Detector de radiació portàtil: 10 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Aquest és un tutorial per dissenyar, construir i provar el vostre propi detector de radiació portàtil de diode de silici adequat per al rang de detecció 5keV-10MeV per quantificar amb precisió els raigs gamma de baixa energia procedents de fonts radioactives. Presteu atenció si no voleu convertir-vos en un zombi radioactiu: no és segur estar al voltant de fonts d’alta radiació i aquest dispositiu NO s’ha d’utilitzar com a forma fiable de detectar radiacions potencialment nocives.

Comencem amb una mica de ciència de fons al detector abans d’entrar en la seva construcció. A dalt hi ha un meravellós vídeo de Veritasium que explica què és i d’on prové la radiació.

Pas 1: primer, molta física

(Llegenda de la figura: la radiació ionitzant forma parells electró-forat a la regió intrínseca resultant en un pols de càrrega.)

Cambres d’espurna, detectors de tubs multiplicadors de fotos i Geiger … tots aquests tipus de detectors són feixucs, costosos o utilitzen tensions altes per funcionar. Hi ha alguns tipus de tubs Geiger adequats per a fabricants, com ara https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 i https://www.adafruit.com/product / 483. Altres mètodes per detectar radiacions són els detectors d’estat sòlid (per exemple, els detectors de germani). Tanmateix, són de producció costosa i requereixen equips especialitzats (penseu que el refrigerant amb nitrogen líquid!). Per contra, els detectors d’estat sòlid són molt rendibles. S’utilitzen àmpliament i tenen un paper essencial en la física de partícules d’alta energia, la física mèdica i l’astrofísica.

Aquí construïm un detector portàtil de radiació d’estat sòlid capaç de quantificar i detectar amb precisió els raigs gamma de baixa energia procedents de fonts radioactives. El dispositiu consisteix en una sèrie de díodes PiN de silici de gran superfície esbiaixats inversament, que donen sortida a un preamplificador de càrrega, un amplificador diferenciador, un discriminador i un comparador. La sortida de totes les etapes successives es converteix en senyals digitals per analitzar-les. Començarem descrivint els principis dels detectors de partícules de silici, els díodes PiN, la polarització inversa i altres paràmetres associats. A continuació, explicarem les diferents investigacions que es van dur a terme i les decisions preses. Al final, introduirem el prototip final i les proves.

Detectors SolidState

En moltes aplicacions de detecció de radiació, l’ús d’un medi de detecció de sòlids té un avantatge significatiu (anomenats alternativament detectors de díodes semiconductors o detectors d’estat sòlid). Els díodes de silici són els detectors preferits per a un gran nombre d'aplicacions, especialment quan hi ha partícules carregades pesades. Si no es requereix la mesura d’energia, les excel·lents característiques de sincronització dels detectors de díodes de silici permeten un recompte i seguiment precís de les partícules carregades.

Per a la mesura d’electrons o rajos gamma d’alta energia, les dimensions del detector es poden mantenir molt més petites que les alternatives. L'ús de materials semiconductors com a detectors de radiació també dóna com a resultat un nombre més gran de portadors per a un determinat esdeveniment de radiació incident i, per tant, un límit estadístic de resolució d'energia inferior al possible amb altres tipus de detectors. En conseqüència, la millor resolució d’energia que es pot aconseguir avui es realitza mitjançant l’ús d’aquests detectors.

Els portadors d'informació fonamentals són parells electró-forat creats al llarg del recorregut de la partícula carregada a través del detector (vegeu la figura anterior). En recollir aquests parells electró-forat, mesurats com a càrregues als elèctrodes del sensor, es forma el senyal de detecció i es procedeix a etapes d'amplificació i discriminació. Les característiques addicionals desitjables dels detectors d’estat sòlid són la mida compacta, les característiques de sincronització relativament ràpides i el gruix efectiu (*). Com passa amb qualsevol detector, hi ha inconvenients, inclosa la limitació a mides reduïdes i la possibilitat relativa que aquests dispositius pateixin una degradació del rendiment per danys causats per la radiació.

(*: Els sensors prims minimitzen les dispersions múltiples, mentre que els sensors més gruixuts generen més càrregues quan una partícula travessa el substrat).

P − i − N díodes:

Cada tipus de detector de radiació produeix una sortida característica després de la interacció amb la radiació. Les interaccions de les partícules amb la matèria es distingeixen per tres efectes:

1. l’efecte fotoelèctric
2. Dispersió de Compton
3. Producció de parells.

El principi bàsic d’un detector de silici pla és l’ús d’una unió PN en la qual les partícules interactuen mitjançant aquests tres fenòmens. El sensor de silici pla més senzill consisteix en un substrat dopat amb P i un implant N a un costat. Els parells electró-forat es creen al llarg d’una trajectòria de partícules. A la zona de la unió PN, hi ha una regió lliure de càrregues, anomenada zona d’esgotament. Els parells electró-forat creats en aquesta regió estan separats per un camp elèctric circumdant. Per tant, els portadors de càrrega es poden mesurar a la banda N o P del costat del material de silici. En aplicar una tensió de polarització inversa al díode d’unió PN, la zona esgotada creix i pot cobrir el substrat complet del sensor. Podeu llegir més sobre això aquí: Article de la Viquipèdia Pin Junction.

Un díode PiN té una regió i intrínseca, entre les unions P i N, inundada de portadors de càrrega de les regions P i N. Aquesta àmplia regió intrínseca també significa que el díode té una baixa capacitat quan es polaritza inversament. En un díode PiN, la regió d’esgotament existeix gairebé completament dins de la regió intrínseca. Aquesta regió d’esgotament és molt més gran que amb un díode PN normal. Això augmenta el volum on es poden generar parells electró-forat per un fotó incident. Si s’aplica un camp elèctric al material semiconductor, tant els electrons com els forats experimenten una migració. El díode PiN té una polarització inversa de manera que tota la capa i s’esgota de portadors lliures. Aquest biaix invers crea un camp elèctric a través de la capa i de manera que els electrons es passen a la capa P i als forats, a la capa N (* 4).

El flux de portadors en resposta a un pols de radiació constitueix el pols de corrent mesurat. Per maximitzar aquest corrent, la regió i ha de ser el més gran possible. Les propietats de la unió són tals que condueixen molt poc corrent quan es polaritzen en la direcció inversa. El costat P de la unió es torna negatiu respecte al costat N i es potencia la diferència de potencial natural d’un costat a l’altre de la unió. En aquestes circumstàncies, són els portadors minoritaris els que s’atrauen a través de la cruïlla i, com que la seva concentració és relativament baixa, el corrent invers a través del díode és força petit. Quan s’aplica un biaix invers a la unió, pràcticament tota la tensió aplicada apareix a la regió d’esgotament, perquè la seva resistivitat és molt superior a la del material normal tipus N o P. De fet, el biaix invers accentua la diferència de potencial a la cruïlla. També s’incrementa el gruix de la regió d’esgotament, ampliant el volum sobre el qual es recullen els portadors de càrrega produïts per radiació. Una vegada que el camp elèctric és prou alt, la recopilació de càrrega es completa i l'alçada del pols ja no canvia amb nous augments de la tensió de polarització del detector.

(* 1: Els electrons en estat lligat d’un àtom són eliminats pels fotons quan l’energia de les partícules incidents és superior a l’energia d’unió.; * 2: interacció que implica la dispersió d’una partícula d’un electró lliure o lligat poc i la transferència d’una part de l’energia a l’electró.; * 3: Producció d’una partícula elemental i la seva antipartícula.; * 4: Els electrons es dibuixen en la direcció oposada al vector de camp elèctric, mentre que els forats es mouen direcció com a camp elèctric.)

Pas 2: Exploració

Aquesta és la versió prototip del "detector" que hem construït, depurat i provat. Es tracta d’una matriu formada per múltiples sensors per tenir un sensor de radiació d’estil “CCD”. Com es va esmentar anteriorment, tots els semiconductors de silici són sensibles a la radiació. Depenent de la precisió que tingui i dels sensors que s’utilitzin, també es pot tenir una idea aproximada del nivell d’energia de la partícula que va causar un cop.

Hem utilitzat díodes no blindats ja destinats a la detecció, que quan es polaritzen inversament (i el protegeixen de la llum visible), poden registrar hits de la radiació beta i gamma amplificant els petits senyals i llegint les dades de sortida amb un microcontrolador. Tanmateix, la radiació alfa poques vegades es pot detectar perquè no pot penetrar ni tan sols la protecció del teixit fi ni del polímer. Adjuntem un meravellós vídeo de Veritasium, que explica els diferents tipus de radiació (alfa, beta i gamma).

Les iteracions inicials de disseny utilitzaven un sensor diferent (un fotodiode BPW-34; un famós sensor si us dirigiu a Google). Fins i tot hi ha alguns instructables relacionats que l’utilitzen amb el propòsit de detectar radiacions com aquesta excel·lent: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Tanmateix, com que tenia alguns errors i no funcionava de manera òptima, vam decidir ometre els detalls d’aquest prototip d’aquest Instructables per evitar que els fabricants construïssin un detector ple d’errors. Tanmateix, hem adjuntat els fitxers i esquemes de disseny per si algú hi està interessat.

Pas 3: el disseny

(Llegendes de la imatge: (1) Diagrama de blocs del detector: des de la creació de senyal fins a l'adquisició de dades., (2) Especificacions del fotodiode X100-7: àrea activa de 100 mm ^ 2, zona esgotada de 0,9 mm, recobriment de bloqueig de llum, baix corrent fosc … Com es mostra a la gràfica de probabilitat d’absorció, els díodes PiN absorbeixen fàcilment l’energia dels rajos gamma, (3) Nota d’aplicació del fabricant que va confirmar el concepte de disseny i va ajudar a triar els valors inicials dels components.

Ens vam conformar amb un sensor d’àrea més gran, és a dir, el X100−7 de First Sensor. A efectes de proves i modularitat, vam dissenyar tres porcions diferents, apilades les unes sobre les altres: Sensors i amplificació (amplificador de baixa càrrega de soroll + amplificador de configuració de polsos), discriminadors i comparador, regulació CC / CC i DAQ (Arduino per a l’adquisició de dades). Cada etapa es va ensamblar, validar i provar per separat, tal com veureu al següent pas.

Un dels principals avantatges dels detectors de semiconductors és la petita energia d’ionització (E), independent tant de l’energia com del tipus de radiació incident. Aquesta simplificació permet tenir en compte diversos parells electró-forat en termes d'energia de radiació incident, sempre que la partícula estigui completament aturada dins del volum actiu del detector. Per al silici a 23C (*) tenim E ~ 3,6eV. Suposant que tota l'energia es diposita i utilitzant l'energia de ionització, podem calcular el nombre d'electrons produïts per una font determinada. Per exemple, un raig de 60keVgamma d'una font d'Americium-241 resultaria en una càrrega dipositada de 0,045 fC / keV. Com es mostra a les especificacions de les especificacions del díode, per sobre d'una tensió de polarització d'aproximadament ~ 15V, la regió d'esgotament es pot aproximar com a constant. Això estableix l'interval objectiu del nostre voltatge de polarització a 12−15V. (*: E augmenta amb la disminució de la temperatura.)

La funcionalitat dels diferents mòduls del detector, els seus components i els càlculs associats. A l’hora d’avaluar el detector, la sensibilitat (* 1) va ser crucial. Es requereix un preamplificador de càrrega extremadament sensible perquè un raig gamma incident només pot generar uns quants milers d’electrons a la regió d’esgotament de semiconductors. Com que amplifiquem un petit pols de corrent, cal prestar especial atenció a la selecció de components, la protecció acurada i la disposició de la placa de circuits.

(* 1: energia mínima a dipositar al detector per produir un senyal diferent i la relació senyal-soroll.)

Per triar correctament els valors dels components, primer resumeixo els requisits, les especificacions desitjades i les restriccions:

Sensors:

• Gran rang de detecció possible, 1keV-1MeV
• Baixa capacitat per minimitzar el soroll, 20pF-50pF
• Corrent de fuga insignificant sota polarització inversa.

Amplificació i discriminació:

• Preamplificadors sensibles a la càrrega
• Diferenciador per a la configuració de polsos
• Comparador de pols de senyal quan està per sobre del llindar establert
• Comparador de soroll quan es troba dins de l'interval de llindar
• Comparador de coincidències de canals
• Llindar general per al filtratge d'esdeveniments.

Digital i microcontrolador:

• Convertidors ràpids analògics a digitals
• Dades de sortida per al processament i interfície d'usuari.

Potència i filtratge:

• Reguladors de tensió per a totes les etapes
• Subministrament d'alta tensió per generar energia de polarització
• Filtratge adequat de tota la distribució d'energia.

He triat els components següents:

• Convertidor DC Boost: LM 2733
• Amplificadors de càrrega: AD743
• Altres amplificadors operatius: LM393 i LM741
• DAQ / Lectura: Arduino Nano.

Les especificacions addicionals imposades inclouen:

• Taxa de funcionament:> 250 kHz (84 canals), 50 kHz (coincidència)
• Resolució: ADC de 10 bits
• Freqüència de mostra: 5 kHz (8 canals)
• Voltatges: Arduino de 5V, amplificadors operatius de 9V, polarització de ~ 12V.

La disposició i l’ordre general dels components anteriors es representen a la figura del diagrama de blocs. Vam fer els càlculs amb els valors dels components utilitzats durant la fase de proves (vegeu la tercera imatge). (*: Alguns valors de components no són els mateixos que els previstos inicialment ni els mateixos que els actualment existents; tanmateix, aquests càlculs proporcionen un marc d'orientació.)

Pas 4: Els circuits

(Llegendes de la figura: (1) Esquema general de les etapes 1 a 3 d’un sol canal, inclosos els bases de díodes i els divisors de tensió que proporcionen referències a cada etapa, les subseccions del circuit.)

Ara expliquem el "flux" del senyal de detecció d'un dels quatre canals des de la seva creació fins a l'adquisició digital.

Etapa 1

L’únic senyal d’interès s’origina a partir dels fotodíodes. Aquests sensors tenen una polarització inversa. El subministrament esbiaixat és un 12V estable que funciona mitjançant un filtre de pas baix per eliminar qualsevol soroll no desitjat superior a 1Hz. Després de la ionització de la regió d’esgotament, es crea un pols de càrrega als pins del díode. Aquest senyal és captat per la nostra primera etapa d'amplificació: l'amplificador de càrrega. Es pot fabricar un amplificador de càrrega amb qualsevol amplificador operacional, però les especificacions de baix soroll són molt importants.

Etapa 2

L’objectiu d’aquesta etapa és convertir el pols de càrrega detectat a l’entrada d’inversió, en un voltatge continu a la sortida de l’ampli operatiu. L'entrada no inversora es filtra i es defineix en un divisor de voltatge a un nivell conegut i escollit. Aquesta primera etapa és difícil d’afinar, però després de nombroses proves ens vam conformar amb un condensador de retroalimentació de 2 [pF] i una resistència de retroalimentació de 44 [MOhm], que donava lloc a un impuls de 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. Un amplificador de filtre de pas de banda actiu que inverteix, que actua com un diferenciador, segueix l'amplificador de càrrega. Aquesta etapa filtra i converteix els nivells de CC convertits, que emanen de l’etapa anterior en un pols amb un guany de 100. El senyal del detector en brut es prova a la sortida d’aquesta etapa.

Etapa 3

A continuació hi ha els canals de senyal i soroll. Aquestes dues sortides van directament al DAQ i al segon PCB analògic. Tots dos funcionen com a comparadors d'amplificadors operatius. L’única diferència entre tots dos és que el canal de soroll té una tensió inferior a l’entrada que no inverteix que el canal de senyal, i el canal de senyal també es filtra per eliminar les freqüències superiors al pols de sortida esperat de la segona etapa d’amplificació. Un amplificador operatiu LM741 actua com un comparador contra un llindar variable per discriminar el canal de senyal, cosa que permet al detector enviar només esdeveniments selectius a l'ADC / MCU. Una resistència variable a l'entrada que no inverteix estableix el nivell d'activació. En aquesta etapa (comptador de coincidències), els senyals de cada canal s’alimenten a un amplificador operatiu que actua com a circuit de suma. Es fixa un llindar fix coincidint amb dos canals actius. Les amplificacions operatives produeixen un alt si dos fotodíodes o més registren un èxit simultàniament.

Nota: Vam cometre un error crucial posant el convertidor incremental CC / CC de la potència de polarització a prop dels amplificadors operatius sensibles a la càrrega del PCB d'amplificació. Potser ho solucionarem en una versió posterior.

Pas 5: l'Assemblea

Soldadura, molta soldadura … Com que el sensor seleccionat per al detector final només existeix com a component de petjada SMT, vam haver de dissenyar PCB (2 capes). Per tant, tots els circuits associats també es van migrar a les plaques de PCB en lloc de a la placa de control. Tots els components analògics es van col·locar en dos PCB separats i els components digitals en un altre per evitar interferències de soroll. Aquests van ser els primers PCBs que vam fabricar, de manera que vam haver de rebre ajuda per al disseny a Eagle. El PCB més important és el dels sensors i l'amplificació. Amb un oscil·loscopi que controla les sortides als punts de prova, el detector pot funcionar únicament amb aquesta placa (bypass DAQ). Vaig trobar i solucionar els meus errors; Aquests van incloure petjades de components incorrectes, que van provocar que els nostres amplificadors operatius de baix nivell de soroll es filferessin i components de final de vida que es van canviar amb alternatives. A més, es van afegir dos filtres al disseny per suprimir les oscil·lacions de timbre.

Pas 6: el recinte

L’objectiu de la carcassa impresa en 3D, la làmina de plom i l’escuma és per a: propòsits de muntatge, aïllament tèrmic, proporcionar una protecció contra el soroll i bloquejar la llum ambiental i, evidentment, protegir l’electrònica. S'adjunten fitxers STL d'impressió 3D.

Pas 7: lectura d'Arduino

La part de lectura (ADC / DAQ) del detector consisteix en un Arduino Mini (codi adjunt). Aquest microcontrolador controla les sortides dels quatre detectors i l'alimentació de l'alimentació posterior (qualitat d'alimentació de la pista) i, a continuació, emet totes les dades de la sortida sèrie (USB) per analitzar-les o enregistrar-les.

Es va desenvolupar una aplicació d'escriptori de processament (adjunta) per representar totes les dades entrants.

Pas 8: proves

(Figura llegendes: (1) Pols resultant d'una font de 60Co (t ~ 760ms) relació senyal-soroll ~ 3: 1., (2) Injecció equivalent a la càrrega dipositada per una font d'energia ~ 2 MeV., (3) Injecció equivalent a la càrrega dipositada per una font de 60Co (~ 1,2 MeV)).

La injecció de càrrega es va fer amb un generador de polsos acoblat a un condensador (1pF) al coixinet del sensor i acabat a terra mitjançant una resistència de 50 Ohm. Aquests procediments em van permetre provar els meus circuits, afinar els valors dels components i simular les respostes dels fotodíodes quan s’exposaven a una font activa. Vam establir una font d'Americi − 241 (60 KeV) i una font de Iron − 55 (5,9 KeV) davant dels dos fotodíodes actius, i cap dels dos canals va veure un senyal distintiu. Vam verificar mitjançant injeccions de pols i vam concloure que les pulsacions d’aquestes fonts estaven per sota del llindar observable a causa dels nivells de soroll. Tot i això, encara vam poder veure èxits d'una font de 60 Co (1,33 MeV). El principal factor limitant durant les proves va ser el soroll significatiu. Hi havia moltes fonts de soroll i poques explicacions sobre què els estava generant. Vam trobar que una de les fonts més significatives i perjudicials era la presència de soroll abans de la primera etapa d'amplificació. A causa de l'enorme guany, aquest soroll es va ampliar gairebé cent! Potser també va contribuir un filtratge de potència inadequat i el soroll reinjectat de Johnson als bucles de retroalimentació de les etapes de l'amplificador (això explicaria la baixa relació senyal-soroll). No vam investigar la dependència del soroll amb el biaix, però és possible que puguem aprofundir en el futur.

Pas 9: la imatge més gran

Mireu el vídeo de Veritasium sobre els llocs més radioactius de la terra.

Si heu arribat fins aquí i heu seguit els passos, enhorabona! Heu creat un aparell per a aplicacions del món real com el LHC. Potser hauríeu de plantejar-vos un canvi de carrera i entrar al camp de la física nuclear:) En termes més tècnics, heu construït un detector de radiació d'estat sòlid que consisteix en una matriu de foto-díodes i circuits associats per localitzar i discriminar esdeveniments. El detector consta de múltiples etapes d'amplificació que converteixen els petits impulsos de càrrega en tensions observables i, a continuació, discriminen i compara. Un comparador, entre canals, també proporciona informació sobre la distribució espacial dels esdeveniments detectats. També vau incorporar l’ús d’un microcontrolador Arduino i un programari essencial per a la recopilació i l’anàlisi de dades.

Pas 10: referències

A més dels meravellosos PDF adjunts, aquí teniu alguns recursos informatius relacionats:

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

- Primer sensor, primer sensor PIN PD Fitxa tècnica Descripció de la peça X100-7 SMD, web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

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

- C. Thiel, Introducció als detectors de radiació de semiconductors, web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

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