9zip.ru - технологии для людей
9zip.ru Радиотехника, электроника и схемы своими руками Твердотельный детектор радиации на фотодиоде

Фотодиоды преобразуют свет в ток, который можно преобразовать в напряжение и усилить. Звучит очень просто. Но при попытке обнаружить гамма-фотон схема такого детектора уже будет не так проста. Она не станет сложной, но конструкция потребует определённых усилий, в которой многие компоненты будут иметь решающее значение.

Прилагаемая здесь схема работает, как обычный счётчик Гейгера. Но, в отличие от традиционных СБМ-20, здесь можно замерять длительность импульсов, чтобы приблизительно определять среднюю энергию гамма-фотонов, если добавить микроконтроллер с АЦП и жк-дисплеем.

При построении подобных твёрдотельных детекторов радиации первым делом следует подумать о выборе фотодиода. Важными параметрами здесь являются: площадь поверхности, ток утечки (темновой ток) и ёмкость. Площадь должна быть как можно больше, а ток утечки и ёмкость - как можно меньше. К сожалению, с увеличением площади кристалла утечка и ёмкость также растут. Площадь кристалла просто повышает покрытие, грубо говоря, чем она больше, тем больше шансов, что частица попадёт именно туда. Гамма фотоны создают ток в фотодиоде; при существенной ёмкости она может поглотить момент удара и детектирования не произойдёт. При обратном смещении фотодиода область истощения увеличивается, а ёмкость - значительно уменьшается. Такой режим обратного смещения называется фотопроводящим режимом. Однако, обратное смещение и ток утечки создают шум. Гамма-фотоны создают очень маленький заряд, выход очень близок к шуму, поэтому нужно тщательно подумать об уменьшении всех возможных помех.

Фотодиод PS100-7-CER-PIN, используемый в данной схеме - очень большой. Его размеры составляют 10*10 мм при ёмкости 80 пФ и токе утечки порядка 2-4 нА. Это очень хорошо, но дорого. Бюджетной альтернативой являются всем известные PBW34, но его площадь существенно меньше, а значит такой детектор следует располагать намного ближе к источнику радиации. Но его ёмкость - значительно меньше, чем у PS100-7-CER-PIN.

Схема детектора радиации
нажми, чтобы увеличить

Первой ступенью усилителя для фотодиода является усилитель, преобразующий ток в напряжение. Сопротивление фотодиода очень высоко, что требует операционного усилителя с входными токами смещения в пикоамперы или меньше и шириной полосы более 1 Мгц, потому что удар фотона генерирует импульсы с частотой около 50-100 кГц. Шум усилителя должен быть очень низким. Также операционный усилитель должен иметь малую входную ёмкость, чтобы не было потерь на высокой частоте. В данной схеме применён усилитель LMP7721 с полосой пропускания 17 МГц, входным током 3 фемтоампера (!) и входной ёмкостью около 8 пФ. Разумеется, можно применить и другие. Например, LM6211 имеет ещё меньшую ёмкость и ток в пикоамперы. Оба эти усилителя имеют отличные параметры по току и шуму.

Резистор обратной связи R4 имеет огромное сопротивление в 47 МОм, при таком усилении вместе с ёмкостью фотодиода всё это станет генератором, поэтому требуется компенсационный конденсатор с резистором. Значение ёмкости можно вычислить по формуле

Ccomp = 1+sqrt(1+4Pi*Rf*Cin*ширина полосы пропускания)/(2Pi*Rf*ширина полосы пропускания)

Убрав единицы, получим:

Ccomp = sqrt(4Pi*47M*80Pf*17MHz)/(2Pi*47M*17MHz)

В нашем случае Cin=80 пФ, ширина полосы пропускания - 17МГц, Rf=47 МОм. В результате расчёта получается значение 0,2 пФ, что слишком мало. Чтобы решить эту проблему, добавлен делитель на резисторах R5 и R6. Это позволит увеличить значение ёмкости. Если резисторы R5 и R6 намного меньше, чем Rf, эффективное значение конденсатора уменьшается на отношение резисторов. Значение этого конденсатора является критическим: если оно велико, то коэффициент усиления уменьшается, а если мало, то уменьшается устойчивость усилителя.

Правильно настроенный каскад выдаёт шум 50-60 мВ. При использовании в качестве источника радиации америция-241 от датчика дыма, сигнал должен быть в районе 200 мВ. Порог обнаружения - около 100 мВ.

Есть мнение, что резистор смещения в цепи фотодиода сопротивлением 1 кОм слишком мал и может быть увеличен до 1...10 МОм. Автор считает, что при крошечном токе утечки фотодиода это сопротивление некритично.

Второй этап усиления - это первая часть LM358. Он имеет низкочастотный спад в районе 20 кГц для устранения наводок 50 Гц и других низкочастотных шумов. Это делается фильтром первого порядка, образованным C9 и R13. Вторая часть LM358 - это компаратор с конденсатором C12, добавленным для усиления импульсов, чтобы усилить звуковой сигнал.

Фотодиод и первая ступень схемы должны быть экранированы фольгой (например, тонкой медной) для защиты от света, наводок и помех. Из-за этого он может обнаруживать только гамма-лучи или космическое излучение, представляющее собой суперзаряженные альфа-частицы.

Детектор радиации

Оригинал на босурманском:



Варианты на фотодиодах BPW34, на транзисторах.


1 нравится? 3

07.03.2018 © 9zip.ru
Авторские права охраняет Роскомнадзор

Понравилась статья? Похвастайся друзьям:

Хочешь почитать ещё про схемы своими руками? Вот что наиболее популярно на этой неделе:
Регулируемый блок питания из блока питания компьютера ATX
Схемы и печатные платы блоков питания на микросхемах UC3842 и UC3843
Зарядное устройство на UC3842/UC3843 с регулировкой напряжения и тока
Леопольд одобряет.


Есть вопросы, комментарии? Напиши:

Имя
Комментарий
Длина текста:
число с картинки
Правила прочитал(а)

Пользовательские теги: bpw34 pin [ Что это? ]

Дальше в разделе радиотехника, электроника и схемы своими руками: IMAX по-русски: USB-вариант умной зарядки на микроконтроллере для любых аккумуляторов, компактный вариант универсального зарядного устройства на микроконтроллере atmega8 для практически любых аккумуляторов с питанием от usb. умеет заряжать, разряжать, подсчитывать ёмкость.

Главная 9zip.ru База знаний радиолюбителя Контакты
Девять кучек хлама:

Радиотехника, электроника и схемы своими руками Ремонт домашней электроники Виртуальный музей старых радиодеталей XX века Ламповый звук hi-end и ретро электроника Катушки Теслы Радиодетали и модули с Aliexpress Интернет и сети, компьютеры и программы Сотовые операторы Инструкции


Дайджест
радиосхем

Новые схемы интернета - в одном месте!

 23.8 Простейшая SSTC
 20.8 Лингафонный кабинет своими руками
 17.8 STM8. Урок 5. Быстрая настройка среды STVD для ...

Рассылка для радиолюбителей


22.8 Новая халява на Aliexpress
10.8 Синяя KAINA за бакс
28.7 Крутые футболки для радиолюбителей за 70p






Новые видео: