Pengesan Sinaran Mudah Alih: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Ini adalah tutorial untuk merancang, membina, dan menguji Pengesan Radiasi foto-diod Silikon mudah alih anda sendiri yang sesuai untuk julat pengesanan 5keV-10MeV untuk mengukur secara tepat sinar gamma tenaga rendah yang berasal dari sumber radioaktif! Perhatikan jika anda tidak mahu menjadi zombie aktif radio: tidak selamat berada di sekitar sumber radiasi tinggi, dan peranti ini TIDAK boleh digunakan sebagai kaedah yang boleh dipercayai untuk mengesan radiasi yang berpotensi berbahaya.

Mari kita mulakan dengan sedikit sains latar belakang pengesan sebelum kita meneruskan pembinaannya. Di atas adalah video hebat dari Veritasium yang menerangkan sinaran dan dari mana asalnya.

Langkah 1: Pertama, Banyak Fizik

(Gambar legenda: Sinaran pengion membentuk pasangan lubang elektron di kawasan intrinsik sehingga menghasilkan denyutan cas.)

Pengesan tiub Spark chambers, Geiger's, dan Photo-multiplier … semua jenis alat pengesan ini tidak masuk akal, mahal atau menggunakan voltan tinggi untuk beroperasi. Terdapat beberapa jenis tabung Geiger yang mesra pembuat, seperti https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product / 483. Kaedah lain untuk mengesan sinaran adalah pengesan keadaan pepejal (misalnya pengesan Germanium). Walau bagaimanapun, ini mahal untuk dihasilkan dan memerlukan peralatan khusus (fikir penyejukan nitrogen cair!). Sebaliknya, pengesan keadaan pepejal sangat menjimatkan. Mereka digunakan secara meluas dan memainkan peranan penting dalam fizik zarah bertenaga tinggi, fizik perubatan, dan astrofizik.

Di sini, kami membina alat pengesan radiasi keadaan pepejal yang mampu mengukur dan mengesan sinar gamma tenaga rendah yang tepat dari sumber radioaktif. Peranti ini terdiri daripada susunan dioda silikon luas permukaan bias terbalik yang terbalik, yang dikeluarkan ke penguat pra pengisian, penguat pembezaan, pembeza, dan pembanding. Keluaran semua peringkat berturut-turut ditukar menjadi isyarat digital untuk dianalisis. Kita akan mulakan dengan menerangkan prinsip pengesan zarah silikon, dioda PiN, bias terbalik dan parameter lain yang berkaitan. Kami kemudian akan menerangkan pelbagai penyelidikan yang dilakukan, dan pilihan yang dibuat. Pada akhirnya, kami akan memperkenalkan prototaip terakhir dan ujian.

Pengesan SolidState

Dalam banyak aplikasi pengesanan radiasi, penggunaan medium pengesanan pepejal mempunyai kelebihan yang signifikan (atau disebut sebagai pengesan diod semikonduktor atau pengesan keadaan pepejal). Diod silikon adalah pengesan pilihan untuk sebilangan besar aplikasi, terutamanya ketika partikel bermuatan berat terlibat. Sekiranya pengukuran tenaga tidak diperlukan, ciri-ciri masa yang sangat baik bagi pengesan dioda silikon membolehkan penghitungan dan penjejakan zarah bermuatan yang tepat.

Untuk pengukuran elektron bertenaga tinggi atau sinar gamma, dimensi pengesan dapat disimpan jauh lebih kecil daripada alternatif. Penggunaan bahan semikonduktor sebagai pengesan radiasi juga menghasilkan jumlah pembawa yang lebih besar untuk kejadian radiasi kejadian tertentu, dan oleh itu had statistik yang lebih rendah pada resolusi tenaga daripada yang mungkin dilakukan dengan jenis pengesan lain. Oleh itu, resolusi tenaga terbaik yang dapat dicapai hari ini dapat dicapai melalui penggunaan alat pengesan seperti itu.

Pembawa maklumat asas adalah pasangan lubang elektron yang dibuat di sepanjang jalan yang diambil oleh zarah yang dicas melalui pengesan (lihat gambar di atas). Dengan mengumpulkan pasangan lubang elektron ini, diukur sebagai cas pada elektrod sensor, isyarat pengesanan terbentuk, dan ia menuju tahap penguatan dan diskriminasi. Ciri tambahan pengesan keadaan pepejal yang diinginkan adalah saiz yang padat, ciri pemasaan yang cepat, dan ketebalan yang berkesan (*). Seperti mana-mana alat pengesan, terdapat kekurangan, termasuk batasan untuk ukuran kecil dan kemungkinan kemungkinan peranti ini mengalami penurunan prestasi akibat kerosakan akibat radiasi.

(*: Sensor tipis meminimumkan banyak hamburan, sedangkan sensor yang lebih tebal menghasilkan lebih banyak cas apabila zarah melintasi substrat.)

P − i − N dioda:

Setiap jenis pengesan radiasi menghasilkan output khas setelah berinteraksi dengan sinaran. Interaksi zarah dengan jirim dibezakan oleh tiga kesan:

1. kesan foto-elektrik
2. Penyebaran Compton
3. Pengeluaran berpasangan.

Prinsip asas pengesan silikon planar adalah penggunaan persimpangan PN di mana zarah berinteraksi melalui tiga fenomena ini. Sensor silikon satah paling ringkas terdiri daripada substrat P doped dan implan N di satu sisi. Pasangan lubang elektron dicipta di sepanjang lintasan zarah. Di kawasan persimpangan PN, ada wilayah pembawa percuma, yang disebut zon penipisan. Pasangan lubang elektron yang dibuat di rantau ini dipisahkan oleh medan elektrik di sekitarnya. Oleh itu, pembawa muatan dapat diukur sama ada pada sisi N atau P dari bahan silikon. Dengan menerapkan voltan bias terbalik pada diod simpang PN, zon habis tumbuh dan dapat menutup substrat sensor lengkap. Anda boleh membaca lebih lanjut mengenai ini di sini: Artikel Wikipedia Pin Junction.

Dioda PiN mempunyai wilayah intrinsik, antara persimpangan P dan N, dibanjiri dengan pembawa muatan dari wilayah P dan N. Kawasan intrinsik yang luas ini juga bermaksud dioda mempunyai kapasitansi rendah ketika bias terbalik. Dalam dioda PiN, kawasan penipisan wujud hampir sepenuhnya di dalam wilayah intrinsik. Kawasan penipisan ini jauh lebih besar daripada dengan dioda PN biasa. Ini meningkatkan jumlah di mana pasangan lubang elektron dapat dihasilkan oleh foton kejadian. Sekiranya medan elektrik diterapkan pada bahan semikonduktor, kedua-dua elektron dan lubang mengalami migrasi. Dioda PiN terbalik terbalik sehingga seluruh lapisan i habis pembawa bebas. Bias terbalik ini menghasilkan medan elektrik melintasi lapisan-i sehingga elektron disapu ke lapisan-P dan lubang-lubang, ke lapisan-N (* 4).

Aliran pembawa sebagai tindak balas kepada denyutan sinaran merupakan nadi arus yang diukur. Untuk memaksimumkan arus ini, wilayah-i harus seluas mungkin. Sifat-sifat persimpangan sedemikian rupa sehingga mengalir arus yang sangat sedikit ketika berat sebelah ke arah terbalik. Bahagian P persimpangan menjadi negatif sehubungan dengan sisi-N, dan perbezaan potensi semula jadi dari satu sisi persimpangan ke sisi yang lain ditingkatkan. Di bawah keadaan ini, pembawa minoriti tertarik di seberang simpang dan, kerana kepekatannya relatif rendah, arus terbalik di dioda agak kecil. Apabila bias terbalik diterapkan ke persimpangan, hampir semua voltan yang berlaku muncul di seluruh kawasan penipisan, kerana ketahanannya jauh lebih tinggi daripada bahan N atau P biasa. Sesungguhnya, bias terbalik menonjolkan perbezaan potensi di persimpangan. Ketebalan kawasan penipisan juga meningkat, memperluas jumlah di mana pembawa cas yang dihasilkan radiasi dikumpulkan. Setelah medan elektrik cukup tinggi, pengumpulan cas menjadi lengkap, dan ketinggian nadi tidak lagi berubah dengan peningkatan voltan bias pengesan.

(* 1: Elektron dalam keadaan terikat atom tersingkir oleh foton apabila tenaga zarah kejadian lebih tinggi daripada tenaga pengikat. * 2: Interaksi yang melibatkan penyerakan zarah dari elektron bebas atau terikat longgar, dan pemindahan sebahagian tenaga ke elektron. * 3: Penghasilan zarah unsur dan anti zarahnya. * 4: Elektron ditarik ke arah yang bertentangan dengan vektor medan elektrik, sedangkan lubang bergerak sama arah sebagai medan elektrik.)

Langkah 2: Penerokaan

Ini adalah versi prototaip "pengesan" yang kami bina, nyahpepijat dan diuji. Ini adalah matriks yang terdiri daripada pelbagai sensor untuk mempunyai sensor radiasi gaya "CCD". Seperti disebutkan sebelumnya, semua konduktor separa silikon sensitif terhadap radiasi. Bergantung pada seberapa tepatnya, dan sensor yang digunakan juga dapat memperoleh gambaran kasar mengenai tahap tenaga zarah yang menyebabkan pukulan.

Kami telah menggunakan dioda yang tidak dilindungi yang sudah ditujukan untuk penginderaan, yang apabila terbalik secara bias (dan melindungi dari cahaya yang dapat dilihat), dapat mendaftarkan hits dari radiasi Beta dan Gamma dengan memperkuat isyarat kecil dan membaca data output dengan mikrokontroler. Walau bagaimanapun, radiasi alfa jarang dapat dikesan kerana tidak dapat menembusi kain nipis atau pelindung polimer. Dilampirkan adalah video hebat dari Veritasium, yang menerangkan pelbagai jenis sinaran (Alpha, Beta & Gamma).

Pengulangan reka bentuk awal menggunakan sensor yang berbeza (fotodioda BPW-34; sensor yang terkenal jika anda google di sekitar). Bahkan ada beberapa Instructables yang berkaitan yang menggunakannya untuk tujuan mengesan radiasi seperti yang sangat baik ini: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Namun, kerana terdapat beberapa bug dan tidak berfungsi secara optimum, kami memutuskan untuk menghilangkan perincian prototaip ini dari Instructables ini untuk mengelakkan Pembuat membuat pengesan yang penuh dengan kekurangan. Namun, kami melampirkan fail reka bentuk dan skema sekiranya seseorang berminat.

Langkah 3: Reka Bentuknya

(Legenda gambar: (1) Gambarajah blok pengesan: dari pembuatan isyarat hingga pemerolehan data., (2) Spesifikasi photodiod X100-7: kawasan aktif 100mm ^ 2, zon habis 0.9mm, lapisan penyekat cahaya, arus gelap rendah … Seperti yang ditunjukkan dalam plot kebarangkalian penyerapan, dioda PiN mudah menyerap tenaga sinar gamma, (3) Catatan aplikasi pengeluar yang mengesahkan konsep reka bentuk dan membantu memilih nilai komponen awal.

Kami memilih sensor kawasan yang lebih besar, iaitu X100−7 dari First Sensor. Untuk tujuan pengujian dan modulariti, kami merancang tiga bahagian yang berbeza, disusun satu sama lain: Sensor dan penguat (penguat cas bunyi rendah + penguat membentuk nadi), Diskriminator & pembanding, peraturan DC / DC, dan DAQ (Arduino untuk pemerolehan data). Setiap peringkat dipasang, disahkan, dan diuji secara berasingan seperti yang akan anda lihat pada langkah berikutnya.

