9zip.ru Радиотехника, электроника и схемы своими руками Детектор радиации на pin-фотодиодах

Всё началось с того, что автор, заядлый ардуинщик, захотел построить регистратор для отслеживания радиационного фона. Поводом к этому было проживание в Лас-Вегасе, недалеко от которого проводились ядерные испытания.

После экспериментов с несколькими схемами он остановился на одной, которая была опубликована в июньском номере журнала Elekotr за 2011 год.


Схема очень простая. Предусилитель импульсов на двух транзисторах соединён с компаратором, имеющим смещение, чтобы пропускать только высокоэнергетические импульсы, вызванные гамма-лучами.

Всё волшебство заключается в экранированной матрице pin-диодов BPW34, включенных в режиме обратного смещения, которые являются довольно чувствительным детектором радиации, что нам, собственно, и нужно.

Автор подключил всё это отдельным этажом к ардуине.

Квадрат контактных площадок вокруг матрицы фотодиодов позволяет плотно закрыть её медной фольгой, чтобы экранировать от электрических помех и защитить от света. Аналогичный экран требуется и с нижней стороны печатной платы.

Но, несмотря на экранирование, схема оказалась по-прежнему очень чувствительной к электрическим помехам - от платы ардуино снизу. В качестве решения автор постарался программно уменьшить электромагнитные помехи от ардуины путём особой структуры программы. Нам это не очень интересно.

Экспериментируя с собранным детектором, автор заметил, что фотодиоды, являющиеся датчиками радиации, настолько чувствительны к любому рассеянному свету, что даже свет, проникающий с торцов печатной платы, может повлиять на чувствительность схемы. Поэтому очень важно защитить всё устройство от света, для чего автор поместил его в чёрный пластмассовый корпус.

Авторское описание (на английском):



Посмотрим, что же писали в журнале Elektor, публикацией из которого и вдохновился автор.

Первое, что приходит на ум для регистрации радиоактивности - это счётчик Гейгера. Но эти трубки стали труднодоступными и дорогими. Даже если удастся найти такой, то нужно будет найти способ получить высокое рабочее напряжение в несколько сотен вольт. Не все знают, что для обнаружения рентгеновского и гамма-излучения можно использовать скромный фотодиод BPW34.

Преимуществом использования фотодиода являются его небольшие размеры. Фон космического излучения очень мал, поэтому сигналы от небольших образцов будет легче обнаружить такой малой чувствительной областью.

Поведение pin-фотодиода BPW34 аналогично обычной трубке счётчика Гейгера. Альфа-частицы будут остановлены материалом корпуса, гамма-лучи пройдут через который без проблем и создадут много электронно-дырочных пар в слое истощения диода. Если диод имеет обратное включение, почти все носители заряда будут отведены, что соответствует малым импульсам тока, которые можно усилить и обработать. Бета-частицы также могут генерировать такой сигнал, если они достаточно энергетичны для того, чтобы достигнуть слоя истощения.

Амплитуда сигнала, создаваемого фотодиодом, значительно меньше, чем от обычного счётчика Гейгера, поэтому требуется очень малошумящая схема усилителя. Другим требованием к конструкции при использовании pin-фотодиода в качестве датчика бета- и гамма-излучениями является полное исключение света, в противном случае фототок подавит нужный нам сигнал. Можно использовать обычную пищевую алюминиевую фольгу.

Разница между pin-диодом и pn-диодом заключается в том, что первые содержат дополнительную очень лёгкую n-область с высоким сопротивлением, которая находится между областями n и p. Результатом является более широкий слой истощения и, как следствие, - больший объём полупроводника, который может взаимодействовать с фотонами. Такая структура нужна, чтобы получить как можно больше носителей заряда на фотон, увеличивая чувствительность устройства.

Другим способом повышения чувствительность является увеличение чувствительной области фотодиода. Однако, следствием этого является увеличение его ёмкости, что уменьшает амплитуду выходного сигнала. Хорошие полупроводниковые детекторы радиации имеют большую площадь, простые pin-диоды наподобие BPW34 менее чувствительны, но зато значительно более доступны.

Фотодиоды BPW34 и BPX61 практически идентичны, только один выполняется в пластиковом корпусе, а другой - в металлическом со стеклянным окном, которое можно аккуратно удалить, что позволит обнаруживать альфа-частицы.

Радиационное излучение пройдёт через лист алюминиевой фольги толщиной 15 мкм, которая не является препятствием для гамма- и бета-частиц. Альфа-частицы с энергией 4 МэВ или более также пройдут.

В принципе, любой полупроводник чувствителен к ионизирующему излучению, поэтому неудивительно, что и фотодиод чувствителен к нему. Этот эффект хорошо известен в динамических ОЗУ, где данные могут быть повреждены ионизирующим излучением. Эта же проблема решается при создании космической электроники, которая должна выдерживать более высокие уровни радиации.

В литературе усилители для подобных схем обычно строятся с использованием малошумящего операционного усилителя во входном каскаде. Мы используем альтернативный вариант на двух транзисторов. Усилитель с прямой связью автоматически устанавливает рабочую точку с хорошим отношением сигнал-шум на малошумящих транзисторах BC549C.

Вход транзистора имеет сравнительно низкое сопротивление, что даёт хороший уровень шума. Ёмкость база-коллектор первого каскада работает как интегратор, превращая короткие импульсы от фотодиода в более длинные.

Чувствительность также можно увеличить увеличением напряжения на фотодиоде. Это уменьшает ёмкость диода и увеличивает размер истощающего слоя. Напряжение может достигать 32 вольт, хотя оптимальное значение, наверное, ниже: фотодиод хорошо работает уже на 9 вольтах. Выход предварительно усилителя можно подключить к осциллографу для просмотра формы сигнала.

Осциллограф следует переключить в режим переменного тока с чувствительностью 50 мВ и развёрткой 0,2 мс на деление. В состоянии покоя будет наблюдаться полоса шума около 30 мВ. Гамма-луч, попадающий на датчик, будет восприниматься как положительный импульс с небольшим отрицательным нижним уровнем, следующим за ним. Если видны сильные отрицательные импульсы, то это - признак того, что схема недостаточно экранирована и реагирует на радиочастотные помехи. Излучение, которое мы пытаемся обнаружить, даёт только положительные импульсы. В отличие от трубки Гейгера, этот детектор может определять энергию отдельных частиц, что позволяет делать выводы о типах распадающихся ядер. В отличие от счётчика Гейгера, который фиксирует космическое излучение, у фотодиода фоновый коэффициент практически равен нулю. Гамма-лучи, хоть и влияют на фотодиод, но из-за его гораздо меньшей чувствительной области это происходит намного реже.

Варианты на фотодиоде PS100-7-CER-PIN, на транзисторах.

Понравилась статья? Кащей говорит: поделись с друзьями!