Detector de radiación portátil: 10 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

Este es un tutorial para diseñar, construir y probar su propio detector de radiación de fotodiodos de silicio portátil adecuado para el rango de detección de 5keV-10MeV para cuantificar con precisión los rayos gamma de baja energía provenientes de fuentes radiactivas. Preste atención si no quiere convertirse en un zombi radioactivo: no es seguro estar cerca de fuentes de alta radiación y este dispositivo NO debe usarse como una forma confiable de detectar radiación potencialmente dañina.

Comencemos con un poco de antecedentes científicos sobre el detector antes de continuar con su construcción. Arriba hay un video maravilloso de Veritasium que explica qué es la radiación y de dónde proviene.

Paso 1: Primero, mucha física

(Leyenda de la figura: la radiación ionizante forma pares de agujeros de electrones en la región intrínseca que dan como resultado un pulso de carga).

Cámaras de chispas, detectores de tubo Geiger y fotomultiplicador … todos estos tipos de detectores son engorrosos, costosos o usan altos voltajes para operar. Hay algunos tipos de tubos Geiger compatibles con los fabricantes, como https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 y https://www.adafruit.com/product / 483. Otros métodos para detectar radiación son los detectores de estado sólido (por ejemplo, detectores de germanio). Sin embargo, estos son costosos de producir y requieren equipo especializado (¡piense en enfriamiento con nitrógeno líquido!). Por el contrario, los detectores de estado sólido son muy rentables. Se utilizan ampliamente y desempeñan un papel esencial en la física de partículas de alta energía, la física médica y la astrofísica.

Aquí, construimos un detector de radiación de estado sólido portátil capaz de cuantificar y detectar con precisión rayos gamma de baja energía provenientes de fuentes radiactivas. El dispositivo consta de una matriz de diodos PiN de silicio de gran área de superficie con polarización inversa, que emiten a un preamplificador de carga, un amplificador diferenciador, un discriminador y un comparador. La salida de todas las etapas sucesivas se convierte en señales digitales para su análisis. Comenzaremos describiendo los principios de los detectores de partículas de silicio, diodos PiN, polarización inversa y otros parámetros asociados. Luego explicaremos las diferentes investigaciones que se llevaron a cabo y las decisiones que se tomaron. Al final, presentaremos el prototipo final y las pruebas.

Detectores de estado sólido

En muchas aplicaciones de detección de radiación, el uso de un medio de detección sólido es una ventaja significativa (también llamados detectores de diodos semiconductores o detectores de estado sólido). Los diodos de silicio son los detectores de elección para una gran cantidad de aplicaciones, especialmente cuando se trata de partículas con carga pesada. Si no se requiere la medición de energía, las excelentes características de sincronización de los detectores de diodos de silicio permiten un conteo y seguimiento precisos de las partículas cargadas.

Para la medición de electrones de alta energía o rayos gamma, las dimensiones del detector pueden mantenerse mucho más pequeñas que las alternativas. El uso de materiales semiconductores como detectores de radiación también da como resultado un mayor número de portadores para un evento de radiación incidente dado y, por lo tanto, un límite estadístico más bajo en la resolución de energía que es posible con otros tipos de detectores. En consecuencia, la mejor resolución de energía que se puede lograr en la actualidad se obtiene mediante el uso de tales detectores.

Los portadores de información fundamentales son pares de electrones y huecos creados a lo largo del camino tomado por la partícula cargada a través del detector (ver figura anterior). Al recolectar estos pares de agujeros de electrones, medidos como cargas en los electrodos del sensor, se forma la señal de detección y pasa a las etapas de amplificación y discriminación. Las características adicionales deseables de los detectores de estado sólido son un tamaño compacto, características de temporización relativamente rápidas y un espesor efectivo (*). Al igual que con cualquier detector, existen inconvenientes, incluida la limitación a los tamaños pequeños y la posibilidad relativa de que estos dispositivos sufran una degradación del rendimiento debido a los daños inducidos por la radiación.

(*: Los sensores delgados minimizan las dispersiones múltiples, mientras que los sensores más gruesos generan más cargas cuando una partícula atraviesa el sustrato).

Diodos P − i − N:

Cada tipo de detector de radiación produce una salida característica después de la interacción con la radiación. Las interacciones de las partículas con la materia se distinguen por tres efectos:

1. el efecto fotoeléctrico
2. Dispersión de Compton
3. Producción en pareja.

