Detektor Radiasi Portabel: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:58

Ini adalah tutorial untuk merancang, membuat, dan menguji Detektor Radiasi foto-dioda silikon portabel Anda sendiri yang cocok untuk rentang deteksi 5keV-10MeV untuk secara akurat mengukur sinar gamma energi rendah yang berasal dari sumber radioaktif! Perhatikan jika Anda tidak ingin menjadi zombie radio-aktif: tidak aman berada di sekitar sumber radiasi tinggi, dan perangkat ini TIDAK boleh digunakan sebagai cara yang andal untuk mendeteksi radiasi yang berpotensi berbahaya.

Mari kita mulai dengan sedikit ilmu latar belakang tentang detektor sebelum kita masuk ke konstruksinya. Di atas adalah video luar biasa dari Veritasium yang menjelaskan apa itu radiasi dan dari mana asalnya.

Langkah 1: Pertama, Banyak Fisika

(Gambar legenda: Radiasi pengion membentuk pasangan elektron-lubang di wilayah intrinsik yang menghasilkan pulsa muatan.)

Ruang percikan, Geiger's, dan detektor tabung pengganda foto… semua jenis detektor ini tidak praktis, mahal, atau menggunakan tegangan tinggi untuk beroperasi. Ada beberapa jenis tabung Geiger yang mudah dibuat, seperti https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product /483. Metode lain untuk mendeteksi radiasi adalah detektor solid-state (misalnya detektor Germanium). Namun, ini mahal untuk diproduksi dan memerlukan peralatan khusus (pikirkan pendingin nitrogen cair!). Sebaliknya, detektor solid-state sangat hemat biaya. Mereka banyak digunakan dan memainkan peran penting dalam fisika partikel energi tinggi, fisika medis, dan astrofisika.

Di sini, kami membangun detektor radiasi solid-state portabel yang mampu secara akurat mengukur dan mendeteksi sinar gamma energi rendah yang berasal dari sumber radioaktif. Perangkat ini terdiri dari array dioda silikon PiN luas permukaan bias terbalik besar, yang output ke pra-penguat muatan, penguat pembeda, diskriminator, dan komparator. Output dari semua tahapan yang berurutan diubah menjadi sinyal digital untuk analisis. Kami akan mulai dengan menjelaskan prinsip-prinsip detektor partikel silikon, dioda PiN, bias balik dan parameter terkait lainnya. Kami kemudian akan menjelaskan berbagai investigasi yang dilakukan, dan pilihan yang dibuat. Pada akhirnya, kami akan memperkenalkan prototipe akhir dan pengujian.

Detektor SolidState

Dalam banyak aplikasi pendeteksian radiasi, penggunaan media pendeteksi padat memiliki keuntungan yang signifikan (disebut juga detektor dioda semikonduktor atau detektor keadaan padat). Dioda silikon adalah detektor pilihan untuk sejumlah besar aplikasi, terutama ketika partikel bermuatan berat terlibat. Jika pengukuran energi tidak diperlukan, karakteristik waktu yang sangat baik dari detektor dioda silikon memungkinkan penghitungan dan pelacakan partikel bermuatan yang akurat.

Untuk pengukuran elektron energi tinggi atau sinar gamma, dimensi detektor dapat disimpan jauh lebih kecil daripada alternatif. Penggunaan bahan semikonduktor sebagai detektor radiasi juga menghasilkan jumlah pembawa yang lebih besar untuk peristiwa radiasi insiden tertentu, dan oleh karena itu batas statistik yang lebih rendah pada resolusi energi dibandingkan dengan jenis detektor lainnya. Akibatnya, resolusi energi terbaik yang dapat dicapai saat ini diwujudkan melalui penggunaan detektor tersebut.

Pembawa informasi mendasar adalah pasangan elektron-lubang yang dibuat di sepanjang jalur yang diambil oleh partikel bermuatan melalui detektor (lihat gambar di atas). Dengan mengumpulkan pasangan elektron-lubang ini, diukur sebagai muatan pada elektroda sensor, sinyal deteksi terbentuk, dan berlanjut ke tahap amplifikasi dan diskriminasi. Fitur tambahan yang diinginkan dari detektor solid-state adalah ukuran yang ringkas, karakteristik pengaturan waktu yang relatif cepat, dan ketebalan yang efektif (*). Seperti halnya detektor lainnya, ada kekurangannya, termasuk keterbatasan ukuran kecil dan kemungkinan relatif perangkat ini mengalami penurunan kinerja akibat kerusakan akibat radiasi.

(*: Sensor tipis meminimalkan beberapa hamburan, sedangkan sensor yang lebih tebal menghasilkan lebih banyak muatan saat partikel melintasi substrat.)

Dioda P−i−N:

Setiap jenis detektor radiasi menghasilkan keluaran karakteristik setelah interaksi dengan radiasi. Interaksi partikel dengan materi dibedakan oleh tiga efek:

1. efek foto-listrik
2. Hamburan Compton
3. Produksi pasangan.

Prinsip dasar detektor silikon planar adalah penggunaan sambungan PN di mana partikel berinteraksi melalui ketiga fenomena ini. Sensor silikon planar paling sederhana terdiri dari substrat yang didoping P dan implan N di satu sisi. Pasangan elektron-lubang dibuat di sepanjang lintasan partikel. Di daerah persimpangan PN, ada daerah pembawa bebas biaya, yang disebut zona deplesi. Pasangan lubang elektron yang terbentuk di wilayah ini dipisahkan oleh medan listrik di sekitarnya. Oleh karena itu, pembawa muatan dapat diukur baik di sisi N atau P dari bahan silikon. Dengan menerapkan tegangan reverse-bias ke PN junction diode, zona depleted tumbuh dan dapat menutupi substrat sensor yang lengkap. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang ini di sini: Pin Junction Artikel Wikipedia.

Dioda PiN memiliki daerah i intrinsik, antara sambungan P dan N, dibanjiri pembawa muatan dari daerah P dan N. Daerah intrinsik yang luas ini juga berarti dioda memiliki kapasitansi yang rendah ketika dibias mundur. Dalam dioda PiN, wilayah penipisan ada hampir sepenuhnya di dalam wilayah intrinsik. Daerah penipisan ini jauh lebih besar dibandingkan dengan dioda PN biasa. Hal ini meningkatkan volume di mana pasangan elektron-lubang dapat dihasilkan oleh foton insiden. Jika medan listrik diterapkan pada bahan semikonduktor, baik elektron dan lubang mengalami migrasi. Dioda PiN dibias mundur sehingga seluruh lapisan-i kehabisan pembawa bebas. Bias terbalik ini menciptakan medan listrik melintasi lapisan-i sehingga elektron tersapu ke lapisan-P dan hole, ke lapisan-N (*4).

Aliran pembawa dalam menanggapi pulsa radiasi merupakan pulsa arus terukur. Untuk memaksimalkan arus ini, i-region harus sebesar mungkin. Sifat-sifat sambungan sedemikian rupa sehingga ia menghantarkan arus yang sangat kecil bila dibias dalam arah sebaliknya. Sisi P dari persimpangan menjadi negatif terhadap sisi N, dan beda potensial alami dari satu sisi persimpangan ke sisi lainnya ditingkatkan. Dalam keadaan ini, pembawa minoritas yang tertarik melintasi persimpangan dan, karena konsentrasinya relatif rendah, arus balik melintasi dioda cukup kecil. Ketika bias balik diterapkan ke persimpangan, hampir semua tegangan yang diterapkan muncul di seluruh wilayah penipisan, karena resistivitasnya jauh lebih tinggi daripada bahan tipe N atau P normal. Memang, bias terbalik menonjolkan perbedaan potensial di persimpangan. Ketebalan daerah penipisan juga meningkat, memperluas volume di mana pembawa muatan yang dihasilkan radiasi dikumpulkan. Setelah medan listrik cukup tinggi, pengumpulan muatan menjadi lengkap, dan tinggi pulsa tidak lagi berubah dengan peningkatan lebih lanjut pada tegangan bias detektor.

(*1: Elektron dalam keadaan terikat sebuah atom tersingkir oleh foton ketika energi partikel datang lebih tinggi dari energi ikat.; *2: Interaksi yang melibatkan penghamburan partikel dari elektron bebas atau terikat longgar, dan transfer sebagian energi ke elektron.; *3: Produksi partikel elementer dan antipartikelnya.; *4: Elektron ditarik berlawanan arah dengan vektor medan listrik, sedangkan lubang bergerak dalam arah yang sama arah sebagai medan listrik.)

Langkah 2: Eksplorasi

Ini adalah versi prototipe dari "detektor" yang kami buat, debug, dan uji. Ini adalah matriks yang terdiri dari beberapa sensor untuk memiliki sensor radiasi gaya "CCD". Seperti disebutkan sebelumnya, semua semikonduktor silikon sensitif terhadap radiasi. Tergantung pada ketepatannya, dan sensor yang digunakan, seseorang juga bisa mendapatkan gambaran kasar tentang tingkat energi partikel yang menyebabkan hantaman.

Kami telah menggunakan dioda tanpa pelindung yang ditujukan untuk penginderaan, yang ketika dibias mundur (dan terlindung dari cahaya tampak), dapat mendaftarkan hit dari radiasi Beta dan Gamma dengan memperkuat sinyal kecil dan membaca data keluaran dengan mikrokontroler. Radiasi alfa, bagaimanapun, jarang dapat dideteksi karena tidak dapat menembus bahkan kain tipis atau pelindung polimer. Terlampir adalah video luar biasa dari Veritasium, yang menjelaskan berbagai jenis radiasi (Alfa, Beta & Gamma).

Iterasi desain awal menggunakan sensor yang berbeda (fotodioda BPW-34; sensor terkenal jika Anda mencari di Google). Bahkan ada beberapa Instructables terkait yang menggunakannya untuk tujuan mendeteksi radiasi seperti yang luar biasa ini: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Namun, karena memiliki beberapa bug dan tidak berfungsi secara optimal, kami memutuskan untuk menghilangkan detail prototipe ini dari Instruksi ini untuk menghindari Pembuat membuat detektor yang penuh dengan kekurangan. Kami, bagaimanapun, melampirkan file desain dan skema jika seseorang tertarik.

Langkah 3: Desain

(Legenda gambar: (1) Diagram blok detektor: dari pembuatan sinyal hingga akuisisi data., (2) Spesifikasi fotodioda X100-7: area aktif 100mm^2, zona habis 0,9mm, lapisan pemblokiran cahaya, arus gelap rendah… Seperti yang ditunjukkan pada plot probabilitas penyerapan, dioda PiN siap menyerap energi sinar gamma, (3) Catatan aplikasi dari pabrikan yang mengkonfirmasi konsep desain dan membantu memilih nilai komponen awal.

Kami memilih sensor area yang lebih besar, yaitu X100−7 dari First Sensor. Untuk tujuan pengujian dan modularitas, kami merancang tiga bagian berbeda, ditumpuk satu sama lain: Sensor dan amplifikasi (penguat biaya kebisingan rendah + penguat pembentuk pulsa), Diskriminator & komparator, regulasi DC/DC, dan DAQ (Arduino untuk akuisisi data). Setiap tahap dirakit, divalidasi, dan diuji secara terpisah seperti yang akan Anda lihat di langkah berikutnya.

Keuntungan utama dari detektor semikonduktor adalah energi ionisasi (E) yang kecil, tidak bergantung pada energi dan jenis radiasi yang datang. Penyederhanaan ini memungkinkan untuk menghitung sejumlah pasangan elektron-lubang dalam hal energi radiasi insiden, asalkan partikel sepenuhnya berhenti dalam volume aktif detektor. Untuk silikon pada 23C (*) kami memiliki E~3.6eV. Dengan asumsi bahwa semua energi disimpan dan menggunakan energi ionisasi, kita dapat menghitung jumlah elektron yang dihasilkan oleh sumber tertentu. Misalnya, sinar gamma 60keV dari sumber Americium−241 akan menghasilkan muatan yang disimpan sebesar 0,045 fC/keV. Seperti yang ditunjukkan dalam spesifikasi spesifikasi dioda, di atas tegangan bias sekitar ~ 15V, wilayah penipisan dapat diperkirakan sebagai konstan. Ini menetapkan kisaran target untuk tegangan bias kita ke 12−15V. (*: E meningkat dengan penurunan suhu.)

Fungsionalitas berbagai modul detektor, konstituennya, dan perhitungan terkait. Saat mengevaluasi detektor, sensitivitas (*1) sangat penting. Pra-penguat muatan yang sangat sensitif diperlukan karena sinar gamma yang datang hanya dapat menghasilkan beberapa ribu elektron di daerah penipisan semikonduktor. Karena kami memperkuat pulsa arus kecil, perhatian khusus harus diberikan pada pemilihan komponen, pelindung yang cermat, dan tata letak papan sirkuit.

(*1: Energi minimum yang akan disimpan dalam detektor untuk menghasilkan sinyal yang berbeda, dan rasio signal-to-noise.)

Untuk memilih nilai komponen dengan benar, pertama-tama saya meringkas persyaratan, spesifikasi yang diinginkan, dan batasan:

Sensor:

• Rentang deteksi yang besar, 1keV-1MeV
• Kapasitansi rendah untuk meminimalkan kebisingan, 20pF-50pF
• Arus bocor yang dapat diabaikan di bawah bias mundur.

Amplifikasi dan Diskriminasi:

• Isi daya pra-amplifier yang sensitif
• Diferensiator untuk pembentukan pulsa
• Komparator untuk pulsa sinyal ketika di atas ambang batas yang ditetapkan
• Pembanding untuk keluaran kebisingan saat berada dalam interval ambang batas
• Pembanding untuk kebetulan saluran
• Ambang umum untuk pemfilteran acara.

Pengontrol digital dan mikro:

• Konverter analog-ke-digital cepat
• Output data untuk diproses dan antarmuka pengguna.

Daya dan penyaringan:

• Regulator tegangan untuk semua tahap
• Pasokan Tegangan Tinggi untuk menghasilkan daya bias
• Penyaringan yang tepat dari semua distribusi daya.

Saya memilih komponen berikut:

• Konverter Peningkatan DC: LM 2733
• Penguat Pengisian Daya: AD743
• Op-Amp Lainnya: LM393 & LM741
• DAQ/Pembacaan: Arduino Nano.

Spesifikasi tambahan yang dikenakan meliputi:

• Laju pengoperasian: > 250 kHz (84 saluran), 50 kHz (kebetulan)
• Resolusi: 10bit ADC
• Tingkat sampel: 5kHz (8 saluran)
• Tegangan: 5V Arduino, 9V op-amp, ~12V Bias.

Susunan dan urutan keseluruhan komponen di atas disajikan dalam gambar diagram blok. Kami membuat perhitungan dengan nilai komponen yang digunakan selama fase pengujian (lihat gambar ketiga). (*: Beberapa nilai komponen tidak sama dengan yang direncanakan sebelumnya atau sama dengan yang ada saat ini; namun perhitungan ini memberikan kerangka panduan.)

Langkah 4: Sirkuit

(Legenda gambar: (1) Skema keseluruhan tahap 1-3 dari saluran tunggal, termasuk basis dioda dan pembagi tegangan yang memberikan referensi ke setiap tahap, sub-bagian Sirkuit.)

Sekarang mari kita jelaskan "aliran" sinyal deteksi salah satu dari empat saluran dari pembuatannya hingga akuisisi digital.

Tahap 1

Satu-satunya sinyal yang menarik berasal dari fotodioda. Sensor-sensor ini bias mundur. Pasokan biasing adalah 12V stabil yang dijalankan melalui filter lolos rendah untuk menghilangkan kebisingan yang tidak diinginkan yang lebih besar dari 1Hz. Setelah ionisasi daerah penipisan, pulsa muatan dibuat di pin dioda. Sinyal ini diambil oleh tahap amplifikasi pertama kami: penguat muatan. Penguat muatan dapat dibuat dengan penguat operasional apa pun, tetapi spesifikasi kebisingan rendah sangat penting.

Tahap 2

Tujuan dari tahap ini adalah untuk mengubah pulsa muatan yang terdeteksi pada input pembalik, menjadi tegangan DC pada output op-amp. Input non-pembalik disaring dan diatur ke pembagi tegangan pada tingkat yang diketahui dan dipilih. Tahap pertama ini sulit untuk disetel, tetapi setelah banyak pengujian kami menetapkan kapasitor umpan balik 2[pF], dan resistor umpan balik 44[MOhm], menghasilkan pulsa 2[pF] × 44[MOhm] = 88[μs]. Penguat filter bandpass aktif pembalik, yang bertindak seperti pembeda, mengikuti penguat muatan. Tahap ini menyaring dan mengubah tingkat DC konversi, yang berasal dari tahap sebelumnya menjadi pulsa dengan penguatan 100. Sinyal detektor mentah diperiksa pada output tahap ini.

Tahap 3

Baris berikutnya adalah saluran sinyal dan kebisingan. Kedua output ini langsung menuju DAQ dan juga ke PCB analog kedua. Keduanya berfungsi sebagai komparator op-amp. Satu-satunya perbedaan antara keduanya adalah bahwa saluran kebisingan memiliki tegangan yang lebih rendah pada input non-pembalik daripada saluran sinyal, dan saluran sinyal juga disaring untuk menghilangkan frekuensi di atas pulsa keluaran yang diharapkan dari tahap penguatan kedua. Sebuah op-amp LM741 bertindak sebagai pembanding terhadap ambang variabel untuk membedakan saluran sinyal, memungkinkan detektor untuk hanya mengirim peristiwa tertentu ke ADC/MCU. Sebuah resistor variabel pada input non-pembalik mengatur tingkat pemicu. Pada tahap ini (penghitung kebetulan), sinyal dari setiap saluran diumpankan ke op-amp yang bertindak sebagai rangkaian penjumlahan. Ambang batas tetap ditetapkan bertepatan dengan dua saluran aktif. Output op-amp tinggi jika dua, atau lebih, fotodioda mencatat hit secara bersamaan.

Catatan: Kami membuat kesalahan penting dengan menempatkan konverter step-up DC/DC dari daya bias di dekat op-amp sensitif muatan pada PCB amplifikasi. Mungkin kami akan memperbaikinya di versi yang lebih baru.

Langkah 5: Majelis

Menyolder, banyak menyolder… Karena sensor yang dipilih untuk detektor akhir hanya ada sebagai komponen tapak SMT, kami harus mendesain PCB (2 lapisan). Oleh karena itu, semua sirkuit terkait juga dimigrasikan ke papan PCB daripada papan tempat memotong roti. Semua komponen analog ditempatkan pada dua PCB terpisah, dan komponen digital pada yang lain untuk menghindari gangguan kebisingan. Ini adalah PCB pertama yang kami buat, jadi kami harus mendapatkan bantuan untuk tata letak di Eagle. PCB yang paling penting adalah sensor dan amplifikasi. Dengan osiloskop yang memantau output pada titik uji, detektor dapat beroperasi hanya dengan papan ini (bypass DAQ). Saya menemukan dan memperbaiki kesalahan saya; ini termasuk jejak komponen yang salah, yang mengakibatkan op-amp kebisingan rendah kami disadap, dan komponen akhir masa pakai yang ditukar dengan alternatif. Selain itu, dua filter ditambahkan ke desain untuk menekan osilasi dering.

Langkah 6: Kandang

Tujuan dari casing cetak 3D, lembaran timah dan busa adalah untuk: tujuan pemasangan, isolasi termal, menyediakan pelindung kebisingan, dan untuk memblokir cahaya sekitar, dan tentunya untuk melindungi elektronik. File STL pencetakan 3D terlampir.

