Φορητός ανιχνευτής ακτινοβολίας: 10 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

Αυτό είναι ένα σεμινάριο για το σχεδιασμό, την κατασκευή και τη δοκιμή του δικού σας φορητού ανιχνευτή ακτινοβολίας φωτοδιόδων Silicon, κατάλληλο για το εύρος ανίχνευσης 5keV-10MeV για να ποσοτικοποιήσει με ακρίβεια τις ακτίνες γάμμα χαμηλής ενέργειας που προέρχονται από ραδιενεργές πηγές! Δώστε προσοχή εάν δεν θέλετε να γίνετε ραδιενεργό ζόμπι: δεν είναι ασφαλές να βρίσκεστε κοντά σε πηγές υψηλής ακτινοβολίας και αυτή η συσκευή ΔΕΝ πρέπει να χρησιμοποιείται ως αξιόπιστος τρόπος ανίχνευσης δυνητικά επιβλαβών ακτινοβολιών.

Ας ξεκινήσουμε με μια μικρή επιστήμη για τον ανιχνευτή πριν προχωρήσουμε στην κατασκευή του. Παρακάτω είναι ένα υπέροχο βίντεο από το Veritasium που εξηγεί τι είναι η ακτινοβολία και από πού προέρχεται.

Βήμα 1: Πρώτον, Πολλή Φυσική

(Θρύλος του σχήματος: Η ιοντίζουσα ακτινοβολία σχηματίζει ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών στην εγγενή περιοχή με αποτέλεσμα έναν παλμό φόρτισης.)

Θάλαμοι σπινθήρων, ανιχνευτές σωλήνων Geiger και Photo-multiplier… όλοι αυτοί οι τύποι ανιχνευτών είναι είτε δυσκίνητοι, ακριβοί είτε χρησιμοποιούν υψηλές τάσεις για να λειτουργήσουν. Υπάρχουν μερικοί τύποι σωλήνων Geiger φιλικοί προς τον κατασκευαστή, όπως https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product/483. Άλλες μέθοδοι ανίχνευσης ακτινοβολίας είναι ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (π.χ. ανιχνευτές γερμανίου). Ωστόσο, αυτά είναι ακριβά για παραγωγή και απαιτούν εξειδικευμένο εξοπλισμό (σκεφτείτε ψύξη υγρού αζώτου!). Αντίθετα, οι ανιχνευτές στερεάς κατάστασης είναι πολύ οικονομικοί. Χρησιμοποιούνται ευρέως και παίζουν ουσιαστικό ρόλο στη φυσική σωματιδίων υψηλής ενέργειας, την ιατρική φυσική και την αστροφυσική.

Εδώ, κατασκευάζουμε έναν φορητό ανιχνευτή ακτινοβολίας στερεάς κατάστασης ικανό να προσδιορίσει με ακρίβεια ποσοτικά και να ανιχνεύσει ακτίνες γάμμα χαμηλής ενέργειας που προέρχονται από ραδιενεργές πηγές. Η συσκευή αποτελείται από μια σειρά αντιστρόφως προκατειλημμένων διόδων πυριτίου PiN μεγάλης επιφάνειας, οι οποίες εξάγονται σε έναν προενισχυτή φόρτισης, έναν ενισχυτή διαφοροποίησης, έναν διαχωριστή και έναν συγκριτή. Η έξοδος όλων των διαδοχικών σταδίων μετατρέπεται σε ψηφιακά σήματα για ανάλυση. Θα ξεκινήσουμε περιγράφοντας τις αρχές των ανιχνευτών σωματιδίων πυριτίου, των διόδων PiN, της αντίστροφης πόλωσης και άλλων σχετικών παραμέτρων. Στη συνέχεια, θα εξηγήσουμε τις διαφορετικές έρευνες που πραγματοποιήθηκαν και τις επιλογές που έγιναν. Στο τέλος, θα παρουσιάσουμε το τελικό πρωτότυπο και τη δοκιμή.