El principio básico de un detector de silicio plano es el uso de una unión PN en la que las partículas interactúan a través de estos tres fenómenos. El sensor de silicio plano más simple consta de un sustrato dopado con P y un implante N en un lado. Los pares de agujeros de electrones se crean a lo largo de la trayectoria de una partícula. En el área de la unión PN, existe una región de portadores gratuitos, denominada zona de agotamiento. Los pares de electrones y huecos creados en esta región están separados por un campo eléctrico circundante. Por lo tanto, los portadores de carga se pueden medir en el lado N o P del material de silicio. Al aplicar un voltaje de polarización inversa al diodo de unión PN, la zona agotada crece y puede cubrir todo el sustrato del sensor. Puede leer más sobre esto aquí: Artículo de Wikipedia de Pin Junction.

Un diodo PiN tiene una región i intrínseca, entre las uniones P y N, inundada con portadores de carga de las regiones P y N. Esta amplia región intrínseca también significa que el diodo tiene una baja capacitancia cuando se polariza en reversa. En un diodo PiN, la región de agotamiento existe casi por completo dentro de la región intrínseca. Esta región de agotamiento es mucho más grande que con un diodo PN normal. Esto aumenta el volumen en el que un fotón incidente puede generar pares de agujeros de electrones. Si se aplica un campo eléctrico al material semiconductor, tanto los electrones como los huecos experimentan una migración. El diodo PiN tiene polarización inversa para que toda la capa i se agote de portadores libres. Esta polarización inversa crea un campo eléctrico a través de la capa i de modo que los electrones se desplazan hacia la capa P y los huecos hacia la capa N (* 4).

El flujo de portadores en respuesta a un pulso de radiación constituye el pulso de corriente medido. Para maximizar esta corriente, la i-región debe ser lo más grande posible. Las propiedades de la unión son tales que conduce muy poca corriente cuando se polariza en la dirección inversa. El lado P de la unión se vuelve negativo con respecto al lado N, y se mejora la diferencia de potencial natural de un lado de la unión al otro. En estas circunstancias, son los portadores minoritarios los que se atraen a través de la unión y, debido a que su concentración es relativamente baja, la corriente inversa a través del diodo es bastante pequeña. Cuando se aplica una polarización inversa a la unión, prácticamente todo el voltaje aplicado aparece a través de la región de agotamiento, porque su resistividad es mucho mayor que la del material normal de tipo N o P. De hecho, el sesgo inverso acentúa la diferencia de potencial en la unión. El grosor de la región de agotamiento también aumenta, extendiendo el volumen sobre el que se recogen los portadores de carga producidos por radiación. Una vez que el campo eléctrico es lo suficientemente alto, la recolección de carga se completa y la altura del pulso ya no cambia con aumentos adicionales en el voltaje de polarización del detector.

(* 1: Los electrones en el estado ligado de un átomo son eliminados por fotones cuando la energía de las partículas incidentes es mayor que la energía de ligadura.; * 2: Interacción que involucra la dispersión de una partícula de un electrón libre o débilmente ligado, y la transferencia de parte de la energía al electrón.; * 3: Producción de una partícula elemental y su antipartícula.; * 4: Los electrones se dibujan en la dirección opuesta al vector de campo eléctrico, mientras que los huecos se mueven en la misma dirección. dirección como el campo eléctrico.)

Paso 2: exploración

Esta es la versión prototipo del "detector" que construimos, depuramos y probamos. Es una matriz que consta de varios sensores para tener un sensor de radiación de estilo "CCD". Como se mencionó anteriormente, todos los semiconductores de silicio son sensibles a la radiación. Dependiendo de su precisión y de los sensores utilizados, también se puede tener una idea aproximada del nivel de energía de la partícula que causó el impacto.

Hemos utilizado diodos sin blindaje ya destinados a la detección, que cuando se polarizan en sentido inverso (y lo protegen de la luz visible), pueden registrar impactos de radiación Beta y Gamma al amplificar las pequeñas señales y leer los datos de salida con un microcontrolador. Sin embargo, la radiación alfa rara vez se puede detectar porque no puede penetrar ni siquiera una tela delgada o un blindaje de polímero. Se adjunta un maravilloso video de Veritasium, que explica los diferentes tipos de radiación (Alfa, Beta y Gamma).

Las iteraciones de diseño iniciales utilizaron un sensor diferente (un fotodiodo BPW-34; un sensor famoso si buscas en Google). Incluso hay algunos Instructables relacionados que lo usan con el propósito de detectar radiación, como este excelente: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Sin embargo, debido a que tenía algunos errores y no funcionaba de manera óptima, decidimos omitir los detalles de este prototipo de este Instructables para evitar que los Makers construyeran un detector lleno de fallas. Sin embargo, adjuntamos los archivos de diseño y el esquema en caso de que alguien estuviera interesado.

Paso 3: el diseño

(Leyendas de la imagen: (1) Diagrama de bloques del detector: desde la creación de la señal hasta la adquisición de datos., (2) Especificaciones del fotodiodo X100-7: área activa de 100 mm ^ 2, zona agotada de 0,9 mm, revestimiento de bloqueo de luz, corriente oscura baja … Como se muestra en la gráfica de probabilidad de absorción, los diodos PiN absorben fácilmente la energía de los rayos gamma, (3) Nota de aplicación del fabricante que confirmó el concepto de diseño y ayudó a elegir los valores iniciales de los componentes.

Nos conformamos con un sensor de área más grande, a saber, el X100−7 de First Sensor. Para propósitos de prueba y modularidad, diseñamos tres porciones diferentes, apiladas unas sobre otras: Sensores y amplificación (amplificador de carga de bajo ruido + amplificador de modelado de pulso), Discriminadores y comparador, regulación DC / DC y el DAQ (Arduino para adquisición de datos). Cada etapa se ensambló, validó y probó por separado, como verá en el siguiente paso.

Una de las principales ventajas de los detectores de semiconductores es la pequeña energía de ionización (E), independiente tanto de la energía como del tipo de radiación incidente. Esta simplificación permite tener en cuenta una serie de pares de electrones y huecos en términos de la energía de radiación incidente, siempre que la partícula se detenga por completo dentro del volumen activo del detector. Para el silicio a 23C (*) tenemos E ~ 3.6eV. Suponiendo que toda la energía se deposita y utilizando la energía de ionización, podemos calcular el número de electrones producidos por una fuente determinada. Por ejemplo, un rayo gamma de 60 keV de una fuente de Americio-241 daría como resultado una carga depositada de 0,045 fC / keV. Como se muestra en las especificaciones de las especificaciones del diodo, por encima de un voltaje de polarización de aproximadamente ~ 15 V, la región de agotamiento puede aproximarse como constante. Esto establece el rango objetivo para nuestro voltaje de polarización en 12-15 V. (*: E aumenta al disminuir la temperatura).

La funcionalidad de los diferentes módulos del detector, sus componentes y cálculos asociados. Al evaluar el detector, la sensibilidad (* 1) fue crucial. Se requiere un preamplificador de carga extremadamente sensible porque un rayo gamma incidente puede generar solo unos pocos miles de electrones en la región de agotamiento del semiconductor. Debido a que amplificamos un pulso de corriente diminuto, se debe prestar especial atención a la selección de componentes, el blindaje cuidadoso y el diseño de la placa de circuito.

(* 1: Energía mínima que se depositará en el detector para producir una señal distinta y la relación señal / ruido).

Para elegir correctamente los valores de los componentes, primero resumo los requisitos, las especificaciones deseadas y las restricciones:

Sensores:

• Amplio rango de detección posible, 1keV-1MeV
• Baja capacitancia para minimizar el ruido, 20pF-50pF
• Corriente de fuga insignificante bajo polarización inversa.

Amplificación y discriminación:

• Preamplificadores sensibles a la carga
• Diferenciador para dar forma al pulso
• Comparador para pulso de señal cuando está por encima del umbral establecido
• Comparador de salida de ruido cuando se encuentra dentro del intervalo de umbral
• Comparador de coincidencias de canales
• Umbral general para filtrado de eventos.

Digital y microcontrolador:

• Convertidores rápidos de analógico a digital
• Salida de datos para procesamiento e interfaz de usuario.

Potencia y filtrado:

• Reguladores de voltaje para todas las etapas
• Suministro de alto voltaje para generar la potencia de polarización
• Filtrado adecuado de toda la distribución de energía.

Elegí los siguientes componentes:

• Convertidor de refuerzo de CC: LM 2733
• Amplificadores de carga: AD743
• Otros amplificadores operacionales: LM393 y LM741
• DAQ / Lectura: Arduino Nano.

