เครื่องตรวจจับรังสีแบบพกพา: 10 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

นี่คือบทช่วยสอนในการออกแบบ สร้าง และทดสอบเครื่องตรวจจับรังสีโฟโตไดโอดแบบพกพาของคุณเองซึ่งเหมาะสำหรับช่วงการตรวจจับ 5keV-10MeV เพื่อหาปริมาณรังสีแกมมาพลังงานต่ำที่มาจากแหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสีอย่างแม่นยำ! ให้ความสนใจถ้าคุณไม่ต้องการที่จะกลายเป็นซอมบี้ที่มีกัมมันตภาพรังสี: มันไม่ปลอดภัยที่จะอยู่ใกล้แหล่งรังสีสูง และไม่ควรใช้อุปกรณ์นี้เป็นวิธีที่เชื่อถือได้ในการตรวจจับรังสีที่อาจเป็นอันตราย

เริ่มจากวิทยาศาสตร์เบื้องหลังเล็กๆ น้อยๆ เกี่ยวกับเครื่องตรวจจับก่อนที่เราจะไปต่อกันที่การก่อสร้าง ด้านบนเป็นวิดีโอที่ยอดเยี่ยมจาก Veritasium ที่อธิบายว่ารังสีคืออะไรและมาจากไหน

ขั้นตอนที่ 1: ขั้นแรก ฟิสิกส์มากมาย

(ภาพประกอบในตำนาน: การแผ่รังสีไอออไนซ์ทำให้เกิดคู่ของรูอิเล็กตรอนในบริเวณภายในซึ่งส่งผลให้เกิดพัลส์ประจุ)

Spark chambers, Geiger's และ Photo-multiplier tube detectors… เครื่องตรวจจับทุกประเภทเหล่านี้มีความยุ่งยาก มีราคาแพง หรือใช้ไฟฟ้าแรงสูงในการทำงาน หลอด Geiger ที่เป็นมิตรกับผู้ผลิตมีหลายประเภท เช่น https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product /483 วิธีการอื่นๆ ในการตรวจจับรังสีคือเครื่องตรวจจับสถานะของแข็ง (เช่น เครื่องตรวจจับเจอร์เมเนียม) อย่างไรก็ตาม การผลิตเหล่านี้มีราคาแพงและต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ (คิดว่าการระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลว!) ในทางตรงกันข้าม เครื่องตรวจจับโซลิดสเตตนั้นคุ้มค่ามาก มีการใช้กันอย่างแพร่หลายและมีบทบาทสำคัญในฟิสิกส์อนุภาคพลังงานสูง ฟิสิกส์การแพทย์ และฟิสิกส์ดาราศาสตร์

ที่นี่ เราสร้างเครื่องตรวจจับรังสีโซลิดสเตตแบบพกพาที่สามารถหาปริมาณและตรวจจับรังสีแกมมาพลังงานต่ำที่มาจากแหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสีได้อย่างแม่นยำ อุปกรณ์นี้ประกอบด้วยอาร์เรย์ของไดโอด PinN ซิลิคอนพื้นที่ผิวขนาดใหญ่แบบเอนเอียงแบบย้อนกลับ ซึ่งส่งออกไปยังเครื่องขยายสัญญาณล่วงหน้าที่มีประจุ แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนติเอเตอร์ ตัวจำแนก และตัวเปรียบเทียบ เอาต์พุตของขั้นตอนต่อเนื่องทั้งหมดจะถูกแปลงเป็นสัญญาณดิจิทัลเพื่อการวิเคราะห์ เราจะเริ่มต้นด้วยการอธิบายหลักการของเครื่องตรวจจับอนุภาคซิลิกอน ไดโอด PinN การให้น้ำหนักแบบย้อนกลับ และพารามิเตอร์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง จากนั้นเราจะอธิบายการสอบสวนต่างๆ ที่ดำเนินการและทางเลือกที่ทำ ในตอนท้าย เราจะแนะนำต้นแบบขั้นสุดท้ายและการทดสอบ

เครื่องตรวจจับ SolidState

ในการใช้งานการตรวจจับการแผ่รังสีหลายอย่าง การใช้สื่อในการตรวจจับของแข็งมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ (หรือเรียกอีกอย่างว่าเครื่องตรวจจับสารกึ่งตัวนำไดโอด ไดโอดซิลิคอนเป็นเครื่องตรวจจับทางเลือกสำหรับการใช้งานจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีอนุภาคที่มีประจุหนักเข้ามาเกี่ยวข้อง หากไม่ต้องการการวัดพลังงาน คุณลักษณะด้านเวลาที่ยอดเยี่ยมของเครื่องตรวจจับไดโอดซิลิคอนช่วยให้สามารถนับและติดตามอนุภาคที่มีประจุได้อย่างแม่นยำ