SolidState Detectors

Σε πολλές εφαρμογές ανίχνευσης ακτινοβολίας, η χρήση ενός στερεού μέσου ανίχνευσης έχει σημαντικό πλεονέκτημα (εναλλακτικά ονομάζονται ανιχνευτές διόδων ημιαγωγών ή ανιχνευτές στερεάς κατάστασης). Οι δίοδοι πυριτίου είναι οι ανιχνευτές επιλογής για μεγάλο αριθμό εφαρμογών, ειδικά όταν εμπλέκονται βαριά φορτισμένα σωματίδια. Εάν η μέτρηση της ενέργειας δεν απαιτείται, τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά χρονισμού των ανιχνευτών διόδου πυριτίου επιτρέπουν την ακριβή καταμέτρηση και παρακολούθηση των φορτισμένων σωματιδίων.

Για τη μέτρηση ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας ή ακτίνων γάμμα, οι διαστάσεις του ανιχνευτή μπορούν να διατηρηθούν πολύ μικρότερες από τις εναλλακτικές λύσεις. Η χρήση υλικών ημιαγωγών ως ανιχνευτές ακτινοβολίας οδηγεί επίσης σε μεγαλύτερο αριθμό φορέων για ένα δεδομένο συμβάν ακτινοβολίας και συνεπώς χαμηλότερο στατιστικό όριο ενεργειακής ανάλυσης από ό, τι είναι δυνατό με άλλους τύπους ανιχνευτών. Κατά συνέπεια, η καλύτερη ενεργειακή ανάλυση που επιτυγχάνεται σήμερα πραγματοποιείται με τη χρήση τέτοιων ανιχνευτών.

Οι βασικοί φορείς πληροφοριών είναι ζεύγη οπών ηλεκτρονίων που δημιουργούνται κατά μήκος της διαδρομής που ακολουθεί το φορτισμένο σωματίδιο μέσω του ανιχνευτή (βλέπε σχήμα παραπάνω). Συλλέγοντας αυτά τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, μετρούμενα ως φορτία στα ηλεκτρόδια του αισθητήρα, σχηματίζεται το σήμα ανίχνευσης και προχωρά σε στάδια ενίσχυσης και διάκρισης. Επιπρόσθετα επιθυμητά χαρακτηριστικά των ανιχνευτών στερεάς κατάστασης είναι ένα συμπαγές μέγεθος, σχετικά γρήγορα χαρακτηριστικά χρονισμού και ένα αποτελεσματικό πάχος (*). Όπως συμβαίνει με κάθε ανιχνευτή, υπάρχουν μειονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένου του περιορισμού σε μικρά μεγέθη και της σχετικής πιθανότητας οι συσκευές αυτές να υποστούν υποβάθμιση της απόδοσης από βλάβες που προκαλούνται από ακτινοβολία.

(*: Οι λεπτοί αισθητήρες ελαχιστοποιούν πολλαπλές διασπορές, ενώ οι παχύτεροι αισθητήρες δημιουργούν περισσότερα φορτία όταν ένα σωματίδιο διασχίζει το υπόστρωμα.)

Διόδους P − i − N:

Κάθε τύπος ανιχνευτή ακτινοβολίας παράγει μια χαρακτηριστική έξοδο μετά την αλληλεπίδραση με την ακτινοβολία. Οι αλληλεπιδράσεις σωματιδίων με ύλη διακρίνονται από τρία αποτελέσματα:

1. το φωτοηλεκτρικό εφέ
2. Σκέδαση Compton
3. Ζευγαροπαραγωγή.

Η βασική αρχή ενός επίπεδου ανιχνευτή πυριτίου είναι η χρήση ενός συνδέσμου PN στον οποίο τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μέσω αυτών των τριών φαινομένων. Ο απλούστερος επίπεδος αισθητήρας πυριτίου αποτελείται από ένα υπόστρωμα ντυμένο με Ρ και ένα εμφύτευμα Ν στη μία πλευρά. Ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών δημιουργούνται κατά μήκος μιας τροχιάς σωματιδίων. Στην περιοχή του κόμβου PN, υπάρχει μια περιοχή δωρεάν φορείς, που ονομάζεται ζώνη εξάντλησης. Τα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων που δημιουργούνται σε αυτήν την περιοχή χωρίζονται από ένα περιβάλλον ηλεκτρικό πεδίο. Επομένως, οι φορείς φορτίου μπορούν να μετρηθούν είτε στην Ν είτε στην πλευρά του υλικού πυριτίου. Εφαρμόζοντας μια τάση αντίστροφης πόλωσης στη δίοδο σύνδεσης PN, η εξαντλημένη ζώνη μεγαλώνει και μπορεί να καλύψει ολόκληρο το υπόστρωμα του αισθητήρα. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτό εδώ: Άρθρο Βικιπαίδειας Pin Junction.

