גלאי קרינה נייד: 10 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

זהו מדריך לעיצוב, בנייה ובדיקה של גלאי קרינת צילום דיודה ניידת משלכם המתאים לטווח הזיהוי 5keV-10MeV בכדי לכמת במדויק קרני גמא באנרגיה נמוכה המגיעות ממקורות רדיואקטיביים! שימו לב אם אינכם רוצים להפוך לזומבי פעיל ברדיו: אין זה בטוח להיות בקרבת מקורות קרינה גבוהה, ואין להשתמש במכשיר זה כדרך אמינה לאתר קרינה שעלולה להזיק.

נתחיל עם מעט מדע רקע על הגלאי לפני שנלך לבנייתו. למעלה סרטון נפלא מ- Veritasium המסביר מהי קרינה ומהיכן היא מגיעה.

שלב 1: ראשית, הרבה פיזיקה

(אגדת איור: קרינה מייננת יוצרת זוגות חורי אלקטרונים באזור הפנימי וכתוצאה מכך דופק מטען).

תאי ניצוץ, גלאי צינורות של מכפלת גייגר וגודלי צילום … כל הגלאים מסוג זה הם מסורבלים, יקרים או משתמשים במתחים גבוהים להפעלה. ישנם כמה סוגי צינורות ידידותיים ליצרנים, כגון https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 ו https://www.adafruit.com/product/483. שיטות אחרות לאיתור קרינה הן גלאי מצב מוצק (למשל גלאי גרמניום). עם זאת, אלה יקרים לייצור ודורשים ציוד מיוחד (חשבו קירור חנקן נוזלי!). להיפך, גלאי מצב מוצק הם מאוד חסכוניים. הם נמצאים בשימוש נרחב וממלאים תפקיד חיוני בפיזיקת חלקיקים באנרגיה גבוהה, פיזיקה רפואית ואסטרופיזיקה.

כאן אנו בונים גלאי קרינה נייד של מצב מוצק המסוגל לכמת ולזהות במדויק קרני גמא באנרגיה נמוכה המגיעות ממקורות רדיואקטיביים. המכשיר מורכב ממערך של דיודות סיליקון פין סיליקון בעלות השטח הפוך, המפיקות למגבר קדם טעינה, מגבר מבדיל, מפלה ומשווה. התפוקה של כל השלבים הרצופים מומרת לאותות דיגיטליים לניתוח. נתחיל בתיאור העקרונות של גלאי חלקיקי סיליקון, דיודות PiN, הטייה הפוכה ופרמטרים קשורים אחרים. לאחר מכן נסביר את החקירות השונות שנערכו, ואת הבחירות שנעשו. בסופו של דבר, נציג את אב הטיפוס הסופי ואת הבדיקות.

גלאי SolidState

ביישומים רבים לאיתור קרינה, השימוש במדיום זיהוי מוצק הוא בעל יתרון משמעותי (לחלופין נקרא גלאי דיודות מוליכים למחצה או גלאי מצב מוצק). דיודות סיליקון הן הגלאים המועדפים על מספר רב של יישומים, במיוחד כאשר מדובר בחלקיקים טעונים כבדים. אם מדידת האנרגיה אינה נחוצה, מאפייני התזמון המעולים של גלאי דיודות הסיליקון מאפשרים ספירה ומעקב מדויק של חלקיקים טעונים.

למדידת אלקטרונים או קרני גמא באנרגיה גבוהה, ניתן לשמור על ממדי הגלאי קטנים בהרבה מהחלופות. השימוש בחומרים מוליכים למחצה כגלאי קרינה גורם גם למספר גדול יותר של נשאים לאירוע קרינה תקרית נתון, ולכן מגבלה סטטיסטית נמוכה יותר ברזולוציית האנרגיה ממה שאפשר עם סוגי גלאים אחרים. כתוצאה מכך, רזולוציית האנרגיה הטובה ביותר שניתן להשיג כיום מתממשת באמצעות גלאים כאלה.