สำหรับการวัดอิเล็กตรอนพลังงานสูงหรือรังสีแกมมา ขนาดของเครื่องตรวจจับสามารถรักษาให้เล็กกว่าทางเลือกอื่นได้มาก การใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์เป็นเครื่องตรวจจับรังสียังส่งผลให้มีพาหะจำนวนมากขึ้นสำหรับเหตุการณ์การแผ่รังสีที่เกิดขึ้น ดังนั้นจึงมีขีดจำกัดทางสถิติในความละเอียดพลังงานที่ต่ำกว่าที่เป็นไปได้กับเครื่องตรวจจับประเภทอื่นๆ ด้วยเหตุนี้ ความละเอียดด้านพลังงานที่ดีที่สุดที่ทำได้ในปัจจุบันจึงเกิดขึ้นจากการใช้เครื่องตรวจจับดังกล่าว

ตัวพาข้อมูลพื้นฐานคือคู่อิเล็กตรอน-รูที่สร้างขึ้นตามเส้นทางของอนุภาคที่มีประจุผ่านเครื่องตรวจจับ (ดูรูปด้านบน) โดยการรวบรวมคู่อิเล็กตรอน-รูเหล่านี้ ซึ่งวัดเป็นประจุที่อิเล็กโทรดของเซ็นเซอร์ สัญญาณการตรวจจับจะก่อตัวขึ้น และมันจะไปยังขั้นตอนการขยายและการเลือกปฏิบัติ คุณลักษณะที่ต้องการเพิ่มเติมของเครื่องตรวจจับโซลิดสเตตคือขนาดที่กะทัดรัด ลักษณะการจับเวลาที่ค่อนข้างเร็ว และความหนาที่มีประสิทธิภาพ (*) เช่นเดียวกับเครื่องตรวจจับใดๆ มีข้อเสีย รวมทั้งข้อจำกัดในขนาดที่เล็กและค่อนข้างเป็นไปได้ที่อุปกรณ์เหล่านี้จะได้รับประสิทธิภาพการทำงานที่ลดลงจากความเสียหายที่เกิดจากรังสี

(*: เซ็นเซอร์แบบบางช่วยลดการกระเจิงหลายครั้ง ในขณะที่เซ็นเซอร์ที่หนากว่าจะสร้างประจุมากขึ้นเมื่ออนุภาคเคลื่อนผ่านซับสเตรต)

ไดโอด P−i−N:

เครื่องตรวจจับรังสีแต่ละประเภทสร้างเอาต์พุตเฉพาะหลังจากมีปฏิสัมพันธ์กับรังสี ปฏิกิริยาของอนุภาคกับสสารมีความโดดเด่นด้วยผลกระทบสามประการ:

1. โฟโต้อิเล็กทริกเอฟเฟกต์
2. คอมป์ตันกระเจิง
3. การผลิตคู่

หลักการพื้นฐานของเครื่องตรวจจับซิลิคอนแบบระนาบคือการใช้จุดเชื่อมต่อ PN ซึ่งอนุภาคโต้ตอบผ่านปรากฏการณ์ทั้งสามนี้ เซ็นเซอร์ซิลิโคนระนาบที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยสารตั้งต้น P และ N-implant ที่ด้านหนึ่ง คู่อิเล็กตรอน-รูถูกสร้างขึ้นตามวิถีโคจรของอนุภาค ในพื้นที่ของทางแยก PN มีเขตพาหะฟรีเรียกว่าโซนพร่อง คู่อิเล็กตรอน-รูที่สร้างขึ้นในบริเวณนี้จะถูกคั่นด้วยสนามไฟฟ้าโดยรอบ ดังนั้น ตัวพาประจุจึงสามารถวัดได้ที่ด้าน N หรือ P ของวัสดุซิลิกอน ด้วยการใช้แรงดันไบแอสย้อนกลับกับไดโอดจุดเชื่อมต่อ PN โซนที่หมดจะขยายตัวและสามารถครอบคลุมพื้นผิวเซ็นเซอร์ทั้งหมดได้ คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งนี้ได้ที่นี่: บทความ Pin Junction Wikipedia