Las especificaciones adicionales impuestas incluyen:

• Tasa de funcionamiento:> 250 kHz (84 canales), 50 kHz (coincidencia)
• Resolución: ADC de 10 bits
• Frecuencia de muestreo: 5 kHz (8 canales)
• Voltajes: Arduino de 5 V, amplificadores operacionales de 9 V, polarización de ~ 12 V.

La disposición general y el orden de los componentes anteriores se representan en la figura del diagrama de bloques. Hicimos los cálculos con los valores de los componentes utilizados durante la fase de prueba (ver la tercera imagen). (*: Algunos valores de los componentes no son los mismos que los inicialmente planeados ni los mismos que los que se encuentran actualmente; no obstante, estos cálculos proporcionan un marco de orientación).

Paso 4: los circuitos

(Leyendas de las figuras: (1) Esquema general de las etapas 1-3 de un solo canal, incluida la base de diodos y los divisores de voltaje que proporcionan referencias a cada etapa, subsecciones del circuito).

Expliquemos ahora el "flujo" de la señal de detección de uno de los cuatro canales desde su creación hasta la adquisición digital.

Nivel 1

La única señal de interés se origina en los fotodiodos. Estos sensores tienen polarización inversa. El suministro de polarización es un 12V estable que pasa a través de un filtro de paso bajo para eliminar cualquier ruido no deseado superior a 1Hz. Tras la ionización de la región de agotamiento, se crea un pulso de carga en los pines del diodo. Esta señal es captada por nuestra primera etapa de amplificación: el amplificador de carga. Se puede fabricar un amplificador de carga con cualquier amplificador operacional, pero la especificación de bajo ruido es muy importante.

Etapa 2

El objetivo de esta etapa es convertir el pulso de carga detectado en la entrada inversora en un voltaje de CC en la salida del amplificador operacional. La entrada no inversora se filtra y se ajusta a un divisor de voltaje a un nivel conocido y elegido. Esta primera etapa es difícil de ajustar, pero después de numerosas pruebas nos conformamos con un condensador de retroalimentación de 2 [pF] y una resistencia de retroalimentación de 44 [MOhm], lo que resultó en un pulso de 2 [pF] × 44 [MOhm]. = 88 [μs]. Un amplificador de filtro de paso de banda activo inversor, que actúa como un diferenciador, sigue al amplificador de carga. Esta etapa filtra y convierte el nivel de CC de conversiones, que emana de la etapa anterior, en un pulso con una ganancia de 100. La señal del detector sin procesar se prueba en la salida de esta etapa.

Etapa 3

Los siguientes en la fila son los canales de señal y ruido. Estas dos salidas van directamente al DAQ y al segundo PCB analógico. Ambos funcionan como comparadores de amplificadores operacionales. La única diferencia entre los dos es que el canal de ruido tiene un voltaje más bajo en su entrada no inversora que el canal de señal, y el canal de señal también se filtra para eliminar las frecuencias por encima del pulso de salida esperado de la segunda etapa de amplificación. Un amplificador operacional LM741 actúa como un comparador contra un umbral variable para discriminar el canal de señal, lo que permite que el detector solo envíe eventos seleccionados al ADC / MCU. Una resistencia variable en la entrada no inversora establece el nivel de activación. En esta etapa (contador de coincidencias), las señales de cada canal se alimentan a un amplificador operacional que actúa como un circuito sumador. Se establece un umbral fijo coincidiendo con dos canales activos. El amplificador operacional tiene una salida alta si dos o más fotodiodos registran un impacto simultáneamente.

Nota: Cometimos un error crucial al colocar el convertidor elevador CC / CC de la potencia de polarización cerca de los amplificadores operacionales sensibles a la carga en la PCB de amplificación. Quizás arreglemos esto en una versión posterior.

Paso 5: el montaje

Soldadura, mucha soldadura … Debido a que el sensor seleccionado para el detector final solo existe como un componente de huella SMT, tuvimos que diseñar PCB (2 capas). Por lo tanto, todos los circuitos asociados también se migraron a placas de PCB en lugar de a la placa de pruebas. Todos los componentes analógicos se colocaron en dos PCB separados y los componentes digitales en otro para evitar interferencias de ruido. Estos fueron los primeros PCB que hicimos, por lo que tuvimos que obtener ayuda para el diseño en Eagle. El PCB más importante es el de los sensores y la amplificación. Con un osciloscopio que monitorea las salidas en los puntos de prueba, el detector puede operar únicamente con esta placa (bypass DAQ). Encontré y solucioné mis errores; estos incluían huellas de componentes incorrectas, lo que resultó en que nuestros amplificadores operacionales de bajo ruido se conectaran y componentes al final de su vida útil que se intercambiaron por alternativas. Además, se agregaron dos filtros al diseño para suprimir las oscilaciones de timbre.

Paso 6: el recinto

El objetivo de la carcasa impresa en 3D, la lámina de plomo y la espuma es para: fines de montaje, aislamiento térmico, proporcionar una protección contra el ruido y bloquear la luz ambiental, y evidentemente para proteger la electrónica. Se adjuntan archivos STL de impresión 3D.

Paso 7: lectura de Arduino

La parte de lectura (ADC / DAQ) del detector consiste en un Arduino Mini (código adjunto). Este microcontrolador monitorea las salidas de los cuatro detectores y el suministro de energía al último (seguimiento de la calidad de la energía), luego emite todos los datos en la salida en serie (USB) para su posterior análisis o registro.

Se desarrolló (adjunta) una aplicación de escritorio Processing para trazar todos los datos entrantes.

Paso 8: prueba

(Leyendas de las figuras: (1) Pulso resultante de una fuente de 60Co (t ~ 760ms) relación señal / ruido ~ 3: 1., (2) Inyección equivalente a la carga depositada por una fuente de energía ~ 2 MeV., (3) Inyección equivalente a la carga depositada por una fuente de 60Co (~ 1,2 MeV)).

La inyección de carga se realizó con un generador de impulsos acoplado a un condensador (1pF) en la almohadilla del sensor y terminado a tierra a través de una resistencia de 50 ohmios. Estos procedimientos me permitieron probar mis circuitos, ajustar los valores de los componentes y simular las respuestas de los fotodiodos cuando se exponen a una fuente activa. Establecimos una fuente de Americio-241 (60 KeV) y una de Hierro-55 (5,9 KeV) frente a los dos fotodiodos activos, y ninguno de los canales vio una señal distintiva. Verificamos mediante inyecciones de pulsos y llegamos a la conclusión de que los pulsos de estas fuentes estaban por debajo del umbral observable debido a los niveles de ruido. Sin embargo, todavía pudimos ver impactos de una fuente de 60Co (1,33 MeV). El principal factor limitante durante las pruebas fue el ruido significativo. Había muchas fuentes de ruido y pocas explicaciones sobre qué las estaba generando. Descubrimos que una de las fuentes más significativas y perjudiciales era la presencia de ruido antes de la primera etapa de amplificación. ¡Debido a la enorme ganancia, este ruido se amplificó casi cien veces! Quizás también contribuyó un filtrado de potencia inadecuado y el ruido de Johnson reinyectado en los bucles de retroalimentación de las etapas del amplificador (esto explicaría la baja relación señal / ruido). No investigamos la dependencia del ruido con el sesgo, pero podríamos investigarlo más en el futuro.

Paso 9: el panorama más amplio

¡Vea el video de Veritasium sobre los lugares más radiactivos de la tierra!

Si llegaste tan lejos y seguiste los pasos, ¡felicidades! ¡Ha construido un aparato para aplicaciones del mundo real como el LHC! Quizás debería considerar un cambio de carrera y adentrarse en el campo de la física nuclear:) En términos más técnicos, ha construido un detector de radiación de estado sólido que consta de una matriz de fotodiodos y circuitos asociados para localizar y discriminar eventos. El detector consta de múltiples etapas de amplificación que convierten pequeños pulsos de carga en voltajes observables, luego los discriminan y los comparan. Un comparador, entre canales, también proporciona información sobre la distribución espacial de los eventos detectados. También incorporó el uso de un microcontrolador Arduino y un software esencial para la recopilación y el análisis de datos.

Paso 10: referencias

Además de los maravillosos PDF adjuntos, aquí hay algunos recursos informativos relacionados:

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

- Primer sensor, primer sensor PIN PD Hoja de datos Descripción de la pieza X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul y Hill, Winfield, El arte de la electrónica. Prensa de la Universidad de Cambridge, 1989.

- C. Thiel, Introducción a los detectores de radiación de semiconductores, Web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- Lyndon Evans, El gran colisionador de hadrones: una maravilla de la tecnología, Ed. Prensa EPFL, 2009.