Detector de radiação portátil: 10 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Este é um tutorial para projetar, construir e testar seu próprio detector de radiação fotodíodo de silício portátil adequado para a faixa de detecção 5keV-10MeV para quantificar com precisão os raios gama de baixa energia provenientes de fontes radioativas! Preste atenção se você não quiser se tornar um zumbi radioativo: não é seguro ficar perto de fontes de alta radiação e este dispositivo NÃO deve ser usado como uma forma confiável de detectar radiação potencialmente prejudicial.

Vamos começar com um pouco de base científica sobre o detector antes de entrarmos em sua construção. Acima está um vídeo maravilhoso da Veritasium explicando o que é a radiação e de onde ela vem.

Etapa 1: primeiro, muita física

(Legenda da figura: a radiação ionizante forma pares de elétron-buraco na região intrínseca, resultando em um pulso de carga.)

Câmaras de ignição, Geiger e detectores de tubo fotomultiplicador … todos esses tipos de detectores são incômodos, caros ou usam alta voltagem para operar. Existem alguns tipos de tubos Geiger amigáveis para fabricantes, como https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 e https://www.adafruit.com/product / 483. Outros métodos de detecção de radiação são detectores de estado sólido (por exemplo, detectores de germânio). No entanto, eles são caros de produzir e requerem equipamento especializado (pense no resfriamento com nitrogênio líquido!). Ao contrário, os detectores de estado sólido são muito econômicos. Eles são amplamente usados e desempenham um papel essencial na física de partículas de alta energia, física médica e astrofísica.

Aqui, construímos um detector de radiação de estado sólido portátil capaz de quantificar e detectar com precisão os raios gama de baixa energia provenientes de fontes radioativas. O dispositivo consiste em uma matriz de diodos PiN de silício de grande área de superfície polarizada reversamente, que emitem para um pré-amplificador de carga, um amplificador diferenciador, um discriminador e um comparador. A saída de todos os estágios sucessivos é convertida em sinais digitais para análise. Começaremos descrevendo os princípios dos detectores de partículas de silício, diodos PiN, polarização reversa e outros parâmetros associados. Em seguida, explicaremos as diferentes investigações que foram conduzidas e as escolhas feitas. No final, apresentaremos o protótipo final e os testes.

Detectores SolidState

Em muitas aplicações de detecção de radiação, o uso de um meio de detecção de sólidos é uma vantagem significativa (alternativamente, chamados de detectores de diodo semicondutor ou detectores de estado sólido). Os diodos de silício são os detectores de escolha para um grande número de aplicações, especialmente quando partículas pesadas carregadas estão envolvidas. Se a medição de energia não for necessária, as excelentes características de temporização dos detectores de diodo de silício permitem uma contagem e rastreamento precisos de partículas carregadas.

Para a medição de elétrons ou raios gama de alta energia, as dimensões do detector podem ser mantidas muito menores do que as alternativas. O uso de materiais semicondutores como detectores de radiação também resulta em um maior número de portadoras para um determinado evento de radiação incidente e, portanto, um limite estatístico mais baixo na resolução de energia do que é possível com outros tipos de detectores. Consequentemente, a melhor resolução de energia alcançável hoje é obtida com o uso de tais detectores.

Os portadores de informações fundamentais são pares de elétron-buraco criados ao longo do caminho percorrido pela partícula carregada através do detector (veja a figura acima). Ao coletar esses pares elétron-orifício, medidos como cargas nos eletrodos do sensor, o sinal de detecção é formado e prossegue para os estágios de amplificação e discriminação. As características adicionais desejáveis dos detectores de estado sólido são um tamanho compacto, características de temporização relativamente rápidas e uma espessura efetiva (*). Como acontece com qualquer detector, existem desvantagens, incluindo a limitação de tamanhos pequenos e a possibilidade relativa de esses dispositivos sofrerem degradação de desempenho devido a danos induzidos por radiação.

(*: Sensores finos minimizam dispersões múltiplas, enquanto sensores mais espessos geram mais cargas quando uma partícula atravessa o substrato.)