Μια δίοδος PiN έχει μια εγγενή περιοχή i, μεταξύ των συνδέσεων P και N, πλημμυρισμένη από φορείς φορτίου από τις περιοχές P και N. Αυτή η ευρεία εγγενής περιοχή σημαίνει επίσης ότι η δίοδος έχει χαμηλή χωρητικότητα όταν γίνεται αντίστροφη μεροληψία. Σε μια δίοδο PiN, η περιοχή εξάντλησης υπάρχει σχεδόν εντελώς εντός της εσωτερικής περιοχής. Αυτή η περιοχή εξάντλησης είναι πολύ μεγαλύτερη από ό, τι με μια κανονική δίοδο PN. Αυτό αυξάνει τον όγκο όπου τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών μπορούν να δημιουργηθούν από ένα προσπίπτον φωτόνιο. Εάν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο στο υλικό ημιαγωγών, τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και οι οπές υφίστανται μια μετανάστευση. Η δίοδος PiN είναι αντίστροφα προκατειλημμένη έτσι ώστε ολόκληρο το i-layer να εξαντλείται από ελεύθερους φορείς. Αυτή η αντίστροφη προκατάληψη δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο στο στρώμα i, έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να παρασύρονται στο στρώμα Ρ και στις οπές, στο στρώμα Ν (*4).

Η ροή των φορέων σε απόκριση ενός παλμού ακτινοβολίας αποτελεί τον μετρημένο παλμό ρεύματος. Για να μεγιστοποιηθεί αυτό το ρεύμα, η περιοχή i πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη. Οι ιδιότητες της διασταύρωσης είναι τέτοιες που μεταφέρει πολύ λίγο ρεύμα όταν είναι προκατειλημμένο στην αντίστροφη κατεύθυνση. Η πλευρά Ρ της διασταύρωσης γίνεται αρνητική σε σχέση με την πλευρά Ν και η φυσική διαφορά δυναμικού από τη μία πλευρά της διασταύρωσης στην άλλη ενισχύεται. Υπό αυτές τις συνθήκες, οι μειονοτικοί φορείς έλκονται κατά μήκος της διασταύρωσης και, επειδή η συγκέντρωσή τους είναι σχετικά χαμηλή, το αντίστροφο ρεύμα στην δίοδο είναι αρκετά μικρό. Όταν εφαρμόζεται μια αντίστροφη πόλωση στη διασταύρωση, σχεδόν όλη η εφαρμοζόμενη τάση εμφανίζεται στην περιοχή εξάντλησης, επειδή η αντίστασή της είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή του κανονικού υλικού τύπου Ν ή Ρ. Πράγματι, η αντίστροφη προκατάληψη τονίζει τη δυνητική διαφορά σε όλη τη διασταύρωση. Το πάχος της περιοχής εξάντλησης είναι επίσης αυξημένο, επεκτείνοντας τον όγκο πάνω από τον οποίο συλλέγονται φορείς φορτίου που παράγονται από ακτινοβολία. Μόλις το ηλεκτρικό πεδίο είναι αρκετά υψηλό, η συλλογή φορτίου γίνεται πλήρης και το ύψος του παλμού δεν αλλάζει πλέον με περαιτέρω αύξηση της τάσης πόλωσης του ανιχνευτή.

(*1: Τα ηλεκτρόνια στη δεσμευμένη κατάσταση ενός ατόμου χτυπιούνται από φωτόνια όταν η ενέργεια των προστιθέμενων σωματιδίων είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια σύνδεσης. *2: Αλληλεπίδραση που περιλαμβάνει τη διασπορά ενός σωματιδίου από ένα ελεύθερο ή χαλαρά συνδεδεμένο ηλεκτρόνιο, και μεταφορά μέρους της ενέργειας στο ηλεκτρόνιο. *3: Παραγωγή ενός στοιχειώδους σωματιδίου και του αντισωματιδίου του. κατεύθυνση ως ηλεκτρικό πεδίο.)

Βήμα 2: Εξερεύνηση

Αυτή είναι η πρωτότυπη έκδοση του "ανιχνευτή" που κατασκευάσαμε, διορθώσαμε και δοκιμάσαμε. Είναι μια μήτρα που αποτελείται από πολλαπλούς αισθητήρες για να έχει αισθητήρα ακτινοβολίας τύπου "CCD". Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, όλοι οι ημιαγωγοί πυριτίου είναι ευαίσθητοι στην ακτινοβολία. Ανάλογα με το πόσο ακριβής είναι και τους αισθητήρες που χρησιμοποιούνται μπορεί κανείς να πάρει μια γενική ιδέα για το ενεργειακό επίπεδο του σωματιδίου που προκάλεσε χτύπημα.

Χρησιμοποιήσαμε διόδους χωρίς προστασία που προορίζονται ήδη για ανίχνευση, οι οποίες όταν αντιστραφούν (και το προστατεύουν από το ορατό φως), μπορούν να καταγράψουν χτυπήματα από την ακτινοβολία βήτα και γάμμα, ενισχύοντας τα μικροσκοπικά σήματα και διαβάζοντας τα δεδομένα εξόδου με μικροελεγκτή. Η ακτινοβολία άλφα, ωστόσο, σπάνια μπορεί να ανιχνευθεί επειδή δεν μπορεί να διεισδύσει ακόμη και σε λεπτό ύφασμα ή σε πολυμερή θωράκιση. Επισυνάπτεται ένα υπέροχο βίντεο από το Veritasium, το οποίο εξηγεί τους διαφορετικούς τύπους ακτινοβολίας (Alpha, Beta & Gamma).

Οι αρχικές επαναλήψεις σχεδιασμού χρησιμοποίησαν έναν διαφορετικό αισθητήρα (μια φωτοδίοδο BPW-34. Έναν διάσημο αισθητήρα αν ψάξετε στο Google). Υπάρχουν ακόμη και μερικά σχετικά Εγχειρίδια που το χρησιμοποιούν για τον σκοπό της ανίχνευσης ακτινοβολίας όπως αυτή της εξαιρετικής: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Ωστόσο, επειδή είχε κάποια σφάλματα και δεν λειτουργούσε βέλτιστα, αποφασίσαμε να παραλείψουμε τις λεπτομέρειες αυτού του πρωτοτύπου από αυτό το Instructables για να αποφύγουμε τους κατασκευαστές να φτιάξουν έναν ανιχνευτή γεμάτο ελαττώματα. Ωστόσο, επισυνάψαμε τα αρχεία σχεδίασης και σχηματικά σε περίπτωση που κάποιος ενδιαφέρεται.

Βήμα 3: Ο σχεδιασμός

(Θρύλοι εικόνας: (1) Διάγραμμα μπλοκ ανιχνευτή: από τη δημιουργία σήματος έως την απόκτηση δεδομένων. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα πιθανότητας απορρόφησης, οι δίοδοι PiN απορροφούν εύκολα την ενέργεια των ακτίνων γάμμα, Συμφωνήσαμε για έναν αισθητήρα μεγαλύτερης περιοχής, δηλαδή τον X100−7 από τον First Sensor. Για σκοπούς δοκιμής και αρθρωτότητα, σχεδιάσαμε τρία διαφορετικά τμήματα, στοιβαγμένα το ένα πάνω στο άλλο: Αισθητήρες και ενισχυτές (ενισχυτής χαμηλής στάθμης θορύβου + ενισχυτής διαμόρφωσης παλμών), Διακριτές & συγκριτές, ρύθμιση DC/DC και DAQ (Arduino για απόκτηση δεδομένων). Κάθε στάδιο συναρμολογήθηκε, επικυρώθηκε και δοκιμάστηκε ξεχωριστά, όπως θα δείτε στο επόμενο βήμα.