ไดโอด PinN มีขอบเขต i ที่แท้จริงระหว่างทางแยก P และ N ซึ่งเต็มไปด้วยตัวพาประจุจากภูมิภาค P และ N บริเวณภายในที่กว้างนี้ยังหมายถึงไดโอดมีความจุต่ำเมื่อมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับ ในไดโอด PinN พื้นที่พร่องเกือบสมบูรณ์ภายในขอบเขตที่แท้จริง พื้นที่พร่องนี้มีขนาดใหญ่กว่าไดโอด PN ปกติมาก ซึ่งจะเป็นการเพิ่มปริมาตรที่คู่อิเล็กตรอน-รูสามารถสร้างขึ้นโดยโฟตอนตกกระทบ ถ้าสนามไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ทั้งอิเล็กตรอนและรูจะเกิดการอพยพ ไดโอด PinN มีความเอนเอียงแบบย้อนกลับเพื่อให้ i-layer ทั้งหมดหมดจากตัวพาอิสระ ความเอนเอียงแบบย้อนกลับนี้จะสร้างสนามไฟฟ้าข้ามชั้น i เพื่อให้อิเล็กตรอนถูกกวาดไปที่ชั้น P และรูไปยังชั้น N (*4)

การไหลของพาหะในการตอบสนองต่อพัลส์ของรังสีถือเป็นพัลส์กระแสที่วัดได้ เพื่อเพิ่มกระแสสูงสุดนี้ i-region ต้องมีขนาดใหญ่ที่สุด คุณสมบัติของทางแยกนั้นทำให้กระแสไฟน้อยมากเมื่อเอนเอียงไปในทิศทางย้อนกลับ ด้าน P ของทางแยกจะกลายเป็นค่าลบเมื่อเทียบกับด้าน N และความต่างศักย์ตามธรรมชาติจากด้านหนึ่งของทางแยกไปยังอีกด้านหนึ่งจะเพิ่มขึ้น ภายใต้สถานการณ์เหล่านี้ มันเป็นพาหะส่วนน้อยที่ดึงดูดข้ามทางแยก และเนื่องจากความเข้มข้นค่อนข้างต่ำ กระแสย้อนกลับข้ามไดโอดจึงค่อนข้างเล็ก เมื่อใช้อคติแบบย้อนกลับกับทางแยก แรงดันไฟฟ้าที่ใช้เกือบทั้งหมดจะปรากฏทั่วบริเวณการพร่อง เนื่องจากสภาพต้านทานสูงกว่าวัสดุประเภท N หรือ P ปกติมาก อันที่จริง อคติแบบย้อนกลับจะเน้นถึงความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นทั่วทั้งทางแยก ความหนาของพื้นที่พร่องก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ขยายปริมาตรที่รวบรวมตัวพาประจุที่ผลิตด้วยรังสี เมื่อสนามไฟฟ้าสูงเพียงพอ การเก็บประจุจะสมบูรณ์ และความสูงของพัลส์จะไม่เปลี่ยนแปลงอีกต่อไปเมื่อแรงดันไบแอสของเครื่องตรวจจับเพิ่มขึ้นอีก

(*1: อิเล็กตรอนในสถานะที่ถูกผูกมัดของอะตอมจะถูกโฟตอนหลุดออกมาเมื่อพลังงานของอนุภาคตกกระทบสูงกว่าพลังงานจับ; *2: ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการกระเจิงของอนุภาคออกจากอิเล็กตรอนที่มีอิสระหรือถูกผูกมัดอย่างหลวม ๆ และการถ่ายโอนพลังงานบางส่วนไปยังอิเล็กตรอน; *3: การผลิตอนุภาคมูลฐานและสารต้านอนุภาค; *4: อิเล็กตรอนถูกดึงไปในทิศทางตรงกันข้ามกับเวกเตอร์สนามไฟฟ้า ทิศทางเป็นสนามไฟฟ้า)

ขั้นตอนที่ 2: สำรวจ

นี่คือเวอร์ชันต้นแบบของ "ตัวตรวจจับ" ที่เราสร้าง ดีบั๊ก และทดสอบ เป็นเมทริกซ์ที่ประกอบด้วยเซ็นเซอร์หลายตัวที่มีเซ็นเซอร์การแผ่รังสีแบบ "CCD" ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ สารกึ่งตัวนำซิลิกอนทั้งหมดมีความไวต่อรังสี ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความแม่นยำของเซ็นเซอร์ และเซ็นเซอร์ที่ใช้ยังสามารถทราบคร่าวๆ เกี่ยวกับระดับพลังงานของอนุภาคที่ก่อให้เกิดการกระแทก

