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.


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.


Оригинал на босурманском:



Варианты на фотодиодах BPW34, на транзисторах.

Понравилась статья? Леопольд говорит: поделись с друзьями!