נושאי המידע הבסיסיים הם זוגות חורי אלקטרונים שנוצרים לאורך הנתיב שהחלקיק הטעון מבעד לגלאי (ראו איור למעלה). על ידי איסוף זוגות חורי אלקטרונים אלה, הנמדדים כמטענים באלקטרודות החיישן, אות האיתור נוצר והוא עובר לשלבי הגברה ואפליה. מאפיינים רצויים נוספים של גלאי מצב מוצק הם גודל קומפקטי, מאפייני תזמון מהירים יחסית ועובי יעיל (*). כמו בכל גלאי, ישנם חסרונות, כולל ההגבלה לגדלים קטנים והאפשרות יחסית של מכשירים אלה לעבור פגיעה בביצועים כתוצאה מנזקי קרינה.

(*: חיישנים דקים ממזערים פיזור מרובה, בעוד שחיישנים עבים יותר מייצרים מטענים נוספים כאשר חלקיק חוצה את המצע.)

דיודות P − i − N:

כל סוג גלאי קרינה מייצר תפוקה אופיינית לאחר אינטראקציה עם קרינה. אינטראקציות של חלקיקים עם חומר נבדלות בשלוש השפעות:

1. האפקט הצילום-חשמלי
2. פיזור קומפטון
3. ייצור זוגי.

העיקרון הבסיסי של גלאי סיליקון מישורי הוא השימוש בצומת PN בו חלקיקים מתקשרים באמצעות שלוש התופעות הללו. חיישן הסיליקון המישורי הפשוט ביותר מורכב מצע מסומם P ומשתל N בצד אחד. זוגות חורי אלקטרונים נוצרים לאורך מסלול חלקיקים. באזור צומת PN, יש אזור ללא נושאים, הנקרא אזור הדלדול. זוגות חורי האלקטרונים הנוצרים באזור זה מופרדים על ידי שדה חשמלי שמסביב. לכן, ניתן למדוד את נושאי המטען בצד N או P של חומר הסיליקון. על ידי החלת מתח הטיה הפוכה על דיודת צומת PN, האזור המדולדל גדל ויכול לכסות את מצע החיישנים השלם. אתה יכול לקרוא עוד על זה כאן: מאמר ויקיפדיה של צומת פינים.

דיודת PiN כוללת אזור i מהותי, בין צומת P ו- N, מוצף במנשאי מטען מאזורי P ו- N. אזור פנימי רחב זה אומר גם שלדיודה יש קיבול נמוך כאשר מוטה הפוכה. בדיודת PiN, אזור הדלדול קיים כמעט לחלוטין בתוך האזור הפנימי. אזור דלדול זה גדול בהרבה מאשר עם דיודת PN רגילה. זה מגביר את עוצמת הקול שבה ניתן לייצר זוגות חורי אלקטרונים על ידי פוטון תקרית. אם מוחל שדה חשמלי על החומר המוליך למחצה, הן האלקטרונים והן החורים עוברים נדידה. דיודת ה- PiN מוטה הפוכה כך שכל שכבת i מתרוקנת מנשאים חופשיים. הטיה הפוכה זו יוצרת שדה חשמלי על פני שכבת ה- i כך שהאלקטרונים נסחפים לשכבת ה- P ולחורים, לשכבת N (*4).

זרימת נשאים בתגובה לדופק קרינה מהווה את הדופק הנוכחי הנמדד. כדי למקסם את הזרם הזה, אזור ה- i חייב להיות גדול ככל האפשר. המאפיינים של הצומת הם כאלה שהוא מוביל מעט מאוד זרם כשהוא מוטה בכיוון ההפוך. צד P של הצומת הופך לשלילי ביחס לצד N, והפרש הפוטנציאל הטבעי מצד אחד של הצומת לשני משתפר. בנסיבות אלה, נושאי המיעוט נמשכים לרוחב הצומת ומכיוון שריכוזם נמוך יחסית, הזרם ההפוך על פני הדיודה הוא די קטן. כאשר מוחלת הטייה הפוכה על הצומת, כמעט כל המתח המופעל מופיע ברחבי אזור הדלדול, מכיוון שהתנגדותו גבוהה בהרבה מזו של החומר הרגיל מסוג N או P. ואכן, ההטיה ההפוכה מדגישה את ההבדל הפוטנציאלי על פני הצומת. עובי אזור הדלדול גדל גם הוא, ומרחיב את הנפח שעליו נאספים נושאי מטען המיוצרים באמצעות קרינה. ברגע שהשדה החשמלי גבוה מספיק, אוסף המטען הופך להשלים, וגובה הדופק כבר לא משתנה עם עלייה נוספת במתח הטיה של הגלאי.