Ένα κύριο πλεονέκτημα των ανιχνευτών ημιαγωγών είναι η μικρή ενέργεια ιοντισμού (Ε), ανεξάρτητη τόσο από την ενέργεια όσο και από τον τύπο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Αυτή η απλοποίηση επιτρέπει να ληφθούν υπόψη πολλά ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών όσον αφορά την προσπίπτουσα ενέργεια ακτινοβολίας, υπό την προϋπόθεση ότι το σωματίδιο σταματήσει πλήρως εντός του ενεργού όγκου του ανιχνευτή. Για πυρίτιο στους 23C (*) έχουμε Ε ~ 3.6eV. Υποθέτοντας ότι όλη η ενέργεια εναποτίθεται και χρησιμοποιώντας την ενέργεια ιοντισμού μπορούμε να υπολογίσουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων που παράγονται από μια δεδομένη πηγή. Για παράδειγμα, μια ακτινοβολία γάμμα 60ke από μια πηγή Americium − 241 θα είχε ως αποτέλεσμα ένα εναποτιθέμενο φορτίο 0,045 fC/keV. Όπως φαίνεται στις προδιαγραφές των προδιαγραφών διόδου, πάνω από τάση πόλωσης περίπου ~ 15V η περιοχή εξάντλησης μπορεί να προσεγγιστεί ως σταθερή. Αυτό θέτει το εύρος στόχου για την τάση πόλωσης στα 12−15V. (*: Το Ε αυξάνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας.)

Η λειτουργικότητα των διαφορετικών μονάδων του ανιχνευτή, των συστατικών τους και οι σχετικοί υπολογισμοί. Κατά την αξιολόγηση του ανιχνευτή, η ευαισθησία (*1) ήταν καθοριστική. Απαιτείται ένας εξαιρετικά ευαίσθητος προενισχυτής φόρτισης επειδή μια προσπίπτουσα ακτίνα γάμμα μπορεί να παράγει μόνο μερικές χιλιάδες ηλεκτρόνια στην περιοχή εξάντλησης ημιαγωγών. Επειδή ενισχύουμε έναν μικροσκοπικό παλμό ρεύματος, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στην επιλογή εξαρτημάτων, την προσεκτική θωράκιση και τη διάταξη της πλακέτας κυκλώματος.

(*1: Ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να εναποτίθεται στον ανιχνευτή για να παράγει ένα ξεχωριστό σήμα και την αναλογία σήματος προς θόρυβο.)

Για να επιλέξω σωστά τις τιμές των στοιχείων, συνοψίζω πρώτα τις απαιτήσεις, τις επιθυμητές προδιαγραφές και τους περιορισμούς:

Αισθητήρες:

• Μεγάλο δυνατό εύρος ανίχνευσης, 1keV-1MeV
• Χαμηλή χωρητικότητα για ελαχιστοποίηση του θορύβου, 20pF-50pF
• Αμελητέο ρεύμα διαρροής με αντίστροφη προκατάληψη.

Ενίσχυση και διάκριση:

• Φορτίστε ευαίσθητους προενισχυτές
• Διαφοροποιητής για διαμόρφωση παλμών
• Συγκριτής για τον παλμό σήματος όταν βρίσκεται πάνω από το καθορισμένο όριο
• Συγκριτής για την παραγωγή θορύβου όταν βρίσκεται εντός του ορίου ορίου
• Συγκριτής για συμπτώσεις καναλιών
• Γενικό όριο για φιλτράρισμα συμβάντων.

Digitalηφιακός και μικροελεγκτής:

• Γρήγοροι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό
• Δεδομένα εξόδου για επεξεργασία και διεπαφή χρήστη.

Ισχύς και φιλτράρισμα:

• Ρυθμιστές τάσης για όλα τα στάδια
• Τροφοδοσία Υψηλής Τάσης για την παραγωγή της τάσης πόλωσης
• Σωστό φιλτράρισμα όλης της κατανομής ισχύος.

Επέλεξα τα ακόλουθα στοιχεία:

• Μετατροπέας ενίσχυσης DC: LM 2733
• Ενισχυτές φόρτισης: AD743
• Άλλα ενισχυτικά Op: LM393 & LM741
• DAQ/Ανάγνωση: Arduino Nano.

Οι πρόσθετες προδιαγραφές που επιβάλλονται περιλαμβάνουν:

• Ρυθμός λειτουργίας:> 250 kHz (84 κανάλια), 50 kHz (σύμπτωση)
• Ανάλυση: 10bit ADC
• Ρυθμός δειγματοληψίας: 5kHz (8 κανάλια)
• Τάσεις: 5V Arduino, 9V op-ενισχυτές, asing 12V πόλωση.

