Շարժական ճառագայթման դետեկտոր. 10 քայլ (նկարներով)

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:51

Սա ձեռնարկ է `նախագծելու, կառուցելու և փորձարկելու ձեր սեփական դյուրակիր սիլիկոնային ֆոտոդոդի ճառագայթման դետեկտորը, որը հարմար է 5keV-10MeV հայտնաբերման տիրույթին` ճառագայթաակտիվ աղբյուրներից եկող ցածր էներգիայի գամմա-ճառագայթների ճշգրիտ չափման համար: Ուշադրություն դարձրեք, եթե չեք ցանկանում դառնալ ռադիոակտիվ զոմբի. Վտանգավոր չէ լինել բարձր ճառագայթման աղբյուրների կողքին, և այս սարքը Չպետք է օգտագործվի որպես պոտենցիալ վնասակար ճառագայթման հայտնաբերման հուսալի միջոց:

Եկեք սկսենք դետեկտորի վերաբերյալ մի փոքր նախնական գիտությամբ, նախքան դրա շինարարությանը անցնելը: Վերևում Veritasium- ի հիանալի տեսանյութ է, որը բացատրում է, թե ինչ է ճառագայթումը և որտեղից է այն գալիս:

Քայլ 1: Նախ, շատ ֆիզիկա

(Նկար առասպել. Իոնացնող ճառագայթումը ներքին տարածաշրջանում ձևավորում է էլեկտրոն-անցքերի զույգեր, որոնք առաջացնում են լիցքավորման զարկերակ):

Կայծային խցիկներ, Գայգերի և Ֆոտո-բազմապատկիչ խողովակների դետեկտորներ … այս բոլոր տեսակի դետեկտորները կամ ծանր են, թանկ են կամ օգտագործում են բարձր լարման աշխատանքներ: Կան արտադրողների համար հարմար Geiger խողովակների մի քանի տեսակներ, ինչպիսիք են ՝ https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 և https://www.adafruit.com/product/483: Radiationառագայթման հայտնաբերման այլ մեթոդներ են պինդ վիճակի դետեկտորները (օրինակ ՝ գերմանի դետեկտորները): Այնուամենայնիվ, դրանք թանկ են արտադրելու համար և պահանջում են մասնագիտացված սարքավորումներ (մտածեք հեղուկ ազոտի սառեցման մասին): Ընդհակառակը, պինդ վիճակի դետեկտորները շատ ծախսարդյունավետ են: Դրանք լայնորեն օգտագործվում են և էական դեր են խաղում բարձր էներգիայի մասնիկների ֆիզիկայում, բժշկական ֆիզիկայում և աստղաֆիզիկայում:

Այստեղ մենք կառուցում ենք շարժական պինդ վիճակի ճառագայթման դետեկտոր, որն ունակ է ճշգրիտ չափելու և հայտնաբերելու ռադիոակտիվ աղբյուրներից եկող ցածր էներգիայի գամմա-ճառագայթներ: Սարքը բաղկացած է հակադարձ կողմնակալ մեծ մակերևույթի սիլիցիումային PiN դիոդների զանգվածից, որոնք դուրս են գալիս լիցքավորման նախնական ուժեղացուցիչի, դիֆերենցիալիստի ուժեղացուցիչի, խտրականության և համեմատիչի: Բոլոր հաջորդական փուլերի ելքը փոխակերպվում է թվային ազդանշանների `վերլուծության համար: Մենք կսկսենք նկարագրելով սիլիցիումի մասնիկների դետեկտորների, PiN դիոդների, հակադարձ կողմնակալության և հարակից այլ պարամետրերի սկզբունքները: Այնուհետև մենք կբացատրենք կատարված տարբեր հետազոտությունները և կատարված ընտրությունները: Ի վերջո, մենք կներկայացնենք վերջնական նախատիպը և փորձարկումները:

SolidState Detectors

Radiationառագայթման հայտնաբերման շատ ծրագրերում պինդ հայտնաբերման միջավայրի օգտագործումը զգալի առավելություն ունի (այլընտրանքային կոչվում են կիսահաղորդչային դիոդային դետեկտորներ կամ պինդ վիճակի դետեկտորներ): Սիլիկոնային դիոդներն ընտրության դետեկտորներն են մեծ թվով ծրագրերի համար, հատկապես, երբ ներգրավված են ծանր լիցքավորված մասնիկներ: Եթե էներգիայի չափում չի պահանջվում, ապա սիլիկոնային դիոդային դետեկտորների ժամանակային գերազանց բնութագրերը թույլ են տալիս լիցքավորված մասնիկների ճշգրիտ հաշվարկում և հետևում:

Բարձր էներգիայի էլեկտրոնների կամ գամմա-ճառագայթների չափման համար դետեկտորի չափերը կարող են շատ ավելի փոքր լինել, քան այլընտրանքները: Կիսահաղորդչային նյութերի օգտագործումը որպես ճառագայթման դետեկտորներ հանգեցնում է նաև ճառագայթման տվյալ իրադարձության ավելի մեծ թվով կրիչների, և, հետևաբար, էներգիայի լուծման ավելի ցածր վիճակագրական սահմանին, քան հնարավոր է այլ դետեկտորների դեպքում: Հետևաբար, այսօրվա էներգիայի լավագույն լուծումը կատարվում է նման դետեկտորների օգտագործման միջոցով:

Հիմնական տեղեկատվական կրիչներն են էլեկտրոն-անցքերի զույգերը, որոնք ստեղծվում են դետեկտորի միջոցով լիցքավորված մասնիկի անցած ճանապարհով (տե՛ս նկարը վերևում): Հավաքելով այս էլեկտրոն-անցքերի զույգերը, որոնք չափվում են որպես սենսորի էլեկտրոդների լիցքեր, ձևավորվում է հայտնաբերման ազդանշանը, որն անցնում է ուժեղացման և խտրականության փուլերին: Պինդ վիճակի դետեկտորների լրացուցիչ ցանկալի հատկանիշներն են կոմպակտ չափը, ժամանակի համեմատաբար արագ բնութագրերը և արդյունավետ հաստությունը (*): Ինչպես ցանկացած դետեկտորի դեպքում, կան թերություններ, ներառյալ փոքր չափերի սահմանափակումը և ճառագայթման հետևանքով առաջացած վնասներից այս սարքերի կատարողականի վատթարացման համեմատաբար հնարավորությունը:

(*: Բարակ սենսորները նվազագույնի են հասցնում բազմաթիվ ցրվածությունները, մինչդեռ ավելի հաստ սենսորները ավելի շատ լիցքեր են առաջացնում, երբ մասնիկը հատում է հիմքը):

P − i − N դիոդներ

Typeառագայթման դետեկտորի յուրաքանչյուր տեսակ ճառագայթման հետ փոխազդեցությունից հետո արտադրում է բնորոշ ելք: Մասնիկների փոխազդեցությունը նյութի հետ առանձնանում են երեք ազդեցությամբ.

1. ֆոտոէլեկտրական էֆեկտ
2. Կոմպտոնի ցրումը
3. Irույգ արտադրություն:

Սիլիկոնային դետեկտորի հիմնական սկզբունքն է PN միացման օգտագործումը, որի ընթացքում մասնիկները փոխազդում են այս երեք երևույթների միջոցով: Սիլիցիումի ամենապարզ սենսորը բաղկացած է P դոպեդացված հիմքից և N- իմպլանտից մի կողմից: Էլեկտրոն-անցքերի զույգերը ստեղծվում են մասնիկների հետագծի երկայնքով: PN հանգույցի տարածքում կա անվճար փոխադրող շրջան, որը կոչվում է սպառման գոտի: Այս շրջանում ստեղծված էլեկտրոն-անցքերի զույգերը բաժանված են շրջակա էլեկտրական դաշտով: Հետևաբար, լիցքավորման կրիչները կարող են չափվել սիլիցիումի նյութի N կամ P- կողմերում: PN հանգույցի դիոդին հակադարձ կողմնակալ լարման կիրառմամբ, սպառված գոտին մեծանում է և կարող է ծածկել սենսորային ամբողջական ենթաշերտը: Այս մասին ավելին կարող եք կարդալ այստեղ ՝ Pin Junction Wikipedia հոդված:

PiN դիոդն ունի ներքին i տարածք ՝ P և N հանգույցների միջև, ողողված P և N- շրջաններից լիցքավորիչներով: Այս լայն ներքին շրջանը նաև նշանակում է, որ դիոդն ունի ցածր հզորություն ՝ հակադարձ կողմնակալության դեպքում: PiN դիոդում սպառման շրջանը գրեթե ամբողջությամբ գոյություն ունի ներքին տարածաշրջանում: Այս սպառման շրջանը շատ ավելի մեծ է, քան սովորական PN դիոդով: Սա մեծացնում է ծավալը, որտեղ էլեկտրոն-անցքերի զույգերը կարող են առաջանալ պատահական ֆոտոնի միջոցով: Եթե կիսահաղորդչային նյութի վրա կիրառվում է էլեկտրական դաշտ, ապա էլեկտրոններն ու անցքերը անցնում են միգրացիայի: PiN դիոդը հակառակ կողմնակալ է, այնպես որ ամբողջ i- շերտը սպառվում է ազատ կրիչներից: Այս հակադարձ կողմնակալությունը ստեղծում է էլեկտրական դաշտ i- շերտի վրայով, այնպես որ էլեկտրոնները ձգվում են դեպի P շերտը և անցքերը ՝ դեպի N շերտ (*4):

Radiationառագայթման զարկերակին ի պատասխան կրիչների հոսքը կազմում է չափված ընթացիկ զարկերակը: Այս հոսանքը առավելագույնի հասցնելու համար i- շրջանը պետք է լինի հնարավորինս մեծ: Խաչմերուկի հատկություններն այնպիսին են, որ հակառակ ուղղությամբ կողմնակալության դեպքում այն շատ քիչ հոսանք է վարում: Խաչմերուկի P- կողմը բացասական է դառնում N- կողմի նկատմամբ, և բնական ներուժի տարբերությունը խաչմերուկի մի կողմից մյուսը մեծանում է: Այս հանգամանքներում, հենց փոքրամասնության կրիչներն են գրավում խաչմերուկը և, քանի որ դրանց կոնցենտրացիան համեմատաբար ցածր է, դիոդի հակառակ հոսանքը բավականին փոքր է: Երբ հակառակ կողմնակալությունը կիրառվում է հանգույցի վրա, գործնականում ամբողջ կիրառվող լարումը հայտնվում է սպառման շրջանում, քանի որ դրա դիմադրողականությունը շատ ավելի բարձր է, քան սովորական N կամ P տիպի նյութը: Իրոք, հակառակ կողմնակալությունը շեշտում է խաչմերուկի պոտենցիալ տարբերությունը: Սպառման շրջանի հաստությունը նույնպես մեծանում է ՝ ընդլայնելով այն ծավալը, որի վրա հավաքվում են ճառագայթման արդյունքում առաջացած լիցքավորիչները: Երբ էլեկտրական դաշտը բավականաչափ բարձր է, լիցքի հավաքումը դառնում է ամբողջական, և զարկերակի բարձրությունն այլևս չի փոխվում դետեկտորի կողմնակալ լարման հետագա աճի հետ:

(*1. Ատոմի կապված վիճակում գտնվող էլեկտրոնները ֆոտոններով թակվում են, երբ միջադեպի մասնիկների էներգիան ավելի մեծ է, քան կապող էներգիան. և էներգիայի մի մասի փոխանցում էլեկտրոնին: *3. Տարրական մասնիկի և դրա հակամասնիկի արտադրություն: *4: Էլեկտրոնները գծվում են էլեկտրական դաշտի վեկտորի հակառակ ուղղությամբ, մինչդեռ անցքերը շարժվում են նույն ուղղությամբ ուղղությունը ՝ որպես էլեկտրական դաշտ)

Քայլ 2: Հետախուզություն

Սա «դետեկտորի» նախատիպն է, որը մենք կառուցել ենք, կարգաբերել և փորձարկել: Դա մատրիցա է, որը բաղկացած է բազմաթիվ սենսորներից `ունենալու« CCD »ոճի ճառագայթման տվիչ: Ինչպես արդեն նշվեց, սիլիցիումի բոլոր կիսահաղորդիչները զգայուն են ճառագայթման նկատմամբ: Կախված նրանից, թե որքան ճշգրիտ է այն և օգտագործված տվիչներից, կարելի է նաև մոտավոր պատկերացում կազմել հարված հասցրած մասնիկի էներգիայի մակարդակի մասին:

Մենք օգտագործել ենք անզուսպ դիոդներ, որոնք արդեն նախատեսված են զգայելու համար, որոնք հակադարձ կողմնակալությամբ (և պաշտպանված տեսանելի լույսից) կարող են գրանցել բետա և գամմա ճառագայթման հարվածներ `ուժեղացնելով փոքր ազդանշանները և կարդալ ելքային տվյալները միկրոկոնտրոլերով: Ալֆա ճառագայթումը, սակայն, հազվադեպ կարող է հայտնաբերվել, քանի որ այն չի կարող ներթափանցել նույնիսկ բարակ հյուսվածքի կամ պոլիմերային պաշտպանիչ ծածկույթի միջոցով: Կից ներկայացված է Veritasium- ի հիանալի տեսանյութ, որը բացատրում է ճառագայթման տարբեր տեսակները (Ալֆա, Բետա և Գամմա):

Նախնական դիզայնի կրկնությունները օգտագործում էին այլ սենսոր (BPW-34 ֆոտոդիոդ. Հայտնի սենսոր, եթե ման եք գալիս Google- ում): Կան նույնիսկ մի քանի համապատասխան հրահանգներ, որոնք այն օգտագործում են ճառագայթման հայտնաբերման համար, ինչպիսին է այս գերազանցը ՝ https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/: Այնուամենայնիվ, քանի որ այն որոշ սխալներ ուներ և օպտիմալ չէր գործում, մենք որոշեցինք այս նախատիպի մանրամասները բաց թողնել այս Instructables- ում ՝ խուսափելու համար, որ արտադրողները թերություններով լի դետեկտոր չկառուցեն: Այնուամենայնիվ, մենք կցեցինք դիզայնի ֆայլերը և սխեմատիկ, եթե ինչ -որ մեկը հետաքրքրված է:

Քայլ 3: Դիզայն

(Պատկերների լեգենդներ. (1) Դետեկտորի բլոկային դիագրամ. Ազդանշանի ստեղծումից մինչև տվյալների ձեռքբերում: Ինչպես ցույց է տրված ներծծման հավանականության գծապատկերում, PiN դիոդները հեշտությամբ ներծծում են գամմա-ճառագայթների էներգիան, (3) Արտադրողի կիրառման գրառումը, որը հաստատել է դիզայնի հայեցակարգը և օգնել ընտրել բաղադրիչի սկզբնական արժեքները:

Մենք որոշեցինք ավելի մեծ տարածքի տվիչի համար, այն է ՝ Առաջին սենսորից X100−7- ը: Փորձարկման նպատակների և մոդուլյարության համար մենք նախագծեցինք երեք տարբեր մասեր ՝ միմյանց վրա դրված ՝ սենսորներ և ուժեղացում (ցածր աղմուկի լիցքավորման ուժեղացուցիչ + զարկերակային ձևավորման ուժեղացուցիչ), խտրականություն և համեմատիչ, DC/DC կարգավորում և DAQ (տվյալների ձեռքբերման Arduino): Յուրաքանչյուր փուլ հավաքվել, վավերացվել և փորձարկվել է առանձին, ինչպես կտեսնեք հաջորդ քայլին:

Կիսահաղորդչային դետեկտորների հիմնական առավելությունը փոքր իոնացման էներգիան է (E) ՝ անկախ էներգիայից և պատահական ճառագայթման տեսակից: Այս պարզեցումը թույլ է տալիս հաշվի առնել էլեկտրոն-անցքերի մի շարք զույգեր ճառագայթման էներգիայի առումով, եթե մասնիկը լիովին կանգնեցվի դետեկտորի ակտիվ ծավալի սահմաններում: Սիլիցիումի համար 23C (*) մենք ունենք E ~ 3.6eV: Ենթադրելով, որ ամբողջ էներգիան նստված է և օգտագործելով իոնացման էներգիան, կարող ենք հաշվարկել տվյալ աղբյուրի արտադրած էլեկտրոնների թիվը: Օրինակ, Americium − 241 աղբյուրից 60 կՎգամամ ճառագայթը կհանգեցնի 0.045 fC/keV լիցքի լիցքավորման: Ինչպես ցույց է տրված դիոդի բնութագրերի բնութագրերում, մոտ 15 Վ ~ կողմնակալ լարման դեպքում սպառման շրջանը կարող է մոտավոր լինել որպես հաստատուն: Սա սահմանում է մեր կողմնակալ լարման թիրախային տիրույթը մինչև 12−15V: (*: E- ն ավելանում է ջերմաստիճանի նվազումով):

Դետեկտորի տարբեր մոդուլների, դրանց բաղադրիչների և հարակից հաշվարկների ֆունկցիոնալությունը: Դետեկտորը գնահատելիս զգայունությունը (*1) որոշիչ էր: Պահանջվում է չափազանց զգայուն լիցքավորման նախալարացուցիչ, քանի որ պատահական գամմա-ճառագայթը կարող է առաջացնել կիսահաղորդիչների սպառման շրջանում ընդամենը մի քանի հազար էլեկտրոն: Քանի որ մենք ուժեղացնում ենք մի փոքր ընթացիկ զարկերակ, հատուկ ուշադրություն պետք է դարձնել բաղադրիչների ընտրությանը, պաշտպանիչ ծածկույթի և տպատախտակի դասավորությանը:

(*1. Նվազագույն էներգիա, որը պետք է տեղադրվի դետեկտորում `հստակ ազդանշան արտադրելու համար, և ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունը):

Բաղադրիչների արժեքները ճիշտ ընտրելու համար ես նախ ամփոփում եմ պահանջները, ցանկալի բնութագրերը և սահմանափակումները.

Սենսորներ:

• Հայտնաբերման հնարավոր մեծ տիրույթ ՝ 1 կՎ -1 Մև
• Lowածր հզորություն `աղմուկը նվազագույնի հասցնելու համար, 20pF-50pF
• Աննշան արտահոսքի հոսանք հակառակ կողմնակալության ներքո:

Խստացում և խտրականություն

• Լիցքավորեք զգայուն նախնական ուժեղացուցիչներ
• Pulարկերակի ձևավորման տարբերակիչ
• Ազդանշանի զարկերակի համեմատիչ, երբ սահմանված շեմից բարձր է
• Աղմուկի ելքի համեմատիչ `շեմի միջակայքում
• Ալիքների համընկնումների համեմատող
• Իրադարձությունների զտման ընդհանուր շեմ:

Թվային և միկրոհսկիչ

• Արագ անալոգային-թվային կերպափոխիչներ
• Մշակման և օգտագործողի միջերեսի համար ելքային տվյալներ:

Հզորություն և զտիչ

• Լարման կարգավորիչներ բոլոր փուլերի համար
• Բարձր լարման մատակարարում `կողմնակալության էներգիա առաջացնելու համար
• Բոլոր էներգիայի բաշխման ճիշտ զտումը:

Ես ընտրեցի հետևյալ բաղադրիչները.

• DC Boost փոխարկիչ ՝ LM 2733
• Լիցքավորման ուժեղացուցիչներ ՝ AD743
• Այլ օպերատորներ ՝ LM393 և LM741
• DAQ/Ընթերցում ՝ Արդուինո Նանո:

Լրացուցիչ պարտադրված բնութագրերը ներառում են.

• Գործողության արագությունը `> 250 կՀց (84 ալիք), 50 կՀց (համընկնում)
• Բանաձևը ՝ 10 բիթ ADC
• Նմուշի արագություն ՝ 5 կՀց (8 ալիք)
• Լարեր. 5V Arduino, 9V op-amps, ~ 12V կողմնակալություն:

Վերոնշյալ բաղադրիչների ընդհանուր դասավորությունը և կարգը ներկայացված են բլոկ -դիագրամում: Մենք հաշվարկները կատարել ենք թեստավորման փուլում օգտագործվող բաղադրիչ արժեքներով (տես երրորդ պատկերը): (*: Բաղադրիչի որոշ արժեքներ նույնը չեն, ինչ սկզբում պլանավորված էր, կամ նույնը, ինչ ներկայումս առկա է, այնուամենայնիվ, այս հաշվարկները տալիս են ուղեցույցի շրջանակ):

Քայլ 4: Շղթաները

(Նկարներ լեգենդներ. (1) Մեկ ալիքի 1-3-րդ փուլերի ընդհանուր սխեմատիկ պատկերը, ներառյալ դիոդների հիմքի և լարման բաժանարարները, որոնք հղումներ են տալիս յուրաքանչյուր փուլին, Շրջանի ենթաբաժիններին:)

Եկեք այժմ բացատրենք չորս ալիքներից մեկի հայտնաբերման ազդանշանի «հոսքը» `դրա ստեղծումից մինչև թվային ձեռքբերում:

Փուլ 1

Հետաքրքրության միակ ազդանշանը ծագում է ֆոտոդիոդներից: Այս տվիչները հակառակ կողմնակալ են: Կողմնորոշիչ մատակարարումը կայուն 12 Վ է, որն անցնում է ցածր անցման ֆիլտրով ՝ 1 Հց -ից ավելի մեծ անցանկալի աղմուկը վերացնելու համար: Սպառման շրջանի իոնացումից հետո դիոդի կապում ստեղծվում է լիցքավորման զարկերակ: Այս ազդանշանը վերցնում է մեր առաջին ուժեղացման փուլը `լիցքի ուժեղացուցիչը: Լիցքավորման ուժեղացուցիչ կարող է կատարվել ցանկացած գործառնական ուժեղացուցիչի հետ, սակայն ցածր աղմուկի ճշգրտումը շատ կարևոր է:

Փուլ 2

Այս փուլի նպատակն է փոխակերպվող մուտքում հայտնաբերված լիցքավորման զարկերակը փոխարկել հոսանքի լարման `op-amp- ի ելքի վրա: Ոչ շրջող մուտքը զտվում է և դրվում լարման բաժանարարի հայտնի և ընտրված մակարդակով: Այս առաջին փուլը դժվար է կարգաբերել, բայց բազմաթիվ փորձարկումներից հետո մենք որոշեցինք հետադարձ կապի կոնդենսատորի 2 [pF] և 44 [MOhm] հետադարձ ռեզիստորի համար, որի արդյունքում ստացվեց զարկերակ 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs] Շրջվող ակտիվ շրջանցման ֆիլտրի ուժեղացուցիչը, որը գործում է որպես տարբերակիչ, հետևում է լիցքավորման ուժեղացուցիչին: Այս փուլը զտում և փոխակերպում է փոխարկվող DC մակարդակը ՝ նախորդ փուլից բխելով զարկերակի 100 -ով:

Փուլ 3

Հաջորդ շարքում են ազդանշանի և աղմուկի ալիքները: Այս երկու ելքերը գնում են անմիջապես DAQ- ին, ինչպես նաև երկրորդ անալոգային PCB- ին: Երկուսն էլ գործում են որպես op-amps համեմատիչներ: Երկուսի միջև եղած միակ տարբերությունն այն է, որ աղմուկի ալիքն ունի ավելի ցածր լարման ազդանշանային ալիքից, քան ազդանշանը, և ազդանշանային ալիքը նույնպես ֆիլտրացված է ՝ երկրորդ ուժեղացման փուլից ակնկալվող ելքային զարկերակից բարձր հաճախականությունները հեռացնելու համար: LM741 op-amp- ը հանդես է գալիս որպես համեմատիչ փոփոխական շեմի դեմ `ազդանշանային ալիքը տարբերելու համար, ինչը հնարավորություն է տալիս դետեկտորին միայն ընտրված իրադարձություններ ուղարկել ADC/MCU- ին: Ոչ շրջվող մուտքի փոփոխական դիմադրությունը սահմանում է ձգանի մակարդակը: Այս փուլում (համընկնումների հաշվիչ) յուրաքանչյուր ալիքից ազդանշանները սնվում են op-amp- ով, որը հանդես է գալիս որպես գումարման միացում: Սահմանված է շեմ, որը համընկնում է երկու ակտիվ ալիքների հետ: Օպերացիոն հզորությունը մեծ է, եթե երկու կամ ավելի ֆոտոդիոդներ միաժամանակ գրանցում են հարված:

Նշում. Մենք վճռական սխալ թույլ տվեցինք ՝ կողմնակալության DC/DC արագացման փոխարկիչը տեղադրելով ուժեղացման PCB- ի լիցքավորման նկատմամբ զգայուն op-amps- ի մոտ: Միգուցե մենք դա շտկենք ավելի ուշ տարբերակում:

Քայլ 5: Համագումար

Sոդում, շատ զոդում… Քանի որ վերջնական դետեկտորի համար ընտրված սենսորը գոյություն ունի միայն որպես SMT ոտնահետքի բաղադրիչ, մենք ստիպված էինք նախագծել PCB (2 շերտ): Հետևաբար, բոլոր հարակից սխեմաները նույնպես տեղափոխվել են ոչ թե հացահատիկի, այլ PCB տախտակների վրա: Բոլոր անալոգային բաղադրիչները տեղադրված էին երկու առանձին PCB- ների վրա, իսկ թվային բաղադրիչները `մյուսի վրա` աղմուկի միջամտությունից խուսափելու համար: Սրանք առաջին PCB- ներն էին, որոնք մենք երբևէ պատրաստել էինք, ուստի մենք պետք է օգնություն ստանայինք Eagle- ի դասավորության համար: Ամենակարևոր PCB- ն սենսորների և ուժեղացման համակարգերն են: Փորձնական կետերում ելքերը մոնիտորինգի ենթարկող օսկիլոսկոպով դետեկտորը կարող է գործել միայն այս տախտակի միջոցով (DAQ շրջանցում): Ես գտա և շտկեցի իմ սխալները. դրանք ներառում էին բաղադրիչի սխալ հետքերը, որի արդյունքում մեր ցածր աղմուկի ուժեղացուցիչները մետաղալարեր էին լսվում, և կյանքի վերջի բաղադրիչները, որոնք փոխարինվում էին այլընտրանքներով: Բացի այդ, նախագծին ավելացվել է երկու զտիչ `զանգի տատանումները ճնշելու համար:

Քայլ 6: Շրջանակը

Եռաչափ տպված պատյանների, կապարի թերթի և փրփուրի նպատակը հետևյալն է. Կցվում են STL ֆայլերի 3D տպագրություն:

Քայլ 7: Arduino- ի ընթերցում

Դետեկտորի ընթերցվող (ADC/DAQ) մասը բաղկացած է Arduino Mini- ից (ծածկագիրը կցված է): Այս միկրոկառավարիչը վերահսկում է չորս դետեկտորների ելքերը և ավելի ուշ մատակարարվող էներգիան (հետևում է էներգիայի որակին), այնուհետև դուրս է բերում սերիական ելքի (USB) բոլոր տվյալները ՝ հետագա վերլուծության կամ ձայնագրման համար:

Բոլոր մուտքային տվյալները գծապատկերելու համար մշակվեց (կցվում է) Processing desktop ծրագիր:

Քայլ 8: Փորձարկում

(Նկարի լեգենդներ. (1) 60Co աղբյուրի (t ~ 760 մկ) ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցության արդյունքում ստացված զարկերակը ~ 3: 1., (2) Ներարկման համարժեք էներգիայի աղբյուրից նստած լիցքին ` 3) 60Co աղբյուրի կողմից գանձված վճարին համարժեք ներարկում (~ 1.2 MeV)):

Լիցքավորման ներարկումը կատարվեց իմպուլսային գեներատորի միջոցով, որը միացված էր կոնդենսատորի հետ (1pF) սենսորային պահոցում և ավարտվեց գետնին 50 Օմ ռեզիստորի միջոցով: Այս ընթացակարգերն ինձ հնարավորություն տվեցին ստուգել իմ սխեմաները, ճշգրտել բաղադրիչի արժեքները և մոդելավորել ֆոտոդիոդների արձագանքները ակտիվ աղբյուրի ազդեցության տակ: Երկու ակտիվ ֆոտոդիոդների առջև մենք դրեցինք և՛ Americium − 241 (60 KeV), և՛ Iron − 55 (5.9 KeV) աղբյուր, և ոչ մի ալիք չտեսավ տարբերակիչ ազդանշան: Մենք ստուգեցինք իմպուլսային ներարկումների միջոցով և եզրակացրեցինք, որ այս աղբյուրներից ստացված զարկերակները աղմուկի մակարդակի պատճառով ցածր էին դիտարկելի շեմից: Այնուամենայնիվ, մենք դեռ կարողացանք հիթեր տեսնել 60Co (1.33 MeV) աղբյուրից: Թեստերի ընթացքում հիմնական սահմանափակող գործոնը զգալի աղմուկն էր:Աղմուկի բազմաթիվ աղբյուրներ կային և քիչ բացատրություններ, թե ինչն է դրանք առաջացնում: Մենք պարզեցինք, որ ամենանշանակալի և վնասակար աղբյուրներից մեկը աղմուկի առկայությունն էր նախքան ուժեղացման առաջին փուլը: Հսկայական շահույթի շնորհիվ այս աղմուկը գրեթե հարյուրապատկվեց: Հնարավոր է, որ դրան նպաստում էր նաև էներգիայի ոչ պատշաճ զտումը և Johnsonոնսոնի աղմուկը, որը նորից ներարկվում էր ուժեղացուցիչի հետադարձ կապի օղակների մեջ (սա կբացատրեր ազդանշանի և աղմուկի ցածր հարաբերակցությունը): Մենք չենք ուսումնասիրել աղմուկի կախվածությունը կողմնակալությամբ, բայց հետագայում կարող ենք դրան ավելի մանրամասն անդրադառնալ:

Քայլ 9: Ավելի մեծ պատկեր

Դիտեք Veritasium- ի տեսանյութը երկրի ամենառադիոակտիվ վայրերի մասին:

Եթե դուք հասել եք այսքան հեռու և հետևել քայլերին, ապա շնորհավորում եմ: Դուք սարքել եք սարք LHC- ի նման իրական ծրագրերի համար: Հավանաբար, պետք է հաշվի առնել կարիերայի փոփոխությունը և անցնել միջուկային ֆիզիկայի ոլորտ:) Ավելի տեխնիկական առումով, դուք կառուցել եք պինդ վիճակի ճառագայթման դետեկտոր, որը բաղկացած է ֆոտոդիոդների և հարակից միացումներից `իրադարձությունները տեղայնացնելու և խտրականացնելու համար: Դետեկտորը բաղկացած է ուժեղացման մի քանի փուլից, որոնք փոքր լիցքի իմպուլսները վերածում են դիտելի լարման, այնուհետև տարբերակում և համեմատում դրանք: Ալիքների միջև համեմատիչը նաև տեղեկատվություն է տալիս հայտնաբերված իրադարձությունների տարածական բաշխման վերաբերյալ: Դուք նաև ներառեցիք Arduino միկրոհսկիչի և տվյալների հավաքման և վերլուծության համար անհրաժեշտ ծրագրակազմի օգտագործումը:

Քայլ 10: Հղումներ

Ի լրումն կցված հիանալի PDF- ների, ահա որոշ հարակից տեղեկատվական ռեսուրսներ.

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

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

- Հորովից, Փոլ և Հիլ, Ուինֆիլդ, Էլեկտրոնիկայի արվեստը: Քեմբրիջի համալսարանի հրատարակություն, 1989:

- C. Thiel, Introduction to Semiconductor Radiation Detectors, Web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- Լինդոն Էվանս, Հադրոնի մեծ բախիչ. Տեխնոլոգիայի հրաշք, Էդ. EPFL Press, 2009: