Rilevatore di radiazioni portatile: 10 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Questo è un tutorial per progettare, costruire e testare il tuo rilevatore di radiazioni portatile a fotodiodi al silicio adatto per la gamma di rilevamento 5keV-10MeV per quantificare accuratamente i raggi gamma a bassa energia provenienti da sorgenti radioattive! Fai attenzione se non vuoi diventare uno zombi radioattivo: non è sicuro stare vicino a fonti di radiazioni elevate e questo dispositivo NON dovrebbe essere usato come un modo affidabile per rilevare radiazioni potenzialmente dannose.

Cominciamo con un po' di scienza di base sul rivelatore prima di passare alla sua costruzione. Sopra c'è un meraviglioso video di Veritasium che spiega cos'è la radiazione e da dove proviene.

Passaggio 1: in primo luogo, molta fisica

(Legenda della figura: la radiazione ionizzante forma coppie elettrone-lacuna nella regione intrinseca risultando in un impulso di carica.)

Camere a scintilla, rilevatori di tubi Geiger e fotomoltiplicatori… tutti questi tipi di rilevatori sono ingombranti, costosi o utilizzano alte tensioni per funzionare. Esistono alcuni tipi di tubi Geiger di facile utilizzo, come https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 e https://www.adafruit.com/product /483. Altri metodi per rilevare le radiazioni sono i rivelatori a stato solido (ad esempio i rivelatori al germanio). Tuttavia, questi sono costosi da produrre e richiedono attrezzature specializzate (pensa al raffreddamento ad azoto liquido!). Al contrario, i rivelatori a stato solido sono molto convenienti. Sono ampiamente utilizzati e svolgono un ruolo essenziale nella fisica delle particelle ad alta energia, nella fisica medica e nell'astrofisica.

Qui, costruiamo un rilevatore di radiazioni a stato solido portatile in grado di quantificare e rilevare accuratamente i raggi gamma a bassa energia provenienti da sorgenti radioattive. Il dispositivo è costituito da una serie di diodi PiN al silicio di ampia superficie polarizzati inversamente, che emettono un preamplificatore di carica, un amplificatore differenziatore, un discriminatore e un comparatore. L'uscita di tutte le fasi successive viene convertita in segnali digitali per l'analisi. Inizieremo descrivendo i principi dei rilevatori di particelle di silicio, dei diodi PiN, della polarizzazione inversa e di altri parametri associati. Spiegheremo poi le diverse indagini che sono state condotte e le scelte fatte. Alla fine, introdurremo il prototipo finale e il test.

Rivelatori a stato solido

In molte applicazioni di rilevamento di radiazioni, l'uso di un mezzo di rilevamento solido è di notevole vantaggio (in alternativa chiamato rilevatori di diodi a semiconduttore o rilevatori a stato solido). I diodi al silicio sono i rivelatori di scelta per un gran numero di applicazioni, specialmente quando sono coinvolte particelle cariche pesanti. Se la misurazione dell'energia non è richiesta, le eccellenti caratteristiche di temporizzazione dei rivelatori a diodi al silicio consentono un conteggio e un tracciamento accurato delle particelle cariche.

Per la misurazione di elettroni o raggi gamma ad alta energia, le dimensioni del rivelatore possono essere mantenute molto più piccole delle alternative. L'uso di materiali semiconduttori come rivelatori di radiazioni comporta anche un numero maggiore di portatori per un dato evento di radiazione incidente e quindi un limite statistico inferiore sulla risoluzione energetica rispetto a quanto possibile con altri tipi di rivelatori. Di conseguenza, la migliore risoluzione energetica ottenibile oggi è realizzata attraverso l'uso di tali rivelatori.

I vettori di informazioni fondamentali sono coppie elettrone-lacuna create lungo il percorso intrapreso dalla particella carica attraverso il rivelatore (vedi figura sopra). Raccogliendo queste coppie elettrone-lacuna, misurate come cariche agli elettrodi del sensore, si forma il segnale di rivelazione, che procede alle fasi di amplificazione e discriminazione. Ulteriori caratteristiche desiderabili dei rivelatori a stato solido sono una dimensione compatta, caratteristiche di temporizzazione relativamente veloci e uno spessore effettivo (*). Come con qualsiasi rivelatore, ci sono degli inconvenienti, inclusa la limitazione a piccole dimensioni e la possibilità relativa di questi dispositivi di subire un degrado delle prestazioni a causa di danni indotti dalle radiazioni.

(*: i sensori sottili riducono al minimo le dispersioni multiple, mentre i sensori più spessi generano più cariche quando una particella attraversa il substrato.)

Diodi P−i−N:

Ogni tipo di rivelatore di radiazioni produce un'uscita caratteristica dopo l'interazione con la radiazione. Le interazioni delle particelle con la materia si distinguono per tre effetti:

1. l'effetto fotoelettrico
2. Scattering Compton
3. Produzione di coppia.

Il principio di base di un rivelatore planare al silicio è l'utilizzo di una giunzione PN in cui le particelle interagiscono attraverso questi tre fenomeni. Il più semplice sensore planare al silicio è costituito da un substrato drogato con P e un impianto N su un lato. Le coppie elettrone-lacuna vengono create lungo una traiettoria di particelle. Nell'area dello svincolo PN, c'è una regione libera da vettori, chiamata la zona di esaurimento. Le coppie elettrone-lacuna create in questa regione sono separate da un campo elettrico circostante. Pertanto, i portatori di carica possono essere misurati sia sul lato N che sul lato P del materiale di silicio. Applicando una tensione di polarizzazione inversa al diodo a giunzione PN, la zona esaurita cresce e può coprire l'intero substrato del sensore. Puoi leggere di più su questo qui: Pin Junction Wikipedia Article.

Un diodo PiN ha una regione i intrinseca, tra le giunzioni P e N, inondata di portatori di carica dalle regioni P e N. Questa ampia regione intrinseca significa anche che il diodo ha una bassa capacità quando polarizzato inversamente. In un diodo PiN, la regione di svuotamento esiste quasi completamente all'interno della regione intrinseca. Questa regione di esaurimento è molto più grande rispetto a un normale diodo PN. Ciò aumenta il volume in cui le coppie elettrone-lacuna possono essere generate da un fotone incidente. Se viene applicato un campo elettrico al materiale semiconduttore, sia gli elettroni che le lacune subiscono una migrazione. Il diodo PiN è polarizzato inversamente in modo che l'intero i-layer sia privo di portanti liberi. Questa polarizzazione inversa crea un campo elettrico attraverso lo strato i in modo che gli elettroni vengano portati allo strato P e alle lacune, allo strato N (*4).

Il flusso di portatori in risposta ad un impulso di radiazione costituisce l'impulso di corrente misurato. Per massimizzare questa corrente, la regione i deve essere la più grande possibile. Le proprietà della giunzione sono tali che conduce pochissima corrente quando polarizzata nella direzione inversa. Il lato P della giunzione diventa negativo rispetto al lato N e la differenza di potenziale naturale da un lato all'altro della giunzione è aumentata. In queste circostanze, sono le portanti minoritarie ad essere attratte attraverso la giunzione e, poiché la loro concentrazione è relativamente bassa, la corrente inversa attraverso il diodo è piuttosto piccola. Quando viene applicata una polarizzazione inversa alla giunzione, virtualmente tutta la tensione applicata appare attraverso la regione di svuotamento, perché la sua resistività è molto più alta di quella del normale materiale di tipo N o P. Infatti, la polarizzazione inversa accentua la differenza di potenziale attraverso la giunzione. Anche lo spessore della regione di esaurimento viene aumentato, estendendo il volume su cui vengono raccolti i portatori di carica prodotti dalla radiazione. Una volta che il campo elettrico è sufficientemente elevato, la raccolta di carica diventa completa e l'altezza dell'impulso non cambia più con ulteriori aumenti della tensione di polarizzazione del rivelatore.

(*1: Gli elettroni nello stato legato di un atomo vengono eliminati dai fotoni quando l'energia delle particelle incidenti è maggiore dell'energia di legame.; *2: Interazione che comporta la dispersione di una particella da un elettrone libero o debolmente legato, e il trasferimento di una parte dell'energia all'elettrone.; *3: Produzione di una particella elementare e della sua antiparticella.; *4: Gli elettroni sono disegnati nella direzione opposta al vettore del campo elettrico, mentre i fori si muovono nello stesso direzione come il campo elettrico.)

Passaggio 2: esplorazione

Questa è la versione prototipo del "rilevatore" che abbiamo costruito, debuggato e testato. È una matrice composta da più sensori per avere un sensore di radiazioni in stile "CCD". Come accennato in precedenza, tutti i semiconduttori di silicio sono sensibili alle radiazioni. A seconda di quanto è preciso e dei sensori utilizzati, si può anche avere un'idea approssimativa del livello di energia della particella che ha causato un colpo.

Abbiamo utilizzato diodi non schermati già destinati al rilevamento, che quando polarizzati inversamente (e schermati dalla luce visibile), possono registrare i colpi delle radiazioni Beta e Gamma amplificando i piccoli segnali e leggendo i dati di uscita con un microcontrollore. La radiazione alfa, tuttavia, può essere rilevata raramente perché non può penetrare nemmeno nel tessuto sottile o nella schermatura polimerica. In allegato c'è un meraviglioso video di Veritasium, che spiega i diversi tipi di radiazioni (Alpha, Beta e Gamma).

Le iterazioni di progettazione iniziali utilizzavano un sensore diverso (un fotodiodo BPW-34; un famoso sensore se cerchi su Google). Ci sono anche alcuni Instructables correlati che lo usano proprio allo scopo di rilevare radiazioni come questo eccellente: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Tuttavia, poiché presentava alcuni bug e non funzionava in modo ottimale, abbiamo deciso di omettere i dettagli di questo prototipo da questo Instructables per evitare che i Maker costruissero un rilevatore pieno di difetti. Tuttavia, abbiamo allegato i file di progettazione e lo schema nel caso in cui qualcuno fosse interessato.

Passaggio 3: il design

(Titoli delle immagini: (1) Schema a blocchi del rivelatore: dalla creazione del segnale all'acquisizione dei dati., (2) Specifiche del fotodiodo X100-7: area attiva 100 mm^2, zona impoverita 0,9 mm, rivestimento che blocca la luce, bassa corrente di buio… Come mostrato nel grafico della probabilità di assorbimento, i diodi PiN assorbono prontamente l'energia dei raggi gamma, (3) Nota applicativa del produttore che ha confermato il concetto di progettazione e ha aiutato a scegliere i valori iniziali dei componenti.

Abbiamo optato per un sensore di area più ampia, ovvero l'X100-7 di First Sensor. A scopo di test e modularità, abbiamo progettato tre diverse porzioni, impilate l'una sull'altra: sensori e amplificazione (amplificatore di carica a basso rumore + amplificatore di modellazione dell'impulso), discriminatori e comparatore, regolazione DC/DC e DAQ (Arduino per l'acquisizione dati). Ogni fase è stata assemblata, convalidata e testata separatamente, come vedrai nel passaggio successivo.