Diodos P − i − N:

Cada tipo de detector de radiação produz uma saída característica após a interação com a radiação. As interações das partículas com a matéria são distinguidas por três efeitos:

1. o efeito fotoelétrico
2. Efeito Compton
3. Produção em pares.

O princípio básico de um detector de silício planar é o uso de uma junção PN na qual as partículas interagem por meio desses três fenômenos. O sensor de silício planar mais simples consiste em um substrato dopado com P e um implante N em um lado. Os pares de elétron-buraco são criados ao longo da trajetória de uma partícula. Na área do entroncamento PN, existe uma região de portadores gratuitos, chamada de zona de depleção. Os pares elétron-lacuna criados nesta região são separados por um campo elétrico circundante. Portanto, os portadores de carga podem ser medidos no lado N ou no lado P do material de silício. Ao aplicar uma tensão de polarização reversa ao diodo de junção PN, a zona esgotada cresce e pode cobrir todo o substrato do sensor. Você pode ler mais sobre isso aqui: Artigo da Wikipedia sobre junção de pinos.

Um diodo PiN tem uma região i intrínseca, entre as junções P e N, inundada com portadores de carga das regiões P e N. Esta ampla região intrínseca também significa que o diodo tem uma baixa capacitância quando polarizado reversamente. Em um diodo PiN, a região de depleção existe quase completamente dentro da região intrínseca. Esta região de depleção é muito maior do que com um diodo PN normal. Isso aumenta o volume onde os pares de elétron-buraco podem ser gerados por um fóton incidente. Se um campo elétrico é aplicado ao material semicondutor, tanto os elétrons quanto os buracos sofrem uma migração. O diodo PiN é polarizado reversamente, de modo que toda a camada i fica sem portadores livres. Essa polarização reversa cria um campo elétrico através da camada i de modo que os elétrons são levados para a camada P e os buracos, para a camada N (* 4).

O fluxo de portadores em resposta a um pulso de radiação constitui o pulso de corrente medido. Para maximizar essa corrente, a região-i deve ser o maior possível. As propriedades da junção são tais que conduz muito pouca corrente quando polarizada na direção reversa. O lado P da junção torna-se negativo em relação ao lado N, e a diferença de potencial natural de um lado da junção para o outro é aumentada. Nessas circunstâncias, são os portadores minoritários que são atraídos pela junção e, como sua concentração é relativamente baixa, a corrente reversa no diodo é muito pequena. Quando uma polarização reversa é aplicada à junção, virtualmente toda a voltagem aplicada aparece na região de depleção, porque sua resistividade é muito maior do que a do material normal do tipo N ou P. Na verdade, a polarização reversa acentua a diferença de potencial ao longo da junção. A espessura da região de depleção também é aumentada, estendendo o volume sobre o qual os portadores de carga produzidos por radiação são coletados. Uma vez que o campo elétrico é suficientemente alto, a coleta de carga torna-se completa e a altura do pulso não muda mais com aumentos adicionais na tensão de polarização do detector.

(* 1: Os elétrons no estado ligado de um átomo são eliminados pelos fótons quando a energia das partículas incidentes é maior do que a energia de ligação.; * 2: Interação envolvendo o espalhamento de uma partícula de um elétron livre ou fracamente ligado, e a transferência de parte da energia para o elétron.; * 3: Produção de uma partícula elementar e sua antipartícula.; * 4: Os elétrons são atraídos na direção oposta ao vetor do campo elétrico, enquanto os buracos se movem no mesmo direção como o campo elétrico.)

Etapa 2: Exploração

Esta é a versão protótipo do "detector" que construímos, depuramos e testamos. É uma matriz que consiste em vários sensores para ter um sensor de radiação do tipo "CCD". Como mencionado anteriormente, todos os semicondutores de silício são sensíveis à radiação. Dependendo da precisão e dos sensores usados, também se pode ter uma ideia aproximada do nível de energia da partícula que causou o impacto.

Usamos diodos não blindados já destinados à detecção, que quando polarizados reversamente (e protegidos da luz visível), podem registrar impactos da radiação Beta e Gama amplificando os sinais minúsculos e lendo os dados de saída com um microcontrolador. A radiação alfa, no entanto, raramente pode ser detectada porque não consegue penetrar nem mesmo em tecidos finos ou blindagem de polímero. Em anexo está um vídeo maravilhoso da Veritasium, que explica os diferentes tipos de radiação (Alfa, Beta e Gama).