Kelebihan utama pengesan semikonduktor adalah tenaga pengionan kecil (E), tidak bergantung kepada tenaga dan jenis sinaran kejadian. Penyederhanaan ini memungkinkan untuk menjelaskan sejumlah pasangan lubang elektron dari segi tenaga radiasi yang berlaku, dengan syarat zarah tersebut dihentikan sepenuhnya dalam isipadu aktif pengesan. Untuk silikon pada suhu 23C (*) kita mempunyai E ~ 3.6eV. Dengan mengandaikan bahawa semua tenaga disimpan dan menggunakan tenaga pengionan kita dapat mengira bilangan elektron yang dihasilkan oleh sumber tertentu. Sebagai contoh, sinar 60keVgamma dari sumber Americium − 241 akan menghasilkan caj yang didepositkan sebanyak 0.045 fC / keV. Seperti yang ditunjukkan dalam spesifikasi spesifikasi dioda, di atas voltan bias kira-kira ~ 15V kawasan penipisan dapat didekati sebagai pemalar. Ini menetapkan julat sasaran voltan bias kami hingga 12−15V. (*: E meningkat dengan penurunan suhu.)

Fungsi modul pengesan yang berbeza, konstituennya, dan pengiraan yang berkaitan. Semasa menilai pengesan, kepekaan (* 1) sangat penting. Pra-penguat cas yang sangat sensitif diperlukan kerana sinar gamma yang berlaku hanya boleh menghasilkan beberapa ribu elektron di kawasan penipisan semikonduktor. Oleh kerana kita memperkuat denyutan arus yang kecil, perhatian khusus harus diberikan kepada pemilihan komponen, pelindung yang berhati-hati dan tata letak papan litar.

(* 1: Tenaga minimum yang akan disimpan di dalam alat pengesan untuk menghasilkan isyarat yang berbeza, dan nisbah isyarat-ke-bising.)

Untuk memilih nilai komponen dengan betul, pertama saya meringkaskan syarat, spesifikasi yang diinginkan, dan kekangan:

Sensor:

• Julat pengesanan yang besar, 1keV-1MeV
• Kapasiti rendah untuk mengurangkan bunyi, 20pF-50pF
• Arus kebocoran yang boleh diabaikan di bawah bias terbalik.

Pengukuhan dan Diskriminasi:

• Mengecas pra-penguat sensitif
• Pembezaan untuk pembentukan nadi
• Pembanding untuk denyutan isyarat ketika berada di atas ambang yang ditetapkan
• Pembanding untuk output bunyi ketika berada dalam selang ambang
• Perbandingan untuk kebetulan saluran
• Ambang umum untuk penapisan acara.

Pengawal digital dan mikro:

• Penukar analog-ke-digital yang pantas
• Data output untuk pemprosesan dan antara muka pengguna.

Kuasa dan penapisan:

• Pengatur voltan untuk semua peringkat
• Bekalan voltan tinggi untuk menjana kuasa bias
• Penapisan yang betul dari semua pengedaran kuasa.

Saya memilih komponen berikut:

• Penukar Boost DC: LM 2733
• Penguat Caj: AD743
• Op-Amps lain: LM393 & LM741
• DAQ / Bacaan: Arduino Nano.

Spesifikasi tambahan yang dikenakan termasuk:

• Kadar operasi:> 250 kHz (84 saluran), 50 kHz (kebetulan)
• Resolusi: 10bit ADC
• Kadar sampel: 5kHz (8 saluran)
• Voltan: Arduino 5V, op-amp 9V, Biasing ~ 12V.

Susunan dan susunan keseluruhan komponen di atas ditunjukkan dalam gambar rajah blok. Kami membuat pengiraan dengan nilai komponen yang digunakan semasa fasa pengujian (lihat gambar ketiga). (*: Beberapa nilai komponen tidak sama seperti yang dirancangkan awalnya atau tidak sama dengan nilai yang ada saat ini; namun pengiraan ini memberikan kerangka panduan.)

Langkah 4: Litar

(Gambar legenda: (1) Skema keseluruhan tahap 1-3 saluran tunggal, termasuk pembumian diod dan pembahagi voltan yang memberikan rujukan pada setiap tahap, sub-bahagian Litar.)

Sekarang mari kita jelaskan "aliran" isyarat pengesanan salah satu daripada empat saluran dari penciptaannya hingga pemerolehan digital.

Tahap 1

Satu-satunya isyarat minat berasal dari photodiodes. Sensor ini terbalik. Pasokan biasing adalah 12V stabil yang dijalankan melalui saringan lulus rendah untuk menghilangkan bunyi yang tidak diingini yang lebih besar daripada 1Hz. Setelah pengionan kawasan penipisan, denyutan muatan dibuat di pin diod. Isyarat ini diambil oleh tahap penguatan pertama kami: penguat caj. Penguat cas boleh dibuat dengan penguat operasi apa pun, tetapi spesifikasi bunyi rendah sangat penting.

Tahap 2

Objektif tahap ini adalah untuk menukar nadi cas yang dikesan pada input terbalik, menjadi voltan DC pada output op-amp. Input bukan pembalik ditapis dan ditetapkan ke pembahagi voltan pada tahap yang diketahui dan dipilih. Tahap pertama ini sukar untuk diselaraskan, tetapi setelah banyak ujian kami menyelesaikan kapasitor maklum balas 2 [pF], dan perintang umpan balik 44 [MOhm], menghasilkan nadi 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. Penguat penapis jalur lebar aktif terbalik, yang bertindak seperti pembeza, mengikuti penguat cas. Tahap ini menapis dan mengubah tahap DC yang ditukar, yang berasal dari tahap sebelumnya menjadi nadi dengan keuntungan 100. Isyarat pengesan mentah dicari pada output tahap ini.

Tahap 3

Selanjutnya adalah saluran isyarat dan bunyi. Kedua-dua output ini terus ke DAQ dan juga analog analog kedua. Kedua-duanya berfungsi sebagai pembanding op-amp. Satu-satunya perbezaan antara keduanya ialah saluran kebisingan mempunyai voltan yang lebih rendah pada inputnya yang tidak terbalik daripada saluran isyarat, dan saluran isyarat juga disaring untuk menghilangkan frekuensi di atas nadi output yang diharapkan dari tahap penguat kedua. Op-amp LM741 bertindak sebagai pembanding dengan ambang pemboleh ubah untuk membeza-bezakan saluran isyarat, yang membolehkan pengesan hanya menghantar peristiwa terpilih ke ADC / MCU. Perintang yang berubah-ubah pada input yang tidak membalikkan menetapkan tahap pencetus. Pada peringkat ini (pembilang kebetulan), isyarat dari setiap saluran disalurkan ke op-amp yang bertindak sebagai rangkaian penjumlahan. Ambang tetap ditetapkan bertepatan dengan dua saluran aktif. Op-amp menghasilkan tinggi jika dua, atau lebih, photodiodes mendaftarkan hit secara serentak.

Catatan: Kami melakukan kesilapan penting dengan meletakkan penukar peningkatan DC / DC kuasa biasing di dekat op-amp sensitif cas pada penguat PCB. Mungkin kita akan memperbaikinya dalam versi yang lebih baru.

Langkah 5: Majlis

Pematerian, banyak pematerian … Kerana sensor yang dipilih untuk pengesan akhir hanya wujud sebagai komponen jejak SMT, kami harus merancang PCB (2 lapisan). Oleh itu, semua litar yang berkaitan juga dipindahkan ke papan PCB dan bukannya papan roti. Semua komponen analog diletakkan pada dua PCB berasingan, dan komponen digital yang lain untuk mengelakkan gangguan bunyi. Ini adalah PCB pertama yang kami buat sehingga kami terpaksa mendapatkan bantuan untuk susun atur di Eagle. PCB yang paling penting ialah sensor dan penguatan. Dengan osiloskop memantau output pada titik ujian, pengesan dapat beroperasi hanya dengan papan ini (pintasan DAQ). Saya menemui dan memperbaiki kesilapan saya; ini termasuk jejak komponen yang salah, yang mengakibatkan op-amp kebisingan rendah kami diketuk dengan wayar, dan komponen akhir hayat yang ditukar dengan alternatif. Selain itu, dua penapis ditambahkan pada reka bentuk untuk menekan ayunan dering.

Langkah 6: Kandang

Matlamat casing 3D, lembaran plumbum dan busa adalah untuk: tujuan pemasangan, pengasingan terma, penyediaan pelindung bunyi, dan untuk menyekat cahaya sekeliling, dan jelas untuk melindungi elektronik. Fail STL percetakan 3D dilampirkan.