เราใช้ไดโอดที่ไม่มีชีลด์ซึ่งมีไว้สำหรับการตรวจจับ ซึ่งเมื่อมีอคติแบบย้อนกลับ (และป้องกันมันจากแสงที่มองเห็น) สามารถลงทะเบียนการเข้าชมจากรังสีเบต้าและแกมมาโดยขยายสัญญาณขนาดเล็กและอ่านข้อมูลเอาต์พุตด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ อย่างไรก็ตาม รังสีอัลฟ่านั้นแทบจะไม่สามารถตรวจพบได้ เนื่องจากไม่สามารถทะลุผ่านผ้าบางๆ หรือเกราะป้องกันโพลีเมอร์ได้ แนบเป็นวิดีโอที่ยอดเยี่ยมจาก Veritasium ซึ่งอธิบายการแผ่รังสีประเภทต่างๆ (Alpha, Beta & Gamma)

การออกแบบซ้ำครั้งแรกใช้เซ็นเซอร์อื่น (โฟโตไดโอด BPW-34 เซ็นเซอร์ที่มีชื่อเสียงหากคุณใช้ google) มีแม้แต่ Instructables ที่เกี่ยวข้องสองสามตัวที่ใช้เพื่อจุดประสงค์ในการตรวจจับรังสีเช่นคำสั่งที่ยอดเยี่ยมนี้: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีข้อบกพร่องบางอย่างและทำงานไม่เต็มประสิทธิภาพ เราจึงตัดสินใจที่จะละเว้นรายละเอียดของต้นแบบนี้จากคำแนะนำนี้เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ผู้สร้างสร้างตัวตรวจจับที่เต็มไปด้วยข้อบกพร่อง อย่างไรก็ตาม เราได้แนบไฟล์การออกแบบและแผนผังเผื่อใครสนใจ

ขั้นตอนที่ 3: การออกแบบ

(คำอธิบายภาพ: (1) บล็อกไดอะแกรมของเครื่องตรวจจับ: จากการสร้างสัญญาณไปจนถึงการเก็บข้อมูล, (2) ข้อมูลจำเพาะของโฟโตไดโอด X100-7: พื้นที่ใช้งาน 100 มม. ^ 2 โซนหมด 0.9 มม., การเคลือบปิดกั้นแสง, กระแสมืดต่ำ… ตามที่แสดงในแผนภาพความน่าจะเป็นในการดูดกลืน ไดโอด PinN สามารถดูดซับพลังงานรังสีแกมมาได้อย่างง่ายดาย (3) บันทึกการใช้งานของผู้ผลิตซึ่งยืนยันแนวคิดการออกแบบและช่วยในการเลือกค่าส่วนประกอบเริ่มต้น

เราเลือกใช้เซ็นเซอร์พื้นที่ขนาดใหญ่กว่า นั่นคือ X100−7 จากเซ็นเซอร์แรก เพื่อวัตถุประสงค์ในการทดสอบและความเป็นโมดูล เราได้ออกแบบส่วนต่างๆ สามส่วน โดยวางซ้อนกัน: เซนเซอร์และการขยายเสียง (เครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ + เครื่องขยายสัญญาณการสร้างพัลส์), เครื่องแยกและตัวเปรียบเทียบ, ระเบียบ DC/DC และ DAQ (Arduino สำหรับการเก็บข้อมูล) แต่ละขั้นตอนได้รับการประกอบ ตรวจสอบ และทดสอบแยกกันดังที่คุณเห็นในขั้นตอนต่อไป

ข้อได้เปรียบหลักของเครื่องตรวจจับสารกึ่งตัวนำคือพลังงานไอออไนเซชันขนาดเล็ก (E) ซึ่งไม่ขึ้นกับทั้งพลังงานและประเภทของรังสีตกกระทบ การทำให้เข้าใจง่ายนี้ช่วยให้พิจารณาคู่อิเล็กตรอน-รูจำนวนหนึ่งในแง่ของพลังงานรังสีตกกระทบ โดยที่อนุภาคจะหยุดจนสุดภายในปริมาตรที่ทำงานอยู่ของเครื่องตรวจจับ สำหรับซิลิคอนที่อุณหภูมิ 23C (*) เรามี E~3.6eV สมมติว่าพลังงานทั้งหมดถูกสะสมและใช้พลังงานไอออไนเซชัน เราสามารถคำนวณจำนวนอิเล็กตรอนที่ผลิตได้จากแหล่งกำเนิดที่กำหนด ตัวอย่างเช่น 60keVgamma-ray จากแหล่งกำเนิด Americium-241 จะส่งผลให้มีประจุ 0.045 fC/keV ตามที่แสดงในข้อกำหนดของข้อกำหนดไดโอด เหนือแรงดันไบอัสประมาณ ~15V พื้นที่พร่องสามารถประมาณค่าคงที่ได้ สิ่งนี้กำหนดช่วงเป้าหมายสำหรับแรงดันไบอัสของเราเป็น 12–15V (*: E เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่ลดลง)

การทำงานของโมดูลต่างๆ ของเครื่องตรวจจับ ส่วนประกอบ และการคำนวณที่เกี่ยวข้อง เมื่อประเมินเครื่องตรวจจับ ความไว (*1) เป็นสิ่งสำคัญ จำเป็นต้องมีเครื่องขยายสัญญาณล่วงหน้าที่มีประจุไวมาก เนื่องจากรังสีแกมมาตกกระทบอาจสร้างอิเล็กตรอนได้เพียงไม่กี่พันตัวในบริเวณที่มีสารกึ่งตัวนำหมด เนื่องจากเราขยายพัลส์กระแสเล็ก ๆ จึงต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการเลือกส่วนประกอบ การป้องกันอย่างระมัดระวัง และการจัดวางแผงวงจร

(*1: พลังงานขั้นต่ำที่จะสะสมในเครื่องตรวจจับเพื่อสร้างสัญญาณที่ชัดเจน และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน)

ในการเลือกค่าส่วนประกอบอย่างเหมาะสม อันดับแรก ฉันสรุปข้อกำหนด ข้อมูลจำเพาะที่ต้องการ และข้อจำกัด:

เซนเซอร์:

• ช่วงการตรวจจับที่เป็นไปได้มาก, 1keV-1MeV
• ความจุต่ำเพื่อลดเสียงรบกวน 20pF-50pF
• กระแสไฟรั่วเล็กน้อยภายใต้อคติย้อนกลับ

การขยายและการเลือกปฏิบัติ:

• พรีแอมพลิฟายเออร์ที่ไวต่อการชาร์จ
• ตัวสร้างความแตกต่างสำหรับการสร้างพัลส์
• ตัวเปรียบเทียบพัลส์สัญญาณเมื่ออยู่เหนือขีดจำกัดที่ตั้งไว้
• ตัวเปรียบเทียบสัญญาณรบกวนเมื่ออยู่ภายในช่วงขีดจำกัด
• ตัวเปรียบเทียบความบังเอิญของช่อง
• เกณฑ์ทั่วไปสำหรับการกรองเหตุการณ์

ดิจิตอลและไมโครคอนโทรลเลอร์:

• ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลที่รวดเร็ว
• ข้อมูลเอาท์พุตสำหรับการประมวลผลและส่วนต่อประสานกับผู้ใช้

กำลังและการกรอง:

• ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสำหรับทุกขั้นตอน
• แหล่งจ่ายไฟแรงสูงเพื่อสร้างพลังงานอคติ
• การกรองที่เหมาะสมของการกระจายพลังงานทั้งหมด

ฉันเลือกส่วนประกอบต่อไปนี้:

• ตัวแปลง DC Boost: LM 2733
• แอมพลิฟายเออร์การชาร์จ: AD743
• Op-Amps อื่นๆ: LM393 & LM741
• DAQ/การอ่านข้อมูล: Arduino Nano

ข้อกำหนดเพิ่มเติม ได้แก่:

• อัตราการทำงาน: > 250 kHz (84 ช่อง), 50 kHz (บังเอิญ)
• ความละเอียด: 10bit ADC
• อัตราการสุ่มตัวอย่าง: 5kHz (8 ช่อง)
• แรงดันไฟฟ้า: Arduino 5V, ออปแอมป์ 9V, การให้น้ำหนัก ~12V

การจัดเรียงโดยรวมและลำดับของส่วนประกอบข้างต้นแสดงในรูปแผนภาพบล็อก เราทำการคำนวณด้วยค่าส่วนประกอบที่ใช้ในระหว่างขั้นตอนการทดสอบ (ดูภาพที่สาม) (*: ค่าส่วนประกอบบางค่าไม่เหมือนกับที่วางแผนไว้ในตอนแรกและไม่เหมือนกับค่าที่มีอยู่ในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม การคำนวณเหล่านี้จะให้กรอบแนวทาง)

ขั้นตอนที่ 4: วงจร

(คำอธิบายภาพ: (1) แผนผังโดยรวมของสเตจ 1-3 ของแชนเนลเดียว รวมถึงฐานไดโอดและตัวแบ่งแรงดันที่ให้การอ้างอิงถึงแต่ละสเตจ ส่วนย่อยของวงจร)

ตอนนี้เรามาอธิบาย "การไหล" ของสัญญาณการตรวจจับของหนึ่งในสี่ช่องสัญญาณตั้งแต่การสร้างไปจนถึงการได้มาซึ่งดิจิทัล

สเตจ 1

สัญญาณที่น่าสนใจเพียงอย่างเดียวมาจากโฟโตไดโอด เซ็นเซอร์เหล่านี้มีความเอนเอียงแบบย้อนกลับ การจ่ายไบอัสนั้นมีความเสถียร 12V ซึ่งทำงานผ่านฟิลเตอร์ความถี่ต่ำเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการที่มีขนาดใหญ่กว่า 1Hz เมื่อมีการแตกตัวเป็นไอออนของบริเวณพร่อง พัลส์ของประจุจะถูกสร้างขึ้นที่พินของไดโอด สัญญาณนี้ถูกหยิบขึ้นมาโดยขั้นตอนการขยายสัญญาณแรกของเรา: เครื่องขยายการประจุ แอมพลิฟายเออร์แบบชาร์จสามารถสร้างได้ด้วยแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน แต่ข้อกำหนดด้านสัญญาณรบกวนต่ำมีความสำคัญมาก

สเตจ 2

วัตถุประสงค์ของขั้นตอนนี้คือการแปลงพัลส์ประจุที่ตรวจพบที่อินพุทอินพุทเป็นแรงดัน DC ที่เอาต์พุตของ op-amp อินพุตที่ไม่กลับด้านจะถูกกรองและตั้งค่าเป็นตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่ระดับที่รู้จักและเลือก ขั้นตอนแรกนี้ยากต่อการปรับแต่ง แต่หลังจากการทดสอบหลายครั้ง เราได้ตัดสินหาตัวเก็บประจุป้อนกลับ 2[pF] และตัวต้านทานป้อนกลับ 44[MOhm] ส่งผลให้พัลส์เป็น 2[pF] × 44[MOhm] = 88[μs]. แอมพลิฟายเออร์ตัวกรองแบนด์พาสที่ใช้งานกลับด้านซึ่งทำหน้าที่เหมือนตัวสร้างความแตกต่างตามตัวขยายประจุ ขั้นตอนนี้กรองและแปลงระดับการแปลง DC ซึ่งเล็ดลอดออกมาจากสเตจก่อนหน้าเป็นพัลส์ด้วยอัตราขยาย 100 สัญญาณเครื่องตรวจจับดิบจะถูกตรวจสอบที่เอาต์พุตของสเตจนี้

สเตจ 3

ต่อไปเป็นช่องสัญญาณและสัญญาณรบกวน เอาต์พุตทั้งสองนี้ไปยัง DAQ โดยตรงและไปยัง PCB แบบอะนาล็อกที่สอง ทั้งสองทำหน้าที่เป็นตัวเปรียบเทียบ op-amps ข้อแตกต่างระหว่างทั้งสองคือ ช่องสัญญาณรบกวนมีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าที่อินพุตไม่กลับด้านมากกว่าช่องสัญญาณ และช่องสัญญาณยังถูกกรองเพื่อลบความถี่ที่อยู่เหนือพัลส์เอาต์พุตที่คาดไว้จากสเตจการขยายที่สอง ออปแอมป์ LM741 ทำหน้าที่เป็นตัวเปรียบเทียบกับเกณฑ์ตัวแปรเพื่อแยกแยะช่องสัญญาณ ทำให้เครื่องตรวจจับสามารถส่งเฉพาะเหตุการณ์ที่เลือกไปยัง ADC/MCU ตัวต้านทานแบบปรับได้บนอินพุตที่ไม่กลับด้านจะกำหนดระดับทริกเกอร์ ในขั้นตอนนี้ (ตัวนับบังเอิญ) สัญญาณจากแต่ละช่องสัญญาณจะถูกส่งไปยัง op-amp ซึ่งทำหน้าที่เป็นวงจรรวม เกณฑ์คงที่ถูกกำหนดให้สอดคล้องกับสองช่องสัญญาณที่ใช้งานอยู่ op-amp ให้เอาต์พุตสูงหากโฟโตไดโอดสองตัวหรือมากกว่าลงทะเบียนการชนพร้อมกัน

หมายเหตุ: เราทำผิดพลาดครั้งใหญ่โดยการวางตัวแปลงสเต็ปอัพ DC/DC ของกำลังการให้น้ำหนักใกล้กับ op-amps ที่ไวต่อการชาร์จบน PCB การขยายเสียง บางทีเราจะแก้ไขปัญหานี้ในเวอร์ชันที่ใหม่กว่า

ขั้นตอนที่ 5: การประกอบ

การบัดกรี การบัดกรีจำนวนมาก… เนื่องจากเซ็นเซอร์ที่เลือกไว้สำหรับเครื่องตรวจจับขั้นสุดท้ายมีอยู่เป็นส่วนประกอบ SMT Footprint เท่านั้น เราจึงต้องออกแบบ PCB (2 ชั้น) ดังนั้น วงจรที่เกี่ยวข้องทั้งหมดจึงถูกโยกย้ายไปยังบอร์ด PCB แทนที่จะเป็นเขียงหั่นขนม ส่วนประกอบแอนะล็อกทั้งหมดถูกวางบน PCB สองแผ่นแยกกัน และส่วนประกอบดิจิทัลบนอีกส่วนประกอบหนึ่งเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนทางสัญญาณรบกวน นี่เป็น PCBs ตัวแรกที่เราเคยทำ ดังนั้นเราจึงต้องขอความช่วยเหลือเกี่ยวกับเลย์เอาต์ใน Eagle PCB ที่สำคัญที่สุดคือของเซ็นเซอร์และการขยายสัญญาณ ด้วยออสซิลโลสโคปตรวจสอบเอาท์พุตที่จุดทดสอบ เครื่องตรวจจับสามารถทำงานได้กับบอร์ดนี้เท่านั้น (DAQ บายพาส) ฉันพบและแก้ไขข้อผิดพลาดของฉัน สิ่งเหล่านี้รวมถึงรอยเท้าของส่วนประกอบที่ไม่ถูกต้อง ซึ่งส่งผลให้ op-amps เสียงรบกวนต่ำของเราถูกต่อสาย และส่วนประกอบที่หมดอายุการใช้งานซึ่งถูกสลับกับทางเลือกอื่น นอกจากนี้ยังมีการเพิ่มตัวกรองสองตัวในการออกแบบเพื่อระงับการสั่นของเสียงเรียกเข้า

ขั้นตอนที่ 6: สิ่งที่แนบมา

เป้าหมายของปลอกพิมพ์ 3 มิติ แผ่นตะกั่ว และโฟมมีไว้เพื่อ: จุดประสงค์ในการติดตั้ง การแยกความร้อน การป้องกันเสียงรบกวน และเพื่อปิดกั้นแสงโดยรอบ และเห็นได้ชัดว่าเพื่อปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แนบไฟล์ STL การพิมพ์ 3 มิติ

ขั้นตอนที่ 7: อ่านข้อมูล Arduino

ส่วนการอ่านข้อมูล (ADC/DAQ) ของเครื่องตรวจจับประกอบด้วย Arduino Mini (แนบโค้ดมาด้วย) ไมโครคอนโทรลเลอร์นี้จะตรวจสอบเอาท์พุตของเครื่องตรวจจับทั้งสี่ตัวและการจ่ายพลังงานในภายหลัง (คุณภาพกำลังติดตาม) จากนั้นจะส่งออกข้อมูลทั้งหมดบนเอาต์พุตแบบอนุกรม (USB) เพื่อการวิเคราะห์หรือการบันทึกเพิ่มเติม

แอปพลิเคชั่นประมวลผลเดสก์ท็อปได้รับการพัฒนา (แนบมาด้วย) เพื่อพล็อตข้อมูลที่เข้ามาทั้งหมด

ขั้นตอนที่ 8: การทดสอบ

(ตำนานรูป: (1) ผลลัพธ์พัลส์ของแหล่งกำเนิด 60Co (t ~ 760ms) อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ~3:1., (2) การฉีดเทียบเท่ากับประจุที่ฝากโดยแหล่งพลังงาน ~2 MeV., (3) การฉีดเทียบเท่ากับค่าใช้จ่ายที่ฝากโดยแหล่ง 60Co (~ 1.2 MeV))

การฉีดประจุทำได้โดยใช้เครื่องกำเนิดพัลส์ควบคู่กับตัวเก็บประจุ (1pF) ที่แผ่นเซ็นเซอร์และสิ้นสุดที่กราวด์ผ่านตัวต้านทาน 50 โอห์ม ขั้นตอนเหล่านี้ช่วยให้ฉันสามารถทดสอบวงจร ปรับแต่งค่าส่วนประกอบ และจำลองการตอบสนองของโฟโตไดโอดเมื่อสัมผัสกับแหล่งสัญญาณที่ทำงานอยู่ เราตั้งค่าทั้งแหล่งกำเนิด Americium-241 (60 KeV) และ Iron-55 (5.9 KeV) ไว้ข้างหน้าโฟโตไดโอดที่ทำงานอยู่ทั้งสองช่อง และทั้งสองช่องสัญญาณก็ไม่เห็นสัญญาณที่ชัดเจน เราตรวจสอบโดยการฉีดชีพจร และสรุปว่าพัลส์จากแหล่งเหล่านี้อยู่ต่ำกว่าเกณฑ์ที่สังเกตได้เนื่องจากระดับเสียง อย่างไรก็ตาม เรายังคงสามารถเห็นเพลงฮิตจากแหล่งที่มาของ 60Co (1.33 MeV) ปัจจัยจำกัดที่สำคัญระหว่างการทดสอบคือเสียงรบกวนที่มีนัยสำคัญมีหลายแหล่งที่มาของเสียงและคำอธิบายเล็กน้อยเกี่ยวกับสิ่งที่ก่อให้เกิดสิ่งเหล่านี้ เราพบว่าแหล่งที่มาที่สำคัญและเป็นอันตรายที่สุดแหล่งหนึ่งคือการมีสัญญาณรบกวนก่อนขั้นตอนการขยายเสียงครั้งแรก เนื่องจากการเพิ่มขึ้นอย่างมากเสียงนี้จึงเพิ่มขึ้นเกือบร้อยเท่า! อาจมีการกรองพลังงานที่ไม่เหมาะสมและสัญญาณรบกวนของ Johnson ที่ฉีดเข้าไปในลูปป้อนกลับของสเตจแอมพลิฟายเออร์ก็มีส่วนสนับสนุนเช่นกัน (สิ่งนี้จะอธิบายอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนต่ำ) เราไม่ได้ตรวจสอบการพึ่งพาเสียงรบกวนด้วยการให้น้ำหนัก แต่เราอาจพิจารณาเพิ่มเติมในอนาคต

ขั้นตอนที่ 9: ภาพใหญ่ขึ้น

ชมวิดีโอจาก Veritasium เกี่ยวกับสถานที่ที่มีกัมมันตภาพรังสีมากที่สุดในโลก!

หากคุณมาไกลถึงขนาดนี้และทำตามขั้นตอนต่างๆ ก็ยินดีด้วย! คุณได้สร้างเครื่องมือสำหรับการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง เช่น LHC! บางทีคุณควรพิจารณาเปลี่ยนอาชีพและเข้าสู่สาขาฟิสิกส์นิวเคลียร์:) ในด้านเทคนิคเพิ่มเติม คุณได้สร้างเครื่องตรวจจับรังสีโซลิดสเตตที่ประกอบด้วยเมทริกซ์ของโฟโตไดโอดและวงจรที่เกี่ยวข้องเพื่อระบุเหตุการณ์และเลือกปฏิบัติ เครื่องตรวจจับประกอบด้วยขั้นตอนการขยายสัญญาณหลายขั้นตอนที่แปลงพัลส์ประจุขนาดเล็กเป็นแรงดันไฟฟ้าที่สังเกตได้ จากนั้นจึงเลือกปฏิบัติและเปรียบเทียบ ตัวเปรียบเทียบระหว่างช่องสัญญาณยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับการกระจายเชิงพื้นที่ของเหตุการณ์ที่ตรวจพบ คุณยังรวมการใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino และซอฟต์แวร์ที่จำเป็นสำหรับการรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูล

ขั้นตอนที่ 10: การอ้างอิง

นอกจากไฟล์ PDF ที่ยอดเยี่ยมที่แนบมาแล้ว ต่อไปนี้คือแหล่งข้อมูลที่เกี่ยวข้องบางส่วน:

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

- First Sensor, First Sensor PIN PD แผ่นข้อมูล Part Description X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul and Hill, Winfield, The Art of Electronics. สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ 1989

- C. Thiel บทนำเกี่ยวกับเครื่องตรวจจับรังสีเซมิคอนดักเตอร์ เว็บ Physic.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- ลินดอน อีแวนส์, The Large Hadron Collider: a Marvel of Technology, เอ็ด. EPFL กด 2552