As iterações iniciais do projeto usaram um sensor diferente (um fotodiodo BPW-34; um sensor famoso se você pesquisar no Google). Existem até mesmo alguns Instructables relacionados que o usam com o propósito de detectar radiação, como este excelente: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. No entanto, como ele tinha alguns bugs e não estava funcionando perfeitamente, decidimos omitir os detalhes desse protótipo deste Instructables para evitar que os Makers construam um detector cheio de falhas. No entanto, anexamos os arquivos de design e o esquema, caso alguém esteja interessado.

Etapa 3: O Design

(Legendas da imagem: (1) Diagrama de blocos do detector: da criação do sinal à aquisição de dados., (2) Especificações do fotodiodo X100-7: 100 mm ^ 2 área ativa, zona esgotada de 0,9 mm, revestimento de bloqueio de luz, baixa corrente escura … Conforme mostrado no gráfico de probabilidade de absorção, os diodos PiN absorvem prontamente a energia dos raios gama, (3) Nota de aplicação do fabricante que confirmou o conceito de projeto e ajudou a escolher os valores iniciais dos componentes.

Decidimos por um sensor de área maior, ou seja, o X100−7 do Primeiro Sensor. Para fins de teste e modularidade, projetamos três partes diferentes, empilhadas umas sobre as outras: Sensores e amplificação (amplificador de carga de baixo ruído + amplificador de modelagem de pulso), Discriminadores e comparador, regulação DC / DC e o DAQ (Arduino para aquisição de dados). Cada estágio foi montado, validado e testado separadamente, como você verá na próxima etapa.

Uma das principais vantagens dos detectores semicondutores é a pequena energia de ionização (E), independente da energia e do tipo de radiação incidente. Esta simplificação permite levar em conta um número de pares de elétron-buraco em termos de energia de radiação incidente, desde que a partícula esteja totalmente parada dentro do volume ativo do detector. Para silício a 23C (*), temos E ~ 3,6eV. Assumindo que toda a energia é depositada e usando a energia de ionização, podemos calcular o número de elétrons produzidos por uma determinada fonte. Por exemplo, um raio 60keVgamma de uma fonte Americium-241 resultaria em uma carga depositada de 0,045 fC / keV. Conforme mostrado nas especificações das especificações do diodo, acima de uma tensão de polarização de aproximadamente ~ 15 V, a região de depleção pode ser aproximada como constante. Isso define a faixa desejada para nossa tensão de polarização em 12-15V. (*: E aumenta com a diminuição da temperatura.)

A funcionalidade dos diferentes módulos do detector, seus constituintes e cálculos associados. Ao avaliar o detector, a sensibilidade (* 1) foi crucial. Um pré-amplificador de carga extremamente sensível é necessário porque um raio gama incidente pode gerar apenas alguns milhares de elétrons na região de depleção do semicondutor. Como amplificamos um minúsculo pulso de corrente, atenção especial deve ser dada à seleção do componente, proteção cuidadosa e layout da placa de circuito.

(* 1: Energia mínima a ser depositada no detector para produzir um sinal distinto e a relação sinal-ruído.)

Para escolher corretamente os valores dos componentes, primeiro resumirei os requisitos, as especificações desejadas e as restrições:

Sensores:

• Grande faixa de detecção possível, 1keV-1MeV
• Baixa capacitância para minimizar o ruído, 20pF-50pF
• Corrente de fuga insignificante sob polarização reversa.

Amplificação e discriminação:

• Pré-amplificadores sensíveis à carga
• Diferenciador para modelagem de pulso
• Comparador para pulso de sinal quando acima do limite definido
• Comparador para saída de ruído quando dentro do intervalo limite
• Comparador de coincidências de canal
• Limite geral para filtragem de eventos.

Digital e microcontrolador:

• Conversores analógico-digital rápidos
• Dados de saída para processamento e interface do usuário.

Potência e filtragem:

• Reguladores de tensão para todos os estágios
• Fonte de alta tensão para gerar a energia de polarização
• Filtragem adequada de toda a distribuição de energia.

Eu escolhi os seguintes componentes:

• Conversor DC Boost: LM 2733
• Amplificadores de carga: AD743
• Outros Op-Amps: LM393 e LM741
• DAQ / leitura: Arduino Nano.

As especificações adicionais impostas incluem:

• Taxa de operação:> 250 kHz (84 canais), 50 kHz (coincidência)
• Resolução: ADC de 10 bits
• Taxa de amostragem: 5kHz (8 canais)
• Tensões: 5V Arduino, 9V op-amps, ~ 12V Biasing.

O arranjo geral e a ordem dos componentes acima são representados na figura do diagrama de blocos. Fizemos os cálculos com os valores dos componentes usados durante a fase de teste (veja a terceira imagem). (*: Alguns valores de componentes não são os mesmos inicialmente planejados nem iguais aos atualmente em vigor; no entanto, esses cálculos fornecem uma estrutura de orientação.)

Etapa 4: os circuitos

(Legendas das figuras: (1) Esquema geral dos estágios 1-3 de um único canal, incluindo base de diodo e divisores de tensão que fornecem referências para cada estágio, subseções do circuito.)

Vamos agora explicar o "fluxo" do sinal de detecção de um dos quatro canais desde sua criação até a aquisição digital.

Estágio 1

O único sinal de interesse origina-se dos fotodiodos. Esses sensores são polarizados reversamente. A fonte de polarização é um 12V estável que é executado através de um filtro passa-baixo para eliminar qualquer ruído indesejado maior que 1Hz. Após a ionização da região de depleção, um pulso de carga é criado nos pinos do diodo. Este sinal é captado por nosso primeiro estágio de amplificação: o amplificador de carga. Um amplificador de carga pode ser feito com qualquer amplificador operacional, mas a especificação de baixo ruído é muito importante.

Estágio 2

O objetivo deste estágio é converter o pulso de carga detectado na entrada inversora, em uma tensão DC na saída do amplificador operacional. A entrada não inversora é filtrada e definida para um divisor de tensão em um nível conhecido e escolhido. Este primeiro estágio é difícil de ajustar, mas após vários testes decidimos por um capacitor de feedback de 2 [pF] e um resistor de feedback de 44 [MOhm], resultando em um pulso de 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]. Um amplificador de filtro passa-banda ativo inversor, que atua como um diferenciador, segue o amplificador de carga. Este estágio filtra e converte o nível DC convertido, proveniente do estágio anterior em um pulso com ganho de 100. O sinal bruto do detector é testado na saída deste estágio.

Estágio 3

Em seguida estão os canais de sinal e ruído. Essas duas saídas vão diretamente para o DAQ e também para o segundo PCB analógico. Ambos funcionam como comparadores de amplificadores operacionais. A única diferença entre os dois é que o canal de ruído tem uma tensão mais baixa em sua entrada não inversora do que o canal de sinal, e o canal de sinal também é filtrado para remover frequências acima do pulso de saída esperado do segundo estágio de amplificação. Um amplificador operacional LM741 atua como um comparador contra um limite variável para discriminar o canal de sinal, permitindo que o detector envie apenas eventos selecionados para o ADC / MCU. Um resistor variável na entrada não inversora define o nível de disparo. Neste estágio (contador de coincidência), os sinais de cada canal são enviados a um amplificador operacional que atua como um circuito somador. Um limite fixo é definido coincidindo com dois canais ativos. O amplificador operacional tem saída alta se dois, ou mais, fotodiodos registrarem uma batida simultaneamente.

Nota: Cometemos um erro crucial ao colocar o conversor DC / DC da potência de polarização próximo aos amplificadores operacionais sensíveis à carga na placa de amplificação. Talvez consertemos isso em uma versão posterior.