Un vantaggio principale dei rivelatori a semiconduttore è la piccola energia di ionizzazione (E), indipendente sia dall'energia che dal tipo di radiazione incidente. Questa semplificazione consente di tenere conto di un certo numero di coppie elettrone-lacuna in termini di energia della radiazione incidente, a condizione che la particella sia completamente fermata all'interno del volume attivo del rivelatore. Per il silicio a 23C (*) abbiamo E~3.6eV. Supponendo che tutta l'energia sia depositata e utilizzando l'energia di ionizzazione possiamo calcolare il numero di elettroni prodotti da una data sorgente. Ad esempio, un raggio gamma 60keV da una sorgente Americio-241 risulterebbe in una carica depositata di 0,045 fC/keV. Come mostrato nelle specifiche delle specifiche del diodo, al di sopra di una tensione di polarizzazione di circa ~15V la regione di esaurimento può essere approssimata come costante. Questo imposta l'intervallo target per la nostra tensione di polarizzazione su 12−15V. (*: E aumenta al diminuire della temperatura.)

La funzionalità dei diversi moduli del rivelatore, i loro componenti e i calcoli associati. Quando si valuta il rivelatore, la sensibilità (*1) è stata cruciale. È necessario un preamplificatore di carica estremamente sensibile perché un raggio gamma incidente può generare solo poche migliaia di elettroni nella regione di esaurimento del semiconduttore. Poiché amplifica un piccolo impulso di corrente, è necessario prestare particolare attenzione alla selezione dei componenti, alla schermatura accurata e al layout del circuito.

(*1: Energia minima da depositare nel rivelatore per produrre un segnale distinto e rapporto segnale/rumore.)

Per scegliere correttamente i valori dei componenti, riassumo prima i requisiti, le specifiche desiderate e i vincoli:

Sensori:

• Ampio campo di rilevamento possibile, 1keV-1MeV
• Bassa capacità per ridurre al minimo il rumore, 20pF-50pF
• Corrente di dispersione trascurabile con polarizzazione inversa.

Amplificazione e discriminazione:

• Preamplificatori sensibili alla carica
• Differenziatore per la formazione del polso
• Comparatore per segnale di impulso al di sopra della soglia impostata
• Comparatore per l'uscita del rumore all'interno dell'intervallo di soglia
• Comparatore per coincidenze di canale
• Soglia generale per il filtro degli eventi.

Digitale e microcontrollore:

• Convertitori veloci da analogico a digitale
• Dati di output per l'elaborazione e l'interfaccia utente.

Potenza e filtraggio:

• Regolatori di tensione per tutti gli stadi
• Alimentazione ad alta tensione per generare la potenza di polarizzazione
• Filtraggio adeguato di tutta la distribuzione dell'energia.

Ho scelto i seguenti componenti:

• Convertitore boost CC: LM 2733
• Amplificatori di carica: AD743
• Altri amplificatori operazionali: LM393 e LM741
• DAQ/Lettura: Arduino Nano.

Ulteriori specifiche imposte includono:

• Frequenza operativa: > 250 kHz (84 canali), 50 kHz (coincidenza)
• Risoluzione: ADC a 10 bit
• Frequenza di campionamento: 5kHz (8 canali)
• Voltaggi: Arduino 5V, amplificatori operazionali 9V, polarizzazione ~12V.

La disposizione complessiva e l'ordine dei componenti di cui sopra sono rappresentati nella figura dello schema a blocchi. Abbiamo effettuato i calcoli con i valori dei componenti utilizzati durante la fase di test (vedi la terza immagine). (*: Alcuni valori dei componenti non sono gli stessi inizialmente previsti né gli stessi di quelli attualmente in vigore; tuttavia questi calcoli forniscono un quadro di riferimento.)

Passaggio 4: i circuiti

(Legenda delle figure: (1) Schema generale degli stadi 1-3 di un singolo canale, inclusa la base del diodo e i divisori di tensione che forniscono riferimenti a ciascuno stadio, sottosezioni del circuito.)

Spieghiamo ora il "flusso" del segnale di rilevamento di uno dei quattro canali dalla sua creazione all'acquisizione digitale.

Fase 1

L'unico segnale di interesse proviene dai fotodiodi. Questi sensori sono polarizzati inversamente. L'alimentazione di polarizzazione è un 12V stabile che viene fatto passare attraverso un filtro passa basso per eliminare qualsiasi rumore indesiderato maggiore di 1Hz. Dopo la ionizzazione della regione di svuotamento, viene creato un impulso di carica sui pin del diodo. Questo segnale viene captato dal nostro primo stadio di amplificazione: l'amplificatore di carica. Un amplificatore di carica può essere realizzato con qualsiasi amplificatore operazionale, ma le specifiche a basso rumore sono molto importanti.

Fase 2

L'obiettivo di questa fase è convertire l'impulso di carica rilevato all'ingresso invertente, in una tensione CC all'uscita dell'amplificatore operazionale. L'ingresso non invertente viene filtrato e impostato su un partitore di tensione a un livello noto e scelto. Questo primo stadio è difficile da regolare, ma dopo numerosi test abbiamo optato per un condensatore di retroazione di 2[pF] e un resistore di retroazione di 44[MOhm], risultando in un impulso di 2[pF] × 44[MOhm] = 88[μs]. Un amplificatore con filtro passa-banda attivo invertente, che agisce come un differenziatore, segue l'amplificatore di carica. Questo stadio filtra e converte il livello DC convertito, proveniente dallo stadio precedente, in un impulso con un guadagno di 100. Il segnale grezzo del rivelatore viene sondato all'uscita di questo stadio.

Fase 3

I prossimi in linea sono i canali di segnale e rumore. Queste due uscite vanno direttamente al DAQ e al secondo PCB analogico. Entrambi funzionano come comparatori di amplificatori operazionali. L'unica differenza tra i due è che il canale del rumore ha una tensione inferiore al suo ingresso non invertente rispetto al canale del segnale e anche il canale del segnale viene filtrato per rimuovere le frequenze al di sopra dell'impulso di uscita previsto dal secondo stadio di amplificazione. Un amplificatore operazionale LM741 funge da comparatore rispetto a una soglia variabile per discriminare il canale del segnale, consentendo al rilevatore di inviare solo eventi selezionati all'ADC/MCU. Un resistore variabile sull'ingresso non invertente imposta il livello di trigger. In questa fase (contatore di coincidenza), i segnali di ciascun canale vengono inviati a un amplificatore operazionale che funge da circuito di somma. Viene impostata una soglia fissa coincidente con due canali attivi. L'amplificatore operazionale emette alto se due o più fotodiodi registrano un colpo contemporaneamente.

Nota: abbiamo commesso un errore cruciale posizionando il convertitore step-up DC/DC della potenza di polarizzazione vicino agli amplificatori operazionali sensibili alla carica sul PCB di amplificazione. Forse lo risolveremo in una versione successiva.

Passaggio 5: l'Assemblea

Saldatura, molta saldatura… Poiché il sensore selezionato per il rilevatore finale esiste solo come componente di impronta SMT, abbiamo dovuto progettare PCB (2 strati). Pertanto, anche tutti i circuiti associati sono stati migrati su schede PCB anziché sulla breadboard. Tutti i componenti analogici sono stati collocati su due PCB separati e i componenti digitali su un altro per evitare interferenze di rumore. Questi sono stati i primi PCB che abbiamo mai realizzato, quindi abbiamo dovuto chiedere aiuto per il layout in Eagle. Il PCB più importante è quello dei sensori e dell'amplificazione. Con un oscilloscopio che monitora le uscite nei punti di prova, il rivelatore può funzionare esclusivamente con questa scheda (bypass DAQ). Ho trovato e corretto i miei errori; questi includevano impronte di componenti errate, che hanno portato a intercettare i nostri amplificatori operazionali a basso rumore e componenti a fine vita che sono stati scambiati con alternative. Inoltre, sono stati aggiunti due filtri al design per sopprimere le oscillazioni che squillano.

Passaggio 6: il recinto

L'obiettivo dell'involucro stampato in 3D, del foglio di piombo e della schiuma è per: scopi di montaggio, isolamento termico, fornire uno scudo antirumore e bloccare la luce ambientale ed evidentemente proteggere l'elettronica. I file STL di stampa 3D sono allegati.

Passaggio 7: lettura di Arduino

La parte di lettura (ADC/DAQ) del rilevatore è costituita da un Arduino Mini (codice allegato). Questo microcontrollore monitora le uscite dei quattro rilevatori e fornisce alimentazione a quelli successivi (traccia la qualità dell'alimentazione), quindi emette tutti i dati sull'uscita seriale (USB) per ulteriori analisi o registrazioni.

È stata sviluppata un'applicazione desktop di elaborazione (in allegato) per tracciare tutti i dati in entrata.

Passaggio 8: test

(Legenda delle figure: (1) Impulso risultante di una sorgente 60Co (t ~ 760 ms) rapporto segnale-rumore ~3:1., (2) Iniezione equivalente alla carica depositata da una sorgente di energia ~2 MeV., (3) Iniezione equivalente alla carica depositata da una sorgente 60Co (~ 1.2 MeV)).

L'iniezione di carica è stata effettuata con un generatore di impulsi accoppiato a un condensatore (1pF) sul pad del sensore e terminato a terra tramite un resistore da 50 Ohm. Queste procedure mi hanno permesso di testare i miei circuiti, mettere a punto i valori dei componenti e simulare le risposte dei fotodiodi quando esposti a una sorgente attiva. Abbiamo impostato sia una sorgente Americio-241 (60 KeV) che una sorgente Iron-55 (5,9 KeV) davanti ai due fotodiodi attivi e nessuno dei due canali ha visto un segnale distintivo. Abbiamo verificato tramite iniezioni di impulsi e abbiamo concluso che gli impulsi provenienti da queste sorgenti erano al di sotto della soglia osservabile a causa dei livelli di rumore. Tuttavia, siamo ancora in grado di vedere i risultati da una fonte a 60Co (1,33 MeV). Il principale fattore limitante durante le prove è stato il rumore significativo. C'erano molte fonti di rumore e poche spiegazioni su cosa le stesse generando. Abbiamo scoperto che una delle fonti più significative e dannose era la presenza di rumore prima del primo stadio di amplificazione. A causa dell'enorme guadagno, questo rumore è stato amplificato quasi cento volte! Forse hanno contribuito anche un filtraggio di potenza improprio e il rumore Johnson reiniettato nei circuiti di feedback degli stadi dell'amplificatore (questo spiegherebbe il basso rapporto segnale-rumore). Non abbiamo studiato la dipendenza del rumore dalla distorsione, ma potremmo approfondire la questione in futuro.

Passaggio 9: il quadro più ampio

Guarda il video di Veritasium sui luoghi più radioattivi della terra!

Se sei arrivato fino a questo punto e hai seguito i passaggi, congratulazioni! Hai costruito un apparato per applicazioni reali come l'LHC! Forse dovresti considerare un cambiamento di carriera ed entrare nel campo della fisica nucleare:) In termini più tecnici, hai costruito un rivelatore di radiazioni a stato solido costituito da una matrice di fotodiodi e circuiti associati per localizzare e discriminare gli eventi. Il rivelatore è costituito da più stadi di amplificazione che convertono piccoli impulsi di carica in tensioni osservabili, quindi li discriminano e li confrontano. Un comparatore, tra i canali, fornisce anche informazioni riguardanti la distribuzione spaziale degli eventi rilevati. Hai anche incorporato l'uso di un microcontrollore Arduino e di un software essenziale per la raccolta e l'analisi dei dati.

Passaggio 10: riferimenti

Oltre ai meravigliosi PDF allegati, ecco alcune risorse informative correlate:

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

- Primo sensore, primo sensore PIN Scheda tecnica PD Parte Descrizione X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul e Hill, Winfield, L'arte dell'elettronica. Cambridge University Press, 1989.

- C. Thiel, Introduzione ai rivelatori di radiazioni a semiconduttore, Web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

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