Η συνολική διάταξη και σειρά των παραπάνω στοιχείων απεικονίζονται στο σχήμα του μπλοκ διαγράμματος. Πραγματοποιήσαμε τους υπολογισμούς με τιμές συνιστωσών που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη φάση της δοκιμής (δείτε την τρίτη εικόνα). (*: Ορισμένες τιμές εξαρτημάτων δεν είναι οι ίδιες με τις αρχικά προγραμματισμένες ούτε οι ίδιες με αυτές που ισχύουν αυτήν τη στιγμή. Παρόλα αυτά αυτοί οι υπολογισμοί παρέχουν ένα πλαίσιο καθοδήγησης.)

Βήμα 4: Τα κυκλώματα

(Θρύλοι του σχήματος: (1) Συνολικό σχήμα των σταδίων 1-3 ενός μεμονωμένου καναλιού, συμπεριλαμβανομένης της βάσης διόδου και των διαχωριστών τάσης που παρέχουν αναφορές σε κάθε στάδιο, υποενότητες κυκλώματος.)

Ας εξηγήσουμε τώρα τη «ροή» του σήματος ανίχνευσης ενός από τα τέσσερα κανάλια από τη δημιουργία του έως την ψηφιακή απόκτηση.

Στάδιο 1

Το μόνο σήμα ενδιαφέροντος προέρχεται από τις φωτοδιόδους. Αυτοί οι αισθητήρες είναι αντίστροφα προκατειλημμένοι. Η παροχή πόλωσης είναι ένα σταθερό 12V το οποίο περνά μέσα από ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης για να εξαλείψει κάθε ανεπιθύμητο θόρυβο μεγαλύτερο από 1Hz. Κατά τον ιονισμό της περιοχής εξάντλησης, δημιουργείται ένας παλμός φόρτισης στις ακίδες της διόδου. Αυτό το σήμα λαμβάνεται από το πρώτο μας στάδιο ενίσχυσης: τον ενισχυτή φόρτισης. Ένας ενισχυτής φόρτισης μπορεί να γίνει με οποιονδήποτε λειτουργικό ενισχυτή, αλλά οι προδιαγραφές χαμηλού θορύβου είναι πολύ σημαντικές.

Στάδιο 2

Ο στόχος αυτού του σταδίου είναι να μετατρέψει τον παλμό φόρτισης που ανιχνεύεται στην αναστροφή της εισόδου, σε τάση DC στην έξοδο του op-amp. Η μη αναστρέψιμη είσοδος φιλτράρεται και ρυθμίζεται σε διαχωριστή τάσης σε γνωστό και επιλεγμένο επίπεδο. Αυτό το πρώτο στάδιο είναι δύσκολο να συντονιστεί, αλλά μετά από πολλές δοκιμές καταλήξαμε σε έναν πυκνωτή ανάδρασης 2 [pF] και έναν αντιστάτη ανάδρασης 44 [MOhm], με αποτέλεσμα έναν παλμό 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. Ένας ανεστραμμένος ενεργός ενισχυτής φίλτρου bandpass, ο οποίος λειτουργεί σαν διαφοροποιητής, ακολουθεί τον ενισχυτή φόρτισης. Αυτό το στάδιο φιλτράρει και μετατρέπει το επίπεδο μετατροπής DC, που προέρχεται από το προηγούμενο στάδιο σε παλμό με κέρδος 100. Το ακατέργαστο σήμα ανιχνευτή ανιχνεύεται στην έξοδο αυτού του σταδίου.

Στάδιο 3

Ακολουθούν τα κανάλια σήματος και θορύβου. Αυτές οι δύο έξοδοι πηγαίνουν απευθείας στο DAQ καθώς και στο δεύτερο αναλογικό PCB. Και οι δύο λειτουργούν ως συγκριτές op-amp. Η μόνη διαφορά μεταξύ των δύο είναι ότι το κανάλι θορύβου έχει χαμηλότερη τάση στη μη αναστρέψιμη είσοδο από το κανάλι σήματος και το κανάλι σήματος φιλτράρεται επίσης για να αφαιρέσει συχνότητες πάνω από τον αναμενόμενο παλμό εξόδου από το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης. Ένας ενισχυτής LM741 λειτουργεί ως συγκριτής έναντι ενός μεταβλητού ορίου για τη διάκριση του καναλιού σήματος, επιτρέποντας στον ανιχνευτή να στέλνει μόνο επιλεγμένα συμβάντα στο ADC/MCU. Μια μεταβλητή αντίσταση στη μη αναστρέψιμη είσοδο ορίζει το επίπεδο σκανδάλης. Σε αυτό το στάδιο (μετρητής συμπτώσεων), τα σήματα από κάθε κανάλι τροφοδοτούνται σε ένα op-amp που λειτουργεί ως κύκλωμα αθροίσματος. Ορίζεται ένα σταθερό όριο που συμπίπτει με δύο ενεργά κανάλια. Η έξοδος op-amp είναι υψηλή εάν δύο ή περισσότερες φωτοδιόδους καταγράφουν ένα χτύπημα ταυτόχρονα.