Etapa 5: a montagem

Solda, muita solda … Como o sensor selecionado para o detector final só existe como um componente de pegada SMT, tivemos que projetar PCBs (2 camadas). Portanto, todos os circuitos associados também foram migrados para placas PCB em vez da placa de ensaio. Todos os componentes analógicos foram colocados em dois PCBs separados e os componentes digitais em outro para evitar interferências de ruído. Essas foram as primeiras PCBs que fizemos, então tivemos que obter ajuda para o layout do Eagle. O PCB mais importante é o dos sensores e amplificação. Com um osciloscópio monitorando as saídas nos pontos de teste, o detector pode operar somente com esta placa (bypass DAQ). Eu encontrei e consertei meus erros; isso incluía pegadas de componentes erradas, o que resultou em nossos amplificadores operacionais de baixo ruído a serem interceptados e componentes em fim de vida que foram trocados por alternativas. Além disso, dois filtros foram adicionados ao projeto para suprimir oscilações de toque.

Etapa 6: o gabinete

O objetivo da caixa impressa em 3D, a folha de chumbo e espuma é para: fins de montagem, isolamento térmico, fornecer uma proteção contra ruído e para bloquear a luz ambiente e, evidentemente, para proteger a eletrônica. Arquivos STL de impressão 3D são anexados.

Etapa 7: leitura do Arduino

A parte de leitura (ADC / DAQ) do detector consiste em um Arduino Mini (código anexado). Este microcontrolador monitora as saídas dos quatro detectores e o fornecimento de energia para o último (rastreia a qualidade da energia), em seguida, envia todos os dados na saída serial (USB) para posterior análise ou registro.

Um aplicativo de desktop Processing foi desenvolvido (anexado) para plotar todos os dados recebidos.

Etapa 8: Teste

(Legendas das figuras: (1) Pulso resultante de uma fonte de 60Co (t ~ 760ms) razão sinal-ruído ~ 3: 1., (2) Injeção equivalente à carga depositada por uma fonte de energia ~ 2 MeV., (3) Injeção equivalente à carga depositada por uma fonte 60Co (~ 1,2 MeV)).

A injeção de carga foi feita com um gerador de pulsos acoplado a um capacitor (1pF) na almofada do sensor e terminado em aterramento por meio de um resistor de 50Ohm. Esses procedimentos me permitiram testar meus circuitos, ajustar os valores dos componentes e simular as respostas dos fotodiodos quando expostos a uma fonte ativa. Colocamos ambas as fontes Americium − 241 (60 KeV) e Ferro − 55 (5,9 KeV) na frente dos dois fotodiodos ativos, e nenhum dos canais viu um sinal distinto. Verificamos por meio de injeções de pulso e concluímos que os pulsos dessas fontes estavam abaixo do limite observável devido aos níveis de ruído. No entanto, ainda pudemos ver ocorrências de uma fonte de 60Co (1,33 MeV). O principal fator limitante durante os testes foi o ruído significativo. Havia muitas fontes de ruído e poucas explicações sobre o que os estava gerando. Descobrimos que uma das fontes mais significativas e prejudiciais era a presença de ruído antes do primeiro estágio de amplificação. Devido ao grande ganho, esse ruído foi amplificado quase cem vezes! Talvez a filtragem de potência inadequada e o ruído Johnson reinjetado nos loops de feedback dos estágios do amplificador também tenham contribuído (isso explicaria a relação sinal / ruído baixa). Não investigamos a dependência do ruído com a polarização, mas poderemos investigar isso com mais detalhes no futuro.

Etapa 9: o quadro mais amplo

Assista ao vídeo da Veritasium sobre os lugares mais radioativos do planeta!

Se você chegou até aqui e seguiu os passos, então parabéns! Você construiu um aparelho para aplicações do mundo real como o LHC! Talvez você deva considerar uma mudança de carreira e entrar no campo da física nuclear:) Em termos mais técnicos, você construiu um detector de radiação de estado sólido que consiste em uma matriz de fotodiodos e circuitos associados para localizar e discriminar eventos. O detector consiste em vários estágios de amplificação que convertem pequenos pulsos de carga em tensões observáveis e, em seguida, os discriminam e comparam. Um comparador, entre canais, também fornece informações sobre a distribuição espacial dos eventos detectados. Você também incorporou o uso de um microcontrolador Arduino e software essencial para coleta e análise de dados.

Etapa 10: Referências

Além dos maravilhosos PDFs anexados, aqui estão alguns recursos informativos relacionados:

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

- Folha de dados PD do primeiro sensor, PIN do primeiro sensor Descrição da peça X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul e 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.