we een draagbare solid-state stralingsdetector die in staat is om laag-energetische gammastraling afkomstig van radioactieve bronnen nauwkeurig te kwantificeren en te detecteren. Het apparaat bestaat uit een reeks omgekeerde voorgespannen silicium PiN-diodes met een groot oppervlak, die worden uitgevoerd naar een ladingsvoorversterker, een differentiatorversterker, een discriminator en een comparator. De uitvoer van alle opeenvolgende trappen wordt voor analyse omgezet in digitale signalen. We beginnen met het beschrijven van de principes van siliciumdeeltjesdetectoren, PiN-diodes, reverse biasing en andere bijbehorende parameters. Vervolgens lichten we de verschillende onderzoeken toe die zijn uitgevoerd en de gemaakte keuzes. Uiteindelijk zullen we het definitieve prototype en de tests introduceren.

Solid State-detectoren

Bij veel stralingsdetectietoepassingen is het gebruik van een vast detectiemedium van groot voordeel (ook wel halfgeleiderdiodedetectoren of halfgeleiderdetectoren genoemd). Siliciumdiodes zijn de voorkeursdetectoren voor een groot aantal toepassingen, vooral als het gaat om zwaar geladen deeltjes. Als de meting van energie niet vereist is, maken de uitstekende timingkenmerken van siliciumdiodedetectoren een nauwkeurige telling en tracking van geladen deeltjes mogelijk.

Voor het meten van hoogenergetische elektronen of gammastralen kunnen de afmetingen van de detector veel kleiner worden gehouden dan bij alternatieven. Het gebruik van halfgeleidermaterialen als stralingsdetectoren resulteert ook in een groter aantal dragers voor een gegeven invallende stralingsgebeurtenis, en daarom een lagere statistische limiet voor energieresolutie dan mogelijk is bij andere detectortypes. Dientengevolge wordt de beste energieresolutie die tegenwoordig haalbaar is, gerealiseerd door het gebruik van dergelijke detectoren.

De fundamentele informatiedragers zijn elektron-gatparen die ontstaan langs het pad dat het geladen deeltje door de detector volgt (zie bovenstaande afbeelding). Door deze elektron-gatparen te verzamelen, gemeten als ladingen aan de elektroden van de sensor, wordt het detectiesignaal gevormd en gaat het verder naar versterkings- en discriminatiestadia. Bijkomende wenselijke kenmerken van solid-state detectoren zijn een compact formaat, relatief snelle timingkarakteristieken en een effectieve dikte (*). Zoals bij elke detector zijn er nadelen, waaronder de beperking tot kleine afmetingen en de relatief mogelijkheid dat deze apparaten prestatievermindering ondergaan door stralingsgeïnduceerde schade.

(*: Dunne sensoren minimaliseren meervoudige verstrooiing, terwijl dikkere sensoren meer ladingen genereren wanneer een deeltje het substraat doorkruist.)

P−i−N-diodes:

Elk type stralingsdetector produceert een karakteristieke output na interactie met straling. Interacties van deeltjes met materie onderscheiden zich door drie effecten:

1. het foto-elektrisch effect
2. Compton-verstrooiing
3. Pair-productie.

Het basisprincipe van een vlakke siliciumdetector is het gebruik van een PN-overgang waarin deeltjes interageren via deze drie verschijnselen. De eenvoudigste vlakke siliciumsensor bestaat uit een met P gedoteerd substraat en een N-implantaat aan één zijde. Elektronen-gatparen worden gecreëerd langs een deeltjesbaan. In het gebied van het PN-knooppunt bevindt zich een gebied van gratis vervoerders, de uitputtingszone genoemd. De elektron-gatparen die in dit gebied worden gecreëerd, worden gescheiden door een omringend elektrisch veld. Daarom kunnen de ladingsdragers worden gemeten aan de N- of P-zijde van het siliciummateriaal. Door een sperspanning aan te leggen op de PN-junctiediode, groeit de verarmde zone en kan deze het volledige sensorsubstraat bedekken. Je kunt hier meer over lezen: Pin Junction Wikipedia-artikel.

Een PiN-diode heeft een intrinsiek i-gebied, tussen de P- en N-juncties, overspoeld met ladingsdragers uit de P- en N-regio's. Dit brede intrinsieke gebied betekent ook dat de diode een lage capaciteit heeft in omgekeerde voorspanning. In een PiN-diode bevindt het uitputtingsgebied zich bijna volledig binnen het intrinsieke gebied. Dit uitputtingsgebied is veel groter dan bij een gewone PN-diode. Dit vergroot het volume waar elektron-gatparen kunnen worden gegenereerd door een invallend foton. Als een elektrisch veld op het halfgeleidermateriaal wordt aangelegd, ondergaan zowel de elektronen als de gaten een migratie. De PiN-diode is omgekeerd voorgespannen, zodat de hele i-laag geen vrije dragers meer heeft. Deze omgekeerde voorspanning creëert een elektrisch veld over de i-laag, zodat de elektronen naar de P-laag en de gaten naar de N-laag worden geveegd (*4).

De stroom van dragers in reactie op een stralingspuls vormt de gemeten stroompuls. Om deze stroom te maximaliseren, moet het i-gebied zo groot mogelijk zijn. De eigenschappen van de junctie zijn zodanig dat deze zeer weinig stroom geleidt wanneer deze in de omgekeerde richting is voorgespannen. De P-kant van de kruising wordt negatief ten opzichte van de N-kant en het natuurlijke potentiaalverschil van de ene kant van de kruising naar de andere wordt vergroot. Onder deze omstandigheden zijn het de minderheidsdragers die over de junctie worden aangetrokken en omdat hun concentratie relatief laag is, is de tegenstroom over de diode vrij klein. Wanneer een spervoorspanning op de junctie wordt toegepast, verschijnt vrijwel alle aangelegde spanning over het uitputtingsgebied, omdat de soortelijke weerstand veel hoger is dan die van het normale N- of P-type materiaal. Inderdaad, de omgekeerde voorspanning accentueert het potentiaalverschil over de kruising. De dikte van het uitputtingsgebied wordt ook vergroot, waardoor het volume waarover door straling geproduceerde ladingsdragers worden verzameld, groter wordt. Als het elektrische veld eenmaal voldoende hoog is, wordt de ladingverzameling compleet en verandert de pulshoogte niet langer met verdere toename van de voorspanning van de detector.

(*1: Elektronen in de gebonden toestand van een atoom worden uitgeschakeld door fotonen wanneer de energie van de invallende deeltjes hoger is dan de bindingsenergie.; *2: Interactie waarbij een deeltje wordt verstrooid vanaf een vrij of losgebonden elektron, en de overdracht van een deel van de energie naar het elektron.; *3: Productie van een elementair deeltje en zijn antideeltje.; *4: Elektronen worden in de tegenovergestelde richting van de elektrische veldvector getrokken, terwijl gaten in dezelfde richting bewegen richting als het elektrische veld.)

Stap 2: Verkenning

Dit is de prototypeversie van de "detector" die we hebben geconstrueerd, gedebugd en getest. Het is een matrix die bestaat uit meerdere sensoren om een stralingssensor in "CCD"-stijl te hebben. Zoals eerder vermeld, zijn alle silicium halfgeleiders gevoelig voor straling. Afhankelijk van hoe nauwkeurig het is en de gebruikte sensoren kan men ook een globaal beeld krijgen van het energieniveau van het deeltje dat een treffer veroorzaakte.

We hebben niet-afgeschermde diodes gebruikt die al bedoeld waren voor detectie, die wanneer ze omgekeerd zijn voorgespannen (en afgeschermd van zichtbaar licht), hits van bèta- en gammastraling kunnen registreren door de kleine signalen te versterken en de uitvoergegevens te lezen met een microcontroller. Alfastraling kan echter zelden worden gedetecteerd omdat het zelfs niet door dunne stof of polymeerafscherming kan dringen. Bijgevoegd is een prachtige video van Veritasium, waarin de verschillende soorten straling (Alpha, Beta & Gamma) worden uitgelegd.

De eerste ontwerp-iteraties gebruikten een andere sensor (een BPW-34 fotodiode; een beroemde sensor als je even googelt). Er zijn zelfs een paar gerelateerde Instructables die het gebruiken voor het detecteren van straling, zoals deze uitstekende: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Omdat het echter enkele bugs had en niet optimaal functioneerde, hebben we besloten om de details van dit prototype uit deze Instructables weg te laten om te voorkomen dat Makers een detector vol gebreken bouwen. We hebben echter de ontwerpbestanden en het schema bijgevoegd voor het geval iemand geïnteresseerd is.

Stap 3: Het ontwerp

(Afbeeldingslegenda's: (1) Blokdiagram van detector: van signaalcreatie tot data-acquisitie., (2) Specificaties van de X100-7 fotodiode: 100 mm ^ 2 actief gebied, 0,9 mm verarmde zone, lichtblokkerende coating, lage donkerstroom … Zoals te zien is in de absorptiewaarschijnlijkheidsgrafiek, absorberen PiN-diodes gemakkelijk gammastralingsenergie, (3) Toepassingsnota van de fabrikant die het ontwerpconcept bevestigde en hielp bij het kiezen van initiële componentwaarden.

We hebben genoegen genomen met een grotere oppervlaktesensor, namelijk de X100−7 van First Sensor. Voor testdoeleinden en modulariteit hebben we drie verschillende delen ontworpen die op elkaar zijn gestapeld: sensoren en versterking (versterker met lage ruislading + pulsvormende versterker), discriminators & comparator, DC/DC-regeling en de DAQ (Arduino voor data-acquisitie). Elke fase is afzonderlijk samengesteld, gevalideerd en getest, zoals u in de volgende stap zult zien.

Een groot voordeel van halfgeleiderdetectoren is de kleine ionisatie-energie (E), onafhankelijk van zowel de energie als het type invallende straling. Deze vereenvoudiging maakt het mogelijk om rekening te houden met een aantal elektron-gatparen in termen van de invallende stralingsenergie, op voorwaarde dat het deeltje volledig is gestopt binnen het actieve volume van de detector. Voor silicium bij 23C (*) hebben we E~3.6eV. Ervan uitgaande dat alle energie wordt afgezet en met behulp van de ionisatie-energie kunnen we het aantal elektronen berekenen dat door een bepaalde bron wordt geproduceerd. Een 60keVgamma-straal van een Americium−241-bron zou bijvoorbeeld resulteren in een neergeslagen lading van 0,045 fC/keV. Zoals getoond in de specificaties van de diodespecificaties, kan boven een voorspanning van ongeveer ~15V het uitputtingsgebied als constant worden benaderd. Dit stelt het doelbereik voor onze voorspanning in op 12-15V. (*: E neemt toe met afnemende temperatuur.)

De functionaliteit van de verschillende modules van de detector, hun componenten en bijbehorende berekeningen. Bij het evalueren van de detector was de gevoeligheid (*1) cruciaal. Een uiterst gevoelige ladingsvoorversterker is vereist omdat een invallende gammastraling slechts enkele duizenden elektronen kan genereren in het halfgeleiderdepletiegebied. Omdat we een kleine stroompuls versterken, moet bijzondere aandacht worden besteed aan de selectie van componenten, zorgvuldige afscherming en de lay-out van de printplaat.

(*1: Minimale energie die in de detector moet worden afgezet om een duidelijk signaal te produceren, en de signaal-ruisverhouding.)

Om componentwaarden goed te kiezen, vat ik eerst de vereisten, de gewenste specificaties en de beperkingen samen:

Sensoren:

• Groot mogelijk detectiebereik, 1keV-1MeV
• Lage capaciteit om ruis te minimaliseren, 20pF-50pF
• Verwaarloosbare lekstroom onder omgekeerde voorspanning.

Amplificatie en discriminatie:

• Laadgevoelige voorversterkers
• Differentiator voor pulsvorming
• Comparator voor signaalpuls bij boven de ingestelde drempel
• Comparator voor ruisoutput binnen het drempelinterval
• Vergelijker voor kanaaltoevalligheden
• Algemene drempel voor gebeurtenisfiltering.

Digitaal en microcontroller:

• Snelle analoog-naar-digitaal converters
• Uitvoergegevens voor verwerking en gebruikersinterface.

Vermogen en filtering:

• Spanningsregelaars voor alle fasen
• Hoogspanningsvoeding om het voorspanningsvermogen te genereren
• Goede filtering van alle stroomverdeling.

Ik heb gekozen voor de volgende onderdelen:

• DC Boost-converter: LM 2733
• Laadversterkers: AD743
• Andere opamps: LM393 & LM741
• DAQ/uitlezing: Arduino Nano.

Aanvullende opgelegde specificaties zijn onder meer:

• Werksnelheid: > 250 kHz (84 kanalen), 50 kHz (toeval)
• Resolutie: 10bit ADC
• Samplefrequentie: 5 kHz (8 kanalen)
• Spanningen: 5V Arduino, 9V op-amps, ~12V biasing.

De algemene opstelling en volgorde van de bovenstaande componenten worden weergegeven in de blokdiagramfiguur. We hebben de berekeningen gemaakt met componentwaarden die tijdens de testfase zijn gebruikt (zie de derde afbeelding). (*: Sommige componentwaarden zijn niet hetzelfde als oorspronkelijk gepland en ook niet hetzelfde als de huidige; niettemin bieden deze berekeningen een richtlijn.)

Stap 4: De circuits

(Figuurlegenda's: (1) Algeheel schema van fasen 1-3 van een enkel kanaal, inclusief diodebasis en spanningsdelers die verwijzingen naar elke fase bieden, Circuit-subsecties.)

Laten we nu de "stroom" van het detectiesignaal van een van de vier kanalen uitleggen, vanaf de creatie tot de digitale acquisitie.

Fase 1

Het enige signaal van belang is afkomstig van de fotodiodes. Deze sensoren zijn omgekeerd voorgespannen. De voorspanningsvoeding is een stabiele 12V die door een laagdoorlaatfilter wordt geleid om ongewenste ruis groter dan 1 Hz te elimineren. Bij ionisatie van het uitputtingsgebied wordt een laadpuls gecreëerd op de pinnen van de diode. Dit signaal wordt opgevangen door onze eerste versterkingstrap: de ladingsversterker. Een ladingsversterker kan met elke operationele versterker worden gemaakt, maar een lage ruisspecificatie is erg belangrijk.

Stage 2

Het doel van deze fase is om de laadpuls die wordt gedetecteerd aan de inverterende ingang om te zetten in een gelijkspanning aan de uitgang van de op-amp. De niet-inverterende ingang wordt gefilterd en ingesteld op een spanningsdeler op een bekend en gekozen niveau. Deze eerste trap is moeilijk af te stemmen, maar na talloze tests hebben we genoegen genomen met een feedbackcondensator van 2[pF] en een feedbackweerstand van 44[MOhm], wat resulteert in een puls van 2[pF] × 44[MOhm] = 88[μs]. Een inverterende actieve banddoorlaatfilterversterker, die werkt als een differentiator, volgt de ladingsversterker. Deze fase filtert en converteert het geconverteerde DC-niveau, afkomstig van de vorige fase, in een puls met een versterking van 100. Het onbewerkte detectorsignaal wordt gemeten aan de uitgang van deze fase.

Fase 3

De volgende in de rij zijn de signaal- en ruiskanalen. Deze twee uitgangen gaan zowel rechtstreeks naar de DAQ als naar de tweede analoge print. Beide fungeren als op-amps-comparators. Het enige verschil tussen de twee is dat het ruiskanaal een lagere spanning heeft op zijn niet-inverterende ingang dan het signaalkanaal, en het signaalkanaal wordt ook gefilterd om frequenties boven de verwachte uitgangspuls van de tweede versterkingstrap te verwijderen. Een LM741 op-amp fungeert als comparator tegen een variabele drempel om het signaalkanaal te onderscheiden, waardoor de detector alleen geselecteerde gebeurtenissen naar de ADC/MCU kan sturen. Een variabele weerstand op de niet-inverterende ingang stelt het triggerniveau in. In deze fase (toevalsteller) worden signalen van elk kanaal toegevoerd aan een op-amp die als een optelschakeling fungeert. Er wordt een vaste drempel ingesteld die samenvalt met twee actieve kanalen. De op-amp-uitgangen zijn hoog als twee of meer fotodiodes tegelijkertijd een hit registreren.

Let op: We hebben een cruciale fout gemaakt door de DC/DC step-up converter van de biasing power in de buurt van de ladingsgevoelige op-amps op de amplificatie PCB te plaatsen. Wellicht lossen we dit in een latere versie op.

Stap 5: De vergadering

Solderen, veel solderen… Omdat de geselecteerde sensor voor de uiteindelijke detector alleen bestaat als een SMT-voetafdrukcomponent, moesten we PCB's ontwerpen (2 lagen). Daarom werden alle bijbehorende schakelingen ook gemigreerd naar printplaten in plaats van naar het breadboard. Alle analoge componenten werden op twee afzonderlijke PCB's geplaatst en de digitale componenten op een andere om ruisstoringen te voorkomen. Dit waren de eerste PCB's die we ooit maakten, dus we moesten wat hulp krijgen voor de lay-out in Eagle. De belangrijkste PCB is die van de sensoren en versterking. Met een oscilloscoop die de uitgangen op testpunten bewaakt, kan de detector alleen met dit bord werken (DAQ-bypass). Ik heb mijn fouten gevonden en verholpen; deze omvatten verkeerde voetafdrukken van componenten, waardoor onze op-amps met weinig ruis werden afgetapt, en componenten aan het einde van hun levensduur die werden verwisseld met alternatieven. Daarnaast zijn er twee filters aan het ontwerp toegevoegd om rinkelende trillingen te onderdrukken.

Stap 6: De behuizing

Het doel van de 3D-geprinte behuizing, het bladlood en het schuim is voor: montagedoeleinden, thermische isolatie, het bieden van een geluidsscherm en het blokkeren van omgevingslicht, en uiteraard om de elektronica te beschermen. 3D-printen STL-bestanden zijn bijgevoegd.

Stap 7: Arduino uitlezen

Het uitleesgedeelte (ADC/DAQ) van de detector bestaat uit een Arduino Mini (code bijgevoegd). Deze microcontroller bewaakt de uitgangen van de vier detectoren en de voeding naar de latere (track power quality), en voert vervolgens alle gegevens uit op de seriële uitgang (USB) voor verdere analyse of opname.

Om alle binnenkomende data in kaart te brengen is een Processing desktop applicatie ontwikkeld (bijgevoegd).

Stap 8: Testen

(Figuurlegenda's: (1) resulterende puls van een 60Co-bron (t ~ 760ms) signaal-ruisverhouding ~3:1., (2) Injectie equivalent aan de lading die wordt afgezet door een energiebron ~2 MeV., (3) Injectie gelijk aan de lading die wordt afgezet door een 60Co-bron (~ 1,2 MeV)).

Ladingsinjectie werd gedaan met een pulsgenerator gekoppeld aan een condensator (1pF) op het sensorpad en afgesloten met aarde via een weerstand van 50 Ohm. Dankzij deze procedures kon ik mijn circuits testen, de componentwaarden verfijnen en de reacties van de fotodiodes simuleren bij blootstelling aan een actieve bron. We hebben zowel een Americium−241 (60 KeV) als een Iron−55 (5,9 KeV) bron voor de twee actieve fotodiodes geplaatst, en geen van beide kanalen zag een onderscheidend signaal. We hebben geverifieerd via pulsinjecties en concludeerden dat de pulsen van deze bronnen onder de waarneembare drempel lagen vanwege ruisniveaus. We konden echter nog steeds hits zien van een 60Co (1,33 MeV) bron. De belangrijkste beperkende factor tijdens de tests was het significante geluid. Er waren veel bronnen van lawaai en weinig uitleg over wat deze veroorzaakte. We ontdekten dat een van de meest significante en schadelijke bronnen de aanwezigheid van ruis vóór de eerste versterkingsfase was. Door de enorme gain werd dit geluid bijna honderdvoudig versterkt! Misschien droegen onjuiste vermogensfiltering en Johnson-ruis die opnieuw werd geïnjecteerd in de feedbacklussen van de versterkertrappen ook bij (dit zou de lage signaal-ruisverhouding verklaren). We hebben de afhankelijkheid van ruis niet onderzocht met biasing, maar dat kunnen we in de toekomst misschien verder onderzoeken.

Stap 9: het grotere plaatje

Bekijk de video van Veritasium over de meest radioactieve plekken op aarde!

Als je zo ver bent gekomen en de stappen hebt gevolgd, gefeliciteerd! Je hebt een apparaat gebouwd voor toepassingen in de echte wereld, zoals de LHC! Misschien moet je een carrièreswitch overwegen en het gebied van kernfysica ingaan:) In meer technische termen heb je een halfgeleiderstralingsdetector gebouwd die bestaat uit een matrix van fotodiodes en bijbehorende schakelingen om gebeurtenissen te lokaliseren en te onderscheiden. De detector bestaat uit meerdere versterkingstrappen die kleine laadpulsen omzetten in waarneembare spanningen en ze vervolgens onderscheiden en vergelijken. Een comparator tussen kanalen geeft ook informatie over de ruimtelijke verdeling van gedetecteerde gebeurtenissen. Je hebt ook het gebruik van een Arduino-microcontroller en essentiële software voor het verzamelen en analyseren van gegevens geïntegreerd.

Stap 10: Referenties

Naast de prachtige bijgevoegde PDF's, zijn hier enkele gerelateerde informatieve bronnen:

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

- Eerste sensor, eerste sensor PIN PD-gegevensblad Onderdeelbeschrijving X100-7 SMD, web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul en Hill, Winfield, De kunst van elektronica. Cambridge University Press, 1989.

- C. Thiel, een inleiding tot halfgeleiderstralingsdetectoren, web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- Lyndon Evans, The Large Hadron Collider: een wonder van technologie, Ed. EPFL-pers, 2009.