(*1: אלקטרונים במצב המאוגד של האטום הופלים על ידי פוטונים כאשר האנרגיה של חלקיקי האירוע גבוהה יותר מהאנרגיה המחייבת. והעברת חלק מהאנרגיה לאלקטרון.; *3: ייצור חלקיק אלמנטרי ואנטי חלקיק שלו. כיוון כמו השדה החשמלי.)

שלב 2: חקירה

זוהי גרסת האב -טיפוס של ה"גלאי "שבנינו, איתור באגים ובדקנו. זוהי מטריצה המורכבת ממספר חיישנים בעלי חיישן קרינה בסגנון "CCD". כפי שצוין קודם לכן, כל המוליכים למחצה הסיליקון רגישים לקרינה. תלוי עד כמה הוא מדויק, והחיישנים המשמשים אפשר גם לקבל מושג גס לגבי רמת האנרגיה של החלקיק שגרם לפגיעה.

השתמשנו בדיודות לא מוגנות שכבר נועדו לחישה, שכאשר מוטה הפוך (ומגן עליה מפני אור גלוי), יכול לרשום להיטים מקרינת ביתא וגמא על ידי הגברת האותות הזעירים וקריאת נתוני הפלט בעזרת מיקרו -בקר. אולם, לעתים רחוקות ניתן לזהות קרינת אלפא מכיוון שהיא אינה יכולה לחדור אפילו בד דק או סיכוך פולימרי. מצורף סרטון נפלא מ- Veritasium, המסביר את סוגי הקרינה השונים (אלפא, בטא וגמא).

איטרציות העיצוב הראשוניות השתמשו בחיישן אחר (פוטודיודה BPW-34; חיישן מפורסם אם אתה מחפש בגוגל). יש אפילו כמה מדריכים קשורים שמשתמשים בו בדיוק לאיתור קרינה כמו זו מצוינת: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. עם זאת, מכיוון שהיו בו כמה באגים והוא לא תפקד בצורה אופטימלית, החלטנו להשמיט את פרטי אב הטיפוס הזה ממדריך זה כדי למנוע מיצרנים לבנות גלאי מלא פגמים. עם זאת, צירפנו את קבצי העיצוב והסכימה למקרה שמישהו מעוניין בכך.

שלב 3: העיצוב

(אגדות תמונה: (1) דיאגרמת בלוק של גלאי: מיצירת אות ועד רכישת נתונים., (2) מפרט פוטודיודה X100-7: שטח אקטיבי של 100 מ"מ^2, אזור מדולדל של 0.9 מ"מ, ציפוי חוסם אור, זרם כהה נמוך … כפי שמוצג בעלילת הסתברות הקליטה, דיודות PiN סופגות בקלות אנרגיית קרני גמא, (3) הערת יישום של היצרן אשר אישר את הרעיון העיצובי ועזר לבחור ערכי רכיב ראשוניים.

הסתפקנו בחיישן שטח גדול יותר, כלומר ה- X100−7 מהחיישן הראשון. למטרות בדיקה ומודולריות, עיצבנו שלושה חלקים שונים, שנערמו זה על זה: חיישנים והגברה (מגבר טעינת רעש נמוך + מגבר עיצוב דופק), אפליינים ומשווים, ויסות DC/DC ו- DAQ (Arduino לרכישת נתונים). כל שלב הורכב, אומת ונבדק בנפרד כפי שתראה בשלב הבא.

היתרון העיקרי של גלאי מוליכים למחצה הוא אנרגיית היינון הקטנה (E), ללא תלות באנרגיה ובסוג הקרינה המתרחשת. פישוט זה מאפשר להסביר מספר זוגות חורי אלקטרונים במונחים של אנרגיית הקרינה המתרחשת, בתנאי שהחלקיק נעצר במלואו בתוך הנפח הפעיל של הגלאי. עבור סיליקון ב 23C (*) יש לנו E ~ 3.6eV. בהנחה שכל האנרגיה מופקדת ובאמצעות אנרגיית היינון נוכל לחשב את מספר האלקטרונים המיוצרים על ידי מקור נתון. לדוגמה, 60keVgamma-ray ממקור Americium-241 יביא למטען מופקד של 0.045 fC/keV. כפי שמוצג במפרט מפרט הדיודה, מעל מתח הטיות של כ ~ 15V ניתן לאמוד את אזור הדלדול כקבוע. זה מגדיר את טווח היעד למתח ההטייה שלנו ל- 12-15V. (*: E עולה עם ירידה בטמפרטורה.)

הפונקציונליות של המודולים השונים של הגלאי, מרכיביהם וחישובים נלווים. בעת הערכת הגלאי, הרגישות (*1) הייתה מכרעת. נדרש מגבר קדם-טעינה רגיש במיוחד מכיוון שקרינת גמא תקרית עשויה לייצר רק כמה אלפי אלקטרונים באזור דלדול המוליכים למחצה. מכיוון שאנו מגבירים דופק זרם זעיר, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לבחירת רכיבים, מיגון מוקפד ופריסת לוח מעגלים.

(*1: אנרגיה מינימלית שיש להפקיד בגלאי להפקת אות מובהק, ויחס האות לרעש).

כדי לבחור נכון את ערכי הרכיב, אני מסכם תחילה את הדרישות, המפרט הרצוי והאילוצים:

חיישנים:

• טווח זיהוי גדול אפשרי, 1keV-1MeV
• קיבול נמוך למזעור רעש, 20pF-50pF
• זרם זליגה זניח תחת הטיה הפוכה.

הגברה ואפליה:

• טעינת מגברים קדם רגישים
• מבדיל לעיצוב דופק
• משווה לדופק האות כאשר הוא עולה על הסף שנקבע
• השוואה לפלט רעש בתוך מרווח סף
• השוואה לצירופי מקרים של ערוצים
• סף כללי לסינון אירועים.

בקר דיגיטלי ומיקרו-בקר:

• ממירים אנלוגיים לדיגיטליים מהירים
• נתוני פלט לעיבוד וממשק משתמש.

כוח וסינון:

• וויסות מתח לכל השלבים
• אספקת מתח גבוה ליצירת כוח הטיה
• סינון נכון של כל חלוקת החשמל.

בחרתי את המרכיבים הבאים:

• ממיר Boost DC: LM 2733
• מגברי טעינה: AD743
• מגברי אופ נוספים: LM393 ו- LM741
• DAQ/קריאה: Arduino Nano.

מפרטים נוספים שהוטלו כוללים:

• קצב הפעלה:> 250 קילוהרץ (84 ערוצים), 50 קילוהרץ (צירוף מקרים)
• רזולוציה: 10bit ADC
• קצב דגימה: 5kHz (8 ערוצים)
• מתח: 5V Arduino, 9V אמפר-אמפר, ~ 12V הטיה.

הסידור הכולל והסדר של המרכיבים לעיל מיוצגים באיור תרשים הבלוק. ערכנו את החישובים עם ערכי רכיבים המשמשים בשלב הבדיקה (ראו תמונה שלישית).)

שלב 4: המעגלים

(אגדות איור: (1) סכמטי כולל של שלבים 1-3 של ערוץ בודד, כולל בידוד דיודות ומחיצות מתח המספקות הפניות לכל שלב, תת-מקטעי מעגל).

הבה נסביר כעת את "זרימת" אות האיתור של אחד מארבעת הערוצים מיצירתו ועד לרכישה דיגיטלית.

שלב 1

האות היחיד לעניין מקורו בפוטודיודות. חיישנים אלה מוטים הפוך. אספקת הטיה הינה 12V יציבה אשר עוברת דרך מסנן מעבר נמוך כדי לסלק כל רעש לא רצוי גדול מ -1 הרץ. עם יינון של אזור הדלדול, דופק מטען נוצר בסיכות הדיודה. אות זה נקלט על ידי שלב ההגברה הראשון שלנו: מגבר הטעינה. ניתן לייצר מגבר טעינה עם כל מגבר תפעולי, אך מפרט רעש נמוך הוא מאוד חשוב.

שלב 2

מטרתו של שלב זה היא להמיר את דופק הטעינה המזוהה בכניסה ההפוכה למתח DC ביציאת המגבר. הכניסה הבלתי הפיכה מסוננת ומוגדרת למפריד מתח ברמה ידועה ונבחרת. קשה לכוון את השלב הראשון הזה, אך לאחר בדיקות רבות הסתפקנו בקבל משוב של 2 [pF], ונגד הזנה של 44 [MOhm], וכתוצאה מכך דופק של 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [מיקרון]. מגבר מסנן פס פס הפוך, הפועל כמבדל, עוקב אחר מגבר הטעינה. שלב זה מסנן וממיר את רמת DC הממירים, הנובע מהשלב הקודם לדופק בעל רווח של 100. אות הגלאי הגולמי נחקר בפלט של שלב זה.

שלב 3

הבאים בתור הם ערוצי האות והרעש. שתי יציאות אלה עוברות ישירות ל- DAQ כמו גם ל- PCB האנלוגי השני. שניהם מתפקדים כמשוואי אופ-אמפר. ההבדל היחיד בין השניים הוא שלערוץ הרעש יש מתח נמוך יותר בכניסתו הבלתי הפיכה מערוץ האות, וערוץ האות מסונן גם כדי להסיר תדרים מעל דופק הפלט הצפוי משלב ההגברה השני. מגבר LM741 פועל כמשווה כנגד סף משתנה כדי להפלות את ערוץ האותות, ומאפשר לגלאי לשלוח אירועים נבחרים בלבד ל- ADC/MCU. נגד משתנה על הכניסה הלא-היפנית קובע את רמת ההדק. בשלב זה (מונה צירוף מקרים), אותות מכל ערוץ מוזנים למגבר אופטי הפועל כמעגל סיכום. נקבע סף קבוע המקביל לשני ערוצים פעילים. יציאת המגבר האופטי גבוהה אם שתיים או יותר פוטודיודות רושמות להיט בו זמנית.

הערה: עשינו טעות מכרעת על ידי הצבת ממיר ההגדלה של DC/DC של כוח ההטיה ליד מגברי ההגברה הרגישים לטעינה על לוח ההגברה. אולי נתקן זאת בגרסה מאוחרת יותר.

שלב 5: האסיפה

הלחמה, הרבה הלחמות … מכיוון שהחיישן שנבחר לגלאי הסופי קיים רק כמרכיב טביעת רגל SMT היינו צריכים לעצב PCB (2 שכבות). לכן, כל המעגלים הקשורים הועברו גם ללוחות PCB ולא ללוח הלחם. כל הרכיבים האנלוגיים הונחו על שני מחשבי PCB נפרדים, והרכיבים הדיגיטליים על אחר כדי למנוע הפרעות רעש. אלה היו ה- PCB הראשון שעשינו אי פעם ולכן נאלצנו לקבל קצת עזרה לפריסה ב- Eagle. ה- PCB החשוב ביותר הוא זה של החיישנים וההגברה. בעזרת אוסצילוסקופ המנטר את התפוקות בנקודות הבדיקה הגלאי יכול לפעול אך ורק באמצעות לוח זה (מעקף DAQ). מצאתי ותיקנתי את השגיאות שלי; אלה כללו טביעות רגל של רכיבים שגויים, מה שגרם לכך שמגמילי הנגינה ברעש הנמוך שלנו נקשרו בחוטים ורכיבי סוף החיים שהוחלפו בחלופות. בנוסף נוספו לעיצוב שני מסננים כדי לדכא תנודות צלצול.

שלב 6: המארז

מטרת המעטפת המודפסת בתלת -ממד, יריעת העופרת והקצף היא ל: מטרות הרכבה, בידוד תרמי, מתן מגן רעש וחסימת אור הסביבה, וככל הנראה להגן על האלקטרוניקה. מצורפים קובצי STL להדפסה תלת -ממדית.

שלב 7: קריאת ארדואינו

החלק הקריאה (ADC/DAQ) של הגלאי מורכב ממודל Arduino Mini (מצורף קוד). מיקרו -בקר זה עוקב אחר יציאות ארבעת הגלאים ואת כוח האספקה למאוחר יותר (איכות הספק של מסלול), ואז פולט את כל הנתונים על הפלט הטורי (USB) לצורך ניתוח או הקלטה נוספים.

פותחה (מצורפת) יישום שולחן עבודה לעיבוד לשרטוט כל הנתונים הנכנסים.

שלב 8: בדיקה

(אגדות איור: (1) דופק כתוצאה של מקור 60Co (t ~ 760ms) יחס אות לרעש ~ 3: 1., (2) הזרקה המקבילה למטען שהופקד על ידי מקור אנרגיה ~ 2 MeV., (3) הזרקה המקבילה לחיוב שהופקד על ידי מקור 60Co (~ 1.2 MeV)).

הזרקת הטעינה בוצעה באמצעות מחולל דופק המחובר לקבל (1pF) בכרית החיישן והסתיים לקרקע באמצעות נגד של 50 אוהם. הליכים אלה אפשרו לי לבדוק את המעגלים שלי, לכוונן את ערכי הרכיבים ולדמות את תגובות הפוטודיודות בעת חשיפה למקור פעיל. הצבנו גם מקור Americium-241 (60 KeV) וגם Iron-55 (5.9 KeV) מול שתי דיודות הצילום הפעילות, ואף אחד מהערוצים לא ראה אות ייחודי. אימתנו באמצעות זריקות דופק, והגענו למסקנה שהפעימות ממקורות אלה נמצאות מתחת לסף הנצפה עקב רמות רעש. עם זאת, עדיין הצלחנו לראות להיטים ממקור של 60Co (1.33 MeV). הגורם המגביל העיקרי במהלך הבדיקות היה הרעש המשמעותי.היו הרבה מקורות רעש ומעט הסברים לגבי מה מייצר אותם. גילינו שאחד המקורות המשמעותיים והמזיקים ביותר הוא הימצאות רעש לפני שלב ההגברה הראשון. בשל הרווח העצום הרעש הזה הוגבר כמעט פי מאה! אולי גם תרמו סינון כוח לא תקין ורעש ג'ונסון שהוזרק מחדש ללולאות המשוב של שלבי המגבר (זה יסביר את יחס האות והרעש הנמוך). לא בדקנו את תלות הרעש בהטיה, אך אולי נבדוק זאת בהמשך.

שלב 9: התמונה הגדולה יותר

צפו בסרטון מ- Veritasium על המקומות הרדיואקטיביים ביותר עלי אדמות!

אם הגעת עד לכאן ועשית את השלבים, אז מזל טוב! בנית מכשיר ליישומים בעולם האמיתי כמו LHC! אולי כדאי לך לשקול שינוי קריירה ולהיכנס לתחום הפיזיקה הגרעינית:) במונחים טכניים יותר, בנית גלאי קרינה במצב מוצק המורכב ממטריקס של דיודות צילום ומעגלים נלווים למיקום והפלה של אירועים. הגלאי מורכב משלבי הגברה מרובים הממירים פולסי מטען קטנים למתחים נצפים ואז מפלים ומשווים אותם. משווה, בין ערוצים, מספק גם מידע בנוגע להתפלגות המרחבית של אירועים שזוהו. שילבת גם את השימוש בבקר מיקרו Arduino ותוכנות חיוניות לאיסוף וניתוח נתונים.

שלב 10: הפניות

בנוסף למסמכי ה- PDF הנפלאים המצורפים, הנה כמה משאבים אינפורמטיביים קשורים:

- פ א סמית ', פריימר בפיזיקת קרינה יישומית, World Scientific, ריבר אדג', ניו ג'רזי, 2000.

- חיישן ראשון, חיישן ראשון PIN PD גיליון נתוני חלק X100-7 SMD, אינטרנט. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- הורוביץ, פול והיל, ווינפילד, אמנות האלקטרוניקה. הוצאת אוניברסיטת קיימברידג ', 1989.

- C. Thiel, מבוא לגלאי קרינה של מוליכים למחצה, אינטרנט. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- לינדון אוונס, מפגר ההדרון הגדול: פלא הטכנולוגיה, עורך. העיתונות EPFL, 2009.