Langkah 7: Pembacaan Arduino

Bagian pembacaan (ADC/DAQ) dari detektor terdiri dari Arduino Mini (kode terlampir). Mikrokontroler ini memonitor output dari keempat detektor dan mensuplai daya ke kemudian (track power quality), kemudian mengeluarkan semua data pada serial output (USB) untuk analisis atau perekaman lebih lanjut.

Aplikasi desktop Processing dikembangkan (terlampir) untuk memplot semua data yang masuk.

Langkah 8: Pengujian

(Gambar legenda: (1) Pulsa yang dihasilkan dari sumber 60Co (t ~ 760ms) rasio signal-to-noise ~3:1., (2) Injeksi setara dengan muatan yang disimpan oleh sumber energi ~2 MeV., (3) Injeksi setara dengan muatan yang disimpan oleh sumber 60Co (~ 1,2 MeV)).

Injeksi muatan dilakukan dengan generator pulsa yang digabungkan ke kapasitor (1pF) pada bantalan sensor dan diakhiri ke ground melalui resistor 50Ohm. Prosedur ini memungkinkan saya untuk menguji sirkuit saya, menyempurnakan nilai komponen dan mensimulasikan tanggapan dari fotodioda ketika terkena sumber aktif. Kami mengatur sumber Americium−241 (60 KeV) dan Iron−55 (5,9 KeV) di depan dua dioda foto aktif, dan tidak ada saluran yang melihat sinyal yang berbeda. Kami memverifikasi melalui suntikan pulsa, dan menyimpulkan bahwa pulsa dari sumber-sumber ini berada di bawah ambang batas yang dapat diamati karena tingkat kebisingan. Namun, Kami masih dapat melihat hit dari sumber 60Co (1,33 MeV). Faktor pembatas utama selama pengujian adalah kebisingan yang signifikan. Ada banyak sumber kebisingan dan sedikit penjelasan tentang apa yang menghasilkan ini. Kami menemukan bahwa salah satu sumber yang paling signifikan dan merugikan adalah adanya kebisingan sebelum tahap amplifikasi pertama. Karena keuntungan besar, kebisingan ini diperkuat hampir seratus kali lipat! Mungkin penyaringan daya yang tidak tepat dan kebisingan Johnson yang disuntikkan kembali ke loop umpan balik dari tahap penguat juga berkontribusi (ini akan menjelaskan rasio sinyal terhadap kebisingan yang rendah). Kami tidak menyelidiki ketergantungan noise dengan biasing, tetapi kami mungkin akan menyelidikinya lebih lanjut di masa mendatang.

Langkah 9: Gambaran yang Lebih Besar

Tonton video dari Veritasium tentang tempat paling radioaktif di bumi!

Jika Anda berhasil sejauh ini dan mengikuti langkah-langkahnya, maka selamat! Anda telah membuat peralatan untuk aplikasi dunia nyata seperti LHC! Mungkin Anda harus mempertimbangkan perubahan karir dan masuk ke bidang fisika nuklir:) Dalam istilah yang lebih teknis, Anda telah membangun detektor radiasi solid-state yang terdiri dari matriks foto-dioda dan sirkuit terkait untuk melokalisasi dan membedakan peristiwa. Detektor terdiri dari beberapa tahap amplifikasi yang mengubah pulsa muatan kecil menjadi tegangan yang dapat diamati kemudian membedakan dan membandingkannya. Pembanding, antar saluran, juga memberikan informasi mengenai distribusi spasial dari peristiwa yang terdeteksi. Anda juga menggabungkan penggunaan mikrokontroler Arduino dan perangkat lunak penting untuk pengumpulan dan analisis data.

Langkah 10: Referensi

Selain PDF yang luar biasa terlampir, berikut adalah beberapa sumber informasi terkait:

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

- Sensor Pertama, Lembar Data PD Sensor Pertama Deskripsi Bagian X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

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

- C. Thiel, Pengantar Detektor Radiasi Semikonduktor, Web. fisika.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- Lyndon Evans, The Large Hadron Collider: Keajaiban Teknologi, Ed. EPFL Pers, 2009.