Langkah 7: Pembacaan Arduino

Bahagian pembacaan (ADC / DAQ) pengesan terdiri daripada Arduino Mini (kod dilampirkan). Mikrokontroler ini memantau output dari empat pengesan dan kuasa bekalan ke yang kemudian (kualiti daya trek), kemudian mengeluarkan semua data pada output bersiri (USB) untuk analisis atau rakaman lebih lanjut.

Aplikasi desktop pemprosesan dikembangkan (dilampirkan) untuk memplot semua data masuk.

Langkah 8: Menguji

(Gambar legenda: (1) Nadi yang terhasil dari nisbah isyarat-ke-bising sumber 60Co (t ~ 760ms) ~ 3: 1., (2) Suntikan bersamaan dengan caj yang disimpan oleh sumber tenaga ~ 2 MeV., (3) Suntikan bersamaan dengan caj yang disimpan oleh sumber 60Co (~ 1.2 MeV)).

Suntikan pengisian dilakukan dengan generator nadi yang digabungkan dengan kapasitor (1pF) pada pad sensor dan ditamatkan ke tanah melalui perintang 50Ohm. Prosedur ini membolehkan saya menguji litar saya, menyempurnakan nilai komponen dan mensimulasikan tindak balas fotodiod apabila terkena sumber aktif. Kami menetapkan sumber Americium − 241 (60 KeV) dan Besi − 55 (5.9 KeV) di hadapan dua diod foto aktif, dan tidak ada saluran yang melihat isyarat yang khas. Kami mengesahkan melalui suntikan nadi, dan menyimpulkan bahawa denyutan dari sumber ini berada di bawah ambang yang dapat dilihat kerana tahap kebisingan. Walau bagaimanapun, Kami masih dapat melihat hits dari sumber 60Co (1.33 MeV). Faktor pembatas utama semasa ujian adalah kebisingan yang ketara. Terdapat banyak sumber kebisingan dan sedikit penjelasan mengenai apa yang menghasilkannya. Kami mendapati bahawa salah satu sumber yang paling ketara dan merugikan adalah kehadiran bunyi sebelum tahap penguatan pertama. Kerana keuntungan besar, bunyi ini diperkuat hampir seratus kali ganda! Mungkin penyaringan kuasa yang tidak betul dan kebisingan Johnson disuntikkan semula ke dalam gelung maklum balas tahap penguat juga menyumbang (ini akan menjelaskan nisbah isyarat dan bunyi rendah). Kami tidak menyiasat pergantungan kebisingan dengan bias, tetapi kami mungkin akan melihatnya lebih jauh di masa depan.

Langkah 9: Gambar Yang Lebih Besar

Tonton video dari Veritasium mengenai tempat paling radioaktif di bumi!

Sekiranya anda berjaya sejauh ini dan mengikuti langkahnya, maka selamat! Anda telah membina alat untuk aplikasi dunia nyata seperti LHC! Mungkin anda harus mempertimbangkan perubahan kerjaya dan menceburkan diri dalam bidang fizik nuklear:) Dari segi teknikal, anda telah membina alat pengesan radiasi keadaan pepejal yang terdiri daripada matriks foto-diod dan litar yang berkaitan untuk melokalisasi dan membezakan peristiwa. Pengesan terdiri daripada pelbagai peringkat penguatan yang menukar denyutan muatan kecil menjadi voltan yang dapat dilihat kemudian membezakan dan membandingkannya. Pembanding, antara saluran, juga memberikan maklumat mengenai pembahagian ruang kejadian yang dikesan. Anda juga menggabungkan penggunaan pengawal mikro Arduino dan perisian penting untuk pengumpulan dan analisis data.

Langkah 10: Rujukan

Sebagai tambahan kepada PDF yang indah yang dilampirkan, berikut adalah beberapa sumber maklumat yang berkaitan:

- F. A. Smith, Pemula dalam Fizik Sinaran Gunaan, Ilmiah Dunia, River Edge, NJ, 2000.

- Sensor Pertama, Sensor Pertama PIN Lembaran Data PD Bahagian Penerangan X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul and Hill, Winfield, Seni Elektronik. Cambridge University Press, 1989.

- C. Thiel, Pengenalan kepada Pengesan Sinaran Semikonduktor, Web. fizik.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

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