Σημείωση: Κάναμε ένα κρίσιμο λάθος βάζοντας τον μετατροπέα επιτάχυνσης DC/DC της δύναμης πόλωσης κοντά στα ευαίσθητα στη φόρτιση ενισχυτικά στο PCB ενίσχυσης. Perhapsσως το διορθώσουμε σε νεότερη έκδοση.

Βήμα 5: Η συνέλευση

Συγκόλληση, πολλές συγκολλήσεις … Επειδή ο αισθητήρας που επιλέχθηκε για τον τελικό ανιχνευτή υπάρχει μόνο ως στοιχείο SMT footprint, έπρεπε να σχεδιάσουμε PCB (2 στρώματα). Επομένως, όλα τα σχετικά κυκλώματα μεταφέρθηκαν επίσης σε πλακέτες PCB και όχι σε σανίδα ψωμιού. Όλα τα αναλογικά εξαρτήματα τοποθετήθηκαν σε δύο ξεχωριστά PCB και τα ψηφιακά εξαρτήματα σε ένα άλλο για να αποφευχθούν παρεμβολές θορύβου. Αυτά ήταν τα πρώτα PCB που κάναμε ποτέ, οπότε έπρεπε να λάβουμε κάποια βοήθεια για τη διάταξη στο Eagle. Το πιο σημαντικό PCB είναι αυτό των αισθητήρων και της ενίσχυσης. Με έναν παλμογράφο που παρακολουθεί τις εξόδους στα σημεία δοκιμής, ο ανιχνευτής μπορεί να λειτουργήσει αποκλειστικά με αυτόν τον πίνακα (παράκαμψη DAQ). Βρήκα και διόρθωσα τα λάθη μου. Αυτά περιλάμβαναν λανθασμένα αποτυπώματα εξαρτημάτων, τα οποία είχαν ως αποτέλεσμα να ακουμπούνται τα καλώδια χαμηλού θορύβου και εξαρτήματα στο τέλος του κύκλου ζωής τους που αντικαταστάθηκαν με εναλλακτικές λύσεις. Επιπλέον, δύο φίλτρα προστέθηκαν στο σχέδιο για την καταστολή των ταλαντώσεων.

Βήμα 6: Το περίβλημα

Ο στόχος του τρισδιάστατου τυπωμένου περιβλήματος, του φύλλου μολύβδου και του αφρού είναι: για σκοπούς τοποθέτησης, θερμική απομόνωση, παροχή θωράκισης και αποκλεισμού του φωτός περιβάλλοντος και προφανώς για την προστασία των ηλεκτρονικών. Επισυνάπτονται αρχεία STL εκτύπωσης 3D.

Βήμα 7: Ανάγνωση Arduino

Το μέρος ανάγνωσης (ADC/DAQ) του ανιχνευτή αποτελείται από ένα Arduino Mini (επισυνάπτεται ο κωδικός). Αυτός ο μικροελεγκτής παρακολουθεί τις εξόδους των τεσσάρων ανιχνευτών και την τροφοδοσία του μεταγενέστερου (ποιότητα ισχύος κομματιών) και στη συνέχεια εξάγει όλα τα δεδομένα στη σειριακή έξοδο (USB) για περαιτέρω ανάλυση ή εγγραφή.

Μια εφαρμογή επεξεργασίας επιφάνειας εργασίας αναπτύχθηκε (επισυνάπτεται) για να σχεδιάσει όλα τα εισερχόμενα δεδομένα.

Βήμα 8: Δοκιμή

(Θρύλοι του σχήματος: (1) Αποτέλεσμα παλμού πηγής σήματος προς θόρυβο πηγής 60Co (t ~ 760ms) ~ 3: 1., (2) Έγχυση ισοδύναμη με το φορτίο που εναποτίθεται από μια πηγή ενέργειας ~ 2 MeV., (3) Έγχυση ισοδύναμη με το φορτίο που κατατίθεται από πηγή 60Co (~ 1,2 MeV)).

Η έγχυση φόρτισης έγινε με μια γεννήτρια παλμών που συνδέθηκε με έναν πυκνωτή (1pF) στο μαξιλάρι αισθητήρα και τερματίστηκε στη γείωση μέσω αντίστασης 50Ohm. Αυτές οι διαδικασίες μου έδωσαν τη δυνατότητα να δοκιμάσω τα κυκλώματά μου, να ρυθμίσω λεπτομερώς τις τιμές των συστατικών και να προσομοιώσω τις αποκρίσεις των φωτοδιόδων όταν εκτίθενται σε ενεργή πηγή. Βάλαμε τόσο πηγή Americium − 241 (60 KeV) όσο και πηγή Iron − 55 (5,9 KeV) μπροστά από τις δύο ενεργές φωτοδιόδους και κανένα κανάλι δεν είδε διακριτικό σήμα. Επαληθεύσαμε μέσω ενέσεων παλμών και καταλήξαμε ότι οι παλμοί από αυτές τις πηγές ήταν κάτω από το ορατό όριο λόγω των επιπέδων θορύβου. Ωστόσο, μπορούσαμε ακόμα να δούμε επιτυχίες από μια πηγή 60Co (1,33 MeV). Ο κύριος περιοριστικός παράγοντας κατά τη διάρκεια των δοκιμών ήταν ο σημαντικός θόρυβος. Υπήρχαν πολλές πηγές θορύβου και λίγες εξηγήσεις για το τι τους δημιουργούσε. Διαπιστώσαμε ότι μια από τις πιο σημαντικές και επιβλαβείς πηγές ήταν η παρουσία θορύβου πριν από το πρώτο στάδιο ενίσχυσης. Λόγω του τεράστιου κέρδους, αυτός ο θόρυβος ενισχύθηκε σχεδόν εκατό φορές! Contribσως συνέβαλε επίσης το ακατάλληλο φιλτράρισμα ισχύος και ο θόρυβος Johnson που επανατοποθετήθηκε στους βρόχους ανάδρασης των σταδίων του ενισχυτή (αυτό εξηγεί τη χαμηλή αναλογία σήματος προς θόρυβο). Δεν ερευνήσαμε την εξάρτηση του θορύβου με την προκατάληψη, αλλά ίσως το εξετάσουμε περαιτέρω στο μέλλον.

Βήμα 9: Η μεγαλύτερη εικόνα

Δείτε το βίντεο από το Veritasium για τα πιο ραδιενεργά μέρη στη γη!

Αν τα καταφέρατε μέχρι εδώ και ακολουθήσατε τα βήματα, τότε συγχαρητήρια! Έχετε δημιουργήσει μια συσκευή για εφαρμογές πραγματικού κόσμου όπως το LHC! Perhapsσως θα πρέπει να σκεφτείτε μια αλλαγή καριέρας και να μπείτε στον τομέα της πυρηνικής φυσικής:) Με πιο τεχνικούς όρους, έχετε δημιουργήσει έναν ανιχνευτή ακτινοβολίας στερεάς κατάστασης που αποτελείται από μια μήτρα φωτοδιόδων και συναφή κυκλώματα για τον εντοπισμό και τη διάκριση γεγονότων. Ο ανιχνευτής αποτελείται από πολλαπλά στάδια ενίσχυσης που μετατρέπουν τους μικρούς παλμούς φορτίου σε παρατηρήσιμες τάσεις και στη συνέχεια τους διακρίνουν και τους συγκρίνουν. Ένας συγκριτής, μεταξύ των καναλιών, παρέχει επίσης πληροφορίες σχετικά με τη χωρική κατανομή των εντοπισμένων συμβάντων. Ενσωματώσατε επίσης τη χρήση ενός μικροελεγκτή Arduino και βασικού λογισμικού για τη συλλογή και ανάλυση δεδομένων.

Βήμα 10: Αναφορές

Εκτός από τα υπέροχα PDF που επισυνάπτονται, εδώ είναι μερικοί σχετικοί ενημερωτικοί πόροι:

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

- First Sensor, First Sensor PIN PD Sheet Data Sheet Part Description X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

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

- C. Thiel, An Introduction to Semiconductor Radiation Detectors, Web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

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